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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion einer
landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine, bei dem ein erstes Signal
eines Sensors ausgewertet wird, in dem sich in der Arbeitsmaschine
auftretende Schwingungen abbilden. Ferner betrifft die Erfindung
eine Überwachungseinrichtung, die
das Verfahren ausführt.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Überwachungseinrichtung ist
jeweils aus der
DE
101 00 521 A1 bekannt. Diese Schrift geht von einer Erntemaschine
mit aufwändig
isolierter Kabine für
den Bediener aus. Wegen der Isolierung kann der Bediener die Funktion
der Erntemaschine schlechter beurteilen als bei einem offenen Arbeitsplatz,
da er zum Beispiel die vom Fluss des Ernteguts in der Erntemaschine
verursachten Geräusche
weniger gut wahrnehmen kann.
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Zur
Abhilfe wird in der
DE
101 00 521 A1 eine Überwachungseinrichtung
mit einem Sensor vorgeschlagen, der vom Fluss des Ernteguts verursachte Geräusche aufnimmt.
Der Sensor ist über
die Überwachungseinrichtung
mit einem Lautsprecher in der Kabine gekoppelt, um dem Bediener
eine akustische Rückmeldung über den
Fluss von Erntegut zu liefern. Neben den Geräuschen des Ernteguts werden
im Signal des Sensors auch andere Effekte abgebildet, die durch
Bewegungen und/oder Schwingungen von Elementen der Erntemaschine
verursacht werden. Als Beispiel solcher Elemente werden Strohschüttler, Rotoren
oder Gutförderelemente
genannt. Deren Signalanteile sollen ebenfalls ausgewertet werden,
um eventuelle Fehler zu erkennen oder die Einstellung der Erntemaschine
zu überwachen
oder zu regeln. In diesem Zusammenhang nennt die
DE 101 00 521 A1 einen
Schwingungsaufnehmer in Form eines Körperschallsensors, der eine
Information über
die auf ihn einwirkende Beschleunigung, seine Geschwindigkeit oder
Lage liefert.
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Durch
geeignete Analysemethoden, zum Beispiel durch eine Fourier-Analyse,
sollen korrelierte Anteile des Schalls den einzelnen Funktionselementen
der Erntemaschine und unkorrelierte Anteile dem Fluss von Erntegut
zugeordnet werden. Ein Vergleichswert des Signals oder eines Parameters
des Signals, der jeweils einer fehlerfreien Erntemaschine entspricht,
soll in der Überwachungseinrichtung
gespeichert sein. Nähere
Informationen darüber,
welcher Parameter des Signals ausgewertet werden soll, sind der
DE 101 00 521 A1 nicht
zu entnehmen.
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Bei
einigen rotierenden und/oder oszillierenden Bauteilen in der Maschine äußern sich
Schäden in
einer Erregung von Schwingungen in mehreren Frequenzbereichen. Je
nach Art des auftretenden Schadens des Bauteils ändern sich jeweils diese Frequenzbereiche.
Durch die periodische Anregung durch das rotierende oder oszillierende
Teil treten diese unterschiedlichen Frequenzbereich jedoch ebenfalls
periodisch auf.
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Bei
der Analyse der gemessenen Schwingungen durch eine Fouriertransformation
lassen sich die auftretenden Muster deutlich erkennen. Um eine automatische
Fehlererkennung zu realisieren, müssen die gemessenen Vibrationen
an dieser Stelle jedoch so analysiert werden, dass ein Vergleich
mit einem Referenzwert ermöglicht
wird. Wegen der Vielzahl der im Einsatz einer landwirtschaftlichen
Arbeitsmaschine wirkenden Einflüsse
und der verschiedenen möglichen
Arten auftretender Schäden
kann es hierbei leicht zu Fehl-Erkennungen von Fehlern kommen, unter
anderem deshalb, weil der oben genannte Vergleichswert gewissermaßen statisch
zu Beginn eines Einsatzes der Arbeitsmaschine unter anderen Betriebsbedingungen
aufgenommen worden ist als während
des Einsatzes herrschen. Darüber
hinaus bilden sich verschiedene Schäden in verschiedener Weise
im Vibrationssignal ab, so dass ein statischer Schwellenwert auch
aus diesem Grund zu Fehl-Erkennungen führen kann.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Verfahrens und einer Überwachungseinrichtung,
die eine verbesserte quantitative Überwachung einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine
erlauben und insbesondere Fehl-Erkennungen weitgehend vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass ein Modulationsgrad des ersten Signals analysiert wird und dass
ein zweites Signal erzeugt wird, wenn der Modulationsgrad einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Ferner wird diese Aufgabe mit einer Überwachungseinrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass diese ein solches
Verfahren ausführt.
