DD248036A3

DD248036A3 - METHOD AND DEVICE FOR MACHINE ELEMENTS CONDITIONING BY PULSE EVALUATION

Info

Publication number: DD248036A3
Application number: DD26850584A
Authority: DD
Inventors: Adolf Sturm; Manfred Bode; Dieter Kinsky; Dietmar Rosch; Stephan Uhlemann
Original assignee: Zittau Ing Hochschule
Priority date: 1984-10-18
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1987-07-29
Also published as: SU1606910A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen, die es ermoeglichen, auf oekonomische Weise den Betriebszustand von Maschinenelementen zu ermitteln, der durch Parameter der Beanspruchung und Schaedigung charakterisiert ist. Erfindungsgemaess werden die in elektrische Impulse umgewandelten Bauteilschwingungen objektiv bewertet und ermoeglichen bei laufendem Betrieb und durch Einsatz geringer geraetetechnischer Aufwendungen die Ermittlung von Beanspruchungen durch Reibungs- und sonstige Schadensdiagnose. Die Erfindung ist in der gesamten Maschinenbautechnik, insbesondere an kinematischen Paarungen wie z. B. Waelz- und Gleitlagern oder Getrieben anwendbar.The invention relates to a method and an arrangement for determining the state of machine elements, which make it possible to determine the operating state of machine elements in an economic manner, which is characterized by parameters of stress and damage. According to the invention, the component vibrations converted into electrical impulses are evaluated objectively and make it possible to determine the stresses arising from friction and other damage diagnostics during operation and by using less technical equipment expenditure. The invention is in the entire mechanical engineering, in particular on kinematic pairings such. B. rolling and plain bearings or transmissions applicable.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Diagnose von Maschinenelementen. Verfahren und Anordnung sind in der gesamten Maschinenbautechnik, insbesondere an kinematischen Paarungen wie z. B. Wälz- und Gleitlagern oder Getrieben anwendbar.The invention relates to a method and an arrangement for the diagnosis of machine elements. Method and arrangement are in the entire mechanical engineering, especially on kinematic pairings such. B. rolling and plain bearings or transmissions applicable.

Das Verfahren kann Anwendung finden in der Qualitätskontrolle allgemein, der Fertigungskontrolle, der Montagekontrolle und der Zustandsbewertung während des laufenden Betriebes.The method can be used in quality control in general, production control, assembly control and condition assessment during ongoing operation.

Characteristic of the known technical solutions

Durch erhöhte Zuverlässigkeitsanforderungen an technischen Anlagen ergibt sich die Notwendigkeit, eine Zustandsbewertung immer stärker mit Aussagen über die Restfunktionsdauer von Maschinenelementen zu verbinden.Due to increased reliability requirements of technical systems, there is the need to combine a state evaluation more and more with statements about the remaining functional life of machine elements.

Unterschiedliche Schädigungsarten und unterschiedliche Beanspruchungen bewirken wesentlich voneinander abweichende Zeitverläufe der Schadensentwicklung bis zum Ausfall einer Anlage. International bekannte Diagnoseverfahren für kinematische Paarungen und auf deren Basis entwickelte Anordnungen sind meist „Ein-Parameter"-Systeme zur globalen Momentan-Zustandsbewertung. Diese erlauben keine Separation der konkreten Schädigungsprozesse ohne genaue Kenntnis der wirkenden Beanspruchungen (US-Patent 3554012, SU-Patent 838493, DD-Patent 208497).Different types of damage and different stresses cause significantly different time courses of damage development up to the failure of a plant. Internationally known diagnostic methods for kinematic pairings and arrangements developed therefrom are mostly "one-parameter" systems for global instantaneous state evaluation, which do not allow for the separation of concrete damage processes without precise knowledge of the acting stresses (US Patent 3554012, SU Patent 838493 , DD Patent 208497).

