ギアボックス健全性モニタリングのためのシステムおよび方法
システムは、ギアボックスの１つまたは複数の特性を測定するように構成された複数のセンサ（３２２〜３２４）を含む。このシステムはギアボックス状態指標デバイス（３００）をさらに含み、それは、ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号をセンサから受け取るように構成された複数のセンサインタフェース（３２０）を含む。ギアボックス状態指標デバイスは、入力信号を使用してギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサ（３３０）と、障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェース（３７０）とをさらに含む。プロセッサは、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連する一群の周波数（６４０）を決定し、一群の周波数を使用して入力信号を分解し、分解入力信号を使用してギア信号を復元し、復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較することによって障害を識別するように構成される。一群の周波数は噛み合い周波数およびその高調波を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、一般に、ギアボックスデバイスに関し、より具体的には、ギアボックス健全性モニタリングのためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]ギアボックスはあらゆる産業における普遍の構成要素である。ギアボックス用途には、しばしば減速および動力伝達が含まれる。ギアボックスは単段ギアボックスまたは多段ギアボックスとすることができる。さらに、ギアボックスは、一般に、外部伝動装置、内部伝動装置、およびラックピニオン伝動装置を含む。
【０００３】
[0003]ある調査では、ギアボックス故障が航空機におけるすべての故障モード（例えば、疲労）の３４パーセント（３４％）を占めることが判明している。別の調査では、ギアボックス故障が特定の産業におけるすべての故障の１５パーセント（１５％）を占めることが示されている。ギアボックス故障は、一般に、プラント休止時間に起因する収益の損失をもたらす。というのは、これらのプラントではギアボックスの故障したユニットに対するバックアップ代替物がしばしば利用可能でないからである。したがって、ギアボックスの潜在的故障（例えば、障害）を初期段階で検出するのは、二次損傷を防止するのに役立ち、メンテナンス費を節約し、プラント使用可能時間（例えば、機械稼働率）を改善し、プラント休止時間による潜在的財務損失を減じ、生産性の向上に役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]本開示はギアボックス健全性モニタリングのためのシステムおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]第１の実施形態では、装置が、ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を受け取るように構成された入力インタフェースを含む。この装置は、入力信号を使用してギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサをさらに含む。この装置は、障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェースをさらに含む。プロセッサは、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連する一群の周波数を決定し、一群の周波数を使用して入力信号を分解し、分解入力信号を使用してギア信号を復元し、復元ギア信号をベースライン信号と比較することによって障害を識別するように構成される。一群の周波数は噛み合い周波数（ｇｅａｒ ｍｅｓｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）およびその高調波を含む。
【０００６】
[0006]第２の実施形態では、システムは、ギアボックスの１つまたは複数の特性を測定するように構成された複数のセンサを含む。このシステムはギアボックス状態指標デバイスをさらに含み、それは、ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号をセンサから受け取るように構成された複数のセンサインタフェースを含む。ギアボックス状態指標デバイスは、入力信号を使用してギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサと、障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェースとをさらに含む。プロセッサは、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連する一群の周波数を決定し、一群の周波数を使用して入力信号を分解し、分解入力信号を使用してギア信号を復元し、復元ギア信号をベースライン信号と比較することによって障害を識別するように構成される。一群の周波数は噛み合い周波数およびその高調波を含む。
【０００７】
[0007]第３の実施形態では、方法が、ギアボックスの少なくとも１つの段に対応する振動および／または速度情報を有する入力信号を受け取るステップを含む。この方法は、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに対応し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数を決定するステップをさらに含む。この方法は、一群の周波数を使用して入力信号を分解するステップと、分解入力信号を使用してギア信号を復元するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、復元ギア信号をベースライン信号と比較するステップと、復元ギア信号が閾値量だけベースライン信号と異なる場合に障害を識別する指標を出力するステップとを含む。
【０００８】
[0008]他の技術的特徴は、以下の図、説明、および特許請求の範囲から当業者には容易に明らかになろう。
[0009]本開示のより完全に理解するために、次に添付図面と共に以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａ〜図１Ｄは例示のギア構造を示す図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｅはギアが受ける例示の亀裂を示す図である。
【図３】本開示による例示のギアボックス状態指標（ＧＣＩ）デバイスを示す図である。
【図４】図４Ａは開示による例示のＧＣＩデバイスおよび関連するギアボックスを示す図である。図４Ｂは本開示による関連するギアボックスを示す図である。
【図５】図５Ａは本開示による、正常動作のギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例である。図５Ｂは本開示による、２つの壊れた歯をもつギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例である。
【図６】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第１段階の動作のより詳細な図である。
【図７】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第２段階の動作のより詳細な図である。
【図８】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第３段階の動作のより詳細な図である。
【図９】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のプロセスを示す図である。
【図１０】本開示の実施形態による例示のファジー化操作を示す図である。
【図１１】図１１Ａは本開示による例示のギア健全性指標を示す図である。図１１Ｂは本開示による例示のギア健全性指標を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0021]以下で説明される図１Ａから１１Ｂ、および本特許文書の本発明の原理を説明するのに使用される様々な実施形態は例であり、本発明の範囲を限定するように決して解釈されるべきではない。本発明の原理は、任意のタイプの適切に構成されたデバイスまたはシステムで実施することができることを当業者なら理解するであろう。さらに、図中の要素は簡単かつ明瞭に示されており、必ずしも原寸に比例して描かれていないことが理解されよう。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本特許文書で説明される様々な実施形態の理解をより良好にするのに役立つように他の要素と比べて誇張されることがある。
【００１１】
[0022]図１Ａから１Ｄは例示のギア構造を示す。図１Ａから１Ｄに示されたギア構造の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、他のギア構造を使用することができる。
【００１２】
[0023]ギアボックスは、外部伝動装置１０５（図１Ａ）、内部伝動装置１１０（図１Ｂ）、およびラックピニオン伝動装置１１５（図１Ｃ）などの１つまたは複数のタイプのギアを含むことができる。ギアボックスは、単段ギアボックス（図１Ａから１Ｃに図示）または多段ギアボックス１２０（図１Ｄに図示）とすることができる。
【００１３】
[0024]図１Ａに示された外部伝動装置１０５はヘリカルギアである。ここで、外部伝動装置１０５は、ギア１０７およびピニオン１０９を含む単段である。しかし、外部伝動装置１０５がスパーギアである場合などの他の実施形態を使用することもできる。
【００１４】
[0025]図１Ｂに示された内部伝動装置１１０も単段伝動装置構造である。内部伝動装置は、太陽ギア１１１、遊星ギア１１２、リングギア１１３、および遊星枠１１４を含む。
[0026]図１Ｃに示されたラックピニオン伝動装置１１５はやはり単段伝動装置構造である。ラックピニオン伝動装置１１５は、回転運動を直線運動に変換する１対のギア１１７、１１９を含む。円形ピニオン１１７はラック１１９の歯に係合する。ピニオン１１７に与えられた回転運動により、ラック１１９は移動の限界まで横に移動する。例えば、線路において、機関車または鉄道車両に取り付けられたピニオン１１７の回転はレール間のラック１１９に係合し、急勾配に沿って列車を引っ張る。
【００１５】
[0027]図１Ｄに示された多段ギアボックス１２０は第１段１２２および第２段１２４を含む。２つの段の図は例示のためだけのものであることが理解されよう。２つを超える段を含む多段ギアボックス１２０の実施形態を使用することもできる。この例では、第１段１２２は内部伝動装置１１０のように構成され、第２段１２４は外部伝動装置１０５のように構成される。そのため、第１段は単段内部ギアボックスを表しており、第２段１２４は、多段外部伝動装置を形成するように結合されたいくつかのギアおよびピニオンを含む。
【００１６】
[0028]ほんのわずかなギアのタイプがここでは示されたが、他の多くのギアのタイプを使用することができる。他のギアのタイプは、限定はしないが、平行シャフト、交差シャフト、および／または非交差および非平行シャフトをもつギアボックスを含むことができる。平行シャフトはスパーギア、シングルヘリカルギア、およびダブルヘリカルギアを含むことができる。交差シャフトは、ベベルギア、コニフレックスベベルギア、ゼロールベベルギア、スパイラルベベルギア、マイターギア、アングルギア、およびクラウンギアを含むことができる。非交差および非平行シャフトは、クロスヘリカルギア、ハイポイドギア、およびウォームギアを含むことができる。
【００１７】
[0029]障害、または故障は、上述で列記された任意の１つまたは複数ギアタイプまたは他のギアタイプを使用して形成されたギアボックスに生じることがある。故障は、ギア、ピニオン、または両方に生じることがある。ギア故障は、摩耗、亀裂、歯破損、静的および動的伝達誤差、塑性流動、スコーリングおよびスカッフィング、表面疲労、スポーリング、ならびにバックラッシュを含む。
【００１８】
[0030]図２Ａから２Ｅはギアが受ける例示の亀裂および摩耗を示す図である。図２Ａは疲労亀裂２０５を示す。疲労亀裂２０５は歯破損をもたらすことがある。歯破損は、疲労破損と、激しい摩耗に起因する破損と、過負荷破損とを含む。図２Ｂは凝着摩耗の一例を示す。図２Ｃはアブレシブ摩耗の一例を示す。図２Ｄは疲労摩耗の一例を示す。図２Ｅは化学的摩耗の一例を示す。これらのタイプの亀裂および摩耗は以下で説明されるシステムを使用して検出することができる。しかし、多くの他のまたは追加のタイプの損傷も以下で説明されるシステムを使用して検出することができる。
【００１９】
