DE102006048791A1

DE102006048791A1 - Verfahren zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen mittels Schallanalyse

Info

Publication number: DE102006048791A1
Application number: DE102006048791A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rieth-Hoerst
Original assignee: Rieth-Hoerst Stefan Dr
Current assignee: Rieth-Hoerst Stefan Dr
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Ein Verfahren zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, beispielsweise in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen, mittels Schallanalyse, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Anregung des zu prüfenden Werkstücks oder Maschinenteils (Prüfobjekt) zu mechanischen Schwingungen, - Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts, - Übertragung der erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung, - Vergleich und Bewertung der erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder mit den Schwingungen eines Referenzobjekts und gegebenenfalls Bewertung der erfassten Daten oder des Vergleichs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind.
Die in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen zum Einsatz kommenden Werkstücke oder Maschinenteile, wie beispielsweise Kompressor- oder Turbinenschaufeln oder dergleichen, sind im Betrieb extremen Bedingungen ausgesetzt. Eine wesentliche mechanische Belastung resultiert dabei aus der besonders hohen rotatorischen Beschleunigung dieser Bauteile aufgrund der hohen realisierten Drehzahlen. Neben den in Radialrichtung wirkenden Rotationskräften (Zentrifugalkräften) wirken auf Turbinenschaufeln aufgrund der meist hohen Strömungsgeschwindigkeiten des sie durchdringenden Fluids und der dabei hohen übertragenen Kräfte große Querkräfte. Da sich die Turbine im Betrieb zusätzlich meist stark erwärmt, werden die zum Einsatz kommenden Werkstücke oder Maschinenteile bis in den Grenzbereich beansprucht, zumal eine im Turbinenbau stets angestrebte Reduktion der Masse eine leichte (materialsparende) Bauweise erfordert. Die entsprechenden Werkstücke oder Maschinenteile sind daher laufend gefährdet, aufgrund im Material bereits bestehender Defekte und/oder aufgrund von Verschleißerscheinungen zu versagen und damit Beeinträchtigungen oder Ausfälle des Betriebs oder sogar größere Schäden an den Maschinen, schlimmstenfalls an Menschen, herbeizuführen. Bei Werkstücken oder Maschinenteilen, die im Betrieb hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, besteht daher ein hoher Bedarf nach zuverlässigen Qualitätsprüfungsverfahren. Vor allem aufgrund der dort häufig zum Einsatz kommenden hochwertigen Werkstücke/Materialien oder Maschinenteile sind dabei zerstörungsfreie Prüfverfahren zu bevorzugen.
Weit verbreitet ist in der Praxis heutzutage die Ultraschallprüfung, bei welcher das Werkstück oder Maschinenteil (im Folgenden Prüfobjekt genannt) als Medium für Ultraschallwellen genutzt wird. Ein von einem Ultraschallprüfkopf in das Prüfobjekt eingeleiteter Schallimpuls wird dabei – ähnlich wie beim Radar – auf sein Echo untersucht, welches durch Reflexion an Grenzflächen, Rückwänden, Fehlstellen oder Rissen im Inneren des Prüfobjekts entsteht. Eine Zeitmessung zwischen gesendetem Impuls und empfangenem Echo lässt eine Entfernungsberechnung zu den reflektierenden Stellen im Prüfobjekt zu.
Zwar lassen sich durch die Ultraschallprüfung in bestimmten Einsatzbereichen grundsätzlich gute Ergebnisse erzielen, jedoch ist als nachteilig anzusehen, dass dabei zum Erhalt zuverlässiger Prüfergebnisse ein Abtasten der gesamten Oberfläche des Prüfobjekts erforderlich ist. Im Prüfobjekt vorliegende Fehler können sonst nicht ausgeschlossen werden. Der Zeitaufwand der Prüfung ist daher relativ hoch und bei komplizierten Geometrien des Prüfobjekts kaum automatisierbar. Des Weiteren sind nur bestimmte Fehler erkennbar. So verursachen z.B. Risse längs der Einstrahlrichtung kein Echo und können daher nicht gefunden werden. Zur Durchführung der Prüfung ist weiterhin eine möglichst allseitige Zugänglichkeit des Prüfobjekts erforderlich, was gerade bei den in Rede stehenden Prüfobjekten einen hohen Aufwand – nämlich den teilweisen oder gesamten Ausbau des Prüfobjekts – mit sich bringen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für den beschriebenen Einsatzbereich ein schallbasiertes Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätsprüfung anzugeben, das die mit den bekannten Verfahren verbundenen Nachteile vermeidet. Das Verfahren soll zuverlässige, aussagekräftige Prüfungsergebnisse erzielen und sich schneller und einfacher durchführen lassen, so dass es sich zur Automatisierung eignet.
