IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 60, NO. 8, AUGUST 2013
Detection of Backlash Phenomena Appearing in a
Single Cement Kiln Drive Using the Current and the Electromagnetic Torque Signature
Ioannis X. Bogiatzidis, Athanasios N. Safacas, Life Senior Member, IEEE, and
Epaminondas D. Mitronikas, Member, IEEE
Abstract—Fault diagnosis in electromechanical drives has been widely investigated over the last decades, and many diagnostic methods have been proposed based on the reported faults. Additionally to already published works which have dealt with gear faults inside low reduction ratio gearboxes, this paper aims to present a simple and effective method for the early diagnosis of evolving faults in a high reduction ratio gear transmission system used in cement kiln drives. The under study system basically consists of a three-phase induction motor mechanically connected to a gearbox. The output shaft of the gearbox drives a gear pinion which, in turn, rotates a girth gear rim surrounding the cement kiln. The identification of mechanical vibrations due to backlash phenomena appearing between the pinion gear and the girth gear rim of the kiln is realized using the motor current signature analysis and processing the motor electromagnetic torque. The proposed diagnostic method is presented, analyzing the experimental results from an under-scale laboratory simulating system.
Index Terms—AC machines, backlash phenomena, cement kilns, current measurement, discrete Fourier transforms, fault diagnosis, motor current signature analysis (MCSA), motor drive, torque estimation, vibration measurement, voltage measurement.
NOMENCLATURE
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Im |
Motor current amplitude of the fundamental frequency. |
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Il |
Motor current amplitude of the lower sideband frequency. |
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Ih |
Motor current amplitude of the higher sideband frequency. |
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Ia |
Stator current in alpha-axis. |
Stator current in beta-axis.
Supply stator voltage amplitude in alpha-axis.
Supply stator voltage amplitude in beta-axis. Supply stator voltage amplitude.
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Psi;a |
Stator flux in alpha-axis. |
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Psi;beta; |
Stator flux in beta-axis. |
T Electromagnetic torque. ϕ Voltage vector and current vector angle of the fundamental frequency.
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Manuscript received May 23, 2011; revised August 8, 2011, October 14, 2011, January 9, 2012, and March 12, 2012; accepted March 16, 2012. Date of publication April 16, 2012; date of current version April 11, 2013. The authors are with the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, 26500, Patras, Greece (e-mail: impogiatzid@ upatras.gr; a.n.safacas@ece.upatras.gr; e.mitronikas@ece.upatras.gr). Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://ieeexplore.ieee.org. Digital Object Identifier 10.1109/TIE.2012.2194950 |
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omega;e |
Fundamental angular frequency. |
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omega;d |
Angular frequency of a defect. |
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fm |
Motor rotating frequency. |
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fr |
Pinion rotating frequency. |
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fp |
Pinion teeth gear mesh frequency (GMF). |
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fd1 |
Defect frequency of the one broken tooth case study. |
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fd2 |
Defect frequency of the two broken teeth case study. |
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Lp |
pinion length |
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Dp |
Pinion diameter. |
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Np |
Number of pinion teeth. |
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Lk |
Kiln length. |
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Dk |
Kiln diameter. |
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Nk |
Number of girth gear teeth. |
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I. INTRODUCTION
C
ONSIDERING the economic implications of intercepting the production line in a factory, it is easy to realize the worth of early diagnosis of potential malfunctions in order to timely implement the necessary processes and to avoid undesired failures and long reparation periods. In this direction, researchers are studying and analyzing several of these malfunctions to develop and propose reliable diagnostic techniques [1].
The major faults of an electromechanical drive can be generally categorized as either failures of the electrical machines or abnormalities at the mechanical transmission system [2], [3].
