DE102004050897A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Welle - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Welle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers (4a, 4b) einer rotierend umlaufenden Welle (1), wobei eine Drehgeschwindigkeit (n) der Welle (1) ermittelt wird, wobei der Wechselanteil (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n) bestimmt wird, wobei eine Hüllkurve (h) des Wechselanteils (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n) bestimmt wird, wobei die Hüllkurve (h) in den Frequenzbereich transformiert wird und ein Betragsfrequenzgang (B) der Hüllkurve (h) bestimmt wird, wobei der Betragsfrequenzgang (B) auf Überschreitung eines Grenzwertes (G1, G2, G3, G4) überwacht wird und bei Überschreitung des Grenzwertes (G1, G2, G3, G4) auf ein schadhaftes Lager (4a, 4b) erkannt wird. Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers (4a, 4b) einer rotierend umlaufenden Welle (1) eines Motors anzugeben, bei der zur Erkennung eines schadhaften Lagers (4a, 4b) der Welle (1) kein Schwingungssensor (11) benötigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Welle.
  • Bei Motoren, insbesondere bei Elektromotoren müssen häufig die Lager einer rotierend umlaufenden Motorwelle des Motors auf Lagerschäden überwacht werden.
  • In 1 ist ein handelsübliches Verfahren und eine handelsübliche Einrichtung zum Erkennen eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Motorwelle eines Motors dargestellt. Der Motor gemäß 1 weist zwei Seiten A und B auf, die in 1 mit A und B bezeichnet sind. Der Motor umfasst eine Motorwelle 1, die mittels zweier Lager 4a und 4b gelagert ist, sowie ein Gehäuse 2. Als Lager 4a und 4b können z.B. Wälzlager dienen. Zur Messung der Lage, d.h. der Winkelstellung der Motorwelle im Bezug auf einen Nullpunkt und/oder zur Messung der Drehzahl der Motorwelle weist der Motor einen Lagegeber 3 auf, der in dem Beispiel in Form eines Resolvers vorliegt. Der Lagegeber 3 gibt die Lage φ der Motorwelle zur Steuerung und/oder Regelung des Motors an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Motors aus. Selbstverständlich umfasst der Motor noch weitere Elemente, die jedoch, da sie für das Verständnis der Erfindung unwesentlich sind, in 1 nicht dargestellt sind.
  • Bei dem handelsüblichen Verfahren zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Motorwelle eines Motors ist am Motor ein Schwingungssensor 11, der die Schwingung des Motors misst, angebracht. Der Schwingungssensor 11 leitet ein Schwingungssignal S an eine externe Auswerteeinheit 13, die nicht Bestandteil der Steuerungs- und/oder Rege lungseinrichtung ist, weiter. In der Auswerteeinheit 13 wird eine Hüllkurve über das Schwingungssignal S gelegt, die Hüllkurve fouriertransformiert und der Betragsfrequenzgang der Hüllkurve ermittelt. Wenn der Betragsfrequenzgang einen Grenzwert überschreitet wird auf ein Lagerschaden erkannt und ein Alarmsignal AL erzeugt. Vorzugweise wird dabei das Alarmsignal AL erst bei einer längeren zeitlichen Überschreitung des Grenzwertes erzeugt um Fehlalarme zu vermeiden.
  • Das handelsübliche Verfahren und die handelsübliche Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers weist einige Nachteile auf. So muss zum einen ein Schwingungssensor vorgesehen werden und zum andern wird handelsüblich die externe Auswerteeinheit 13 als ein separates Gerät, das nicht Bestandteil einer ohnehin vorhandenen Steuerungs- oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Motors ist, benötigt. Die genannten Nachteile machen das oben beschriebene handelsüblich durchgeführte Verfahren und handelsübliche Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers teuer und aufwendig.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Welle anzugeben, bei der zur Erkennung eines schadhaften Lagers der Welle kein Schwingungssensor benötigt wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Welle
    • – wobei eine Drehgeschwindigkeit der Welle ermittelt wird,
    • – wobei der Wechselanteil der Drehgeschwindigkeit bestimmt wird,
    • – wobei eine Hüllkurve des Wechselanteils der Drehgeschwindigkeit bestimmt wird,
    • – wobei die Hüllkurve in den Frequenzbereich transformiert wird und ein Betragsfrequenzgang der Hüllkurve bestimmt wird,
    • – wobei der Betragsfrequenzgang auf Überschreitung eines Grenzwertes überwacht wird und bei Überschreitung des Grenzwertes auf ein schadhaftes Lager erkannt wird.