[0031]本開示によれば、ギアに生じる摩耗のタイプを識別し分類する（例えば、分離する）ことができるシステムおよび方法が提供される。さらに、そのシステムと方法は、壊れた、亀裂の入った、および削られた歯、摩耗、点食、ならびに結果として生じたバックラッシュの結果としての潜在的なギアボックス故障を検出することができる。
【００２０】
[0032]図３は、本開示による例示のギアボックス状態指標（ＧＣＩ）デバイス３００を示す図である。図３に示されたＧＣＩデバイス３００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩデバイス３００の他の実施形態を使用することができる。
【００２１】
[0033]この例では、ＧＣＩデバイス３００はユーザ構成部分３０２を含む。ユーザ構成部分３０２は、ＧＣＩデバイス３００とのオペレータ対話を容易にするユーザインタフェースを備える。例えば、ユーザ構成部分３０２は、オペレータがギアボックス構成情報を入力するのを可能にすることができる。特定の例として、ユーザ構成部分３０２は、オペレータがギアのタイプ３０４およびギアの段数３０６を入力するのを可能にすることができる。オペレータが段数３０６を入力するとき、段ごとに歯数３０８およびピニオンの数３１０を入力することもできる。さらに、オペレータは、ギアのタイプ３０４に対する定格電力３１４と、サンプリング周波数３１６とを入力することができる。
【００２２】
[0034]ＧＣＩデバイス３００はセンサ信号部分３２０をさらに含む。センサ信号部分３２０は、ギアに結合された、または別の形でギアに関連付けられたセンサからの入力を受け取るためのインタフェースを備える。この例では、センサ信号部分３２０は、加速度計３２２およびタコメータ３２４へのインタフェースを含む。加速度計３２２は、ギアの振動３２５を検出、測定、および記録する。タコメータ３２４は、タコジェネレータまたは１回転１パルス（Ｏｎｃｅ Ｐｅｒ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、ＯＰＲ）デバイスなどのセンサ入力デバイスとすることができる。タコメータ３２４はギアの速度３２６を検出、測定、および記録する。センサ信号部分３２０はギアのベースライン信号３２８をさらに記憶することができる。モータ電流を検出、測定、および記録するホール効果センサへのインタフェース、ならびに雑音を検出、測定、および記録する１つまたは複数の音響センサなどの他のタイプまたは追加のタイプのセンサへのインタフェースをセンサ信号部分３２０にさらに設けることができる。
【００２３】
[0035]ＧＣＩデバイス３００は人工知能（ＡＩ）部分または他の処理部分３３０をさらに含む。この例では、ＡＩ部分３３０は前処理フィルタ３３２およびプロセッサコア３３４を含む。プロセッサコア３３４は、ＦＦＴ分析３３６、周波数／周波数帯幅選択（ＦＦＢＳ）３３８、信号復元３４０、統計的特徴決定３４２、および正規化３４４を実行するように構成された１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。ＡＩ部分３３０は、さらに、ファジールールベース診断３４６およびルールベース診断３４８を行うことができる。ファジールールベース診断３４６は、ファジー化３５０、ルール３５２、集計３５４、および非ファジー化３５６を含む。これらの機能は以下で詳細に説明される。
【００２４】
[0036]さらに、ＧＣＩデバイス３００は出力インタフェース３７０を含む。出力インタフェース３７０は、コンピュータまたはディスプレイなどの別のシステムまたはデバイスに情報を送るように構成されたインタフェースを示す。出力インタフェース３７０は、さらに、単一ディスプレイ（例えば、モニタ）または多重ディスプレイを示すことができる。この例では、出力インタフェース３７０は、ギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、およびギア亀裂指標３７６を含む。実施形態によっては、出力インタフェース３７０は、ピニオン亀裂指標（適用可能または所望の場合）をさらに含むことができる。これらの指標３７２〜３７６は、モニタされているギアボックスの健全性を識別する。
【００２５】
[0037]図４Ａおよび４Ｂは本開示による例示のＧＣＩデバイス３００および関連するギアボックス４００を示す図である。ＧＣＩデバイス３００のこの使用は説明のためだけのものである。ＧＣＩデバイス３００は、本開示の範囲から逸脱することなく任意の他の好適な方法で使用することができる。
【００２６】
[0038]ギアボックス４００は、図４Ｂに示されるようにいくつかのギアを含むことができる。この例では、ギアボックス４００は第１のギア（図示せず）、第２のギア４２０、第３のギア４３０、および第４のギア４４０を含む。
【００２７】
[0039]図４Ａに示された特定の例のように、自動車変速機ギアボックス４００は、第１の側で誘導モータ４５０に、および第２の側で機械負荷ユニット４５５に結合される。様々なプローブ４７０ａ〜４７０ｂ（加速度計４７０ａを含む）が、ＧＣＩデバイス３００とギアボックス４００、モータ４５０、および機械負荷ユニット４５５との間に結合される。プローブ４７０は、振動、モータ電流、雑音、およびギアボックス４００の速度を測定する。
【００２８】
[0040]ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックス４００に生じる摩耗および点食を識別し分類することができる。ＧＣＩデバイス３００は、さらに、様々な一群の周波数をモニタすることによってギアボックス４００の振動をモニタすることができる。様々な一群の周波数は、限定はしないが、噛み合い周波数（ＧＭＦ）および高調波を含む。例えば、第１の群の周波数はある段の噛み合い周波数およびその高調波を含み、第２の群の周波数は、第１の群の周波数の全域にギアシャフトの側波帯を含み、第３の群の周波数は、第１の群の周波数の全域にピニオンシャフトの側波帯を含み、第４の群の周波数は上述のすべての周波数の雑音フロアを指し、第５の群の周波数は歯ハンチング周波数およびその高調波とすることができる。これらの機能は以下でより詳細に説明される。
【００２９】
[0041]図５Ａおよび５Ｂは、本開示による、正常動作のギアおよび２つの壊れた歯をもつギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例を示す。図５Ａおよび５Ｂに示されたＧＭＦの実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＭＦの他の実施形態を使用することができる。
【００３０】
[0042]図５Ａは正常動作のギアのＧＭＦを示す。第２のギア４２０のＧＭＦはｆｍ２ ５０５によって示され、第３のギア４３０のＧＭＦはｆｍ３ ５１０によって示され、第４のギア４４０のＧＭＦはｆｍ４ ５１５によって示される。さらに、各ＧＭＦ（すなわち、ｆｍ２ ５０５、ｆｍ３ ５１０、およびｆｍ４ ５１５）は、「−ｆ３」および「＋ｆ３」によって示される側波帯周波数を含む。例えば、ｆｍ４ ５１５の側波帯周波数は、ｆｍ４−ｆ３ ５２０、およびｆｍ４＋ｆ３ ５２５である。ＧＭＦは以下の式によって表すことができる。
【００３１】
ＧＭＦ＝ＳｐｅｅｄＧｅａｒＴＧｅａｒ＝ＳｐｅｅｄｐｉｎｉｏｎＴＰｉｎｉｏｎ （１）
ここで、Ｔはギアまたはピニオンの歯数である。
【００３２】
[0043]図５Ｂは、２つの壊れた歯をもつギアのＧＭＦを示す。ここで分かるように、振動信号は、導入された欠陥の結果としてエネルギー含有量が増加したＧＭＦを含む。例えば、第２のギア４２０の欠陥は第２のＧＭＦ５０５’のエネルギーを増加させる。壊れた歯の結果として、第２のＧＭＦ５０５の振動の振幅は０．０７の値から０．９５の値まで増加した。さらに、側波帯ｆｍ２−ｆ３ ５３０およびｆｍ２＋ｆ３ ５３５の振幅が著しく増加した。
【００３３】
[0044]ＧＣＩデバイス３００は、ギア故障に起因する影響を測定し識別する。歯の亀裂／破損が生じると、ＧＭＦのまわりのすべての側波帯の振幅が増加することがあり、振幅変調の割合の増加を受けることがあるので、ＧＣＩデバイス３００は振幅の変化を測定し、測定値に応じて故障を分類する。表１はいくつかの例示の故障モードおよびそれぞれの影響を示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
[0045]図３に戻って参照すると、オペレータは、ユーザ構成部分３０２を介してギアボックス４００のギア構成を入力することができる。例えば、オペレータはギアのタイプ３０４を入力し、段数３０６に「４」を入力することができる。さらに、オペレータは、第１段、第２段４２０、第３段４３０、および第４段４４０の歯数３０８およびピニオン数３１０を入力することができる。オペレータは、ギアボックス４００をモニタするのにＧＣＩデバイス３００が使用することになるギアボックス４００の定格電力３１４とサンプリング周波数３１６とを入力することができる。
【００３６】
[0046]ＧＣＩデバイス３００はいくつかのセンサインタフェースを介してセンサ４７０ａ〜４７０ｎからのセンサ入力信号を受け取る。例えば、加速度計４７０ｃはギアボックス４００の振動を検出、測定、および記録することができる。ＧＣＩデバイス３００は、正常動作中のギアボックス４００のセンサ入力信号を測定し記録し、これらの正常センサ入力信号を１組のベースライン信号３２８として記憶することができる。図５Ａは１組のベースライン信号の一例を示す。
【００３７】
[0047]ＧＣＩデバイス３００は、サンプリング周波数３１６に基づいて入力信号を捕捉することによってギアボックス４００の性能をモニタし続ける。ＧＣＩデバイス３００はフィルタ機能３３２を使用してプローブ４７０ａ〜４７０ｎから受け取った入力信号をフィルタ処理する。プロセッサコア３３４はフィルタ信号のすべてにＦＦＴ分析３３６を適用する。ＦＦＴ分析３３６は、モニタされているギアボックス４００を含むシステムに関係する関連のある周波数をもたらすことができる。
【００３８】
[0048]ＦＦＢＳ３３８は、信号を復元するために信号復元３４０で使用されることになる１つまたは複数の周波数および振幅を分離する。例えば、ＦＦＢＳ３３８は、モニタされているギアボックス４００の特定の段に関連するこれらの周波数だけを分離する。したがって、他の構成要素および他の段からの寄与は除去される。時間−信号の復元は、分離された周波数とそれぞれの振幅とを使用して行われる。これらの選択された周波数および振幅を使用して信号が復元された後、プロセッサコア３３４は復元信号の統計的特徴３４２を決定する。いくつかの実施形態では、統計的特徴３４２は二乗平均平方根（ＲＭＳ）値である。いくつかの実施形態では、統計的特徴は、標準偏差、尖度、ノルム（Ｎｏｒｍ）、Ｄ−ｓｔａｔを含むことができる。その後、プロセッサコア３３４は、ベースライン信号３２８を基準にして復元信号の正規化３４４を行うことによって正規化信号を生成する。任意の瞬間の任意の特徴の正規化は、ベースラインの特徴または事前に見いだされた特徴のある平均を基準にして行うことができる。次に、ＧＣＩデバイス３００は正規化信号に様々なルールを適用することができる。これらのルールは、ファジールールベース診断３４６および／またはルールベース診断３４８を含むことができる。ファジールールベース診断はメンバーシップ関数の様々な組合せを有することができ、様々な集計および非ファジー化法を適用することができる。
【００３９】
[0049]ＧＣＩデバイス３００は分析の出力を出力インタフェース３７０を介して提示する。いくつかの実施形態では、障害状態が存在するとＧＣＩデバイス３００が決定した場合（正規化信号が１つまたは複数の閾値値だけベースライン信号３２８と異なる場合など）のみ、ＧＣＩデバイス３００は出力を供給する。これらの実施形態では、ＧＣＩデバイス３００は故障に関連する指標を介して（例えば、検出された障害に応じてギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、ギア亀裂指標３７６、またはピニオン亀裂指標を介して）出力を供給することができる。指標（例えば、ギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、およびギア亀裂指標３７６）の値に応じて警報または警告をユーザに与えることができる。例えば、いずれかの指標が０．３〜０．６の範囲にある場合、指標は警告を与える。しかし、範囲が０．６〜１．０の間にある場合、指標は警報を与える。警戒閾値を変更するか、または新しい警戒名を与えることによって、ユーザへの警戒、警報、および／または警告の他の組合せとすることができる。
【００４０】
[0050]図６は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第１段階の動作６００のより詳細な図である。図６に示されたＧＣＩの第１段階の動作６００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第１段階の動作６００の他の実施形態を使用することができる。
【００４１】