Bekannt sind weiterhin Vorschläge für mehrparametrige Diagnosesysteme, die eine Schadensseparation erlauben. Diese Systeme bedingen allerdings einen hohen gerätetechnischen Aufwand (Hippmann, N.: Technische Diagnostik mit Methoden der Signalanalyse und Mustererkennung am Beispiel einer Kreiselpumpe, Dissertation, IH Zittau 1982). Von besonderer Bedeutung ist der Nachweis periodischer Schädigungsprozesse (z. B. periodische Anstreifvorgänge in Gleitlagen, Überrollung von Schadstellen in Wälzlagern), da diese einen stark progressiven zeitlichen Verlauf zeigen und schnell zum Ausfall der Baugruppe führen können.Also known are proposals for multi-parameter diagnostic systems that allow damage separation. However, these systems require a high expenditure on equipment (Hippmann, N .: Technical diagnostics with methods of signal analysis and pattern recognition using the example of a centrifugal pump, dissertation, IH Zittau 1982). Of particular importance is the detection of periodic damage processes (eg periodic rubbing in sliding layers, rolling over of damaged areas in roller bearings), as these show a highly progressive time course and can quickly lead to failure of the assembly.

Mit bisherigen Verfahren der Schwingungsanalyse konnten solche Informationen nicht gewonnen werden. Auch bekannte Verfahren und Anordnungen zur Schallemissionsanalyse brachten kaum Ergebnisse, da nur klassische Impulsbewertungsverfahren eingesetzt wurden (Energieinhalt und -verteilung, Impulsrate und -dichte, Höhen-, Längen- und Abstandsverteilungen). Bekannt ist lediglich ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Wälzlagern auf der Basis der Bestimmung der Höhe von Schallimpulsen, welches aber wiederum nur ein globales Diagnoseverfahren darstellt (US-Patent 3554012).With previous methods of vibration analysis such information could not be obtained. Also known methods and arrangements for acoustic emission analysis brought little results, since only classical pulse evaluation methods were used (energy content and distribution, pulse rate and density, height, length and distance distributions). Known is merely a method for determining the state of rolling bearings on the basis of the determination of the height of sound pulses, which in turn is only a global diagnostic method (US Patent 3554012).

Vielfach war ein Einsatz hochempfindlicher Schallemissionsanalysetechnik an realen Analgen nicht möglich, da Störanteile meist nutzbare Informationen überdecken und durch eine Pegelbewertung bzw. Frequenzselektion nicht vom Nutzsignal zu trennen sind oder die Bewertungsparameter stark von äußeren Einflüssen abhängig sind.In many cases, it was not possible to use highly sensitive acoustic emission analysis technology on real systems, since interference components usually cover usable information and can not be separated from the useful signal by a level evaluation or frequency selection or the evaluation parameters are heavily dependent on external influences.

Trotz langjähriger (ca. 20 Jahre) weltweiter Bestrebungen, den Schädigungsprozeß in Art, Ort und zeitlicher Entwicklung mittels Schallemissionsanalysetechnik erfassen und objektiv bewerten zu können, werden deshalb technische akzeptable, den praktischen Einsatzbedingungen und Anforderungen gerecht werdende Verfahrens- und Anwendungslösungen bisher nicht angeboten.Despite many years (about 20 years) of worldwide efforts to detect the damage process in kind, location and temporal development using Schallemissionsanalysetechnik and to evaluate objectively, therefore technically acceptable, the practical conditions of use and requirements becoming fair process and application solutions are not offered.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine diesbezügliche Anordnung darzustellen, die es ermöglichen, Ort, Art und zeitliche Entwicklung von Schädigungsvorgängen in realen Anlagen während des Betriebes mit möglichst geringem technischen Aufwand nachzuweisen und objektiv zu bewerten.The aim of the invention is to present a method and a related arrangement, which make it possible to prove the location, type and temporal development of damage processes in real systems during operation with the least possible technical effort and to objectively evaluate.

Letztendlich können dadurch eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, die Vermeidung von Anlagenausfällen und Folgeschäden, eine bessere Ausnutzung der Abnutzungsreserve und die Verringerung des Instandhaltungsaufwandes erreicht werden.Ultimately, this can increase the availability of the system, prevent system failure and consequential damage, make better use of the wear reserve and reduce maintenance costs.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, so daß hochfrequente Schallimpulse aus Maschinenelementen so verarbeitet und bewertet werden, daß Informationen über Art, Ort und Größe eines Schadens gewonnen werden können, was Aussage über dessen zeitlichen Fortschritt ermöglicht. Verfahren und Anordnung sind im laufenden Betrieb anwendbar.The invention has for its object to develop a method and an arrangement so that high-frequency sound pulses from machine elements are processed and evaluated so that information about the nature, location and size of damage can be obtained, which allows statement of its temporal progress. Method and arrangement are applicable during operation.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem schnelle periodische Schwankungen der Dichte hochfrequente Schallimpulse zu erfassen sind, wobei die zeitliche Veränderung von Frequenz und Amplitude dieser Schwankungen ein Maß für den Schädigungszustand des zu beurteilenden Maschinenelementes darstellen.This object is achieved according to the invention by a method in which fast periodic fluctuations in the density of high-frequency sound pulses are to be detected, the temporal change of frequency and amplitude of these fluctuations represent a measure of the damage state of the machine element to be assessed.