  • Weiterhin wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenen Welle gelöst, wobei die Einrichtung aufweist,
    • – Mittel zur Ermittlung einer Drehgeschwindigkeit der Welle,
    • – Mittel zur Bestimmung des Wechselanteils der Drehgeschwindigkeit,
    • – Mittel zur Bestimmung einer Hüllkurve des Wechselanteils der Drehgeschwindigkeit,
    • – Mittel zur Transformation der Hüllkurve in den Frequenzbereich und Bestimmung eines Betragsfrequenzgangs der Hüllkurve,
    • – Mittel zur Überwachung des Betragsfrequenzgangs auf Überschreitung eines Grenzwerts, wobei bei Überschreitung des Grenzwertes auf ein schadhaftes Lager erkannt wird.
  • Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle als Motorwelle eines Motors ausgebildet ist. Speziell bei Motorwellen treten häufig Lagerschäden auf.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Grenzwert im Bereich einer Lagerdurchgangsfrequenz auf Überschreitung überwacht wird, da im Bereich einer Lagerdurchgangsfrequenz im Falle eines schadhaften Lagers der Betragsfrequenzgang der Hüllkurve besonders stark ansteigt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Lagerdurchgangsfrequenz des Lagers in einem Speicher an einem Motor hinterlegt wird. Hierdurch wird die Inbetriebnahme des Motors stark vereinfacht, da der Motor z.B. einer Regelungs- und/oder Steuereinrichtung zur Regelung und/oder Steuerung des Motors direkt die Lagerdurchgangsfrequenz zur Verfügung stellen kann.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft wenn die Drehgeschwindigkeit der Welle ermittelt wird indem eine vom Lagegeber gemessene Lage der Welle nach der Zeit differenziert wird. Solchermaßen wird handelsüblich aus der Lage der Welle die Drehgeschwindigkeit der Welle bestimmt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft wenn die Hüllkurve des Wechselanteils der Drehgeschwindigkeit bestimmt wird, indem der Wechselanteil gleichgerichtet wird und der gleichgerichtete Wechselanteil tiefpassgefiltert wird. Hierdurch wird auf besonders einfache Art und Weise eine Bestimmung der Hüllkurve ermöglicht.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung als Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Regelung und/oder Steuerung eines Motors ausgebildet ist, da eine solche Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung sowieso zur Regelung und/oder Steuerung des Motors vorhanden ist. Eine zusätzliche externe Auswerteeinheit zur Erkennung eines Lagerschadens gemäß dem Stand der Technik kann somit entfallen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, ein Computerprogrammprodukt z.B. in Form einer Diskette, einer Festplatte, einer Compact Disk, einer Flashkarte oder in Form eines anderen Speichermediums für die erfindungsgemäße Einrichtung vorzusehen, dass Codeabschnitte enthält mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
    •
  • Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich analog zur vorteilhaften Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert, dabei zeigen:
  • 1 ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Motorwelle eines Motors nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine erfindungsgemäße Einrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung eines schadhaften Lagers einer rotierend umlaufenden Motorwelle eines Motors,
  • 3 eine Hüllkurve und
  • 4 ein Betragfrequenzgang der Hüllkurve.
  • In 2 ist in Form eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt. Der in 2 dargestellte Motor entspricht im Grundaufbau im Wesentlichen dem vorstehend in 1 dargestellten Motor. Gleiche Elemente sind daher in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1. Der wesentliche Unterschied bezüglich des Motors gemäß 1 besteht darin, dass der Motor gemäß 2 keinen Schwingungssensor 11 gemäß 1 aufweist. Erfindungsgemäß wird zur Erkennung eines Lagerschadens des B-seitigen Lagers 4b und/oder des A-seitigen Lagers 4a, dass die Lage φ der Motorwelle angebende Lagesignal des Lagegebers 3 benutzt. Selbstverständlich umfasst der Motor noch weitere Elemente, die jedoch, da sie für das Verständnis der Erfindung unwesentlich sind, in 2 nicht dargestellt sind.
  • Die Lage φ wird von dem Lagegeber 3 gemessen und einem Differenzierer 12 als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt. Der Differenzierer 12 differenziert die Lage φ nach der Zeit und führt eine Multiplikation mit einem Faktor 1/2π durch, so dass als Ausgangsgröße des Differenzierers 12 eine Drehgeschwindigkeit n der Motorwelle in Form einer Drehzahl ausgegeben wird. Alternativ könnte die Drehgeschwindigkeit, z.B. auch in Form der Drehwinkelgeschwindigkeit vorliegen.
