DD209690B5

DD209690B5 - Measuring device for analyzing pulse repetition frequencies of machines

Info

Publication number: DD209690B5
Application number: DD24332482A
Authority: DD
Inventors: Fritz Dr-Ing Jaschinski; Winfried Dr-Ing Zippe
Original assignee: Prueftechnik Ag
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1982-09-17
Publication date: 1996-06-13
Also published as: DD209690A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Analyse von Impulsfolgefrequenzen von Maschinen nach dem Oberbegriff desThe invention relates to a measuring device for analyzing pulse repetition frequencies of machines according to the preamble of

Die genaue Kenntnis des Amplitudenfrequenzspektrums der Stoßimpulsfolge erlaubt also wesentlich genauere Rückschlüsse auf Ort und Grad der entstandenen Schädigung als die oben beschriebene einfache Amplitudenmessung. In der Meßpraxis läßt es sich nicht vermeiden, daß jeder einzelne Stoßimpuls höherfrequente Resonanzschwingungen im mechanischen Übertragungsweg anregt Dies betrifft sowohl die Übertragungsstrecke innerhalb des Lagers von der Schadensstelle, die den Stoß verursacht, bis zum Ankopplungsort des Schwingungsaufnehmers, als auch den Schwingungsaufnehmer selbst mit inneren Resonanzen, die in seinem mechanischen Aufbau begründet sind. Das empfangene elektrische Signal bildet deshalb den mechanischen Stoßimpuls nicht mehr proportional ab. An dessen Stelle tritt ein „Wellenpaket" mit relativ hoher Schwingungsfrequenz auf, dessen Hüllkurve noch die Parameter des mechanischen Stoßvorganges enthält. Aufgrund dieser Signalverfälschung gelingt es mittels eines nachgeschalteten Frequenzanalysators praktisch nicht mehr, die interessierenden Stoßimpuls-Folgefrequenzen und deren Harmonische nachzuweisen. Aus der CH 512 737 ist eine Schwingungsmeß- und Überwachungseinrichtung bekannt, bei der ein Schwingungsaufnehmer ein elektrisches Signal abgibt, dessen Frequenz bzw. Amplitude ausgewertet wird. Hierbei wird das Signal über eine Filteranordnung geführt, wobei das elektrische Signal in mehrere sich nicht überlappende Frequenzbänder aufgeteilt und diese separat einer Anzeigeeinrichtung zugeführt werden. Diese Einrichtung besitzt einen relativ aufwendigen Schaltungsaufbau, mit dem das zu messende Signal in unterschiedliche Frequenzbänder aufgeteilt wird, um verschiedene Schwingungsquellen voneinander zu unterscheiden und unabhängig voneinander zu überwachen. Hierbei sind jedoch in den unterschiedlichen Frequenzsignalen vorhandene Störfrequenzen nicht von den ursächlich zu messenden Frequenzen zu unterscheiden, so daß die an den einzelnen Ausgängen anliegenden, unterschiedlichen Frequenzsignale sowohl Informationsinhalte über die tatsächlich zu messenden Größen als auch über Störgrößen enthalten.The exact knowledge of the amplitude frequency spectrum of the shock pulse sequence thus allows much more accurate conclusions about the location and degree of damage incurred than the simple amplitude measurement described above. In measurement practice, it is unavoidable that each individual shock pulse excites higher frequency resonant vibrations in the mechanical transmission path. This affects both the transmission distance within the bearing from the point of damage causing the impact to the point of attachment of the vibration pickup and the vibration picker itself with internal resonances , which are based in its mechanical structure. The received electrical signal is therefore no longer proportional to the mechanical shock pulse. In its place occurs a "wave packet" with a relatively high oscillation frequency, the envelope of which still contains the parameters of the mechanical collision process.Thanks to this signal corruption, it is practically no longer possible to detect the relevant shock pulse repetition frequencies and their harmonics by means of a downstream frequency analyzer 512 737 discloses a vibration measuring and monitoring device in which a vibration pickup emits an electrical signal whose frequency or amplitude is evaluated, whereby the signal is passed through a filter arrangement, wherein the electrical signal is divided into several non-overlapping frequency bands and these are separated This device has a relatively complex circuit structure with which the signal to be measured is divided into different frequency bands in order to differentiate different vibration sources from one another and monitor independently of each other. In this case, however, interference frequencies present in the different frequency signals are indistinguishable from the frequencies that are to be measured causally, so that the different frequency signals present at the individual outputs contain both information contents about the variables actually to be measured and also about disturbance variables.

