Método y aparato para el monitorado y análisis de las vibraciones en máquinas rotativas.

Un método de monitorización de la amplitud y frecuencia de las vibraciones en una maquina rotativa,

quecomprende las etapas de:

recepción de las medidas de la amplitud de la vibración y la velocidad de rotación de la máquina (901);

gravar como un punto de datos cada medida de la amplitud como una función de la frecuencia de vibración y lavelocidad rotacional (903);

almacenar una pluralidad de distintos umbrales de amplitud distintos, representando cada uno un fondo de ruidopara el conjunto respectivo primero de un primer conjunto de sub-rangos de la frecuencia de vibración y de lavelocidad rotacional;

comparar cada medida de amplitud con el umbral de amplitud para el sub-rango de la frecuencia de vibración y lavelocidad rotacional dentro de la cual pueda caer (905); y

determinar la medida como la representación del ruido si cae por debajo del umbral y que tenga un contenidoespectral significativo si está por encima del umbral.

Método y aparato para el monitorado y análisis de las vibraciones en máquinas rotativas.

La presente invención está relacionada con un método y aparato para el monitorado de las vibraciones en máquinas en donde pueden obtenerse espectros de vibraciones acústicas, y en particular para el análisis y monitorado del contenido espectral de tales datos, para facilitar una detección de fallos de forma fiable.

Para el monitorado del rendimiento y funcionamiento de las maquinas rotativas es bien conocido el poder registrar y analizar el espectro de los datos de las vibraciones, utilizando transductores de presión obtenidos utilizando transductores de vibraciones montados en las máquinas. (Véase por ejemplo el documento EP1431727A2. El contenido espectral de los datos de vibración de una máquina rotativa que opera normalmente tiende a ser relativamente estable y por tanto la operación anormal (tal como el desarrollo de fallos) puede reconocerse por un cambio en el espectro, en particular con un cambio significativo en la energía de una o más frecuencias distintas. Típicamente la señal de vibración dependiente del tiempo del transductor se transforma en un espectro de vibraciones utilizando la Transformada Rápida de Fourier (FFT) , dando lugar a unas series en el tiempo. Tales espectros pueden, por ejemplo, generarse con una velocidad de 5 Hz. Las aplicaciones típicas para dicho monitorado pueden incluir: motores de turbina de gas (por ejemplo, motores de aviones) , motores marinos y turbocompresores de grandes buques, taladradoras y demás maquinas y componentes de dichas máquinas en los procesos de fabricación y en los componentes rotativos en los motores de automóviles.

La representación grafica del espectro de las vibraciones con respecto al tiempo da lugar a una representación con respecto al tiempo-frecuencia, y mostrando en la figura 1 un ejemplo de dicha representación gráfica, en este caso para un motor de turbina de gas.

Se observa que una FTT contiene NFFT=2n rangos de frecuencia que cubren el rango de frecuencias [0 f8/2], en donde fs es la velocidad de muestreo en el transductor de vibraciones montado en el armazón, (por ejemplo 10 KHz) , una representación gráfica en el tiempo-frecuencia comprende NFFT filas y t columnas, en donde t es el numero de FFT obtenidas (por ejemplo, 5 por segundo para la longitud del funcionamiento del motor) . A través de la duración de un vuelo, t típicamente llega a ser muy grande, significando que existe un lote de datos a procesar y que el problema de cálculo del procesado de grandes cantidades de datos es de alto valor.

Contenidos dentro de las representaciones graficas de vibraciones de tiempo-frecuencia se encuentran unos picos en la frecuencia correspondientes a los modos fundamentales y armónicos de vibración de la máquina. El seguimiento de la amplitud de estos picos, representan los componentes espectrales relacionados con las resonancias de las maquinas rotativas, dando lugar a unas series en el tiempo denominadas como “ordenes con seguimiento” (TO) , que pueden utilizarse para caracterizar el rendimiento de la máquinas. Estas “ordenes”, es decir, los modos de vibración relacionadas con la rotación, pueden tener seguimiento a través del tiempo, conforme se desplazan en el espacio de frecuencias con cambios en la velocidad de rotación. La publicación PCT WO2004/090486 propone esta utilización para construir un modelo de “comportamiento normal” en los términos de las ordenes con seguimiento. Los valores de las ordenes con seguimiento de los conjuntos de datos de los conjuntos de datos previos se compararon con el modelo de comportamiento observado durante el periodo de entrenamiento con el fin de determinar si son similares o no para este comportamiento “asumido” como anormal”, con el objetivo de identificar el deterioro del sistema con antelación al fallo del sistema.