  • Die Drehgeschwindigkeit n setzt sich aus einem Gleichanteil nDC der Drehgeschwindigkeit und einem Wechselanteil nAC der Drehgeschwindigkeit zusammen. Ein Schaden in einem Lager (z.B. Kugellager oder Wälzlager) der Motorwelle wirkt sich auf die Gleichförmigkeit der Rotation der Motorwelle aus Die von einem beschädigten Lager erzeugten Schwingungen sind dem Gleichanteil nDC der Drehgeschwindigkeit n überlagert und erzeugen einen permanenten Wechselanteil nAC in der Drehgeschwindigkeit n.
  • Deshalb wird im Folgenden mittels eines Hochpassfilters 5 die Drehgeschwindigkeit n hochpassgefiltert und solchermaßen als Ausgangsgröße des Hochpassfilters 5 der Wechselanteil nAC der Drehgeschwindigkeit n bestimmt.
  • Zur Bestimmung einer Hüllkurve h des Wechselanteils nAC der Drehgeschwindigkeit n wird mittels einer Gleichrichteinheit 6 der Wechselanteil nAC gleichgerichtet. Eine Gleichrichtung in der Gleichrichteinheit 6 kann z.B. dadurch erfolgen, dass entweder die negativen Signalanteile des Wechselanteils nAC unterdrückt werden (Einweggleichrichtung) oder aber es kann gleichgerichtet werden, in dem der Betrag des Wechselanteiles nAC der Drehgeschwindigkeit berechnet wird. Anschließend wird der gleichgerichtete Wechselanteils nAC der Drehgeschwindigkeit n mittels eines Tiefpassfilters 7 tiefpassgefiltert und solchermaßen als Ausgangsgröße des Tiefpassfilters 7 die Hüllkurve h ermittelt.
  • In 3 ist die Hüllkurve h, die sich aus dem Wechselanteil nAC der Drehgeschwindigkeit n ergibt, beispielhaft dargestellt. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 7 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die höher frequenten Signalanteile des Wechselanteils nAC unterdrückt werden.
  • Die Hüllkurve h wird als Eingangsgröße einer Fouriertransformationseinheit 8 zugeführt. Diese transformiert die Hüllkurve h mittels Fouriertransformation in den Frequenzbereich und ermittelt den Betragsfrequenzgang B der Hüllkurve h. Der Betragsfrequenzgang B ist Betrag der Fouriertransformierten der Hüllkurve h über der Frequenz f. Der Betragsfrequenzgang B der Hüllkurve h wird als Ausgangsgröße von der Fouriertransformationseinheit 8 ausgegeben und als Eingangsgröße einem Grenzwertmelder 9 zugeführt, der falls der Betragsfrequenzgang B einen Grenzwert z.B. G1 überschreitet auf ein schadhaftes Lagers erkennt und ein Alarmsignal AL erzeugt. Vorzugweise wird dabei das Alarmsignal AL erst bei einer längeren zeitlichen Überschreitung des Grenzwertes erzeugt um Fehlalarme zu vermeiden.
  • In 3 ist beispielhaft der typische Verlauf des Betragsfrequenzganges B der Hüllkurve h über der Frequenz f dargestellt. Speziell bei den so genannten Lagerdurchgangsfrequenzen wie z.B. bei den Lagerdurchgangsfrequenzen f1, f2, f3 und f4 entsteht im Fall eines Lagerschadens ein deutlicher Anstieg des Betragsfrequenzgangs. Der Grenzwertmelder 9 kann dabei so ausgebildet sein, dass er nur einen einzigen Grenzwert überwacht oder die Überschreitung mehrerer Grenzwerte überwacht. So kann z.B. nur die Überschreitung des Grenzwertes G1 überwacht werden oder auch die Überschreitung der Grenzwerte G1, G2, G3 und/oder G4. Ein einzelnes Lager weist dabei mehrere Lagerdurchgangsfrequenzen auf, wobei in manchen Fällen schon die Überwachung einer einzelnen Lagerdurchgangsfrequenz ausreicht um einen Lagerschaden zu erkennen. Wenn die Lagerdurchgangsfrequenzen f1 und f2 die Lagerfrequenzen des Lagers 4a sind und die Lagerdurchgangsfrequenzen f3 und f4 die Lagerdurchgangsfrequenzen des Lagers 4b sind und z.B. alle vier Lagerdurchgangsfrequenzen auf Überschreitung eines jeweiligen zugeordneten Grenzwertes G1, G2, G3 und G4 überwacht werden, dann wird sowohl ein Schaden im Lager 4a als auch ein Schaden im Lager 4b erkannt.