[0051]上記のように、構成の段階の間に、オペレータは、ギアタイプ３０４、段数３０６、および定格電力３１４などのモニタされるべきギアボックスに関連するデータを入力することができる。図６に示されるように、構成の段階の間に、オペレータは、さらに、低域フィルタ情報６０２、信号詳細６０４、およびデータ捕捉（ＤＡＱ）仕様６０６を入力することができる。低域フィルタ情報６０２は高域周波数（ＦＨ）６０８の値を含むことができる。信号詳細６０４は、サンプリング周波数（ＦＳ）６１０および取得されるべきサンプルの数（ＮＳ）６１２を含むことができる。ＤＡＱ仕様６０６は、最大サンプリング周波数（Ｆｄａｑ）６１４およびサンプルの最大数（Ｎｄａｑ）６１６を含むことができる。オペレータは、さらに、センサ構成６１８を入力することができる。
【００４２】
[0052]ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックス４００の各段４２０、４３０、４４０の１つまたは複数のＧＭＦ６２０を決定する。特定の実施形態では、ＡＩ部分３３０はＧＭＦごとに少なくとも３つの高調波を決定する。ＧＭＦごとに３つの高調波が示されているが、３つを超える高調波をもつ実施形態を使用することができることが理解されよう。
【００４３】
[0053]ＡＩ部分３３０は、オペレータがＦＨ６０８、ＦＳ６１０、およびＮＳ６１２に適切な値を入力したかどうかを決定する。例えば、ＡＩ部分３３０は比較６２２の間にＧＭＦをＦＨ６０８と比較する。ＦＨ６０８がＧＭＦの３倍未満（ＦＨ＜３×ＧＭＦ）である場合、ＡＩ部分３３０はＧＣＩデバイス３００の出力インタフェース３７０の増加ＦＨ指標６２４をトリガする。増加ＦＨ指標６２４は、ＦＨ６０８に入力された値が低すぎ、増加されるべきであるという視覚または聴覚の合図をオペレータに与える。
【００４４】
[0054]十分なＦＨ６０８が入力されているとＡＩ部分３３０が決定した後、ＡＩ部分３３０は比較６２６の間にＦＨ６０８をＦＳ６１０と比較する。ＦＳ６１０がＦＨ６０８未満である（ＦＳ＜２ＦＨ）場合、ＡＩ部分３３０は出力インタフェース３７０の増加ＦＳ指標６２８をトリガする。増加ＦＳ指標６２８は、ＦＳ６１０に入力された値が低すぎ、増加されるべきであるという視覚または聴覚の合図をオペレータに与える。ＡＩ部分３３０は、比較６３０の間にＦＳ６１０への入力値をさらに比較して、それがＦｄａｑ６１４よりも大きいどうかを決定する。ＦＳ＞Ｆｄａｑの場合には、ＡＩ部分３３０は増加ＦＳ指標６２８を動作不能にするか、または減少ＦＳ指標６３４を照明する。
【００４５】
[0055]ＡＩ部分３３０は、さらに、比較６３２の間にＮＳ６１２をＮｄａｑ６１６に対して比較する。ＮＳ６１２がＮｄａｑ６１６以下である（ＮＳ≦Ｎｄａｑ）場合、ＡＩ部分３３０は出力インタフェース３７０の増加ＮＳ指標６３４をトリガする。ＮＳ６１２がＮｄａｑ６１６よりも大きい（ＮＳ＞Ｎｄａｑ）場合、ＡＩ部分３３０は減少ＮＳ指標６３６を有効にすることができる。
【００４６】
[0056]ＧＣＩデバイス３００はプローブ４７０ａ〜４７０ｎからのセンサ入力信号を受け取る。ＡＩ部分３３０はセンサ入力信号を使用して追加の測定値を決定することができる。例えば、ＧＣＩデバイス３００がタコメータ３２４からピニオン速度６３６を受け取る場合、ＡＩ部分３３０はピニオン速度６３６からギア速度６３８を決定することができる。
【００４７】
[0057]ＡＩ部分３３０は、さらに、センサ入力信号を使用してセンサ入力信号の一群の周波数（ＦｏＦ）６４０を計算する。ＦｏＦ６４０は、各ＧＭＦの高調波６４２、ピニオンシャフトの側波帯６４４、ギア周波数の側波帯６４６、およびハンチング歯周波数の５つの高調波６４８を含む。ハンチング歯周波数は以下のように決定することができる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
[0058]図７は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第２のパートの動作７００のより詳細な図を示す。図７に示されたＧＣＩの第２段階の動作７００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第２段階の動作７００の他の実施形態を使用することができる。
【００５０】
[0059]ＡＩ部分３３０がセンサ入力信号の一群の周波数６４０を計算した後、ＡＩ部分３３０は低域フィルタ３３２によりＦｏＦ６４０を処理し、ＦＦＴ分析３３６を適用する。低域フィルタ３３２は、バターワースフィルタ、ウェーブレットベースフィルタ、または任意の他の低域フィルタとすることができる。ＦｏＦ６４０は、この例ではいくつかの帯域フィルタ経路７０５ａ〜７０５ｃを含むＦＦＢＳ３３８を通される。２Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋１Ｈｚからｆ−１Ｈｚまで）７０５ａは、値が１０００Ｈｚ未満（ｆ＜１０００Ｈｚ）であるＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。３Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋１．５Ｈｚからｆ−１．５Ｈｚまで）７０５ｂは、値が２０００Ｈｚ未満であるが、１０００Ｈｚ以上である（１０００Ｈｚ≦ｆ＜２０００Ｈｚ）ＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。４Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋２Ｈｚからｆ−２Ｈｚまで）７０５ｃは、値が２０００Ｈｚ以上（ｆ≧２０００Ｈｚ）であるＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。帯域は、速度揺らぎ、変形、歯構造の歪み、または任意の他の理由に起因する周波数のいかなる変化も組み込む。
【００５１】
[0060]ＡＩ部分３３０は、帯域７０５ａ〜７０５ｃごとに最小振幅および最大振幅を計算する。次に、ＡＩ部分３３０は帯域７０５ａ〜７０５ｃからの最大値の各々を組み合わせて、最大振幅および周波数の行列７１０を生成する。ＡＩ部分３３０は、さらに、帯域７０５ａ〜７０５ｃからの最小値の各々を組み合わせて、最小振幅および周波数の行列７１５を生成する。ＡＩ部分３３０は、最大振幅および周波数の行列７１０と、最小振幅および周波数の行列７１５との間の合併７２０を生成することによって信号復元３４０を行う。合併７２０は、ギアの全復元信号７２５をもたらす。この例では、合併７２０および復元信号７２５は、特定の（例えば、モニタされた）段のギアの加速度を決定する。
【００５２】
[0061]図８は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第３のパートの動作８００のより詳細な図を示す。図８に示されたＧＣＩの第３段階の動作８００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第３段階の動作８００の他の実施形態を使用することができる。
【００５３】
[0062]ＡＩ部分３３０は、最大の振幅および周波数の行列７１０を使用して、ＧＭＦおよびその高調波の信号８０５、ピニオン基準の信号８１０、ギア側波帯の信号８１５、ハンチング周波数の信号８２０を復元する。さらに、ＡＩ部分３３０は最小の振幅および周波数の行列７１５を使用して、背景雑音の信号８２５を復元する。信号８０５〜８２５の各々は、それぞれＲＭＳレベル検出器８３０、正規化ＲＭＳレベル検出器８３５、および５つのファジーメンバールール８４０ａ〜８４０ｅのうちの１つを通される。ファジーメンバーシップルール８４０ａ〜８４０ｅからの出力はファジールール８４５を通されて、障害表示信号を生成する。ファジーメンバーシップ関数およびファジールールは、例えば、ルールベース診断３４８が使用されるときなどに他の論理で置き替えることができる。
【００５４】
[0063]ＡＩ部分３３０はファジールール信号をいくつかの指数８５０、８５５および８６０と比較する。ＡＩ部分３３０は、３つの追加のファジーメンバーシップ関数８６５ａ〜８６５ｃのうちの１つをギアピニオン摩耗指数８５０の出力、ギア亀裂指数８５５の出力、およびピニオン亀裂指数８６０の出力に適用する。ＡＩ部分３３０は、さらに、ＲＭＳレベル検出器８７０、正規化ＲＭＳレベル検出器８７５、およびファジーメンバーシップ関数８８０をギアの全復元信号７２５に適用する。その後、ファジーメンバーシップ関数８６５ａ〜８６５ｃおよび８８０からの信号の各々はファジールール８８５に送られて、ギア状態指標８９０を生成する。
【００５５】
[0064]ＡＩ部分３３０は、ピニオンに対してこのプロセスを繰り返す。さらに、ＡＩ部分３３０は、追加のギア段の各ギアおよびピニオンにこのプロセスを繰り返す。このようにして、ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックスの各段の各ギアおよびピニオンのギア状態指標８９０を決定することができる。
【００５６】
[0065]ギア状態指標８９０は、摩耗、ピニオンの亀裂／破損、およびギアの亀裂／破損などのギアボックスの様々な故障モードとは無関係に各段のギアボックスの健全性を反映する。実施形態によっては、ＧＣＩデバイス３００はメモリに記憶されたいくつかの閾値値を含み、ＧＣＩデバイス３００はギア状態指標８９０をメモリに記憶された閾値値と比較することができる。メモリは、任意の電子、磁気、電磁気、光学、電気光学、電気機械などの任意のコンピュータ可読媒体、および／またはデータを含む、記憶する、通信する、伝搬する、または送信することができる他のメモリデバイスとすることができる。特定の実施形態では、閾値値は、ＧＣＩデバイス３００によって計算されたギア状態指標８９０ごとに警告閾値および警報閾値を含むことができる。警告閾値は、ギア状態指標８９０が高いという警告をトリガすることができ、一方、警報閾値は、障害がギアボックスで検出されたという警報をトリガすることができる。
【００５７】
[0066]図９は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のプロセス９００を示す図である。図９に示されたプロセス９００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、プロセス９００の他の実施形態を使用することができる。さらに、説明を容易にするために、プロセス９００はＧＣＩデバイス３００に関して説明されるが、プロセス９００は任意の好適なデバイスまたはシステムで使用することができる。
【００５８】
[0067]この例では、ＧＣＩデバイス３００は振動信号および速度信号を、処理し、好適な閾値と比較して使用し、ギアボックスの適切なメンテナンスを決定する。振動信号および速度信号はステップ９０５においてＧＣＩデバイス３００によって受け取られる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９１０において、ギアボックスの正常動作中に得られた振動信号および速度信号をベースライン信号として記憶する。ＧＣＩデバイス３００はステップ９１５においてギアボックスの関連のある群の周波数を決定する。これは、例えば、ギアボックスの故障モードの各々に対してＦｏＦ６４０を決定することを含むことができる。ＦｏＦ６４０は、ＧＭＦおよびその高調波、ＧＭＦおよびその高調波のまわりのピニオンシャフト回転周波数の側波帯、ならびにＧＭＦおよびその高調のまわりのギアシャフト回転周波数の側波帯波を含むことができる。実施形態によっては、歯ハンチング周波数およびそれぞれの高調波などのより多くの周波数を決定することもできる。ＧＣＩデバイス３００は、ギア、ピニオン、および背景雑音の成分周波数を決定することができる。
【００５９】
[0068]ＧＣＩデバイス３００は振動信号および速度信号を受け取り続け、ステップ９２０において信号処理を行う。これは、例えば、信号を分解することを含むことができる。信号処理は、低域フィルタ操作およびＦＦＴ分析をさらに含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９２５において、処理された信号を使用して周波数／周波数帯幅の選択を行う。これは、例えば、周波数を分離することと、最小および最大の周波数および振幅を得ることとを含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９３０において、例えば、全信号を復元すること、ならびにＧＭＦおよび高調波、ピニオン側波帯、ギア側波帯、ハンチング周波数、および背景雑音の信号を復元することなどによって信号を復元する。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９３５において復元信号から統計的特徴を見いだす。例えば、ＧＣＩデバイス３００は、ＲＭＳ値および尖度値などの特徴を決定することができる。ＧＣＩデバイス３００は、さらに、ステップ９４０においてベースライン信号の対応する特徴を、およびステップ９４５において現在の信号の対応する特徴を識別する。復元信号は、ステップ９５０において、正規化され、ベースライン信号または他の指数と比較される。次に、ＧＣＩデバイス３００は特徴をベースラインからの特徴を基準にして正規化する。例えば、復元信号は、ステップ９４５で見いだされた現在の信号からの特徴をステップ９５０で見いだされたベースラインからの特徴で除算することによって正規化することができる。正規化は、機械システムのサイズおよび用途のタイプに関してモデルを一般化するのに役立つ。ファジー特徴融合を行い、故障モード指標を決定する。特徴融合技法は、ベイジアン特徴融合またはデンプスター・シェイファー特徴融合をさらに含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は故障モード指標のファジー融合を行い、ギア健全性指標を決定し、閾値を状態指標に適用して障害を検出する。復元信号の特徴が閾値のうちの１つを超える場合、ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９５５において、適切な指標（例えば、ギアシステム指標、ギア摩耗指標、ギア亀裂指標、および／またはピニオン亀裂指標）を出力する。