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Dabei
wird unter dem Modulationsgrad das Verhältnis einer Hüllkurvenamplitude
zu einer Träger- oder
Grundschwingungsamplitude verstanden. Bei der Verwendung des Modulationsgrades
findet daher immer eine Normierung der Hüllkurvenamplitude auf die Trägeramplitude
statt, so dass der Modulationsgrad von absoluten Werten des Signals
weitgehend unabhängig
ist. Dadurch wirken sich aus dem Einsatz der Arbeitsmaschine resultierende Änderungen
der Frequenzzusammensetzung des unmodulierten Signals zumindest
nicht direkt auf den Modulationsgrad aus, so dass dieser einen weitgehend
von den genannten Einflüssen
freien Parameter darstellt, der besonders gut für einen quantitativen Schwellenwertvergleich
geeignet ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 eine
landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit einer Überwachungseinrichtung, die
den genannten ersten Sensor aufweist;
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2 einen
typischen Verlauf eines Signals des ersten Sensors im Zeitbereich;
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3 eine
aus dem Signal der 2 gewonnene Hüllkurve;
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4 einen
aus der Hüllkurve
gewonnenen Modulationsgrad im Frequenzbereich; und
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5 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
in der Form eines Flussdiagramms.
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1 zeigt
im Einzelnen einen Mähdrescher 10 als
Beispiel einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine, deren Funktion
durch die Erfindung überwacht
wird. Der Mähdrescher 10 weist
eine Dreschtrommel 12 auf, die bei einer Getreideernte
Stroh vom Korn löst.
Der im gedroschenen Erntegut enthaltene Kornanteil wird vom Strohanteil
durch eine Trennvorrichtung separiert, die einen oder mehrere Strohschüttler 14 und
wenigstens einen Siebkasten 16 aufweist.
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Jeder
Strohschüttler 14 ist über Schwinghebel 18, 20 und
ein Lager 22 an einem Rahmen des Mähdreschers 10 schwingbar
gelagert und wird über einen
Kurbeltrieb aus einem Kurbelhebel 24 und einer exzentrisch
an einer Schüttlerwelle 26 angelenkten
Kurbelstange 28 in Schwingungen versetzt. Der Siebkasten 16 ist
ebenfalls am Rahmen schwingfähig
gelagert und wird durch einen mit dem Kurbeltrieb verbundenen Schwinghebel 30 in
Schwingungen versetzt.
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Zur
Steuerung und Überwachung
seiner Funktion weist der Mähdrescher 10 wenigstens
einen Schwingungssensor 32 auf, in dessen Signal S_1 sich
Schwingungen abbilden, die im Betrieb des Mähdreschers 10 auftreten.
In der Darstellung der 1 ist der Schwingungssensor 32 am
Strohschüttler 14 angebracht,
ohne dass die Erfindung auf diese Anordnung beschränkt ist.
Je nach Größenordnung der
Frequenz zu erfassender Schwingungen kann der Schwingungssensor 32 ein
Körperschallsensor oder,
insbesondere für
Schwingungen mit vergleichsweise niedrigen Frequenzen, ein Beschleunigungssensor
sein.
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Das
hier auch als erstes Signal bezeichnete Signal S_1 des Schwingungssensors 32 wird
durch ein Steuergerät 34 aufbereitet
und ausgewertet, das die Funktionsfähigkeit des Mähdreschers 10 auf
der Basis des ersten Signals S_1 beurteilt und gegebenenfalls ein
zweites Signal S_2 ausgibt, das einem Fahrer des Mähdreschers 10 eine
Rückmeldung über die
Funktionsfähigkeit
des Mähdreschers 10 liefert.
In der Darstellung der 1 wird das zweite Signal S_2
als akustisches Signal über
einen Lautsprecher 36 in einer Fahrerkabine 38 bereitgestellt.
Es versteht sich, dass alternativ oder ergänzend auch andere als akustische
Signale, zum Beispiel optische oder haptische Signale, verwendet
werden können und/oder
dass erkannte Fehlfunktionen zur Abspeicherung von Fehlermeldungen
in dem Steuergerät 34 führen können.