Existen sin embargo muchos modos de fallos que no pueden identificarse por la utilización de modelos de normalidad construidos utilizando órdenes con seguimiento. Las ordenes con seguimiento cubren solo un pequeño sub-rango de frecuencias completas de los espectros de vibración completos, y otros modos de fallos pueden dar lugar a una nueva energía (es decir, energía no observada de dicha parte del espectro de frecuencias en los datos de entrenamiento) apareciendo fuera de este pequeño sub-rango.

Un ejemplo de esto es el fallo de los cojinetes de un motor de turbina de gas. Típicamente utilizan unos pequeños rodamientos a bolas encerradas en armazones fijos tales que puedan rotar libremente con el fin de formar contactos de rodamiento de las cargas entre los distintos ejes del motor rotativo, y para mantener la posición de los ejes entre si. Los daños de las superficies de estos rodamientos pueden dar lugar a una energía de vibración previamente no observada en las altas frecuencias, eliminadas significativamente de las bandas estrechas de frecuencias de las órdenes con seguimiento observadas bajo las condiciones “normales”. El fallo de los armazones en los que están montados los rodamientos o cojinetes pueden dar lugar a unos picos constantes en la energía espectral en los múltiplos no vistos previamente de las órdenes fundamentales con seguimiento. Esto último podría describirse como “ordenes nuevas con seguimiento” (NTO) porque son picos en la energía de vibración dentro de las bandas de frecuencia estrechas, y que son por tanto bandas estrechas de frecuencias, pero que tienen lugar en frecuencias con seguimiento, pero que tienen lugar en frecuencias en donde las ordenes con seguimiento no se observan bajo las condiciones “normales”.

Con el fin de identificar los NTO y otros contenidos espectrales significativos no observados previamente durante los periodos de entrenamiento de la operación “normal” dentro de las series de tiempos de los espectros, es necesario identificar y desechar los componentes espectrales correspondientes al ruido de fondo. Se ha propuesto previamente realizar esto en forma heurística para todos los motores de turbina de gas de una clase similar mediante la definición de un umbral de “ruido-fondo” de la energía espectral (en términos de la amplitud de vibración) por debajo de la cual los componentes espectrales se estiman que son ruido. Con el fin de evitar grandes números de clasificación de falso-positivo durante la detección de las órdenes con seguimiento nuevas, al utilizar este umbral con una clase completa de motores, tiene que ser en forma conservadora debido a la variabilidad intermotor dentro de dicha clase. No obstante, esto la nueva detección para tener una baja sensibilidad, porque el umbral conservador da lugar a un alto numero de clasificaciones falsas-negativas.

El uso de este umbral de fondo del ruido da lugar también a la incapacidad para determinar los eventos de los motores en forma significativa, que se manifiestan como cambios en la energía espectral para las frecuencias mucho más altas que los primeros pocos armónicos de las ordenes con seguimiento fundamental, las cuales pueden ser una indicación de peligro para los cojinetes o rodamientos, fallos de los rodamientos, y otros eventos que tengan lugar para las frecuencias más altas, porque tienden a tener una amplitud mucho más inferior que la vibración a frecuencias inferiores.

Otra exposición anterior es la US2004060347, la cual describe un motor de un avión que incluye medios para medir la vibración y la velocidad con el fin de adquirir datos relativos a la velocidad del rotor y también la amplitud y la fase de la vibración del rotor durante un vuelo determinado. El método descrito incluye los datos adquiridos de la lectura; calculando un vector promedio sobre un rango de velocidad del rotor predeterminado sobre la base de los datos adquiridos mencionados; calculando una diferencia vectorial entre el vector de vibración promedio del mencionado vuelo determinado y el vector de vibración promedio de un vuelo de referencia para el mencionado rango de velocidad del rotor; comparando los módulos de la mencionada diferencial vectorial con un valor de umbral predeterminado; y emitiendo una señal de aviso cuando el modulo de la diferencia vectorial exceda al mencionado valor de umbral predeterminado, en donde las etapas ejecutadas después del mencionado vuelo determinado se hayan completado.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método de monitorar la amplitud y frecuencia de la vibración en una máquina rotativa, que comprende las etapas de: recepción de las medidas de las vibraciones de amplitud y frecuencia y la velocidad de rotación de la máquina; grabación como puntos de datos de cada medida... [Seguir leyendo]