Concerning the electrical machines, several research works deal with the diagnosis of broken rotor bar or cracked rotor end rings [4]–[8], stator and armature faults [9]–[12], and static or dynamic eccentricity [13]–[17]. In addition, the vibration effect of bearing faults in machinery has been investigated in [18]–[20], and a detailed analysis of the vibrations occurring in a mechanical transmission system due to mechanical imbalances or rotor faults has also been realized in [21]–[24]. Particularly in [22], a torsional vibration analysis on a large rotary cement kiln is implemented, and the graveness of the appearance of mechanical vibrations in a cement kiln is highlighted. Finally, vibration suppression methods have been proposed in [25] and [26]. It should be emphasi
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利用电流和电磁转矩的特征对回转窑中出现的齿隙现象的检测
摘要：在过去的几十年中，机电传动系统故障诊断的研究已得到了广泛的研究，许多诊断方法都是基于故障诊断的。此外，已出版的处理在低减速比齿轮箱齿轮故障，此文旨在提出一种简单有效的在高减速比齿轮传动系统用于水泥窑驱动器故障演化的早期诊断方法。在研究系统基本上由一个三相异步电动机机械连接到一个齿轮箱。齿轮箱的输出轴驱动一个小齿轮，这反过来，旋转围绕所述水泥窑一个周长齿圈。利用电机的电流信号，实现了齿轮与回转窑环齿轮之间的齿隙现象的识别，通过对电机电磁转矩的分析与处理，提出了一种诊断方法，并从一个模拟实验系统的实验结果进行分析。
关键词：AC机，反弹的现象，水泥窑，电流测量，离散傅立叶变换，故障诊断，电机电流特征分析（MCSA），电机驱动，扭矩估算，振动测量，电压测量。
术语
Im :电动机电流幅度的基本频率。
Il :电动机电流的振幅较低频率带。
Ih :电动机电流的振幅较高频率带
Ia :alpha;-轴定子电流
Ibeta; :beta;-轴定子电流
Va. :在alpha;-轴电源定子电压振幅
Vbeta; :beta;-轴电源电压幅值
Vm.:电源电压幅值。
Psi;a :alpha;-轴磁通
Psi;beta;:beta;-轴磁通
T :电磁转矩。
Phi;:基波频率的电压矢量和电流矢量角。
Omega;e：基本角频率
omega;d：缺陷角频率。
Fm：电机旋转频率。
Fr：小齿轮旋转频率。
Fp：齿轮齿轮啮合频率（GMF）。
fd1：一个断齿缺陷频率的研究。
fd2：双断齿缺陷频率的研究。
Lk：小齿轮长度
Dp：小齿轮直径。
Np：小齿轮齿数。
Lk：窑长。
Dk：窑径。
Nk：齿圈齿数。
2011年5月23日修订稿，2011年8月8日，2012年1月9日，2012年3月12日，2012年3月16日修订。出版日期2012年4月16日，2013年4月11日。
作者是电气和计算机工程，帕特雷大学，26500，佩特雷，希腊（电子邮件：impogiatzid@upatras.gr; ansafacas@ece.upatras.gr; e.mitronikas@ece.upatras.gr）。