Die voranstehende Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, beispielsweise in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen, mittels Schallanalyse, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

– Anregung des zu prüfenden Werkstücks oder Maschinenteils (Prüfobjekt) zu mechanischen Schwingungen,
– Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts,
– Übertragung der erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung,
– Vergleich der erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder mit den Schwingungen eines Referenzobjekts und gegebenenfalls Bewertung der erfassten Daten oder des Vergleichs.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass sich zur Qualitätsprüfung von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, in ganz besonderer Weise die Schallanalyse eignet. Bei der Schallanalyse geht es darum, das sich aus einer Schallanregung ergebende Antwortspektrum eines Prüfobjekts zu erfassen und analysierend zu vergleichen, um daraus eventuelle Schädigungen des Prüfobjekts festzustellen. Physikalisch nutzt das Verfahren dabei den Umstand, dass das Prüfobjekt aufgrund einer Anregung zu mechanischen Schwingungen mit einem für das Prüfobjekt charakteristischen Spektrum an Eigenschwingungen antwortet, das maßgeblich von seiner Geometrie und seinen Materialeigenschaften beeinflusst wird. Treten Änderungen einer oder mehrerer dieser Eigenschaften im Lauf des Betriebs des Prüfobjekts wie beispielsweise durch Verschleißerscheinungen (in Form von Abnutzungen, Rissbildungen oder sonstigen Schädigungen) auf, so ändert sich auch das Antwortverhalten des Prüfobjekts.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich diese physikalische Erscheinung auf vorteilhafte Weise zunutze. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt das Prüfobjekt zu mechanischen Schwingungen angeregt. Voraussetzung dabei ist, dass das Prüfobjekt nach erfolgter Anregung zumindest solange schwingt, dass für die spätere Auswertung ein ausreichend langes Antwortsignal zur Verfügung steht. Bei impulshafter – also einmaliger – Anregung ist dies insbesondere bei Prüfobjekten der Fall, deren materialbedingte innere Dämpfung relativ klein ist, wie beispielsweise bei metallischen und keramischen Prüfobjekten. Im einfachsten Fall erfolgt die Anregung durch einfaches Abklopfen der Oberfläche durch Schläge mit einem harten Gegenstand, beispielsweise einem Hammer. Für Prüfobjekte mit starker innerer Dämpfung ist eine periodische Anregung wie z.B. über einen Piezoaktor denkbar, um ein auswertbares Antwortsignal zu erhalten. Selbstverständlich können auch Prüfobjekte mit schwacher Dämpfung periodisch angeregt werden.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die Schwingungen des Prüfobjekts erfasst. Dabei geht es vorrangig darum, die für das Prüfobjekt charakteristischen Schwingungen mit deren Frequenzen, Amplituden und/oder in deren zeitlichem Verlauf zu erfassen. Anschließend werden in einem nächsten Verfahrensschritt die erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung übertragen. Hier können die erfassten Schwingungen wahlweise verstärkt, gefiltert, analog-digital gewandelt O der auf sonstige Weise für die weitere Verarbeitung aufbereitet werden. Letztlich kann die Signalverarbeitungseinrichtung in vorteilhafter Weise auch die Auswertung der Qualitätsprüfung durchführen.
Im letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt schließlich die Auswertung der Qualitätsprüfung. Hierzu werden entweder die erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts verglichen und gegebenenfalls die erfassten Daten oder der Vergleich bewertet, um daraus auf eventuelle Alterungs- oder Verschleißerscheinungen am Prüfobjekt schließen zu können. Durch in regelmäßigen Intervallen durchgeführte Erfassung und Dokumentierung des Schwingungsverhaltens lassen sich kurz- bis langfristig Veränderungen am Prüfobjekt feststellen, aus denen Rückschlüsse auf den Grad des Verschleißes, die Restlebensdauer, den Zeitabstand zwischen durchzuführenden Wartungen, mögliche Schadensursachen, Schadensorte gezogen werden können. Grundprinzip hierbei ist stets die Anwendung eines Vorher-Nachher-Vergleichs, der mit zunehmendem Erfahrungsstand immer bessere Aussagen über den Qualitätszustand des Prüfobjekts ermöglicht.