【００６０】
[0069]実施形態によっては、記憶されている振動信号および速度信号が、摩耗を現在受けているか、または亀裂を現在含んでいるギアに対するものである。そのような実施形態では、ＧＣＩデバイス３００は、ギアの追加の疲労またはさらなる亀裂に起因する信号の変化に基づいて警告または警報を行う。
【００６１】
[0070]図１０は、本開示の実施形態による例示のファジー化操作を示す。図１０に示されたファジー化操作１０００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ファジー化操作１０００の他の実施形態を使用することができる。
【００６２】
[0071]ファジー化操作１０００は、ＲＭＳギア値に対する第１の入力、ＲＭＳ側波帯値に対する第２の入力、および出力を含む。一例では、第１の入力閾値１００５は０．４に設定され、第２の入力閾値１０１０は１．５に設定される。さらに、出力閾値１０１５は、警報をトリガするために０．７７となるように設定される。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において低い場合、出力は正常である１０２０。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において大きくない場合、出力は正常である１０２５。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において大きい場合、出力は警告を示す１０３０。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において高く、第２の閾値１０１０において大きい場合、出力は警報を示す１０３５。
【００６３】
[0072]図１１Ａおよび１１Ｂは、本開示による例示のギア健全性指標を示す。図１１Ａおよび１１Ｂに示されたギア健全性指標の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ギア健全性指標の他の実施形態を使用することができる。
【００６４】
[0073]図１１Ａに示されたこの実施例では、ＧＣＩ出力インタフェース３７０は、ファジィ、デンプスター・シェイファー、またはベイジアン理論に基づく統計の特徴融合を使用して構築される健全性指標１１００（図３に関して上述のさらなる詳細で説明された指標３７２、３７４、および３７６を含む）である。図１１Ｂに示された別の例では、ＧＣＩ出力インタフェース３７０は、ファジィ、デンプスター・シェイファー、またはベイジアン理論に基づく統計の特徴融合を使用して構築される健全性指標１１００’（図３に関して上述のさらなる詳細で説明された指標３７２、３７４、および３７６を含む）である。健全性指標１１００（および／または１１００’）は、０の値と１の値との間で変化する重症度指数を与える。ギア健全性指標１１００は２つの閾値値１１０５および１１１０（および／または１１０５’および１１１０’）を含む。
【００６５】
[0074]例えば、いずれかの指標が０．３〜０．６の範囲にある場合、指標は警告を与える。しかし、範囲が０．６〜１．０の間にある場合、指標は警報を与える。警戒閾値を変更するか、または新しい警戒名を与えることによって、ユーザへの警戒、警報、および／または警告の他の組合せとすることができる。
【００６６】
[0075]上記の図は様々な実施形態を示しているが、これらの図に任意の数の変更を行うことができる。例えば、任意の好適なタイプのギアボックスをモニタすることができ、任意の好適なタイプの障害を検出することができる。さらに、ＧＣＩデバイス３００によって行われるように示された様々な機能を組み合わせる、さらに細分する、または省略することができ、特定の要求に応じて追加の機能を追加することができる。さらに、図９は一連のステップを示しているが、図９の様々なステップは重複する、並列に行う、複数回行う、異なる順序で行うことができる。
【００６７】
[0076]いくつかの実施形態では、コンピュータ可読プログラムコードから形成される、およびコンピュータ可読媒体に組み入れられているコンピュータプログラムによって、上述の様々な機能は実施またはサポートされる。「コンピュータ可読プログラムコード」という句は、ソースコード、オブジェクトコード、および実行コードを含む任意のタイプのコンピュータコードを含む。「コンピュータ可読媒体」という句は、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、または任意の他のタイプのメモリなどのコンピュータによってアクセスすることができる任意のタイプの媒体を含む。
【００６８】
[0077]本特許文書の全体にわたって使用されるいくつかの語および句の定義を述べるのは有利であることがある。「結合する」という用語およびその派生語は、２つ以上の要素が互いに物理的に接触していてもいなくても、２つ以上の要素間の任意の直接的または間接的な連通を指す。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、ならびにそれらの派生語は限定を伴わない包含を意味する。「または」という用語は包括的であり、「および／または」を意味する。「に関連する」および「それに関連する」という句、ならびにその派生語は、含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）、内に含まれる（ｂｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｗｉｔｈｉｎ）、に相互接続する、含む（ｃｏｎｔａｉｎ）、内に含まれる（ｂｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈｉｎ）、に接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、に結合する（ｃｏｕｐｌｅ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、と連通可能である（ｂｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｂｌｅ ｗｉｔｈ）、と協同する、交互配置する、並置する、に隣接する、に結びつけられる（ｂｅ ｂｏｕｎｄ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、有する、特性を有するなどを意味することができる。
【００６９】
[0078]本開示はいくつかの実施形態および全体的に関連する方法を説明したが、これらの実施形態および方法の改変および交換は当業者には明らかであろう。したがって、例示の実施形態の上述の説明は本開示を規定または制約しない。以下の特許請求の範囲によって規定されるような本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の変更、代替、および改変も可能である。
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、一般に、ギアボックスデバイスに関し、より具体的には、ギアボックス健全性モニタリングのためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]ギアボックスはあらゆる産業における普遍の構成要素である。ギアボックス用途には、しばしば減速および動力伝達が含まれる。ギアボックスは単段ギアボックスまたは多段ギアボックスとすることができる。さらに、ギアボックスは、一般に、外部伝動装置、内部伝動装置、およびラックピニオン伝動装置を含む。
【０００３】
[0003]ある調査では、ギアボックス故障が航空機におけるすべての故障モード（例えば、疲労）の３４パーセント（３４％）を占めることが判明している。別の調査では、ギアボックス故障が特定の産業におけるすべての故障の１５パーセント（１５％）を占めることが示されている。ギアボックス故障は、一般に、プラント休止時間に起因する収益の損失をもたらす。というのは、これらのプラントではギアボックスの故障したユニットに対するバックアップ代替物がしばしば利用可能でないからである。したがって、ギアボックスの潜在的故障（例えば、障害）を初期段階で検出するのは、二次損傷を防止するのに役立ち、メンテナンス費を節約し、プラント使用可能時間（例えば、機械稼働率）を改善し、プラント休止時間による潜在的財務損失を減じ、生産性の向上に役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]本開示はギアボックス健全性モニタリングのためのシステムおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]第１の実施形態では、装置が、ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を受け取るように構成された入力インタフェースを含む。この装置は、入力信号を使用してギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサをさらに含む。この装置は、障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェースをさらに含む。プロセッサは、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連する一群の周波数を決定し、一群の周波数を使用して入力信号を分解し、分解入力信号を使用してギア信号を復元し、復元ギア信号をベースライン信号と比較することによって障害を識別するように構成される。一群の周波数は噛み合い周波数（ｇｅａｒ ｍｅｓｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）およびその高調波を含む。
【０００６】
[0006]第２の実施形態では、システムは、ギアボックスの１つまたは複数の特性を測定するように構成された複数のセンサを含む。このシステムはギアボックス状態指標デバイスをさらに含み、それは、ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号をセンサから受け取るように構成された複数のセンサインタフェースを含む。ギアボックス状態指標デバイスは、入力信号を使用してギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサと、障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェースとをさらに含む。プロセッサは、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連する一群の周波数を決定し、一群の周波数を使用して入力信号を分解し、分解入力信号を使用してギア信号を復元し、復元ギア信号をベースライン信号と比較することによって障害を識別するように構成される。一群の周波数は噛み合い周波数およびその高調波を含む。
【０００７】
[0007]第３の実施形態では、方法が、ギアボックスの少なくとも１つの段に対応する振動および／または速度情報を有する入力信号を受け取るステップを含む。この方法は、ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに対応し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数を決定するステップをさらに含む。この方法は、一群の周波数を使用して入力信号を分解するステップと、分解入力信号を使用してギア信号を復元するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、復元ギア信号をベースライン信号と比較するステップと、復元ギア信号が閾値量だけベースライン信号と異なる場合に障害を識別する指標を出力するステップとを含む。
【０００８】
[0008]他の技術的特徴は、以下の図、説明、および特許請求の範囲から当業者には容易に明らかになろう。
[0009]本開示のより完全に理解するために、次に添付図面と共に以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａ〜図１Ｄは例示のギア構造を示す図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｅはギアが受ける例示の亀裂を示す図である。
