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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Schwingungspegelwerten bei einem Industriegetriebe und ein System.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Überwachung bei Anlagen zu vereinfachen.
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Aus der
EP 0 327 026 A2 ist ein Verfahren zum Auswuchten eines Kraftfahrzeugrades bekannt.
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Aus der
WO 2004/109250A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Prozessmonitoring bei einer Maschine bekannt.
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Aus der Veröffentlichung YU, DEJIE; CHENG, Junsheng; Yang, Yu: Application of EMD method and Hilbert spectrum to the fault diagnosis of roller bearings. In: Mech. Syst. Signal Process., Vol. 19, 2003, No. 2, S. 259–270.- ISSN 0888-3270 ist eine Huang-Hilbert-Transformation bekannt.
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Aus der
US 5 210 704 A ist ein Fehler-Prognose- und Diagnosesystem bekannt.
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Aus der
DE 42 43 882 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines technischen Prozesses bekannt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 und bei dem System nach den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Von Vorteil ist dabei, dass mindestens zwei Frequenzbänder überwacht werden. Dabei ist mittels jedes Frequenzbandes ein verschiedener Körperschallerzeugungsmechanismus überwachbar. Beispielsweise ist die Zahneingriffsfrequenz verschieden von einem von einem Lager erzeugten Schalls. Somit ist mit nur einem Sensor es schon ermöglicht zwei verschiedene Komponenten zu überwachen, indem das Signal des Sensors im Frequenzraum bezüglich der Anteile in den verschiedenen Frequenzbändern beobachtet wird.
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Erfindungsgemäß werden die von einem Beschleunigungssensor, insbesondere Schwingungssensor, erfassten Signale Bandpassfiltern zugeführt, wobei die Bandpassfilter den jeweiligen Frequenzbändern zugeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Auftrennung der Frequenzanteile mit einfachen und kostengünstigen Mitteln, insbesondere in analoger oder digitaler Technik, realisierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die von einem Beschleunigungssensor, insbesondere Schwingungssensor, erfassten Signale einer Fouriertransformation, insbesondere FFT, unterzogen. Von Vorteil ist dabei, dass einfache Standardtransformationen verwendbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden aus den in einem ersten Zeitbereich, insbesondere Teach-In, erfassten Schwingungspegelwerten Grenzwerte berechnet, indem der erfasste Wert mit einem Faktor multipliziert wird, insbesondere wobei der Faktor größer ist als 1, insbesondere wobei der Faktor einen Wert zwischen 1 und 2 aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass in einem automatisierten Ablauf im ersten Zeitbereich viele Betriebspunkte der Vorrichtung nacheinander anfahrbar sind und die zugehörigen Grenzwerte automatisiert bestimmbar sind aus den erfassten Pegeln.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Überschreiten oder Unterschreiten eine Warnung und/oder Meldung ausgelöst, übermittelt und/oder angezeigt wird. Von Vorteil ist dabei, dass im Normalbetrieb, also im auf den ersten Zeitbereich folgenden Zeitbereich, ein Unterschreiten oder Überschreiten der Grenzwerte feststellbar ist und somit eine Überwachung ausführbar ist.
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Erfindungsgemäß werden Werte von Drehmoment und/oder Drehzahl des Industriegetriebes erfasst. Von Vorteil ist dabei, dass die erfassten Schallpegel mit Werten anderer Größen in Zusammenhang bring bar sind.
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Erfindungsgemäß wird der Betrieb der Vorrichtung derart ausgeführt, dass jede Betriebsraumgröße nur endlich viele verschiedene Werte annimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die Anzahl der im Normalbetrieb auftretenden und somit zu überwachenden Betriebspunkte gering haltbar ist und somit der Überwachungsaufwand, insbesondere die Anzahl der Grenzwerte, beherrschbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zu jedem Frequenzband und jeder Position jedes Betriebspunktes ein Grenzwert bestimmt und im Normalbetrieb auf dessen Unterschreiten oder Überschreiten überwacht wird,
wobei jeder Betriebspunkt, insbesondere im N-Dimensionalen durch die Betriebsraumgrößen aufgespannten Vektorraum, durch Angabe des jeweiligen Wertes der Betriebsraumgrößen, insbesondere die den Vektorraum mit N Dimensionen aufspannen, definiert ist. Von Vorteil ist dabei, dass auch höher dimensionale Betriebsräume verwendbar sind und somit eine klare und übersichtliche Einordnung der Betriebspunkte erreichbar ist. Außerdem können die Grenzwerte benachbarter Betriebspunkte oder naher Betriebspunkte ähnlich gewählt werden und weiter entfernte Betriebspunkte mit anderen Werten belegt werden. Beispielsweise ist der Faktor verschieden für die verschieden weit entfernten Grenzwerte.