Alternativ oder ergänzend ist ein Vergleich der erfassten Schwingungen mit den Schwingungen eines Referenzobjekts und gegebenenfalls eine Bewertung der erfassten Daten oder des Vergleichs denkbar. Als Referenzobjekt kann dabei ein (anderes) baugleiches Objekt dienen, welches vorher gleichen Belastungen ausgesetzt war, wie beispielsweise eine Kompressorschaufel der gleichen Verdichterstufe wie das Prüfobjekt. Selbstverständlich ist ebenfalls ein Vergleich mit einer Vielzahl von Referenzobjekten möglich, wobei eine Abweichung eines oder mehrerer Objekte von der Mehrzahl der Objekte einen Hinweis auf einen Mangel geben kann. Bei bekannten äußeren Einflussfaktoren auf das Prüfobjekt (wie Betriebsdauer, -temperatur, -druck etc.) kann das Verfahren auch dazu genutzt werden, Zusammenhänge zwischen diesen äußeren Einflüssen und Alterungs-/Verschleißerscheinungen des Prüfobjekts zu analysieren.
In jedem Fall beruht der zur Qualitätsbeurteilung vorgenommene Vergleich zwischen den erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder mit Schwingungen eines Referenzobjekts im Wesentlichen auf der Analyse der vom Prüfobjekt ausgehenden charakteristischen Schwingungen (dem „akus tischen Fingerabdruck"). Aus der zuvor beschriebenen Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deutlich, dass die damit durchgeführte Qualitätsprüfung deutliche Vorteile mit sich bringt.
So ist die Prüfung erheblich dadurch erleichtert, dass das Prüfobjekt nicht allseitig zugänglich zu sein braucht und somit ein bei herkömmlichen Prüfverfahren zumeist nötiger Ausbau entfällt. Das Verfahren eignet sich somit in besonderer Weise auch für schwer zugängliche Prüfobjekte, so dass auch ein Einsatz des Verfahrens bei endoskopischen Anwendungen denkbar ist. So ließe sich beispielsweise die Schwingungsanregung und/oder Schwingungserfassung mittels eines „Klang-Endoskops" in das Prüfobjekt einführen, um auch an schwer zugänglichen Stellen oder Objekten entsprechende Messungen durchzuführen. Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich die gute Automatisierbarkeit, da es konstruktiv einfach, ohne größere bauliche Maßnahmen realisierbar ist und da wegen der möglichen rechnergestützten Auswertung und Analyse des Antwortsignals des Prüfobjekts eine schnelle und sichere Durchführung gewährleistet ist.
Um einen Vergleich und eine Bewertung der erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts zu ermöglichen, weist die Signalverarbeitungseinrichtung vorzugsweise Mittel zur Speicherung von Daten auf. Zur langfristigen Speicherung könnten die Daten weiterhin in einem Speichermedium archiviert werden, das über vorzugsweise über eine geeignete Schnittstelle mit der Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist. Hierbei kann es sich insbesondere um die Daten der erfassten Schwingungen handeln.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Signalverarbeitungseinrichtung zu den erfassten Schwingungen jeweils einen den Schwingungen zugeordneten Datensatz speichert, der im Rahmen der Qualitätsprüfung relevante Informationen enthält. Hierbei sind vor allem die Prüfung bestimmende Einflussfaktoren, wie beispielsweise die Art, Dauer, Stärke, Frequenz der Anregung, Temperatur des Prüfobjekts, Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit und/oder die Betriebsdaten (Alter, Umdrehungszahl des Prüfobjekts etc.) von Bedeutung.
In der Praxis besteht bei der Qualitätsprüfung insbesondere von Kompressor- und Turbinenschaufeln aufgrund der äußeren Ähnlichkeit der Schaufeln eine hohe Ver wechslungsgefahr der Prüfobjekte. Ein den erfassten Schwingungen zugeordneter Datensatz kann daher zweckmäßigerweise auch Informationen zur Zuordnung der erfassten Schwingungen zum Prüfobjekt enthalten. Denkbar dabei sind Nummerierungen beispielsweise der einzelnen Schaufeln oder auch die Nummerierung ganzer Turbinenkränze. Besonders komfortabel ließe sich eine sichere Zuordnung beispielsweise durch auf die Prüfobjekte aufgebrachte Identifizierungskennzeichen realisieren, die mittels einer Scan-Einrichtung eingelesen und der Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden. Zweckmäßigerweise enthält der Datensatz weiterhin Informationen über den Zeitpunkt der Erfassung der Schwingungen. Der Datensatz kann auch die Herstellungsdaten des Prüfobjekts (beispielsweise einer Turbinenschaufel) enthalten.