Aus A. Haug, Elektronisches Messen mechanischer Größen, Carl Hanser Verlag München 1969, Seite 94/95, ist es allgemein bekannt, Meßgleichrichter zur Demodulation von Signalen einzusetzen.From A. Haug, electronic measurement of mechanical quantities, Carl Hanser Verlag Munich 1969, page 94/95, it is well known to use measuring rectifier for the demodulation of signals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der in einfacher Weise die einen Lagerschaden charakterisierenden Stoßimpulsfolgefrequenzen im wesentlichen fehlerfrei analysiert werden können. Insbesondere soll mit einfachen Mitteln eine bekannte Meßkette zur Erfassung und Frequenzanalyse mechanischer Schwingungen so erweitert werden, daß die einen Lagerschaden charakterisierenden Stoßimpulsfolgefrequenzen und deren Harmonische über eine Frequenzanalyse gemessen werden können, wobei auch das kennzeichnende Frequenzspektrum bei kleinen und bei kombinierten Schäden darstellbar ist.The invention has for its object to provide a measuring device of the generic type, with a simple way, the bearing damage characterizing shock pulse repetition frequencies can be analyzed substantially error-free. In particular, a known electrode for detecting and frequency analysis of mechanical vibrations is to be extended by simple means so that the bearing damage characterizing shock pulse repetition frequencies and their harmonics can be measured by a frequency analysis, whereby the characteristic frequency spectrum can be represented in small and combined damage.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Meßeinrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß zwischen dem Breitbandverstärker und der Frequenzanalysiereinrichtung ein Demodulator eingefügt ist, ist es vorteilhaft möglich, den zeitlichen Verlauf des elektrischen Signals einer Stoßimpulsfolge so zu beeinflussen, daß die Impulsfolgefrequenzen bei einer nachfolgenden Frequenzanalyse deutlich hervortreten. Insgesamt ist somit eine Meßeinrichtung geschaffen, mit der die nichtlineare Amplitudenkennlinie mechanischer Stoßimpulse ausgewertet werden kann. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Auswertung der nichtlinearen Amplitudenkennlinie die tatsächlichen von einer Schädigung des Wälzlagers herrührenden mechanischen Stoßimpulse von Resonanzschwingungen im mechanischen Übertragungsweg der Stoßimpulse im Bauteil bzw. im Schwingungsaufnehmer unterschieden werden können.According to the invention the object is achieved by a measuring device with the features mentioned in claim 1. Characterized in that between the broadband amplifier and the frequency analyzer a demodulator is inserted, it is advantageously possible to influence the time course of the electrical signal of a shock pulse sequence so that the pulse repetition frequencies clearly emerge in a subsequent frequency analysis. Overall, a measuring device is thus created with which the nonlinear amplitude characteristic of mechanical shock pulses can be evaluated. It has surprisingly been found that the actual evaluation of the damage caused by the rolling bearing mechanical shock pulses of resonant vibrations in the mechanical transmission path of the shock pulses in the component or in the vibration can be distinguished by the inventive evaluation of the nonlinear amplitude characteristic.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zusätzlich zwischen dem Breitbandverstärker und dem Demodulator ein Hochpaßfilter geschaltet ist, dessen Grenzfrequenz mindestens höher gewählt werden sollte als die zu analysierende Impulsfrequenz. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Grenzfrequenz so einzustellen, daß sie noch höher liegt als die wesentlichen Harmonischen der Impulsfrequenz. Der Hochpaßfilter kann in vorteilhafterweise auch als untrennbarer Bestandteil des Breitbandverstärkers ausgeführt sein.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that in addition between the broadband amplifier and the demodulator, a high-pass filter is connected, the cutoff frequency should be selected at least higher than the pulse frequency to be analyzed. It is particularly advantageous to set the cutoff frequency so that it is higher than the essential harmonics of the pulse frequency. The high-pass filter can advantageously also be embodied as an inseparable component of the wideband amplifier.