Die Erfindung kann wie folgt zweckmäßig ausgestattet sein:The invention may be suitably equipped as follows:

Es wird ein Impulsdrchtemesser mit geringer Zeitkonstante verwendet, dessen Ausgangsinformation schnelle zeitliche Veränderungen der Impulsdichte beinhaltet. Mit Hilfe bekannter Signalanalyseverfahren im Zeit-, Frequenz- oder Wahrscheinlichkeitsbereich werden Frequenz und Amplitude periodischer Schwankungen der Impulsdichte ermittelt und auf einen vorzugebenden bzw. aus dem Betriebsprozeß zu gewinnenden Parameter bezogen.It uses a pulse time meter with a small time constant whose output information includes rapid changes in the pulse density over time. With the aid of known signal analysis methods in the time, frequency or probability range, frequency and amplitude of periodic fluctuations of the pulse density are determined and related to a parameter to be preset or obtained from the operating process.

Veränderungen von Amplitude oder Frequenz stellen ein Maß für den Schädigungszustand des zu beurteilenden Maschinenelementes dar.Changes in amplitude or frequency represent a measure of the damage state of the machine element to be assessed.

Die Aufgabe ist nach der Erfindung weiterhin durch eine Anordnung gelöst, bei der am Ausgang des Filters ein Impulsdichtemesser geringer Zeitkonstante liegt, dessen Ausgangssignal einer Analysiereinheit zugeführt wird und deren Ausgang mit einer Bewertungslogik verbunden ist.The object is further achieved according to the invention by an arrangement in which at the output of the filter, a pulse density meter is a small time constant, the output signal of an analyzing unit is supplied and whose output is connected to a rating logic.

Die Erfindung kann dadurch zweckmäßig ausgeschattet sein, daß die praktische Realisierung sowohl mit digitalen als auch mit analogen Baugruppen erfolgt.The invention may be expediently eradicated that the practical realization takes place both with digital and with analog modules.

Erfindungsgemäß wird folgende technische Fortschrittlichkeit erreicht:According to the invention the following technical progressiveness is achieved:

1. Möglichkeit der Separation verschiedener Schädigungsprozesse mit verhältnismäßig einfachen gerätetechnischen Mitteln und damit genauere Aussagen über die Restfunktionsdauer.1. Possibility of separating different damage processes with relatively simple device-technical means and thus more accurate statements about the residual function duration.

2. Möglichkeit der Detektion von durch Störsignale überdeckten periodischen Impulsgruppen an realen Maschinenelementen während des laufenden Betriebes.2. Possibility of detecting periodic pulse groups covered by spurious signals on real machine elements during operation.

3. Universelle Einsetzbarkeit an einer großen Anzahl von Maschinenelementen.3. Universal applicability to a large number of machine elements.

4. Verfahren und Anordnung können in ihrer gerätetechnischen Realisierung unter Erfassung lediglich einer Meßgröße unterschiedlichsten praktischen Anforderungen (Handhabbarkeit, Anwenderfreundlichkeit, geringe Qualifikationsanforderungen) gerecht werden.4. The method and arrangement can meet in their device technology realization by detecting only one measure a variety of practical requirements (manageability, ease of use, low qualification requirements).