Wie bereits angedeutet, bieten sich beim Vergleich der erfassten Schwingungen – je nach Einsatzfall, im Wesentlichen abhängig von Prüfobjekt – unterschiedliche Ansatzmöglichkeiten. So ist es einerseits möglich, den Vergleich der erfassten Schwingungen auf Basis des vom Prüfobjekt ausgehenden Antwortsignals im Zeitbereich durchzuführen. Insbesondere das An- bzw. Abklingverhalten und die Pegel der Eigenresonanzen, Pegeländerungen, Amplitudenverläufe etc. lassen sich durch Auswertung des Zeitsignals analysieren.
Durch einen alternativen oder auch ergänzenden Vergleich auf Basis des in den Frequenzbereich überführten Antwortsignals des Prüfobjekts lassen sich insbesondere das Frequenzspektrum, die Frequenzlage, Frequenzabstände und Pegel von Eigenresonanzen und/oder Aufspreizungen, die Entstehung bzw. das Verschwinden von Eigenresonanzen etc. analysieren. So können beispielsweise mit Hilfe von Kompensationsverfahren Frequenzdrifts, die sich durch das gesamte Spektrum ziehen, auf eine Referenzresonanz kompensiert werden. Nach Kompensation des Spektrums lassen sich dann erst charakteristische Abweichungen, die auf einen Defekt im Prüfobjekt hinweisen, erkennen.
Zur Ermittlung der für das Prüfobjekt charakteristischen Schwingungen – also dem „akustischen Fingerabdruck" ist es vorteilhaft, mögliche Störgrößen, welche die Schwingungen des Prüfobjekts unerwünscht beeinflussen, zu unterdrücken. Bei der Prüfung von Turbinenschaufeln können als Störgrößen insbesondere mitschwingende benachbarte Turbinenschaufeln und/oder der gesamte mit schwingende Kranz wirken. Im einfachsten Fall lassen sich diese durch Dämpfung der störenden Objekte beispielsweise mittels Gummi, Schaumstoff oder dergleichen unterdrücken. Weitere Störgrößen können bei der Schwingungsanregung oder der Erfassung der Schwingungen (beispielsweise durch mitschwingende Sensoren) auftreten. Es ist denkbar, insbesondere bei bekanntem Störverhalten, die Störgrößen beim anschließenden Vergleich mit zu berücksichtigen oder – beispielsweise durch Herausrechnen der Störgröße – zu eliminieren. Schließlich ist auf weitere typische Störgrößen wie die Temperatur des Prüfobjekts, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck etc. hinzuweisen.
Liegen zum Vergleich der erfassten Schwingungen mit den Schwingungen eines Referenzobjekts noch keine oder keine ausreichend verifizierten Schwingungen des Referenzobjekts vor, oder soll ein weiterführender Vergleich durchgeführt werden, so ist es ebenfalls denkbar, ausgehend von einem Modell des Prüfobjekts die Schwingungen des Referenzobjekts theoretisch zu ermitteln, um sie mit den realen Schwingungen des Prüfobjekts zu vergleichen. So lassen sich beispielsweise durch FEM (Finite-Elemente-Methode) die Eigenresonanzen und damit das charakteristische Schwingungsverhalten von Objekten berechnen. Durch zusätzliche Simulation von Auswirkungen von Defekten und des Verschleißes auf die berechneten Eigenresonanzen können auch auf diese Weise Vergleiche durchgeführt werden, mit denen sich beispielsweise Fehlerprognosen verbessern lassen. Dabei werden Veränderungen des „akustischen Fingerabdrucks" vom realen Prüfobjekt und vom theoretischen Modell miteinander verglichen, um daraus Rückschlüsse auf Fehlerursachen, Einflussfaktoren etc. zu ziehen. In vorteilhafter Weise lässt sich so weiterhin beurteilen, ob die Prüfobjekte der natürlichen Alterung unterliegen.