本文中的一个或一个以上的数字颜色版本可在网址http://ieeexplore.ieee.org上找到。
数字对象标识10.1109/ TIE.2012.2194950
I.简介
考虑到拦截的经济影响在工厂生产线,很容易实现价值的潜在故障的早期诊断,以便及时实现必要的流程,避免干扰故障和修复时间长。在这个方向,研究人员正在研究和分析其中的几个开发和提出可靠的故障诊断技术[1]。
机电传动系统的主要故障，一般可分为机械传动系统的故障或机械传动系统的异常[2]、[3]。
关于电机，几个研究工作处理转子断条的诊断或裂纹转子端环[4] - [8]，定子和电枢断层[9] - [12]，和静态或动态偏心[13] - [17]。此外，轴承的故障在机械振动效应已经在研究[18] - [20]，并由于机械不平衡或转子的故障在一个机械变速系统中发生的振动的详细分析也已在实现[21] - [24]。特别是在，在一个大的水泥回转窑一个扭转振动分析的实施，和机械振动的水泥窑的外观的冷峻被突出显示[22]。最后，振动抑制方法已经提出[25][26]。应当强调的是，为机电驱动器诊断方法的发展依赖于扩展研究的信号处理技术所必须的故障指示的频率的提取[27] - [29]。
需要减少齿轮和齿轮箱系统在高扭矩和减速是在其结构的复杂性相结合，导致了许多研究人员对此进行了详细的研究和推荐各种以诊断技术来预测即将发生故障。在过去的几十年里，当时的工艺应用于检测变速箱故障是通过将加速度计在机械外壳的振动监测。已经提出了几篇论文，发展和提出新的振动信号处理技术[ 30 ] [ 32 ]。此过程的主要缺点是，通常不容易和安全的操作系统的访问，以放置传感器。这是一个组合的困难，以区分的振动源的振动，由于在一个工业环境中存在的各种机械激励。对于同样的原因，使用声波信号来检测机械异常和振动的类似技术可能不是有效的工厂[ 33 ]。
为了克服这个困难,新的齿轮故障诊断技术最近提出了使用电动马达以测量信号检测异常在变速箱。重大贡献,实现状态监测系统的发展提出了一个新的反弹评估方法使用脉冲编码器和一个三角形速度参考信号在一个永久的同步电动机驱动[34]。估计是基于跟踪电机速度和专注于加速或减速,一个了不起的振动是清晰可见。深入研究跟踪的扭转振动出现在内部的低减速比变速箱已经完成并出版。
凹地和莫汉蒂[35]-[37]用齿轮箱的减速比2.3:1证明转轴频率和形态滤波器在变速箱可以确定使用电机相电流的幅值和频率解调。此外,他们一直在调查检测破碎的牙齿或两个连续破碎的牙齿在变速箱使用电机电流特征分析(MCSA)。有一个齿轮箱的减速比2.3:1意味着转子转速振荡的振幅由于错误的牙齿在最后齿轮将大约两倍的振幅在输出轴齿轮速度振荡,因此,预计在转子故障的影响最小。这阻碍使用电机定子电流的齿轮故障检测诊断手段。然而,作者提出了一个有效的方法来检测这种故障使用离散小波变换去除噪声电流的频率解调的信号而不影响振幅,快速傅里叶变换(FFT)分析在特定的细节,和解调和过滤信号的摘要。还要提到的是,作者考虑故障齿轮的GMF,都集中在450 - 1000赫兹的频率范围,噪声水平是重要的和降噪技术是必要的。
扭转振动的检测单级低减速比变速箱使用MCSA也由克钦等人发明[38]和[39]。3.48:1的减速比是通过小齿轮和齿轮来实现的。作者有数学和实验表明,在变速箱扭矩振荡的影响在电动机电流表示在当前签名相关的多组分相位调制小齿轮和齿轮旋转频率和GMF。同一作者[40],[41]提出了小齿轮齿轮耦合的动力学模型考虑零反弹传输系统和两个接触点的最大提取时变刚度方程齿轮与车轮之间的牙齿。此外,使用电磁转矩识别的扭转振动由于时变刚度之间的齿轮齿在正常运行或检测润滑变速箱内部损失[42]也被提出。最后,电磁转矩估计应用于铁路牵引系统提出了[43]和[44]。尤其是在[44],减少齿轮故障的检测低传输系统调查,并提出了电流和电磁转矩估计检测这异常的诊断手段。必须说,拟议的诊断方法是基于观察相应的谐波振幅的变化。
不同的诊断方法提出了[45]。调查系统由直流无刷(刷)电机耦合与蜗杆齿轮和齿轮箱的减速比22:1。提出的多个边带谐波旁边的基本频率180赫兹电机电流和电源电压作为指示用于齿轮故障在这台机器。