5. Anwendbarkeit bei Fertigungskontrolle, Montagekontrolle, Qualitätskontrolle und Zustandsüberwachung.5. Applicability in production control, assembly control, quality control and condition monitoring.

embodiment

Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführuhgsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below on two Ausführuhgsbeispielen. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Meßsignalumwandlung zur Detektion periodischer ImpulsgruppenFig. 1: Meßsignalumwandlung for the detection of periodic pulse groups

Fig. 2: Leistungsdichtespektrum der Impulsdichte für ein ungeschädigtes (a) und ein definiert geschädigtes (b) Wälzlager Fig.3: Ausführungsbeispiel der AnordnungFIG. 2: power density spectrum of the pulse density for an undamaged (a) and a defined damaged (b) rolling bearing FIG. 3: exemplary embodiment of the arrangement. FIG

Example 1:

Die in einem Maschinenelement entstehenden hochfrequenten Schallimpulse werden in einem Geber in elektrische Signale gewandelt und in entsprechenden Verstärkern und Hochpaßfilter verstärkt und von niederfrequenten Störanteilen getrennt. Die so erhaltene Impulsfolge stellt im Falle des Auftretens eines periodischen Schädigungsprozesses eine Überlagerung einer periodischen Impulsgruppenfolge aus dem Schädigungsprozeß (Fig. 1 a) mit einer in ihren Eigenschaften nicht bekannten Störimpulsfolge (Fig. 1 b) dar.The high-frequency sound pulses generated in a machine element are converted into electrical signals in a sensor and amplified in corresponding amplifiers and high-pass filters and separated from low-frequency interference components. In the case of the occurrence of a periodic damage process, the pulse sequence thus obtained represents a superposition of a periodic pulse group sequence from the damage process (FIG. 1 a) with an interference pulse sequence (FIG. 1 b) which is not known in terms of its properties.

Besteht die periodische Impulsgruppe im Vergleich zur Störimpulsfolge aus relativ wenigen und energiearmen Impulsen, kommt es bei der Bildung bekannter Impulsbewertungsgrößen wie Energieinhalt, Häufigkeit, Höhen- und Längenverteilungen zur Überdeckung der periodischen Impulsgruppen (Fig. 1 c).If the periodic pulse group consists of relatively few and low-energy pulses in comparison to the interference pulse sequence, the formation of known pulse evaluation quantities such as energy content, frequency, height and length distributions results in covering the periodic pulse groups (FIG. 1 c).

Bestimmt man jedoch mit einem genügend schnellen Impulsdichtemesser die zeitliche Impulsdichteverteilung, ergeben sich unabhängig von Größe und Charakter des Störsignals periodische Veränderungen der Impulsdichte, die durch die periodischen Impulsgruppen hervorgerufen werden (Fig. 1 d).However, if one determines the temporal impulse density distribution with a sufficiently fast pulse density meter, independent of the size and character of the interference signal, periodic changes in the impulse density caused by the periodic impulse groups result (FIG. 1 d).

Mit Hilfe von Signalanalyseverfahren wie z. B. Autokorrelationsanalyse (Fig. 1 e) und Fouriertransformation (Fig. 1 f) werden Frequenz und Amplitude dieser Schwankungen bzw. einzelne Schwankungsanteile bestimmt.With the help of signal analysis methods such. B. autocorrelation analysis (Fig. 1 e) and Fourier transform (Fig. 1 f) frequency and amplitude of these fluctuations or individual fluctuation components are determined.

Diese Frequenzen und Amplituden werden auf feste oder vom konkreten Prozeß abhängige Bezugswerte normiert.These frequencies and amplitudes are normalized to fixed or dependent on the specific process reference values.

Die Veränderung dieser normierten Werte stellt ein Maß für den Charakter sowie die Intensität und den zeitlichen Fortschritt eines Schädigungsprozesses dar. Mit Hilfe vorzugebender Grenzwerte erfolgt eine Einteilung in verschiedene Klassen nach Schädigungsart, -ort und -intensität.The change of these normalized values represents a measure of the character as well as the intensity and temporal progress of a damage process. With the help of specified limit values, a classification into different classes takes place according to the type, location and intensity of the damage.

Mit diesem Verfahren lassen sich z. B. bei einem Oberflächenschaden (Ausbruch) in einem laufenden Wälzlager Spektralanteile im Schwankungsanteil der Impulsdichte nachweisen, die eindeutig auf Art, Größe und Ort des Schadens schließen lassen. Bei einem Defekt der Wälzkörperoberfläche kommt es beispielsweise zur Ausbildung der charakteristischen Wechselwirkungsfrequenzen eines solchen Schadens mit den Laufbahnen der Ringe (Fk₁) sowie zur Ausbildung der Käfigwechselwirkungsfrequenz (ίκλ), die durch erhöhte Käfigbeanspruchung entsteht (Fig. 2). Solche Informationen können mit bisherigen Verfahren nicht gewonnen werden.With this method can be z. B. at a surface damage (outbreak) in a rolling bearing spectral components in the fluctuation fraction of the momentum density prove that can clearly conclude on the nature, size and location of the damage. In the case of a defect of the rolling element surface, for example, the characteristic interaction frequencies of such damage are formed with the raceways of the rings (Fk ₁ ) and the cage interaction frequency (ίκλ), which arises due to increased cage stress (FIG. 2). Such information can not be obtained with previous methods.