Die Anregung des Prüfobjekts zu mechanischen Schwingungen kann durch den Betrieb des Prüfobjekts, z.B. eines Strahltriebwerks, erfolgen. Dies bringt den Vorteil, dass der Betrieb für die Anwendung des Prüfungsverfahrens nicht unterbrochen werden muss. So kann durch die Aufnahme diskreter Frequenzspektren das Betriebsgeräusch, in dem auch die durch den Betrieb mitschwingenden Eigenresonanzen des Prüfobjekts enthalten sind (z.B. eines Strahltriebwerks), ausgewertet und bewertet werden. Weiterhin kann auf diese Weise eine Prüfung des gesamten, mit dem Prüfobjekt mitschwingenden Systems erfolgen.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Anregung des Prüfobjekts jedoch durch einen Aktor. Das Prüfobjekt rotiert dabei vorzugsweise nicht, um nämlich die zu erfassenden charakteristischen Schwingungen des Prüfobjekts nicht unnötig zu beeinflussen. Grundsätzlich ist es dabei denkbar, das Prüfobjekt an mehreren Orten anzuregen, wobei der unterschiedliche Einfluss des Anregungsorts in den anschließenden Vergleich und die Bewertung einfließen kann. In technischer Hinsicht ist eine mechanische („Hammerschlag"), elektromechanische, piezoelektrische, akustische (Sonotrode), pneumatische, optisch-thermische (Laserbeschuss, dessen impulshafte Wärmeeinwirkung das Material plötzlich ausdehnen lässt) Anregung denkbar. Zur Auswahl der Anregungsart sind u.a. die damit zu realisierenden Amplituden und Frequenzen sowie evtl. auftretende Störeffekte zu berücksichtigen.
Zur Schallanalyse des Prüfobjekts ist es besonders günstig, wenn die Anregung des Prüfobjekts impulshaft, also durch einmalige Anregung, erfolgt. Denn hierdurch wird das Prüfobjekt in besonders günstiger Weise zur Schwingung in seinen Eigenfrequenzen angeregt.
Alternativ ist eine periodische Anregung des Prüfobjekts denkbar, wobei diese in weiterhin vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen kann. Diese können entweder gleichzeitig beaufschlagt werden (z.B. Rauschen) oder aber auch zeitlich nacheinander durchlaufen werden (z.B. Sweep), um beispielsweise Eigenresonanzen aufzuspüren, oder um bestimmte Frequenzbereiche gezielt zu untersuchen. Eine zusätzliche akustische Mithörkontrolle für die die Prüfung ausführende Person – sei es des Anregungssignals oder des Antwortsignals des Prüfobjekts – kann in vorteilhafter Weise zur Vermeidung von Prüffehlern oder zum schnelleren Auffinden von Eigenresonanzen beitragen.
Zur Erzielung einer definierten Anregung kann es vorteilhaft sein, dass der Aktor von der Signalverarbeitungseinrichtung gesteuert wird, um beispielsweise ein getriggertes Messsignal aufzunehmen oder eine Übertragungsfunktion zu rechnen.
Die Erfassung der Schwingungen kann zweckmäßigerweise durch einen oder mehrere Sensoren erfolgen, und zwar während und/oder nach der Anregung. Durch mehrere Sensoren ließe sich das Antwortverhalten des Prüfobjekts gleichzeitig an mehreren Orten des Prüfobjekts erfassen. In vorteilhafter Weise umfasst der Sensor dazu einen Aufnehmer, der zur punktuellen Erfassung von Schwingungen des Prüfobjekts geeignet ist. Durch einen derartigen Aufnehmer, vorzugsweise einen Körperschall-(Piezoelement) oder laseroptischen (Laservibrometer) Aufnehmer, lässt sich das dynamische Verhalten der Prüfobjektoberfläche sehr exakt und nahezu ohne störende Einflüsse erfassen. Weiterhin weisen derartige Aufnehmer einen besonders hohen Frequenzbereich auf. Körperschallaufnehmer, wie beispielsweise piezoelektrische Aufnehmer, können direkt auf das Prüfobjekt aufgebracht werden, wodurch sich eine direkte Schwingungsmessung ermöglicht ist. Zu berücksichtigen ist, dass auf das Prüfobjekt aufgebrachte Körperschallaufnehmer das Resonanzverhalten des Prüfobjekts jedoch aufgrund der Dämpfung negativ beeinflussen.