Ferner ist eine Meßeinrichtung bevorzugt, bei der ein Tiefpaß zwischen dem Demodulator und der Frequenzanalysiereinrichtung eingefügt ist. Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses sollte hierbei höher liegen als die höchste zu messende Harmonische der Impulsfolgefrequenz.Furthermore, a measuring device is preferred in which a low-pass filter is inserted between the demodulator and the frequency analyzer. The cut-off frequency of this low-pass filter should be higher than the highest harmonics of the pulse repetition frequency to be measured.

Darüber hinaus ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen, den Demodulator als Analog-Digital-Wandler auszugestalten, wobei in dessen Ausgangssignal das Vorzeichenbit weggelassen ist oder dessen Ausgangssignal bei einem der beiden logischen Zustände des Vorzeichenbits auf Null gesetzt wird.In addition, according to a further advantageous embodiment of the invention, the demodulator as an analog-to-digital converter to design, in whose output signal, the sign bit is omitted or the output signal is set to zero in one of the two logical states of the sign bit.

embodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Hierzu zeigt Fig. 1 einen an der Lagerschale eines Wälzlagers befestigten Schwingungsaufnehmer 1, dessen elektrisches Ausgangssignal zunächst einem Breitbandverstärker 2 zugeführt und dort für die weitere Signalverarbeitung geeignet aufbereitet wird. Ein nachgeschaltetes Hochpaßfilter 6 trennt mit dem eigentlichen Stoßvorgang, der im Innern des Wälzlagers entsteht, nicht zusammenhängende sonstigen Maschinenschwingungen ab, die wegen der großen bewegten Massen relativ tieffrequent sind. Hieran schließt ein Demodulator 3 an, dessen wichtigste technische Eigenschaft in bekannter Weise die nichtlineare Amplitudenkennlinie darstellt. Derartige Nichtlinearitäten werden üblicherweise vor Frequenzanalysiereinrichtungen streng vermieden, da sie zu Verfälschungen der Frequenzzusammensetzung des durchlaufenden Signals führen. Im vorliegenden Fall kommt aber gerade dadurch der gewünschte Meßeffekt zustande. Das nachfolgende Tiefpaßfilter 7 schafft günstige Voraussetzungen für die anschließende Frequenzanalyse, indem die unwesentlichen höherfrequenten Anteile im Meßsignal unterdrückt werden und damit die für den Meßeffekt wesentlichen Signalanteile am Eingang der nachgeschalteten Frequenzanalysiereinrichtung 4 in voller Amplitude verfügbar sind. Das Ausgabegerät 5 am Ende der Meßkette kann ein übliches Registriergerät (z. B. Drucker, Schreiber, Sichtgerät) sein; vorteilhafterweise läßt sich aber auch ein Gerät zur Selektion spezieller Diagnosekennwerte aus dem Amplitudenfrequenzspektrum der Analysiereinrichtung 4 einsetzen. Diese Diagnosekennwerte erlauben einen unmittelbaren Vergleich mit zulässigen Normalwerten. Fig. 2 zeigt zur näheren Erläuterung der Meßkette einzelne Zeitfunktionen des Meßsignals U. Der Index gibt jeweils die Nummer derjenigen Funktionseinheit nach Fig. 1 an, an deren Ausgang das dargestellte Signal beobachtet werden kann. Mit A(f) ist das Amplitudenfrequenzspektrum am Ausgang der Frequenzanalysiereinrichtung 4 bezeichnet. T_s ist die Periodendauer der Stoßimpuls-Folgefrequenz f_s.The invention will be described below with reference to an embodiment. 1 shows a mounted on the bearing shell of a rolling bearing vibration sensor 1, the electrical output signal is first supplied to a broadband amplifier 2 and processed there suitable for further signal processing. A downstream high-pass filter 6 separates with the actual impact process, which arises in the interior of the bearing, non-contiguous other machine vibrations, which are relatively low-frequency because of the large moving masses. This is followed by a demodulator 3, whose most important technical characteristic in a known manner is the non-linear amplitude characteristic. Such nonlinearities are usually strictly avoided in front of frequency analyzers, as they lead to distortions of the frequency composition of the continuous signal. In the present case, however, the desired measuring effect is achieved. The following low-pass filter 7 creates favorable conditions for the subsequent frequency analysis by the insignificant higher-frequency components are suppressed in the measurement signal and thus the signal components essential for the measurement effect at the input of the downstream frequency analyzer 4 are available in full amplitude. The output device 5 at the end of the measuring chain may be a conventional recording device (eg printer, recorder, display device); Advantageously, however, it is also possible to use a device for selecting specific diagnostic parameters from the amplitude frequency spectrum of the analyzing device 4. These diagnostic characteristics allow a direct comparison with permissible normal values. FIG. 2 shows, for a more detailed explanation of the measuring chain, individual time functions of the measuring signal U. The index indicates in each case the number of that functional unit according to FIG. 1 at the output of which the represented signal can be observed. A (f) denotes the amplitude frequency spectrum at the output of the frequency analyzer 4. T _s is the period of the burst pulse repetition frequency f _s .