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Die
Frequenzen von im Betrieb einer solchen landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine 10 periodisch auftretenden
Schwingungen korreliert häufig
mit Anregungsfrequenzen, die von Drehfrequenzen eines Antriebs abhängen. Um
erfasste Frequenzen einem bestimmten Bauteil, zum Beispiel dem Strohschüttler 14,
zuordnen zu können
ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung ein Drehzahlsensor 40 vorgesehen, der
in der Darstellung der 1 die Drehzahl n der Schüttlerwelle 26 erfasst.
Bei im Steuergerät 34 bekannten Übersetzungsverhältnissen
zwischen verschiedenen Stufen des Antriebs kann der Drehzahlsensor 40 selbstverständlich auch
an einem anderen Bauteil, zum Beispiel an einem Antriebsmotor des
Mähdreschers 10,
angebracht sein. Die Drehzahlinformation kann auch aus dem Fahrzeug-CAN (oder ähnlichen
Systemen; CAN = Controller Area Network) abgegriffen werden. In
jedem Fall versetzt die Auswertung der Drehzahlinformation n des
Drehzahlsensors 40 das Steuergerät 34 in die Lage,
erfasste Schwingungsfrequenzen gegebenenfalls einem bestimmten Bauteil
zuzuordnen.
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In
diesem Umfeld werden die Signale S_1 des Schwingungssensors 32 einer
Modulationsgradanalyse unterzogen. Dazu erfolgt zunächst eine
Bestimmung einer Hüllkurve
des Signals S_1 im entsprechenden Frequenzband. Das Frequenzband
für eine Überprüfung des
Strohschüttlers
ist zum Beispiel ein um die der Drehzahl n entsprechende Drehfrequenz
der Schüttlerwelle 26 als
Anregungsfrequenz zentriertes Frequenzintervall. Die Anregungsfrequenz
kann aus Betriebsparametern der Arbeitsmaschine 10 bestimmt
werden, wobei bevorzugt das Signal des Drehzahlsensors 40 der
Arbeitsmaschine 10 als Betriebsparameter verwendet wird.
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Anschließend wird
diese Hüllkurve
spektral analysiert, indem zum Beispiel eine schnelle Fouriertransformation
FFT durchgeführt
wird. Bei dem in der 1 dargestellten technischen
Umfeld lassen sich Schäden
des Strohschüttlers 14,
zum Beispiel eine Verformung, die zu einem periodischen Anschlagen an
einen weiteren Strohschüttler,
den Siebkasten 16 oder den Rahmen führt, durch eine Erhöhung des Modulationsgrades
bei der entsprechenden Modulationsfrequenz erkennen, wobei die Modulationsfrequenz
für ein
solches Schadensbild der Drehfrequenz der Schüttlerwelle 26 entspricht.
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Drehfrequenzen
werden in modernen Arbeitsmaschinen 10 bei wichtigeren
Bauteilen standardmäßig gemessen,
so dass diese Information im Steuergerät 34 vorliegt oder,
wenn sie in einem anderen Steuergerät der Arbeitsmaschine 10 vorliegt, über einen
die Steuergeräte
verbindenden Datenbus ausgelesen werden kann. Da die Übersetzungsverhältnisse
im mechanischen Antrieb der Arbeitsmaschine 10 ebenfalls
im Steuergerät 34 bekannt
sind, ergeben sich Drehzahlen, bzw. Drehfrequenzen aller vorhergehenden
und folgenden beweglichen Baugruppen gegebenenfalls aus der Auswertung
des Signals eines einzigen Drehzahlsensors 40.
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Der
Modulationsgrad einer Schwingung, die bei einer bestimmten Modulationsfrequenz
auftritt, kann dann mit einem entsprechenden Vergleichswert verglichen
werden, um eine Aussage über
die Funktion des Elements treffen zu können.
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2 zeigt
einen typischen Verlauf eines Signals S_1 des Schwingungssensors 32 im
Zeitbereich. Dabei ist die Amplitude von S_1 in willkürlichen Einheiten
aufgetragen. Das Signal S_1 weist erkennbar periodische Anteile
auf, die sich nach einer Periodendauer von etwa 0,37 s, also mit
einer Frequenz von etwa 2,7 Hz, wiederholen.
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Zur
Bestimmung des Modulationsgrads bei einer bestimmten Anregungsfrequenz
wird das Signal S_1 zum Beispiel mit einem Bandpass gefiltert, bevor
die Hüllkurve
bestimmt wird. Die Hüllkurve kann
auf verschiedene Weise ermittelt werden. Ein Beispiel nutzt eine
an sich bekannte Hilbert-Transfomation, die aus dem gefilterten
Signal einen Imaginärteil
einer zugeordneten komplexen Hüllkurve
ermittelt.