Alternativ ist der Aufnehmer zur integralen Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts geeignet, wie beispielsweise ein Mikrofon. Besonders vorteilhaft ist daran anzusehen, dass auf konstruktiv einfache Weise das Antwortverhalten des gesamten Prüfobjekts erfasst wird.
Zur Schaffung einer möglichst breiten Basis das Prüfungsverfahren beeinflussender Faktoren ist es weiterhin denkbar, vorzugsweise mittels weiterer Sensoren, weitere die Prüfung beeinflussende Faktoren (Temperatur von Umgebung, vom Prüfobjekt (mittels Infrarotsensor), Luftdruck, Luftfeuchte etc.) zu erfassen und an die Signalverarbeitungseinrichtung zu übertragen.
Aus praktischer Hinsicht lässt sich die Anwendbarkeit des Verfahrens in besonderer Weise erhöhen, wenn die Übertragung von Signalen zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung und den Aktoren und/oder Sensoren und/oder die Übertragung von Signalen innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise drahtlos erfolgt. Zum einen entfällt dabei die teils störende Verkabelung, was zu einer einfacheren, komfortableren Bedienung beiträgt, zum anderen lassen sich bei entsprechender Ausgestaltung die Sensoren und/oder Aktoren auch an schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise auch dauerhaft, platzieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 21 weiterhin eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, beispielsweise in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen, mittels Schallanalyse, wobei sich die Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20 eignet, umfassend einen Aktor zur Anregung des zu prüfenden Werkstücks oder Maschinenteils (Prüfobjekt) zu mechanischen Schwingungen und einen Sensor zur Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts, wobei der Sensor die erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung überträgt, welche die erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder den Schwingungen eines Referenzobjekts vergleicht und gegebenenfalls die erfassten Daten oder den Vergleich bewertet. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden im Wesentlichen die gleichen, bereits zuvor ausführlich beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich weiterhin in vorteilhafter Weise so ausgestalten, der Aktor und/oder der Sensor am Prüfobjekt befestigt ist. Störende Einflüsse auf die Messung werden dadurch vermieden und bei sicherer und genauer Positionierung von Aktor und/oder Sensor, beispielsweise durch am Messobjekt angeordnete Markierungen, Aufnahmen oder dergleichen, lassen sich auf einfache Weise konstante Messbedingungen schaffen. Die Befestigung ist dabei auch in lösbarer Weise denkbar, was insbesondere bei einer mobilen Ausführung der Vorrichtung von Vorteil ist.
Um ein schnelles Austauschen von Einzelkomponenten und so eine hohe Flexibilität der Vorrichtung oder auch eine gemeinsame Nutzung von Komponenten der Vorrichtung (beispielsweise die gemeinsame Nutzung einer Signalverarbeitungseinrichtung für eine Vielzahl von Aktoren und/oder Sensoren) zu erzielen, bietet sich eine modulare Ausführung der Vorrichtung an.
Alternativ kann die Vorrichtung in integraler Bauweise ausgeführt sein, beispielsweise also in einem Gehäuse, wodurch das Mitführen in besonderer Weise erleichtert ist. Ganz allgemein ließe sich eine geringe Baugröße der Vorrichtung durch Ausführung einzelner Elemente der Vorrichtung, insbesondere der Signalverarbeitungseinrichtung, als Mikroprozessorschaltung realisieren.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 sowie die dem Patentanspruch 21 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zu sehen ist in schematischer Darstellung der Schaufelkranz einer Turbine, dessen eine Turbinenschaufel (Prüfobjekt) durch einen Aktor zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die vom Prüfobjekt erwiderten Schwingungen werden von einem Sensor erfasst und an eine Signalverarbeitungseinrichtung (siehe gestrichelte Linie) übertragen.