须强调,变速箱等低减速比那些在上述调查研究[35]-[44]是不恰当的使用在水泥窑驱动器在低速高扭矩需要旋转窑。需要高的传输单位总减速比强加了一个变速箱的使用具有高减速比耦合到电机和进一步减少阶段组成的齿轮/矢轮耦合。具体的传输系统,分析描述在下一节中,区分的窑驱动系统研究到目前为止。由于高减速比传输系统,齿轮的转速很低,因此,一个潜在的在小齿轮齿故障频率较低的缺陷。此外,由于传输的高扭矩齿轮,一个潜在的小齿轮故障会导致强烈的冲动在齿轮扭矩激励/矢轮耦合。不同的诊断策略等的检测异常使用电动机作为传感器提出了。必须强调,这是意识到尽管存在高减速箱马达和齿轮之间增加了几个谐波电机电流所[39]。因此,调查了可以被视为一个原始的贡献齿轮故障的检测,出现在一个水泥窑。
II. 回转窑
- 系统说明
窑是水泥生产过程的核心和最重要的机电系统被认为是一个水泥厂,因为其庞大的规模,不间断操作的需要,其施工的复杂性。回转窑是钢管慢慢旋转1 - 4 r / min生产熟料(见图1)。一个大窑可能有100米的长度和直径4米。炉内的材料使特定的运动取决于几个因素,提出了在[46]和[47]。旋转实现使用一个单一或双驱动考虑设计的局限性有关每个驱动器[48]权力交接。在本文中,一个驱动被检查。
图1：希腊水泥厂回转窑的操作。 图2：单窑驱动:系统的基本结构
高转矩需求为了旋转低速旋转窑和要求执行使用传输系统具有高总减速比。出于这个原因,一个典型的机械传动系统为单个驱动水泥窑由变速箱结合齿轮/矢轮单元。电机转速是通过变速箱首先减少机械连接小齿轮。小齿轮,反过来,更高的扭矩传递到窑通过矢轮边缘[49]-[51],因此,进一步降低(见图2)来实现。一个典型的齿轮箱的减速比选择用于水泥窑大约40:1与50:1,而一个典型的减速比的齿轮/矢轮单元在水泥行业中遇到约为10:1,以这种方式实现对整个传动系统总减速比这大约400:1和500:1之间变化。考虑这样一个典型的传动系统和考虑到窑的大小,很容易确定窑驱动器的最关键部分是齿轮和环形齿轮之间的耦合。部队之间发生的小齿轮和环形齿轮是强大到足以引起当地损害,广泛的穿,和厚度的牙齿异常,进而会导致设备异常广泛称为反弹[48]-[53]。
图3：小齿轮与齿圈齿隙。
B.齿隙现象
机械齿轮联轴器,齿轮之间的最小真空必须确保热膨胀和润滑。这个真空可能会增加在温度变化下,牙齿磨损引起的通过振动和连续操作,或失调。反弹时创建齿厚小于理想的齿轮的齿厚。在这种情况下,正常的真空异常增加,因此,与从动齿轮传动装置瞬间失去了接触(见图3)[48]-[51]。在低功耗的机械系统中,反弹现象导致不准确的位置和速度控制在[52]和[53],而在大型电力系统,如窑驱动,他们可能会把一时冲动扭矩荷载产生冲击通过整个系统一旦齿轮联轴器重建。必须强调,振动发生在这个特定的机械传动由于这些现象可能导致进一步磨损牙齿甚至伤害他们。轴裂纹、不稳定和进一步严重的损害也是可能的。这种情况下可能诱发高维修成本和减少工厂生产如前所述[22]和[54]-[57]。
与已经发表的作品研究相应的振幅振动频率在一个较低的减速比变速箱在正常或错误操作,本文的主要贡献是通过实验证明反弹现象,这可能会出现小齿轮和环形齿轮齿由于巨大压力,可以检测到使用电子感应电动机的数量依赖于脉冲这些现象的本质。这意味着,为了追踪他们通过电动机电流和电机电磁转矩,考试不是一个特定的频率或边带而是一组频率对应于故障必须完成。这可以意识到尽管存在变速箱与电机之间的高减速比和小齿轮。故障反映电机电流和电磁转矩的理论分析和实验证明结果使用传统的MCSA和电磁转矩签名[39],[42],[44]。
C.系统管理
为了检测反应使用电器数量,分析这些现象如何影响电动机必须首先完成。据莫汉蒂和冰斗[35],Yacamini et al。[58],和Blodt et al。[59],正弦扭转载荷扭矩激励的存在与一个角频率omega;d显示相应显然在电机相电流所示
Ia(t)=Im cosomega;et Il cos(omega;eminus;omega;d)t Ih cos(omega;e omega;d)t.