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Erfindungsgemäß wird das Unterschreiten oder Überschreiten mehrerer Grenzwerte logisch verknüpft mit Werten und/oder Wertebereichen von mindestens einer Zustandsgröße und das Ergebnis der Verknüpfung das Auslösen einer Warnung und/oder Meldung bewirkt. Von Vorteil ist dabei, dass nicht das bloße Überschreiten eines Grenzwertes für Schall schon eine Warnung auslöst sondern das Überschreiten mit weiteren Ereignissen verknüpfbar ist. Beispielsweise ist das Überschreiten mit einem Ereignis verknüpfbar, das eintritt, wenn das abgegebene Drehmoment oder die abgegebene Drehzahl des Getriebes unter einem Bruchteil des Nennmoments beziehungsweise unter einem Bruchteil der Nenndrehzahl Werte annimmt. Bei hohen Drehzahlen und/oder Drehmomenten wäre dann auch ein Überschreiten des Grenzwertes erlaubt. Außerdem ist auch eine Verknüpfung mit dem Ereignis ausführbar, dass der jeweilige Istwert einer Zustandsgröße in einem Wertebereich der Zustandsgröße liegt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems nach Anspruch 3 umfasst das System ein Industriegetriebe, Sensoren und eine Auswerteeinheit, wobei Sensoren an mindestens einer Position an der Vorrichtung vorgesehen sind,
wobei die Sensoren mit Eingängen der Auswerteeinheit elektrisch verbindbar sind,
wobei die Auswerteeinheit zumindest eine Signalverarbeitungseinheit und einen Speicher für Grenzwerte umfasst sowie Vergleichsmittel,
wobei die Eingänge der Auswerteeinheit, mit denen die Sensoren verbunden sind, mit den Eingängen der Signalverarbeitungseinheit verbunden sind,
wobei die Vergleichsmittel mit dem Ausgang der Signalverarbeitung verbunden sind und mit dem Speicher, insbesondere zum Vergleich der verarbeiteten Signale mit den Grenzwerten,
wobei der Ausgang der Vergleichsmittel mit einem Meldekanal verbunden ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine Einheit geschaffen ist, in welcher die Mittel zusammenfassbar und mit einem Gehäuse umgebbar sind. Dabei ist wichtig, dass ein Meldekanal herausgeführt ist und die Sensorsignale zugeführt werden. Der Meldekanal ist auch als Anzeigemittel realisierbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Meldekanal ein Bus, insbesondere Feldbus, ist zur Übermittelung von Warnungen oder Fehlermeldungen an einen anderen Busteilnehmer. Von Vorteil ist dabei, dass eine Warnmeldung in elektronischer Weise herausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Auswerteeinheit Anzeigemittel. Von Vorteil ist dabei, dass schon am Gehäuse direkt Anzeigemittel vorsehbar und verbindbar sind und somit ein Ablesen der Warnmeldung am Gehäuse der Auswerteeinheit erfolgen kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Signalverarbeitungseinheit Mittel zur Fouriertransformation und/oder Frequenzfilter, wie Bandpass oder dergleichen. Von Vorteil ist dabei, dass verschiedene Schallquellen zwar gemeinsam Schall erzeugen, aber mittels der Frequenzseparation die verschiedenen Signalquellen, beispielsweise Zahnräder und Lager, unabhängig überwachbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Auswerteeinheit Verknüpfungsmittel. Von Vorteil ist dabei, dass die Signale der Sensoren, insbesondere auch die in verschiedenen Frequenzbändern verschieden stark ausgeprägten Signalanteile, die Überwachung verschiedener Quellen unabhängig ausführbar ist und mit weiteren Zustandsgrößen verknüpfbar ist, wie beispielsweise Drehmoment, Drehzahl und dergleichen. Somit werden die Warnmeldungen nicht bei bloßem Überschreiten eines Grenzwertes sondern bei Überschreiten in Verbindung mit einem weiteren Ereignis ausgelöst, wie beispielsweise dem Ereignis, dass die Werte einer der Zustandsgrößen in einem vorgesehenen Bereich liegen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit derart ausgeführt, dass erfasste Werte von Zustandsgrößen, wie Drehzahl, Temperatur, Drehmoment und/oder dergleichen, der Vorrichtung, insbesondere Getriebemotor, sowie Ausgangsgrößenwerte der Signalverarbeitungseinheit den Verknüpfungsmitteln zugeführt werden. Von Vorteil ist dabei, dass die frequenzbandbezogene Schallüberwachung in Abhängigkeit des Betriebspunktes ausgeführt wird, wobei der Betriebspunkt ein mehrdimensionaler Vektor sein darf und der zugehörige Betriebsraum von den Zustandsgrößen aufgespannt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung und in 2 ein beispielhaftes Diagramm gezeigt.