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Der
Realteil ist durch das gefilterte Signal selbst gegeben. Die gesuchte
Hüllkurve
ergibt sich dann als Betrag der komplexen Hüllkurve, also als Summe der
Quadrate des Realteils und des Imaginärteils.
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3 zeigt
eine auf diese Weise aus dem Signal der 2 gewonnene
Hüllkurve 42 über der
Zeit t.
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4 zeigt
qualitativ eine zum Beispiel mit der genannten schnellen Fouriertransformation
FFT gewonnene spektrale Zerlegung der Hüllkurve 42, wobei
der Modulationsgrad m in Prozent über der Modulationsfrequenz
aufgetragen ist. Mit Hilfe der Fouriertransformation wird also zunächst ein
Modulationsspektrum gebildet und anschließend wird der Modulationsgrad
m des ersten Signals S_1 als Modulationsgrad der Hüllkurve 42 des
ersten Signals S_1 gebildet.
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Die
Fouriertransformation liefert zunächst Werte auf einer Frequenzachse,
wobei die Werte Maße
für die
Beiträge
von unterschiedliche Frequenzen besitzenden Signalkomponenten darstellen.
Der Modulationsgrad m wird dann aus einem Quotienten verschiedener
Maße,
nämlich
einem Maß für den Wechselanteil
und einem Maß für den Gleichanteil des
Signals bei einer bestimmten Frequenz gebildet.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, ist das Signal S_1 und damit
auch seine Hüllkurve 42 bei
etwa 2,7 Hz und ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz vergleichsweise
stark moduliert. Mit anderen Worten: Das Signal S_1 weist bei diesen
Frequenzen eine große
Hüllkurvenamplitude
auf. Die Frequenz von 2,7 Hz entspricht in diesem Beispiel der Anregungsfrequenz,
also der Drehfrequenz n der Schüttlerwelle 26.
Sofern der Modulationsgrad m bei dieser Frequenz kleiner als ein
vorbestimmter Schwellenwert SW von beispielsweise 70 Prozent ist,
beurteilt das Steuergerät 34 die
Anordnung als funktionsfähig.
Im dargestellten Beispiel wird der Schwellenwert SW jedoch überschritten,
was zum Beispiel durch ein Anschlagen des Strohschüttlers 14 am
Rahmen verursacht werden kann. Das Steuergerät 34 registriert die Überschreitung
des Schwellenwertes SW und generiert das weiter oben genannte zweite
Signal S_2, das dem Fahrer oder Bediener eine Fehlfunktion signalisiert.
Durch Korrelation der Schwellenwertüberschreitung mit der Frequenz
kann die Fehlersignalisierung auch detailliert erfolgen und zum
Beispiel durch eine Lautsprecherdurchsage und/oder eine entsprechende
optische Anzeige auf einen Fehler des Strohschüttlers 14 hinweisen.
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Wie
bereits erwähnt,
ergibt sich der Modulationsgrad m als auf die Trägeramplitude normierte Hüllkurvenamplitude
des Signals. Überschreitet
der Modulationsgrad m einen vorbestimmten Schwellenwert, wird dies
als Zeichen für
eine Fehlfunktion gewertet und entsprechend das oben erwähnte zweite Signal
S_2 generiert.
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5 zeigt
den Ablauf des beschriebenen Verfahrens noch einmal in einer als
Flussdiagramm zusammengefassten Form. Schritt 44 dient
zur Erfassung des Signals S_1, aus dem im Schritt 46 die Hüllkurve 42 aus 3 gebildet
wird. Die Hüllkurve 42 wird
im Schritt 48 durch eine schnelle Fouriertransformation
FFT spektral zerlegt, bevor im Schritt 50 der Modulationsgrad
m für die
verschiedenen spektralen Anteile gebildet wird. Im Schritt 52 erfolgt ein
Vergleich des Modulationsgrades m mit einem vorbestimmten Schwellenwert
SW. Bei Überschreitung
des Schwellenwertes SW verzeigt das Verfahren in den Schritt 54,
in dem das eine Fehlfunktion anzeigende zweite Signal S_2 gebildet
und ausgegeben wird. Andernfalls verzeigt das Verfahren zurück zum Schritt 44,
der auch nach einer Ausgabe des Signals S_2 erreicht wird.