【図３】本開示による例示のギアボックス状態指標（ＧＣＩ）デバイスを示す図である。
【図４】図４Ａは開示による例示のＧＣＩデバイスおよび関連するギアボックスを示す図である。図４Ｂは本開示による関連するギアボックスを示す図である。
【図５】図５Ａは本開示による、正常動作のギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例である。図５Ｂは本開示による、２つの壊れた歯をもつギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例である。
【図６】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第１段階の動作のより詳細な図である。
【図７】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第２段階の動作のより詳細な図である。
【図８】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第３段階の動作のより詳細な図である。
【図９】本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のプロセスを示す図である。
【図１０】本開示の実施形態による例示のファジー化操作を示す図である。
【図１１】図１１Ａは本開示による例示のギア健全性指標を示す図である。図１１Ｂは本開示による例示のギア健全性指標を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0021]以下で説明される図１Ａから１１Ｂ、および本特許文書の本発明の原理を説明するのに使用される様々な実施形態は例であり、本発明の範囲を限定するように決して解釈されるべきではない。本発明の原理は、任意のタイプの適切に構成されたデバイスまたはシステムで実施することができることを当業者なら理解するであろう。さらに、図中の要素は簡単かつ明瞭に示されており、必ずしも原寸に比例して描かれていないことが理解されよう。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本特許文書で説明される様々な実施形態の理解をより良好にするのに役立つように他の要素と比べて誇張されることがある。
【００１１】
[0022]図１Ａから１Ｄは例示のギア構造を示す。図１Ａから１Ｄに示されたギア構造の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、他のギア構造を使用することができる。
【００１２】
[0023]ギアボックスは、外部伝動装置１０５（図１Ａ）、内部伝動装置１１０（図１Ｂ）、およびラックピニオン伝動装置１１５（図１Ｃ）などの１つまたは複数のタイプのギアを含むことができる。ギアボックスは、単段ギアボックス（図１Ａから１Ｃに図示）または多段ギアボックス１２０（図１Ｄに図示）とすることができる。
【００１３】
[0024]図１Ａに示された外部伝動装置１０５はヘリカルギアである。ここで、外部伝動装置１０５は、ギア１０７およびピニオン１０９を含む単段である。しかし、外部伝動装置１０５がスパーギアである場合などの他の実施形態を使用することもできる。
【００１４】
[0025]図１Ｂに示された内部伝動装置１１０も単段伝動装置構造である。内部伝動装置は、太陽ギア１１１、遊星ギア１１２、リングギア１１３、および遊星枠１１４を含む。
[0026]図１Ｃに示されたラックピニオン伝動装置１１５はやはり単段伝動装置構造である。ラックピニオン伝動装置１１５は、回転運動を直線運動に変換する１対のギア１１７、１１９を含む。円形ピニオン１１７はラック１１９の歯に係合する。ピニオン１１７に与えられた回転運動により、ラック１１９は移動の限界まで横に移動する。例えば、線路において、機関車または鉄道車両に取り付けられたピニオン１１７の回転はレール間のラック１１９に係合し、急勾配に沿って列車を引っ張る。
【００１５】
[0027]図１Ｄに示された多段ギアボックス１２０は第１段１２２および第２段１２４を含む。２つの段の図は例示のためだけのものであることが理解されよう。２つを超える段を含む多段ギアボックス１２０の実施形態を使用することもできる。この例では、第１段１２２は内部伝動装置１１０のように構成され、第２段１２４は外部伝動装置１０５のように構成される。そのため、第１段は単段内部ギアボックスを表しており、第２段１２４は、多段外部伝動装置を形成するように結合されたいくつかのギアおよびピニオンを含む。
【００１６】
[0028]ほんのわずかなギアのタイプがここでは示されたが、他の多くのギアのタイプを使用することができる。他のギアのタイプは、限定はしないが、平行シャフト、交差シャフト、および／または非交差および非平行シャフトをもつギアボックスを含むことができる。平行シャフトはスパーギア、シングルヘリカルギア、およびダブルヘリカルギアを含むことができる。交差シャフトは、ベベルギア、コニフレックスベベルギア、ゼロールベベルギア、スパイラルベベルギア、マイターギア、アングルギア、およびクラウンギアを含むことができる。非交差および非平行シャフトは、クロスヘリカルギア、ハイポイドギア、およびウォームギアを含むことができる。
【００１７】
[0029]障害、または故障は、上述で列記された任意の１つまたは複数ギアタイプまたは他のギアタイプを使用して形成されたギアボックスに生じることがある。故障は、ギア、ピニオン、または両方に生じることがある。ギア故障は、摩耗、亀裂、歯破損、静的および動的伝達誤差、塑性流動、スコーリングおよびスカッフィング、表面疲労、スポーリング、ならびにバックラッシュを含む。
【００１８】
[0030]図２Ａから２Ｅはギアが受ける例示の亀裂および摩耗を示す図である。図２Ａは疲労亀裂２０５を示す。疲労亀裂２０５は歯破損をもたらすことがある。歯破損は、疲労破損と、激しい摩耗に起因する破損と、過負荷破損とを含む。図２Ｂは凝着摩耗の一例を示す。図２Ｃはアブレシブ摩耗の一例を示す。図２Ｄは疲労摩耗の一例を示す。図２Ｅは化学的摩耗の一例を示す。これらのタイプの亀裂および摩耗は以下で説明されるシステムを使用して検出することができる。しかし、多くの他のまたは追加のタイプの損傷も以下で説明されるシステムを使用して検出することができる。
【００１９】
[0031]本開示によれば、ギアに生じる摩耗のタイプを識別し分類する（例えば、分離する）ことができるシステムおよび方法が提供される。さらに、そのシステムと方法は、壊れた、亀裂の入った、および削られた歯、摩耗、点食、ならびに結果として生じたバックラッシュの結果としての潜在的なギアボックス故障を検出することができる。
【００２０】
[0032]図３は、本開示による例示のギアボックス状態指標（ＧＣＩ）デバイス３００を示す図である。図３に示されたＧＣＩデバイス３００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩデバイス３００の他の実施形態を使用することができる。
【００２１】
[0033]この例では、ＧＣＩデバイス３００はユーザ構成部分３０２を含む。ユーザ構成部分３０２は、ＧＣＩデバイス３００とのオペレータ対話を容易にするユーザインタフェースを備える。例えば、ユーザ構成部分３０２は、オペレータがギアボックス構成情報を入力するのを可能にすることができる。特定の例として、ユーザ構成部分３０２は、オペレータがギアのタイプ３０４およびギアの段数３０６を入力するのを可能にすることができる。オペレータが段数３０６を入力するとき、段ごとに歯数３０８およびピニオンの数３１０を入力することもできる。さらに、オペレータは、ギアのタイプ３０４に対する定格電力３１４と、サンプリング周波数３１６とを入力することができる。
【００２２】
[0034]ＧＣＩデバイス３００はセンサ信号部分３２０をさらに含む。センサ信号部分３２０は、ギアに結合された、または別の形でギアに関連付けられたセンサからの入力を受け取るためのインタフェースを備える。この例では、センサ信号部分３２０は、加速度計３２２およびタコメータ３２４へのインタフェースを含む。加速度計３２２は、ギアの振動３２５を検出、測定、および記録する。タコメータ３２４は、タコジェネレータまたは１回転１パルス（Ｏｎｃｅ Ｐｅｒ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、ＯＰＲ）デバイスなどのセンサ入力デバイスとすることができる。タコメータ３２４はギアの速度３２６を検出、測定、および記録する。センサ信号部分３２０はギアのベースライン信号３２８をさらに記憶することができる。モータ電流を検出、測定、および記録するホール効果センサへのインタフェース、ならびに雑音を検出、測定、および記録する１つまたは複数の音響センサなどの他のタイプまたは追加のタイプのセンサへのインタフェースをセンサ信号部分３２０にさらに設けることができる。
【００２３】
[0035]ＧＣＩデバイス３００は人工知能（ＡＩ）部分または他の処理部分３３０をさらに含む。この例では、ＡＩ部分３３０は前処理フィルタ３３２およびプロセッサコア３３４を含む。プロセッサコア３３４は、ＦＦＴ分析３３６、周波数／周波数帯幅選択（ＦＦＢＳ）３３８、信号復元３４０、統計的特徴決定３４２、および正規化３４４を実行するように構成された１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。ＡＩ部分３３０は、さらに、ファジールールベース診断３４６およびルールベース診断３４８を行うことができる。ファジールールベース診断３４６は、ファジー化３５０、ルール３５２、集計３５４、および非ファジー化３５６を含む。これらの機能は以下で詳細に説明される。
【００２４】
[0036]さらに、ＧＣＩデバイス３００は出力インタフェース３７０を含む。出力インタフェース３７０は、コンピュータまたはディスプレイなどの別のシステムまたはデバイスに情報を送るように構成されたインタフェースを示す。出力インタフェース３７０は、さらに、単一ディスプレイ（例えば、モニタ）または多重ディスプレイを示すことができる。この例では、出力インタフェース３７０は、ギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、およびギア亀裂指標３７６を含む。実施形態によっては、出力インタフェース３７０は、ピニオン亀裂指標（適用可能または所望の場合）をさらに含むことができる。これらの指標３７２〜３７６は、モニタされているギアボックスの健全性を識別する。
【００２５】
[0037]図４Ａおよび４Ｂは本開示による例示のＧＣＩデバイス３００および関連するギアボックス４００を示す図である。ＧＣＩデバイス３００のこの使用は説明のためだけのものである。ＧＣＩデバイス３００は、本開示の範囲から逸脱することなく任意の他の好適な方法で使用することができる。
【００２６】
[0038]ギアボックス４００は、図４Ｂに示されるようにいくつかのギアを含むことができる。この例では、ギアボックス４００は第１のギア（図示せず）、第２のギア４２０、第３のギア４３０、および第４のギア４４０を含む。
【００２７】
[0039]図４Ａに示された特定の例のように、自動車変速機ギアボックス４００は、第１の側で誘導モータ４５０に、および第２の側で機械負荷ユニット４５５に結合される。様々なプローブ４７０ａ〜４７０ｂ（加速度計４７０ａを含む）が、ＧＣＩデバイス３００とギアボックス４００、モータ４５０、および機械負荷ユニット４５５との間に結合される。プローブ４７０は、振動、モータ電流、雑音、およびギアボックス４００の速度を測定する。
【００２８】
[0040]ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックス４００に生じる摩耗および点食を識別し分類することができる。ＧＣＩデバイス３００は、さらに、様々な一群の周波数をモニタすることによってギアボックス４００の振動をモニタすることができる。様々な一群の周波数は、限定はしないが、噛み合い周波数（ＧＭＦ）および高調波を含む。例えば、第１の群の周波数はある段の噛み合い周波数およびその高調波を含み、第２の群の周波数は、第１の群の周波数の全域にギアシャフトの側波帯を含み、第３の群の周波数は、第１の群の周波数の全域にピニオンシャフトの側波帯を含み、第４の群の周波数は上述のすべての周波数の雑音フロアを指し、第５の群の周波数は歯ハンチング周波数およびその高調波とすることができる。これらの機能は以下でより詳細に説明される。
【００２９】
[0041]図５Ａおよび５Ｂは、本開示による、正常動作のギアおよび２つの壊れた歯をもつギアの噛み合い周波数（ＧＭＦ）のグラフ例を示す。図５Ａおよび５Ｂに示されたＧＭＦの実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＭＦの他の実施形態を使用することができる。
【００３０】