Beispiel 2 (Fig. 3):Example 2 (Figure 3):

Das im Aufnehmer (3.1.), der an geeigneter Stelle am Meßobjekt installiert ist, induzierte Signal, wird über einen Vorverstärker (3.2.), der bereits eine Hochpaßfunktion besitzt, einen weiteren Filter (3.3.) zugeführt. In diesem Filter werden die niederfrequenten Anteile (f 2OkHz) eliminiert, so daß nur noch die durch stoßförmige Anregung in den Aufnehmerresonanzstellen entstehenden Impulse ausgangsseitig des Filters vorhanden sind. Diese werden in einem weiteren Verstärker (3.4.) verstärkt. Über eine Normierung der zeitlichen Länge (3.5.) werden diese Impulse einem Zähler (3.7.) bzw. einem Diskriminator (3.12.) zugeführt. Der Zähler zählt sowohl direkt die ankommenden Impulse als auch die am Ausgang des Diskrimators anliegenden, wobei dieEingangsumschaltung steuerbar von einem Umschalter (3.6) ausgeführt wird. Der Inhalt des Zählers kann über die Eingabeschnittstelle (3.8.) in den Rechner (3.9.) eingelesen werden. Über die Ausgabeschnittstelle (3.10) erfolgt sowohl die Steuerung der internen Funktionen wie, Verstärkung, Eingangsumschaltung und Zeitsteuerung des Zählers, Steuerung derDiskriminatorschwelle über DAU (3.13.) als auch die Ausgabe der Meßgrößen auf die Anzeige (3.11.). Eine Tastatur (3.14.) ermöglicht die Bedienung sowie die Eingabe von speziellen Informationen über die Eingabeschnittstelle in den Rechner.The signal induced in the transducer (3.1.), Which is installed at a suitable location on the test object, is fed to a further filter (3.3.) Via a preamplifier (3.2.), Which already has a high-pass function. In this filter, the low-frequency components (f 2OkHz) are eliminated, so that only the pulses resulting from pulse-shaped excitation in the Aufnehmerresonanzstellen output side of the filter are available. These are amplified in another amplifier (3.4.). By normalizing the time length (3.5.), These pulses are fed to a counter (3.7.) Or a discriminator (3.12.). The counter counts both directly the incoming pulses and those applied to the output of the discriminator, the input switching being controllably carried out by a changeover switch (3.6). The contents of the counter can be read into the calculator (3.9.) Via the input interface (3.8.). The output interface (3.10) is used to control the internal functions such as gain, input switching and timer control of the counter, control of the discriminator threshold via DAU (3.13.) As well as the output of the measured quantities to the display (3.11.). A keyboard (3.14.) Enables the operation as well as the input of special information via the input interface into the computer.

Claims

1. A method for machine element state determination, in which by means of known methods of acoustic emission analysis, the density of high-frequency sound pulses in the frequency range f 2OkHz is used, characterized in that from the changes of frequency and amplitude faster periodic fluctuations of the pulse density is to form a signal characteristic and only their temporal evolution is a measure of the damage condition.

2. A method for machine element state determination according to item 1, characterized in that a pulse density meter is to be used with a small time constant whose Ausgangsiriformation includes rapid changes in the pulse density over time.

3. A method for machine element state determination according to item 1 and 2, characterized in that are determined by signal analysis method in the time, frequency and probability range frequency and amplitude of periodic changes in the pulse density.

4. A method for machine element state determination according to item 1 to 3, characterized in that the frequency and amplitude occurring periodic impulse density fluctuations are related to a vorzugebenden or from the Betriebprozsßenden parameter.

5. Arrangement for implementing the method according to item 1, wherein a transducer arranged on accessible parts of machine elements is connected to the input of an amplifier whose output signal is fed to a high-pass filter, characterized in that a pulse density meter of small time constant is connected to the output of the filter, the output signal of which is fed to an analyzing unit and whose output is connected to an evaluation logic.