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Bei der Erfindung werden Messwerte von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Antriebs erfasst. Dabei besteht der Antrieb aus Antriebskomponenten, wie beispielsweise ein Getriebe, ein dieses antreibender Elektromotor, eine zwischengeordnete Kupplung oder eine elektromagnetisch betätigbare Bremse. Es sind aber auch andere Komponenten in den Antrieb einbaubar, wie beispielsweise eine Fliehkraftbremse oder eine Fliehkraftkupplung.
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Die erfassten Messwerte werden einer Auswerteeinheit zugeführt, die somit eine Überwachung auf das Überschreiten kritischer Werte ausführbar macht. Diese Überwachung wird in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch mit Parametern verknüpft, die vom Betriebszustand abhängig sind.
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Bevor jedoch das beschriebene Überwachungsverfahren einleitbar ist, werden die kritischen Werte, im Folgenden auch als Grenzwerte bezeichnet, der Auswerteeinheit eingegeben. Alternativ werden diese Grenzwerte ermittelt, indem ein Teach-In Verfahren ausgeführt wird. Dabei wird angenommen, dass zu Beginn der Antrieb in einem Gutzustand ist und somit die Messwerte zu jedem Betriebspunkt des Antriebs kennzeichnend sind für den Gutzustand.
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Aus den beim Teach-In ermittelten Messwerten werden die Grenzwerte ermittelt. Vorzugsweise wird dies durch eine einfache Multiplikation der Messwerte mit einem Faktor, der als Sicherheitsfaktor bezeichenbar ist, ausgeführt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird statt der Messwerte deren Mittelwert verwendet und mit dem Faktor multipliziert.
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In den nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispielen wird als zentrale Zustandsgröße die Schwingung an einer oder mehreren Messstellen des Antriebs erfasst. Diese Schwingung ist entweder ein Körperschall oder ein Luftschall.
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In einem ersten einfachen Ausführungsbeispiel wird als Wert der Schwingung ein Schwingwert, beispielsweise Auslenkung des Materials an der Messstelle, detektiert und auf Überschreiten eines Grenzwertes überwacht. Dabei werden nur Schwingungen berücksichtigt, die in einem Frequenzband liegen zwischen f_min und f_max. Dieses Frequenzband wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden breit gewählt. Insbesondere ist es schmal gewählt, wie beispielsweise bei einer Terz, oder beispielsweise breit wir bei einer Oktave.
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Zur Ausführung des Teach-In weist die Auswerteeinheit Eingabemittel auf, durch deren Betätigen eine Messung ausgeführt wird, die den Gut-Zustand der Maschine charakterisiert. Der festgestellte Messwert wird mit dem Sicherheitsfaktor multipliziert, um den Grenzwert auf das Ergebnis der Multiplikation festzulegen. Danach ist der Betrieb vorsehbar, währenddessen die Überwachung auf Überschreiten des Grenzwertes stattfindet.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der detektierte Signalverlauf einer Fourieranalyse unterworfen, wobei das Frequenzspektrum in mehrere Frequenzbänder unterteilt wird. In jedem Frequenzband wird ein jeweiliger Grenzwert bestimmt, dessen Höhe sich am gemessenen maximalen Wert des zugeordneten Frequenzbandes bemisst. Vorzugsweise wird hierbei ein Sicherheitsfaktor verwendet der größer ist als 1, vorzugsweise aber kleiner als 2. Vorteilhaft haben sich beispielhaft Werte von 1.2 oder 1.5 erwiesen.
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Wird während des auf den Teach-In folgenden Betriebs in mindestens einem Frequenzband der jeweilige Grenzwert überschritten, wird eine Aktion ausgelöst, beispielsweise eine Information über ein Bussystem, an welchem die Auswerteeinheit als Busteilnehmer verbunden ist, gesendet, eine andersartige Meldung ausgegeben, eine optische Anzeige betätigt oder ein Schaltkontakt betätigt.
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In Weiterbildung werden mehrere Sensoren an verschiedenen stationären, bewegbar angeordneten oder drehbar gelagerten Stellen des Antriebs vorgesehen und ein entsprechendes Verfahren angewendet.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine allgemeine Schwingungsüberwachung an spezifischen Betriebsraumpunkten im n-dimensionalen Betriebsraum ausgeführt, wie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert wird.