[0042]図５Ａは正常動作のギアのＧＭＦを示す。第２のギア４２０のＧＭＦはｆｍ２ ５０５によって示され、第３のギア４３０のＧＭＦはｆｍ３ ５１０によって示され、第４のギア４４０のＧＭＦはｆｍ４ ５１５によって示される。さらに、各ＧＭＦ（すなわち、ｆｍ２ ５０５、ｆｍ３ ５１０、およびｆｍ４ ５１５）は、「−ｆ３」および「＋ｆ３」によって示される側波帯周波数を含む。例えば、ｆｍ４ ５１５の側波帯周波数は、ｆｍ４−ｆ３ ５２０、およびｆｍ４＋ｆ３ ５２５である。ＧＭＦは以下の式によって表すことができる。
【００３１】
ＧＭＦ＝ＳｐｅｅｄＧｅａｒＴＧｅａｒ＝ＳｐｅｅｄｐｉｎｉｏｎＴＰｉｎｉｏｎ （１）
ここで、Ｔはギアまたはピニオンの歯数である。
【００３２】
[0043]図５Ｂは、２つの壊れた歯をもつギアのＧＭＦを示す。ここで分かるように、振動信号は、導入された欠陥の結果としてエネルギー含有量が増加したＧＭＦを含む。例えば、第２のギア４２０の欠陥は第２のＧＭＦ５０５’のエネルギーを増加させる。壊れた歯の結果として、第２のＧＭＦ５０５の振動の振幅は０．０７の値から０．９５の値まで増加した。さらに、側波帯ｆｍ２−ｆ３ ５３０およびｆｍ２＋ｆ３ ５３５の振幅が著しく増加した。
【００３３】
[0044]ＧＣＩデバイス３００は、ギア故障に起因する影響を測定し識別する。歯の亀裂／破損が生じると、ＧＭＦのまわりのすべての側波帯の振幅が増加することがあり、振幅変調の割合の増加を受けることがあるので、ＧＣＩデバイス３００は振幅の変化を測定し、測定値に応じて故障を分類する。表１はいくつかの例示の故障モードおよびそれぞれの影響を示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
[0045]図３に戻って参照すると、オペレータは、ユーザ構成部分３０２を介してギアボックス４００のギア構成を入力することができる。例えば、オペレータはギアのタイプ３０４を入力し、段数３０６に「４」を入力することができる。さらに、オペレータは、第１段、第２段４２０、第３段４３０、および第４段４４０の歯数３０８およびピニオン数３１０を入力することができる。オペレータは、ギアボックス４００をモニタするのにＧＣＩデバイス３００が使用することになるギアボックス４００の定格電力３１４とサンプリング周波数３１６とを入力することができる。
【００３６】
[0046]ＧＣＩデバイス３００はいくつかのセンサインタフェースを介してセンサ４７０ａ〜４７０ｎからのセンサ入力信号を受け取る。例えば、加速度計４７０ｃはギアボックス４００の振動を検出、測定、および記録することができる。ＧＣＩデバイス３００は、正常動作中のギアボックス４００のセンサ入力信号を測定し記録し、これらの正常センサ入力信号を１組のベースライン信号３２８として記憶することができる。図５Ａは１組のベースライン信号の一例を示す。
【００３７】
[0047]ＧＣＩデバイス３００は、サンプリング周波数３１６に基づいて入力信号を捕捉することによってギアボックス４００の性能をモニタし続ける。ＧＣＩデバイス３００はフィルタ機能３３２を使用してプローブ４７０ａ〜４７０ｎから受け取った入力信号をフィルタ処理する。プロセッサコア３３４はフィルタ信号のすべてにＦＦＴ分析３３６を適用する。ＦＦＴ分析３３６は、モニタされているギアボックス４００を含むシステムに関係する関連のある周波数をもたらすことができる。
【００３８】
[0048]ＦＦＢＳ３３８は、信号を復元するために信号復元３４０で使用されることになる１つまたは複数の周波数および振幅を分離する。例えば、ＦＦＢＳ３３８は、モニタされているギアボックス４００の特定の段に関連するこれらの周波数だけを分離する。したがって、他の構成要素および他の段からの寄与は除去される。時間−信号の復元は、分離された周波数とそれぞれの振幅とを使用して行われる。これらの選択された周波数および振幅を使用して信号が復元された後、プロセッサコア３３４は復元信号の統計的特徴３４２を決定する。いくつかの実施形態では、統計的特徴３４２は二乗平均平方根（ＲＭＳ）値である。いくつかの実施形態では、統計的特徴は、標準偏差、尖度、ノルム（Ｎｏｒｍ）、Ｄ−ｓｔａｔを含むことができる。その後、プロセッサコア３３４は、ベースライン信号３２８を基準にして復元信号の正規化３４４を行うことによって正規化信号を生成する。任意の瞬間の任意の特徴の正規化は、ベースラインの特徴または事前に見いだされた特徴のある平均を基準にして行うことができる。次に、ＧＣＩデバイス３００は正規化信号に様々なルールを適用することができる。これらのルールは、ファジールールベース診断３４６および／またはルールベース診断３４８を含むことができる。ファジールールベース診断はメンバーシップ関数の様々な組合せを有することができ、様々な集計および非ファジー化法を適用することができる。
【００３９】
[0049]ＧＣＩデバイス３００は分析の出力を出力インタフェース３７０を介して提示する。いくつかの実施形態では、障害状態が存在するとＧＣＩデバイス３００が決定した場合（正規化信号が１つまたは複数の閾値値だけベースライン信号３２８と異なる場合など）のみ、ＧＣＩデバイス３００は出力を供給する。これらの実施形態では、ＧＣＩデバイス３００は故障に関連する指標を介して（例えば、検出された障害に応じてギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、ギア亀裂指標３７６、またはピニオン亀裂指標を介して）出力を供給することができる。指標（例えば、ギアシステム指標３７２、ギア摩耗指標３７４、およびギア亀裂指標３７６）の値に応じて警報または警告をユーザに与えることができる。例えば、いずれかの指標が０．３〜０．６の範囲にある場合、指標は警告を与える。しかし、範囲が０．６〜１．０の間にある場合、指標は警報を与える。警戒閾値を変更するか、または新しい警戒名を与えることによって、ユーザへの警戒、警報、および／または警告の他の組合せとすることができる。
【００４０】
[0050]図６は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第１段階の動作６００のより詳細な図である。図６に示されたＧＣＩの第１段階の動作６００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第１段階の動作６００の他の実施形態を使用することができる。
【００４１】
[0051]上記のように、構成の段階の間に、オペレータは、ギアタイプ３０４、段数３０６、および定格電力３１４などのモニタされるべきギアボックスに関連するデータを入力することができる。図６に示されるように、構成の段階の間に、オペレータは、さらに、低域フィルタ情報６０２、信号詳細６０４、およびデータ捕捉（ＤＡＱ）仕様６０６を入力することができる。低域フィルタ情報６０２は高域周波数（ＦＨ）６０８の値を含むことができる。信号詳細６０４は、サンプリング周波数（ＦＳ）６１０および取得されるべきサンプルの数（ＮＳ）６１２を含むことができる。ＤＡＱ仕様６０６は、最大サンプリング周波数（Ｆｄａｑ）６１４およびサンプルの最大数（Ｎｄａｑ）６１６を含むことができる。オペレータは、さらに、センサ構成６１８を入力することができる。
【００４２】
[0052]ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックス４００の各段４２０、４３０、４４０の１つまたは複数のＧＭＦ６２０を決定する。特定の実施形態では、ＡＩ部分３３０はＧＭＦごとに少なくとも３つの高調波を決定する。ＧＭＦごとに３つの高調波が示されているが、３つを超える高調波をもつ実施形態を使用することができることが理解されよう。
【００４３】
[0053]ＡＩ部分３３０は、オペレータがＦＨ６０８、ＦＳ６１０、およびＮＳ６１２に適切な値を入力したかどうかを決定する。例えば、ＡＩ部分３３０は比較６２２の間にＧＭＦをＦＨ６０８と比較する。ＦＨ６０８がＧＭＦの３倍未満（ＦＨ＜３×ＧＭＦ）である場合、ＡＩ部分３３０はＧＣＩデバイス３００の出力インタフェース３７０の増加ＦＨ指標６２４をトリガする。増加ＦＨ指標６２４は、ＦＨ６０８に入力された値が低すぎ、増加されるべきであるという視覚または聴覚の合図をオペレータに与える。
【００４４】
[0054]十分なＦＨ６０８が入力されているとＡＩ部分３３０が決定した後、ＡＩ部分３３０は比較６２６の間にＦＨ６０８をＦＳ６１０と比較する。ＦＳ６１０がＦＨ６０８未満である（ＦＳ＜２ＦＨ）場合、ＡＩ部分３３０は出力インタフェース３７０の増加ＦＳ指標６２８をトリガする。増加ＦＳ指標６２８は、ＦＳ６１０に入力された値が低すぎ、増加されるべきであるという視覚または聴覚の合図をオペレータに与える。ＡＩ部分３３０は、比較６３０の間にＦＳ６１０への入力値をさらに比較して、それがＦｄａｑ６１４よりも大きいどうかを決定する。ＦＳ＞Ｆｄａｑの場合には、ＡＩ部分３３０は増加ＦＳ指標６２８を動作不能にするか、または減少ＦＳ指標６３４を照明する。
【００４５】
[0055]ＡＩ部分３３０は、さらに、比較６３２の間にＮＳ６１２をＮｄａｑ６１６に対して比較する。ＮＳ６１２がＮｄａｑ６１６以下である（ＮＳ≦Ｎｄａｑ）場合、ＡＩ部分３３０は出力インタフェース３７０の増加ＮＳ指標６３４をトリガする。ＮＳ６１２がＮｄａｑ６１６よりも大きい（ＮＳ＞Ｎｄａｑ）場合、ＡＩ部分３３０は減少ＮＳ指標６３６を有効にすることができる。
【００４６】
[0056]ＧＣＩデバイス３００はプローブ４７０ａ〜４７０ｎからのセンサ入力信号を受け取る。ＡＩ部分３３０はセンサ入力信号を使用して追加の測定値を決定することができる。例えば、ＧＣＩデバイス３００がタコメータ３２４からピニオン速度６３６を受け取る場合、ＡＩ部分３３０はピニオン速度６３６からギア速度６３８を決定することができる。
【００４７】
[0057]ＡＩ部分３３０は、さらに、センサ入力信号を使用してセンサ入力信号の一群の周波数（ＦｏＦ）６４０を計算する。ＦｏＦ６４０は、各ＧＭＦの高調波６４２、ピニオンシャフトの側波帯６４４、ギア周波数の側波帯６４６、およびハンチング歯周波数の５つの高調波６４８を含む。ハンチング歯周波数は以下のように決定することができる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
[0058]図７は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第２のパートの動作７００のより詳細な図を示す。図７に示されたＧＣＩの第２段階の動作７００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第２段階の動作７００の他の実施形態を使用することができる。
【００５０】
[0059]ＡＩ部分３３０がセンサ入力信号の一群の周波数６４０を計算した後、ＡＩ部分３３０は低域フィルタ３３２によりＦｏＦ６４０を処理し、ＦＦＴ分析３３６を適用する。低域フィルタ３３２は、バターワースフィルタ、ウェーブレットベースフィルタ、または任意の他の低域フィルタとすることができる。ＦｏＦ６４０は、この例ではいくつかの帯域フィルタ経路７０５ａ〜７０５ｃを含むＦＦＢＳ３３８を通される。２Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋１Ｈｚからｆ−１Ｈｚまで）７０５ａは、値が１０００Ｈｚ未満（ｆ＜１０００Ｈｚ）であるＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。３Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋１．５Ｈｚからｆ−１．５Ｈｚまで）７０５ｂは、値が２０００Ｈｚ未満であるが、１０００Ｈｚ以上である（１０００Ｈｚ≦ｆ＜２０００Ｈｚ）ＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。４Ｈｚ帯域（例えば、ｆ＋２Ｈｚからｆ−２Ｈｚまで）７０５ｃは、値が２０００Ｈｚ以上（ｆ≧２０００Ｈｚ）であるＦＦＴ分析３３６からの信号に適用される。帯域は、速度揺らぎ、変形、歯構造の歪み、または任意の他の理由に起因する周波数のいかなる変化も組み込む。
【００５１】
[0060]ＡＩ部分３３０は、帯域７０５ａ〜７０５ｃごとに最小振幅および最大振幅を計算する。次に、ＡＩ部分３３０は帯域７０５ａ〜７０５ｃからの最大値の各々を組み合わせて、最大振幅および周波数の行列７１０を生成する。ＡＩ部分３３０は、さらに、帯域７０５ａ〜７０５ｃからの最小値の各々を組み合わせて、最小振幅および周波数の行列７１５を生成する。ＡＩ部分３３０は、最大振幅および周波数の行列７１０と、最小振幅および周波数の行列７１５との間の合併７２０を生成することによって信号復元３４０を行う。合併７２０は、ギアの全復元信号７２５をもたらす。この例では、合併７２０および復元信号７２５は、特定の（例えば、モニタされた）段のギアの加速度を決定する。
【００５２】
[0061]図８は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のＧＣＩの第３のパートの動作８００のより詳細な図を示す。図８に示されたＧＣＩの第３段階の動作８００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＧＣＩの第３段階の動作８００の他の実施形態を使用することができる。
【００５３】