1. Un método de monitorización de la amplitud y frecuencia de las vibraciones en una maquina rotativa, que comprende las etapas de:

recepción de las medidas de la amplitud de la vibración y la velocidad de rotación de la máquina (901) ;

gravar como un punto de datos cada medida de la amplitud como una función de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional (903) ;

almacenar una pluralidad de distintos umbrales de amplitud distintos, representando cada uno un fondo de ruido para el conjunto respectivo primero de un primer conjunto de sub-rangos de la frecuencia de vibración y de la velocidad rotacional;

comparar cada medida de amplitud con el umbral de amplitud para el sub-rango de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional dentro de la cual pueda caer (905) ; y

determinar la medida como la representación del ruido si cae por debajo del umbral y que tenga un contenido espectral significativo si está por encima del umbral.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los umbrales distintos de la amplitud representan un sub-rango respectivo de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional que se establecen en un proceso de entrenamiento, utilizando los datos de vibración a partir del funcionamiento de la maquina rotativa estimado como normal.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los distintos umbrales de amplitud representa cada uno un fondo del ruido para el sub-rango respectivo de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional que se establecen por el acoplamiento de una distribución de la amplitud en los puntos de datos de entrenamiento en cada sub-rango de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional, calculando una distribución de valores extremos para la mencionada distribución de la amplitud y estableciéndose como el mencionado umbral de la amplitud con un valor que represente una probabilidad preestablecida de ser el valor máximo de amplitud que se obtendría para el ruido.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la probabilidad preestablecida es una probabilidad por encima de 0, 99.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4 en donde la distribución de la amplitud es una distribución Gamma.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, 4 ó 5, en donde la distribución de amplitud está acoplada después de excluir los puntos de datos de entrenamiento que no representen el ruido de fondo de los mencionados datos en cada sub-rango de la frecuencia de vibración y de la velocidad rotacional.

7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, que comprende además:

comparar cada medida de amplitud con la distribución del valor extremo obtenido a partir de los puntos de datos de entrenamiento para la lectura de un valor de probabilidad para dicha amplitud;

calcular a partir del valor de la probabilidad el valor de dicha amplitud;

valor de la novedad = -log10{1-Pe (x) }, en donde Pe (x) es el valor extremo de la distribución como una función de amplitud x; y

dar salida al mencionado valor de la novedad.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además:

almacenar un segundo conjunto de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional, durante un proceso de entrenamiento utilizando los datos de vibración a partir de un funcionamiento de la maquina rotativa estimada como normal, con un valor mayor de un numero preajustado de puntos de datos de entrenamiento cuya amplitud estaba por encima del fondo del ruido y definiendo esta frecuencia de vibración y los sub-rangos de velocidad rotacional como un contenido espectral significativo conocido;

comparar cada medida de amplitud con el umbral de amplitud que represente el fondo de ruido para uno del primer número de sub-rangos de la frecuencia de vibración y la velocidad de rotación dentro de la cual pueda caer;

definir un nuevo contenido espectral significativo cualquier conjunto de la frecuencia de vibración y los sub-rangos de velocidad rotacional no definidos como contenidos espectrales significativos, y que contengan más de un segundo numero preajustado de las medidas de amplitud que excedan del umbral de amplitud que representen el fondo del ruido.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el segundo numero preestablecido de las medidas de amplitud es la unidad.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9 en donde el segundo conjunto de la frecuencia de vibración y los sub-rangos de velocidad rotacional, y el numero preestablecido mencionado de los puntos de datos de entrenamiento, están determinados en un proceso de entrenamiento utilizando puntos de datos de entrenamiento que comprenden los datos de vibración a partir de un funcionamiento de la maquina rotatoria que contenga los datos anormales, tal que solo los datos del segundo conjunto de la frecuencia de vibración y los sub-rangos de velocidad rotacional que contengan puntos de datos de entrenamiento anormales estarán definidos como una energía espectral significativa nueva.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, 9 ó 10, en donde el primero y el segundo conjuntos de subrangos de la frecuencia de vibración y la velocidad rotacional sean los mismos.

12. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el rango de la frecuencia está dividido en 30 a 120 sub-rangos y en donde el rango de la velocidad rotacional está dividido en 5 a 40 subrangos.

13. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el rango de frecuencia está dividido en 50 a 100 sub-rangos, y en donde el rango de velocidad rotacional está dividido en 10 a 30 subrangos.

14. Un aparato para la amplitud de vibración y la frecuencia en una maquina rotativa, que comprende entradas para las medidas de vibración de recepción del sensor de vibración, y las medidas de velocidad rotacional de la maquina a partir de un tacómetro, y un sistema de procesamiento de datos adaptado para ejecutar el método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

15. Un sistema de control para una máquina rotativa que comprende un aparato de acuerdo con la reivindicación 14.