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Als Messwert, beispielsweise als Schwingwert, wird ein Pegel aus der Schwinggröße bestimmt. Beispielhaft erfolgt dies gemäß
wobei P der Pegel, T die Periodendauer und S die Schwinggröße ist.
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Als Schwinggröße ist beispielsweise ein Weg, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung verwendbar.
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Vor Bestimmung der Schwinggröße ist auch ein Filter vorschaltbar oder der Sensor ist mit einer entsprechenden Sensorcharakteristik ausbildbar.
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Somit wird die Schwinggröße nur bei einer Frequenz beziehungsweise nur in einem Frequenzband erfasst. Die Messzeit dauert vorzugsweise wenigstens solange, wie die Periodendauer beträgt. Außerdem muss bei digitaler Signalverarbeitung genügend schnell gesampelt werden, insbesondere unter Berücksichtigung des Shannon Theorems.
- (i) In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Pegel in Abhängigkeit von einer Größe, beispielsweise der Frequenz, erfasst. Hierbei werden also die Pegelwerte bei vorgebbaren Frequenzen fi bestimmt. Dabei ist unter einer Frequenz fi auch ein schmales diese Frequenz umgebendes Frequenzband zu verstehen.
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Durch Messung der Schwinggröße S(t) und anschließende Fourieranalyse wird das Pegelspektrum Pi bestimmt, das als einfach indizierte Größe darstellbar ist, weil es sich um einen eindimensionalen, also 1d-Betriebsraum, handelt
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Nach Bestimmen der Einzelpegel Pi bei den Frequenzen fi werden die Werte überwacht auf ein Überschreiten der zugehörigen Grenzwerte Gi, wobei jeder Frequenz ein solcher Grenzwert zugeordnet ist. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist es auch vorsehbar, dass nur auf das Überschreiten einiger Grenzwerte überwacht wird und nicht zu jedem Frequenzwert ein Grenzwert vorgesehen ist. Die anderen Grenzwert sind dann sozusagen ausgeblendet.
- (ii) In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Pegel in Abhängigkeit von zwei Größen, beispielsweise Frequenz f und Drehzahl n, erfasst. Somit ist der für alle interessierenden Frequenzen fi und Drehzahlen nj erfasste Schwingpegel als zweifach indizierte Größe Pi,j darstellbar, insbesondere also in einem zweidimensionalen Betriebsraum.
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Analog zur in (i) oben beschriebenen Weise werden die Einzelpegel Pi,j bei den Frequenzen fi und Drehzahlen nj anhand der ebenso zugeordneten Grenzwerte Gi,j überwacht, insbesondere also auf deren Überschreiten. Diese Grenzwerte stellen also ein zweidimensionales Kennfeld, also 2d-Kennfeld, dar. Dieses Kennfeld kann als zusammenhängende Gebiete und/oder Einzelpunkt ausgeführt sein
- (iii) In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden nur die für die momentane Drehzahl nj zugehörigen Gi,j herangezogen, der Rest wird ausgeblendet.
- (iv) In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Pegel in Abhängigkeit von drei Größen, beispielsweise Frequenz, Drehzahl und Moment, erfasst. Der Schwingpegel wird für alle interessierenden Frequenzen fi, Drehzahlen nj und Momente Mk erfasst und ist somit als dreifach indizierte Größe Pi,j,k, also in einem dreidimensionalen 3d-Betriebsraum, darstellbar.
Analog sind die Einzelpegel Pi,j,k bei den Frequenzen fi, Drehzahlen nj und Momenten Mk überwachbar auf das Überschreiten der Grenzwerte Gi,j,k. Es werden dabei z. B. nur die für die momentane Drehzahl nj und das momentane Moment Mk zugehörigen Grenzwerte Gi,j,k herangezogen, der Rest ausgeblendet.
- (v) In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind noch mehr Größen vorsehbar, von denen der Pegel abhängt. Dabei werden die Pegel zu den Sensorsignalen der Messpunkte (g1i; g2j; g3k; g4l; g5m; g6n; ...) erfasst gemäß Ausführungsbeispielen unter i), ii), iii) und iv) und somit als Pi,j,k,l,m,n, ... darstellbar und Überwachung anhand der Grenzwerte Gi,j,k,l,m,n, Insbesondere werden die Pegel Pi,j,k,l,m, ... dabei auf Überschreiten der Grenzwerte Gi,j,k,l,m,n, überwacht. Dabei ist der Betriebsraum N-dimensional, wobei N die Anzahl der Dimensionen ist.