Claims

1. Measuring device for analyzing pulse repetition frequencies of machines, in particular of rolling bearings, consisting of a measuring object attached to the vibration sensor whose output is connected via a broadband amplifier to the input of a Frequenzanalysiereinrichtung whose output is connected to the input of an output device, characterized in that between the broadband amplifier (2) and the frequency analyzer (4) a demodulator (3) is inserted.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that between the broadband amplifier (2) and the demodulator (3), a high-pass filter (6) is connected, the cutoff frequency is above the pulse repetition frequency to be analyzed.

3. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that between the demodulator (3) and the frequency analyzer (4), a low-pass filter (7) is inserted.

4. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the demodulator (3) is designed as an analog-to-digital converter, in whose output signal, the sign bit is omitted or whose output signal is set to zero in one of the logic states of the sign bit.

Claim 1.

It is known that in the rolling over of damaged areas, for example in the raceway of rolling elements, mechanical shock pulses. These shock pulses can be measured externally on the bearing, with the result of the measurement being indicative of the degree of damage. In known arrangements either the amplitude or the amplitude density of these shock pulses is used as a measured variable (shock pulse meter 43 A, company SPM instrument AB).

Furthermore, it is known that the shock pulses repeat in characteristic, dependent on design data and movement frequencies of the machine considered time intervals. These burst pulse repetition frequencies can be calculated according to known formulas. Palmgreen (Palmgreen, A .: Fundamentals of Rolling Bearing Technology, 3rd edition Stuttgart 1964) specifies the following shock pulse frequencies f _s for rolling bearings with a rotating inner ring and a fixed outer ring:

for a defect on the outer ring
D Λ

for a defect on the inner ring

for a defect on the rolling element

fs.*= J₅-/[l—cos² afs. * = J ₅ - / [l-cos ² a

Where:

ζ = number of rolling elements in a row

f = rotational frequency of the inner ring

D = diameter of the rolling elements

d = diameter of Wälzkörpermittenkreises

«= Contact angle