[0062]ＡＩ部分３３０は、最大の振幅および周波数の行列７１０を使用して、ＧＭＦおよびその高調波の信号８０５、ピニオン基準の信号８１０、ギア側波帯の信号８１５、ハンチング周波数の信号８２０を復元する。さらに、ＡＩ部分３３０は最小の振幅および周波数の行列７１５を使用して、背景雑音の信号８２５を復元する。信号８０５〜８２５の各々は、それぞれＲＭＳレベル検出器８３０、正規化ＲＭＳレベル検出器８３５、および５つのファジーメンバールール８４０ａ〜８４０ｅのうちの１つを通される。ファジーメンバーシップルール８４０ａ〜８４０ｅからの出力はファジールール８４５を通されて、障害表示信号を生成する。ファジーメンバーシップ関数およびファジールールは、例えば、ルールベース診断３４８が使用されるときなどに他の論理で置き替えることができる。
【００５４】
[0063]ＡＩ部分３３０はファジールール信号をいくつかの指数８５０、８５５および８６０と比較する。ＡＩ部分３３０は、３つの追加のファジーメンバーシップ関数８６５ａ〜８６５ｃのうちの１つをギアピニオン摩耗指数８５０の出力、ギア亀裂指数８５５の出力、およびピニオン亀裂指数８６０の出力に適用する。ＡＩ部分３３０は、さらに、ＲＭＳレベル検出器８７０、正規化ＲＭＳレベル検出器８７５、およびファジーメンバーシップ関数８８０をギアの全復元信号７２５に適用する。その後、ファジーメンバーシップ関数８６５ａ〜８６５ｃおよび８８０からの信号の各々はファジールール８８５に送られて、ギア状態指標８９０を生成する。
【００５５】
[0064]ＡＩ部分３３０は、ピニオンに対してこのプロセスを繰り返す。さらに、ＡＩ部分３３０は、追加のギア段の各ギアおよびピニオンにこのプロセスを繰り返す。このようにして、ＧＣＩデバイス３００は、ギアボックスの各段の各ギアおよびピニオンのギア状態指標８９０を決定することができる。
【００５６】
[0065]ギア状態指標８９０は、摩耗、ピニオンの亀裂／破損、およびギアの亀裂／破損などのギアボックスの様々な故障モードとは無関係に各段のギアボックスの健全性を反映する。実施形態によっては、ＧＣＩデバイス３００はメモリに記憶されたいくつかの閾値値を含み、ＧＣＩデバイス３００はギア状態指標８９０をメモリに記憶された閾値値と比較することができる。メモリは、任意の電子、磁気、電磁気、光学、電気光学、電気機械などの任意のコンピュータ可読媒体、および／またはデータを含む、記憶する、通信する、伝搬する、または送信することができる他のメモリデバイスとすることができる。特定の実施形態では、閾値値は、ＧＣＩデバイス３００によって計算されたギア状態指標８９０ごとに警告閾値および警報閾値を含むことができる。警告閾値は、ギア状態指標８９０が高いという警告をトリガすることができ、一方、警報閾値は、障害がギアボックスで検出されたという警報をトリガすることができる。
【００５７】
[0066]図９は、本開示による、ギアボックスをモニタするための例示のプロセス９００を示す図である。図９に示されたプロセス９００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、プロセス９００の他の実施形態を使用することができる。さらに、説明を容易にするために、プロセス９００はＧＣＩデバイス３００に関して説明されるが、プロセス９００は任意の好適なデバイスまたはシステムで使用することができる。
【００５８】
[0067]この例では、ＧＣＩデバイス３００は振動信号および速度信号を、処理し、好適な閾値と比較して使用し、ギアボックスの適切なメンテナンスを決定する。振動信号および速度信号はステップ９０５においてＧＣＩデバイス３００によって受け取られる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９１０において、ギアボックスの正常動作中に得られた振動信号および速度信号をベースライン信号として記憶する。ＧＣＩデバイス３００はステップ９１５においてギアボックスの関連のある群の周波数を決定する。これは、例えば、ギアボックスの故障モードの各々に対してＦｏＦ６４０を決定することを含むことができる。ＦｏＦ６４０は、ＧＭＦおよびその高調波、ＧＭＦおよびその高調波のまわりのピニオンシャフト回転周波数の側波帯、ならびにＧＭＦおよびその高調のまわりのギアシャフト回転周波数の側波帯波を含むことができる。実施形態によっては、歯ハンチング周波数およびそれぞれの高調波などのより多くの周波数を決定することもできる。ＧＣＩデバイス３００は、ギア、ピニオン、および背景雑音の成分周波数を決定することができる。
【００５９】
[0068]ＧＣＩデバイス３００は振動信号および速度信号を受け取り続け、ステップ９２０において信号処理を行う。これは、例えば、信号を分解することを含むことができる。信号処理は、低域フィルタ操作およびＦＦＴ分析をさらに含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９２５において、処理された信号を使用して周波数／周波数帯幅の選択を行う。これは、例えば、周波数を分離することと、最小および最大の周波数および振幅を得ることとを含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９３０において、例えば、全信号を復元すること、ならびにＧＭＦおよび高調波、ピニオン側波帯、ギア側波帯、ハンチング周波数、および背景雑音の信号を復元することなどによって信号を復元する。ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９３５において復元信号から統計的特徴を見いだす。例えば、ＧＣＩデバイス３００は、ＲＭＳ値および尖度値などの特徴を決定することができる。ＧＣＩデバイス３００は、さらに、ステップ９４０においてベースライン信号の対応する特徴を、およびステップ９４５において現在の信号の対応する特徴を識別する。復元信号は、ステップ９５０において、正規化され、ベースライン信号または他の指数と比較される。次に、ＧＣＩデバイス３００は特徴をベースラインからの特徴を基準にして正規化する。例えば、復元信号は、ステップ９４５で見いだされた現在の信号からの特徴をステップ９５０で見いだされたベースラインからの特徴で除算することによって正規化することができる。正規化は、機械システムのサイズおよび用途のタイプに関してモデルを一般化するのに役立つ。ファジー特徴融合を行い、故障モード指標を決定する。特徴融合技法は、ベイジアン特徴融合またはデンプスター・シェイファー特徴融合をさらに含むことができる。ＧＣＩデバイス３００は故障モード指標のファジー融合を行い、ギア健全性指標を決定し、閾値を状態指標に適用して障害を検出する。復元信号の特徴が閾値のうちの１つを超える場合、ＧＣＩデバイス３００は、ステップ９５５において、適切な指標（例えば、ギアシステム指標、ギア摩耗指標、ギア亀裂指標、および／またはピニオン亀裂指標）を出力する。
【００６０】
[0069]実施形態によっては、記憶されている振動信号および速度信号が、摩耗を現在受けているか、または亀裂を現在含んでいるギアに対するものである。そのような実施形態では、ＧＣＩデバイス３００は、ギアの追加の疲労またはさらなる亀裂に起因する信号の変化に基づいて警告または警報を行う。
【００６１】
[0070]図１０は、本開示の実施形態による例示のファジー化操作を示す。図１０に示されたファジー化操作１０００の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ファジー化操作１０００の他の実施形態を使用することができる。
【００６２】
[0071]ファジー化操作１０００は、ＲＭＳギア値に対する第１の入力、ＲＭＳ側波帯値に対する第２の入力、および出力を含む。一例では、第１の入力閾値１００５は０．４に設定され、第２の入力閾値１０１０は１．５に設定される。さらに、出力閾値１０１５は、警報をトリガするために０．７７となるように設定される。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において低い場合、出力は正常である１０２０。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において大きくない場合、出力は正常である１０２５。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において低く、第２の閾値１０１０において大きい場合、出力は警告を示す１０３０。ＲＭＳギアが第１の閾値１００５において高く、第２の閾値１０１０において大きい場合、出力は警報を示す１０３５。
【００６３】
[0072]図１１Ａおよび１１Ｂは、本開示による例示のギア健全性指標を示す。図１１Ａおよび１１Ｂに示されたギア健全性指標の実施形態は説明のためだけのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ギア健全性指標の他の実施形態を使用することができる。
【００６４】
[0073]図１１Ａに示されたこの実施例では、ＧＣＩ出力インタフェース３７０は、ファジィ、デンプスター・シェイファー、またはベイジアン理論に基づく統計の特徴融合を使用して構築される健全性指標１１００（図３に関して上述のさらなる詳細で説明された指標３７２、３７４、および３７６を含む）である。図１１Ｂに示された別の例では、ＧＣＩ出力インタフェース３７０は、ファジィ、デンプスター・シェイファー、またはベイジアン理論に基づく統計の特徴融合を使用して構築される健全性指標１１００’（図３に関して上述のさらなる詳細で説明された指標３７２、３７４、および３７６を含む）である。健全性指標１１００（および／または１１００’）は、０の値と１の値との間で変化する重症度指数を与える。ギア健全性指標１１００は２つの閾値値１１０５および１１１０（および／または１１０５’および１１１０’）を含む。
【００６５】
[0074]例えば、いずれかの指標が０．３〜０．６の範囲にある場合、指標は警告を与える。しかし、範囲が０．６〜１．０の間にある場合、指標は警報を与える。警戒閾値を変更するか、または新しい警戒名を与えることによって、ユーザへの警戒、警報、および／または警告の他の組合せとすることができる。
【００６６】
[0075]上記の図は様々な実施形態を示しているが、これらの図に任意の数の変更を行うことができる。例えば、任意の好適なタイプのギアボックスをモニタすることができ、任意の好適なタイプの障害を検出することができる。さらに、ＧＣＩデバイス３００によって行われるように示された様々な機能を組み合わせる、さらに細分する、または省略することができ、特定の要求に応じて追加の機能を追加することができる。さらに、図９は一連のステップを示しているが、図９の様々なステップは重複する、並列に行う、複数回行う、異なる順序で行うことができる。
【００６７】
[0076]いくつかの実施形態では、コンピュータ可読プログラムコードから形成される、およびコンピュータ可読媒体に組み入れられているコンピュータプログラムによって、上述の様々な機能は実施またはサポートされる。「コンピュータ可読プログラムコード」という句は、ソースコード、オブジェクトコード、および実行コードを含む任意のタイプのコンピュータコードを含む。「コンピュータ可読媒体」という句は、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、または任意の他のタイプのメモリなどのコンピュータによってアクセスすることができる任意のタイプの媒体を含む。
【００６８】
[0077]本特許文書の全体にわたって使用されるいくつかの語および句の定義を述べるのは有利であることがある。「結合する」という用語およびその派生語は、２つ以上の要素が互いに物理的に接触していてもいなくても、２つ以上の要素間の任意の直接的または間接的な連通を指す。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、ならびにそれらの派生語は限定を伴わない包含を意味する。「または」という用語は包括的であり、「および／または」を意味する。「に関連する」および「それに関連する」という句、ならびにその派生語は、含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）、内に含まれる（ｂｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｗｉｔｈｉｎ）、に相互接続する、含む（ｃｏｎｔａｉｎ）、内に含まれる（ｂｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈｉｎ）、に接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、に結合する（ｃｏｕｐｌｅ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、と連通可能である（ｂｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｂｌｅ ｗｉｔｈ）、と協同する、交互配置する、並置する、に隣接する、に結びつけられる（ｂｅ ｂｏｕｎｄ ｔｏ ｏｒ ｗｉｔｈ）、有する、特性を有するなどを意味することができる。
【００６９】