  • Die Lagerdurchgangsfrequenzen sind spezifisch für jeden Typ von Lager und hängen unter anderem von der Anzahl der Wälzkörper und der Lagergeometrie ab. Die Lagerdurchgangsfrequenzen werden vom Hersteller des Lagers in der Regel als vielfache der Drehzahl angegeben. Alternativ können sie aber auch mit Hilfe spezieller Programme, die z.B. vom Hersteller des Lagers zur Verfügung gestellt werden, berechnet werden.
  • Wenn anstatt des Lagegebers 3 ein Drehgeber, der direkt eine Drehgeschwindigkeit als Ausgangsgröße ausgibt am Motor angebracht ist, so kann der Differenzierer 12 entfallen. Das Ausgangssignal des Drehgebers wird dann direkt als Eingangsgröße dem Hochpassfilter 5 zur Verfügung gestellt.
  • Die Lagerdurchgangsfrequenzen f1, f2, f3 und f4 eines Lagers können besonders vorteilhaft z.B. als Vielfache der Drehzahl in einem Speicher 10 (siehe 2) am Motor hinterlegt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Regelung und/oder Steuerung des Motors, die Zugriff auf den Speicher 10 hat, direkt die Lagerdurchgangsfrequenzen dem Motor entnehmen kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es wenn die erfindungsgemäße Einrichtung als Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung- und/oder Regelung des Motors ausgebildet ist, da eine solche Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung sowieso zur Regelung und/oder Steuerung des Motors vorhanden ist. Eine zusätzliche externe Auswerteeinheit 13 gemäß 1 zur Erkennung eines schadhaften Lagers gemäß dem Stand der Technik kann somit entfallen.
  • Weiterhin sei an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung selbstverständlich nicht nur für die Erkennung eines schadhaften Lagers einer Motorwelle sondern ganz allgemein auch für die Erkennung eines schadhaften Lagers bei anderen rotierend umlaufenden Wellen, wie z.B. bei Wellen von Generatoren, geeignet ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Erkennung eines schadhaften Lagers (4a, 4b) einer rotierend umlaufenden Welle (1), – wobei eine Drehgeschwindigkeit (n) der Welle (1) ermittelt wird, – wobei der Wechselanteil (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n) bestimmt wird, – wobei eine Hüllkurve (h) des Wechselanteils (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n) bestimmt wird, – wobei die Hüllkurve (h) in den Frequenzbereich transformiert wird und ein Betragsfrequenzgang (B) der Hüllkurve (h) bestimmt wird, – wobei der Betragsfrequenzgang (B) auf Überschreitung eines Grenzwertes (G1, G2, G3, G4) überwacht wird und bei Überschreitung des Grenzwertes (G1, G2, G3, G4) auf ein schadhaftes Lager (4a, 4b) erkannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle als Motorwelle eines Motors ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (G1, G2, G3, G4) im Bereich einer Lagerdurchgangsfrequenz (f1, f2, f3, f4) auf Überschreitung überwacht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerdurchgangsfrequenz (f1, f2, f3, f4) des Lagers (4a, 4b) in einem Speicher (10) an einem Motor hinterlegt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit (n) der Welle (1) ermittelt wird, indem eine vom Lagegeber (3) gemessene Lage (φ) der Welle (1) nach der Zeit differenziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve (h) des Wechselanteils (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n) bestimmt wird, indem der Wechselanteil (nAC) gleichgerichtet wird und der gleichgerichtete Wechselanteil (nAC) tiefpass gefiltert wird.
  7. Einrichtung zur Erkennung eines schadhaften Lagers (4a, 4b) einer rotierend umlaufenden Welle (1) wobei die Einrichtung aufweist, – Mittel zur Ermittlung einer Drehgeschwindigkeit (n) der Welle (1), – Mittel zur Bestimmung des Wechselanteils (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n), – Mittel zur Bestimmung einer Hüllkurve (h) des Wechselanteils (nAC) der Drehgeschwindigkeit (n), – Mittel zur Transformation der Hüllkurve (h) in den Frequenzbereich und Bestimmung eines Betragsfrequenzgangs (B) der Hüllkurve (h), – Mittel zur Überwachung des Betragsfrequenzgangs (B) auf Überschreitung eines Grenzwerts (G1, G2, G3, G4), wobei bei Überschreitung des Grenzwertes (G1, G2, G3, G4) auf ein schadhaftes Lager (4a, 4b) erkannt wird.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung als Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Motors ausgebildet ist.
  9. Computerprogrammprodukt für eine Einrichtung, das Codeabschnitte enthält mit der ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführbar ist.
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