必须强调,(1)是有效的只有当负载转矩由常数和正弦分量和频率omega;d假设没有其他气隙转矩振荡。
如前所述,在齿轮齿异常发生时,脉冲力矩作用在特定的时间间隔创建Td = 2pi;/omega;domega;d缺陷角频率。这一缺陷频率等于齿轮旋转频率在一个错误的牙齿。考虑一个脉冲序列的傅里叶变换,生成的相电流,考虑一个脉冲序列与角频率omega;d扭矩激励,没有其他气隙转矩振荡,可以写成与n = 1、2、3hellip;hellip;,本土知识缺陷的k谐波频率的振幅omega;d和omega;e基本频率。因此,根据(2),一个脉冲电机轴的扭矩激励由于反弹现象预计将创造一个边带频谱的基本频率(omega;eplusmn;nomega;d),因此,必须研究相应的频率范围使用MCSA为了检测这种故障。这也促进了这一事实,由于低齿轮的旋转频率,一个潜在的反弹在齿轮缺陷omega;d频率较低,因此,相应的频率会蔓延在一个小频谱基本旁边。
在特定的系统的齿隙检测的一个显着的障碍调查是存在的一个齿轮箱的齿轮和电机之间的高减速比。据起亚等。[ 39 ]，一个齿轮箱可能会增加几个谐波的定子电流，根据其数量的阶段。这基本上表示的一个分析方程，可以被认为是作为一个基本的表达式的电机耦合到一个变速器与多个减速阶段的相电流。根据[ 39 ]，由于旋转和转基因食品在变速箱使用电流特征分析的基础上是成正比的转矩振荡的振幅和的平方成反比的旋转和转基因食品的调制指数的扭转振动检测。在小齿轮的齿隙的情况下，由于有缺陷的齿的转矩振荡的幅度预计将显着高相比，在变速箱中的转矩振荡的正常运行。此外，齿轮故障（齿隙），这是等于在一个故障齿的情况下的齿轮旋转频率的缺陷频率，是较低（例如0.5赫兹）比任何其他旋转或齿轮啮合频率在变速箱。因此，当反弹出现在小齿轮，齿隙调制指数会比旋转和转基因食品在变速器的调制系数大得多。这意味着，从理论上讲，在电机相电流的反弹的效果会比变速箱的影响更为强烈，允许使用（2）的齿隙识别。必须指出的是，这是有效的，只有当一个变速器与一个齿轮故障和电机作为在窑驱动器之间存在的高减速比。所有上述理论分析验证通过实验结果，这是在下面的部分。
D. 电磁转矩特征分析
在torque-controlled驱动器,比如direct-torque-controlbased系统,电机电磁转矩估计实现理想的控制技术。这种策略是特别有用的和广泛的单一或双水泥窑驱动器[60]所示。alpha;-beta;表达的电动机模型使用静止的参考系,和电磁转矩估计(3)-(6)
(6)
改变一个理想的电压供应由(7)-(9)在alpha;-beta;坐标系使用(3),(10)和(11)
Va =Vm cos(omega;et ϕ) (7)
(8)
(9)
(10)
lt;
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