[0078]本開示はいくつかの実施形態および全体的に関連する方法を説明したが、これらの実施形態および方法の改変および交換は当業者には明らかであろう。したがって、例示の実施形態の上述の説明は本開示を規定または制約しない。以下の特許請求の範囲によって規定されるような本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の変更、代替、および改変も可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を受け取るように構成された入力インタフェース（３２０）と、
前記入力信号を使用して前記ギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサ（３３０）と、
前記障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェース（３７０）と
を含む装置であって、
前記プロセッサは、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定し、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解し、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元し、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較することによって前記障害を識別するように構成される、
装置。
【請求項２】
前記復元ギア信号は、
前記噛み合い周波数およびその高調波に関連する信号、
ピニオン側波帯に関連する信号、
ギア側波帯に関連する信号、
ハンチング歯周波数に関連する信号、
および
背景雑音に関連する信号
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プロセッサは、複数の帯域フィルタ（７０５ａ〜７０５ｃ）により前記入力信号を分解することによって前記入力信号を分解するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記プロセッサは、
前記帯域フィルタの出力中の最大および最小の周波数および振幅を決定し、
第１の合併を生成するように前記最大の周波数および振幅を合併させ、
第２の合併を生成するように前記最小の周波数および振幅を合併させ、
前記第１の合併および前記第２の合併を使用して多数のギア信号を復元することによって前記ギア信号を復元するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセッサは、さらに、
前記復元信号を前記ベースライン信号で正規化し、
前記指標での使用のための値を得るように特徴融合技法を適用することによって前記障害を識別するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ギアボックスの１つまたは複数の特性を測定するように構成された複数のセンサ（３２２〜３２４）と、
ギアボックス状態指標デバイス（３００）と
を含むシステムであって、
前記ギアボックス状態指標デバイス（３００）は、
前記ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を前記センサから受け取るように構成された複数のセンサインタフェース（３２０）と、
前記入力信号を使用して前記ギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサ（３３０）と、
前記障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェース（３７０）と
を含み、
前記プロセッサは、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定し、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解し、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元し、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較することによって前記障害を識別するように構成される、システム。
【請求項７】
前記プロセッサは、複数の帯域フィルタ（７０５ａ〜７０５ｃ）により前記入力信号を分解することによって前記入力信号を分解するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記プロセッサは、
前記帯域フィルタの出力中の最大および最小の周波数および振幅を決定し、
第１の合併を生成するように前記最大の周波数および振幅を合併させ、
第２の合併を生成するように前記最小の周波数および振幅を合併させ、
前記第１の合併および前記第２の合併を使用して多数のギア信号を復元することによって前記ギア信号を復元するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセッサが、前記ギアボックスの正常動作に対応する前記入力信号の一部を前記ベースライン信号として記憶するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
ギアボックスの少なくとも１つの段に対応する振動および速度情報のうちの少なくとも一方を含む入力信号を受け取る（９０５）ステップと、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに対応し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定する（９１５）ステップと、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解する（９２０〜９２５）ステップと、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元する（９３０）ステップと、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較する（９５０）ステップと、
前記復元ギア信号が閾値量だけ前記ベースライン信号と異なる場合に障害を識別する指標を出力する（９５５）ステップと
を含む方法。
【請求項１】
ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を受け取るように構成された入力インタフェース（３２０）と、
前記入力信号を使用して前記ギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサ（３３０）と、
前記障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェース（３７０）と
を含む装置であって、
前記プロセッサは、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定し、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解し、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元し、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較することによって前記障害を識別するように構成される、
装置。
【請求項２】
前記復元ギア信号は、
前記噛み合い周波数およびその高調波に関連する信号、
ピニオン側波帯に関連する信号、
ギア側波帯に関連する信号、
ハンチング歯周波数に関連する信号、
および
背景雑音に関連する信号
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プロセッサは、複数の帯域フィルタ（７０５ａ〜７０５ｃ）により前記入力信号を分解することによって前記入力信号を分解するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記プロセッサは、
前記帯域フィルタの出力中の最大および最小の周波数および振幅を決定し、
第１の合併を生成するように前記最大の周波数および振幅を合併させ、
第２の合併を生成するように前記最小の周波数および振幅を合併させ、
前記第１の合併および前記第２の合併を使用して多数のギア信号を復元することによって前記ギア信号を復元するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセッサは、さらに、
前記復元信号を前記ベースライン信号で正規化し、
前記指標での使用のための値を得るように特徴融合技法を適用することによって前記障害を識別するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ギアボックスの１つまたは複数の特性を測定するように構成された複数のセンサ（３２２〜３２４）と、
ギアボックス状態指標デバイス（３００）と
を含むシステムであって、
前記ギアボックス状態指標デバイス（３００）は、
前記ギアボックスの少なくとも１つの段に関連する入力信号を前記センサから受け取るように構成された複数のセンサインタフェース（３２０）と、
前記入力信号を使用して前記ギアボックスの障害を識別するように構成されたプロセッサ（３３０）と、
前記障害を識別する指標を与えるように構成された出力インタフェース（３７０）と
を含み、
前記プロセッサは、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに関連し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定し、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解し、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元し、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較することによって前記障害を識別するように構成される、システム。
【請求項７】
前記プロセッサは、複数の帯域フィルタ（７０５ａ〜７０５ｃ）により前記入力信号を分解することによって前記入力信号を分解するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記プロセッサは、
前記帯域フィルタの出力中の最大および最小の周波数および振幅を決定し、
第１の合併を生成するように前記最大の周波数および振幅を合併させ、
第２の合併を生成するように前記最小の周波数および振幅を合併させ、
前記第１の合併および前記第２の合併を使用して多数のギア信号を復元することによって前記ギア信号を復元するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセッサが、前記ギアボックスの正常動作に対応する前記入力信号の一部を前記ベースライン信号として記憶するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
ギアボックスの少なくとも１つの段に対応する振動および速度情報のうちの少なくとも一方を含む入力信号を受け取る（９０５）ステップと、
前記ギアボックスの少なくとも１つの故障モードに対応し、噛み合い周波数およびその高調波を含む一群の周波数（６４０）を決定する（９１５）ステップと、
前記一群の周波数を使用して前記入力信号を分解する（９２０〜９２５）ステップと、
前記分解入力信号を使用してギア信号を復元する（９３０）ステップと、
前記復元ギア信号をベースライン信号（３２８）と比較する（９５０）ステップと、
前記復元ギア信号が閾値量だけ前記ベースライン信号と異なる場合に障害を識別する指標を出力する（９５５）ステップと
を含む方法。
【図４】
【図５】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１２−５２２９８５（Ｐ２０１２−５２２９８５Ａ）
【公表日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０３４９７（Ｐ２０１２−５０３４９７）
【出願日】平成２２年３月２３日（２０１０．３．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２８２４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１４７３５
【国際公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２３日（２０１０．３．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２８２４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１４７３５
【国際公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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