In der Signalverarbeitungseinrichtung wird das Messsignal in einem Messverstärker verstärkt, anschließend in einem Analog/Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und gelangt anschließend in die zentral angeordnete digitale Signalverarbeitung. Diese steht sowohl mit einem Datenspeicher als auch mit Ein/Ausgabemedien (Tastatur, Maus, Ausgabebildschirm, Drucker etc.) in kommunikativem Austausch und kann auf diese Weise die am Prüfobjekt erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder mit den – im Datenspeicher gespeicherten – Schwingungen eines Referenzobjekts vergleichen. Mittels Digital/Analog-Wandler und dahinter geschaltetem Leistungsverstärker nimmt die digitale Signalverarbeitung steuernd Einfluss auf den Aktor. Überschreitungen von zulässigen Abweichungen bei Messwertvergleichen werden von der Signalverarbeitungseinrichtung registriert und über Ausgabemedien angezeigt.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Verfahren zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, beispielsweise in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen, mittels Schallanalyse, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Anregung des zu prüfenden Werkstücks oder Maschinenteils (Prüfobjekt) zu mechanischen Schwingungen, – Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts, – Übertragung der erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung, – Vergleich der erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder mit den Schwingungen eines Referenzobjekts und gegebenenfalls Bewertung der erfassten Daten oder des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung Mittel zur Speicherung von Daten, insbesondere von Daten der erfassten Schwingungen, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung einen den erfassten Schwingungen zugeordneten Datensatz speichert, welcher im Rahmen der Qualitätsprüfung relevante Informationen enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Datensatz Informationen zur Zuordnung der erfassten Schwingungen zum Prüfobjekt enthält.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datensatz Informationen über den Zeitpunkt der Erfassung der Schwingungen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der erfassten Schwingungen auf Basis des vom Prüfobjekt ausgehenden Antwortsignals im Zeitbereich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der erfassten Schwingungen auf Basis des in den Frequenzbereich überführten Antwortsignals des Prüfobjekts erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich der erfassten Schwingungen im Schwingungsverlauf oder im Frequenzspektrum enthaltene Merkmale herangezogen werden, wie insbesondere das An- bzw. Abklingverhalten, Amplitude, Pegel und/oder Frequenzlage von Resonanzen, das Frequenzspektrum, Amplitudenverläufe oder dergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Störgrößen bei der Erfassung der Schwingungen unterdrückt werden und/oder bei der Erfassung der Schwingungen auftretende Störgrößen beim anschließenden Vergleich berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Referenzobjekts ausgehend von einem Modell des Prüfobjekts theoretisch ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Prüfobjekts durch den Betrieb des Prüfobjekts erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Prüfobjekts durch einen Aktor erfolgt, der vorzugsweise mechanisch, elektromechanisch, piezoelektrisch, akustisch, pneumatisch, laseroptisch oder dergleichen arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Prüfobjekts impulshaft erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Prüfobjekts periodisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor von der Signalverarbeitungseinrichtung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen durch einen Sensor erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Aufnehmer umfasst, der zur punktuellen Erfassung von Schwingungen des Prüfobjekts geeignet ist, vorzugsweise ein laseroptischer Aufnehmer, Körperschallaufnehmer oder dergleichen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Aufnehmer umfasst, der zur integralen Erfassung von Schwingungen des Prüfobjekts geeignet ist, vorzugsweise ein Mikrofon oder dergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass weitere die Prüfung beeinflussende Faktoren erfasst und an die Signalverarbeitungseinrichtung übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von Signalen zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung und den Aktoren/Sensoren und/oder die Übertragung von Signalen innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung zumindest teilweise drahtlos erfolgt, vorzugsweise per Funk, Bluetooth, Infrarot oder dergleichen.
Vorrichtung zur Prüfung der Qualität von Werkstücken oder Maschinenteilen, die hohen Kräften oder hohen rotatorischen Beschleunigungen ausgesetzt sind, beispielsweise in Flugtriebwerken, Antriebsturbinen oder dergleichen, mittels Schallanalyse, wobei sich die Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20 eignet, umfassend einen Aktor zur Anregung des zu prüfenden Werkstücks oder Maschinenteils (Prüfobjekt) zu mechanischen Schwingungen und einen Sensor zur Erfassung der Schwingungen des Prüfobjekts, wobei der Sensor die erfassten Schwingungen an eine Signalverarbeitungseinrichtung überträgt, welche die erfassten Schwingungen mit zuvor erfassten Schwingungen des Prüfobjekts oder den Schwingungen eines Referenzobjekts vergleicht und gegebenenfalls die erfassten Daten oder den Vergleich bewertet.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor und/oder der Sensor am Prüfobjekt befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass am Prüfobjekt Markierungen, Aufnahmen oder dergleichen angeordnet sind, die zur sicheren und genauen Positionierung von Aktor und/oder Sensor dienen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung modular ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung integral ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt eine Kennzeichnung zur Identifizierung aufweist, die sich vorzugsweise mittels einer mit der Signalverarbeitungseinrichtung kommunizierenden Scan-Einrichtung einlesen lässt.