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Zur Überwachung werden nur zum jeweiligen Zeitpunkt vorgesehene Gi,j,k,l,m,n, ... herangezogen. Dies bedeutet, dass in der jeweiligen Messzeit vorliegenden Werten (g1i ; g2j; g3k; g4l; g5m; g6n; ...) angewendet werden.
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Die jeweiligen relevanten Gi,j,k,l,m,n, ... werden bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen durch Verknüpfungen gebildet, wie beispielsweise aus Eingangswerten und internen Parametern. Insbesondere wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Auswerteeinheit die Drehzahl von außen zugeführt und es werden abhängig von deren Wert unterschiedliche Frequenzen überwacht.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt oder neben Drehzahl und/oder Drehmoment folgende Größen allein oder mit anderen zusammen verwendet:
- – Querkraft an Abtriebswelle eines Getriebes
- – Motorstrom eines ein Getriebe antreibenden Elektromotors
- – Temperatur eines Mittels, wie beispielsweise des Getriebeöls eines Getriebes
- – Gewählte Übersetzung bei einem Schaltgetriebe
- – Jeweils aktuelles Übersetzungsverhältnis bei einem stufenlos verstellbaren Getriebe
- – Richtung des Leistungsflusses, insbesondere also die treibende oder getriebene Richtung
- – Schwingpegel einer Nachbarmaschine
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In der 1 ist ein Getriebe 1 gezeigt, an welchem ein Sensor 2 zur Detektion von Körperschall verbunden und vorgesehen ist. Die Signalleitung wird einer Auswerteeinheit 3 zugeführt, welche die Schwingpegel der jeweiligen Frequenzbänder bestimmt. Außerdem werden der Auswerteeinheit in digitaler und/oder analoger Weise Informationen über die Werte weiterer Betriebsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Drehmoment, Temperatur und dergleichen zugeführt.
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Die Pegel werden im Normalbetrieb überwacht auf das Überschreiten der zugehörigen Grenzwerte.
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Die Grenzwerte werden in einem dem Normalbetrieb vorausgehenden Teach-In bestimmt.
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In 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem eine Schwinge mit Motor-Turbokupplungs-Industriegetriebe vorgesehen ist. Hierbei wird der Betriebsraum aufgespannt von Motorstrom, Drehzahl und Drehmoment. In 2 sind würfelförmige Bereiche hervorgehoben, in welche die zugehörigen Grenzwerte eingetragen sind, welche aus den in der Teach-In Phase bestimmten Werten bestimmt werden.
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In der sich an die Teach-In Phase anschließenden Condition Monitoring Phase werden die aktuell gemessenen Werte mit den Grenzwerten verglichen. Bei Überschreiten der Grenzwerte wird eine Meldung und/oder ein Alarm ausgegeben.
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Die Auswerteeinheit weist Anzeigeelemente zum Anzeigen von Werten auf. Außerdem weist sie Eingabemittel auf. Darüber hinaus ist es mit ihr ermöglicht, Betriebsraumgrößen aktivierbar/deaktivierbar zu machen. Insbesondere sind auch die Eingänge einzeln für die Betriebsgrößen aktivierbar oder deaktivierbar. Außerdem ist ein Eingang vorgesehen, der zum Mitteilen des Bestehens oder Nicht-Bestehens des Normalbetriebes, also der Condition Monitoring Phase, ermöglicht. Wenn der Eingang also auf HIGH gesetzt wird, besteht die Condition Monitoring Phase. Entsprechend ist bei LOW der Normalbetrieb aktiviert.
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Des Weiteren ist mit dem Eingang des Drehzahlsignals ein Umdrehungszähler verbunden. Somit ist auch die Anzahl der ausgeführten Umdrehungen oder auch die Umdrehungszahl als Größe verwendbar. Ebenso ist als Größe die Zeit der internen Uhr für Kalenderzeit verwendbar.
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In Erweiterung ist auch als Betriebsraumgröße eine Fremdgröße, wie beispielsweise das Schwingungssignal einer umgebenden Maschine, verwendet werden.
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Die Auswerteeinheit ist mit einem sie schützend umgebenden Gehäuse ausgestattet.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist sie aber auch als gehäuselose Einsteckkarte zum Einstecken in einen PC oder in ein anderes elektronisches Gerät, wie Umrichter, insbesondere bei Servoantrieben ausgeführt.
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Ihr werden Signale für Strom und/oder Drehmoment sowie Drehzahl zugeführt. Eingänge für Schwingungssensorsignale sind vorgesehen. Außerdem umfasst die Auswerteeinheit eine Recheneinheit, insbesondere nicht nur zum Vergleich mit den Grenzwerten sondern auch zur Ausführung einer FFT der Signale.
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Weitere Eingangskanäle für weitere zu beobachtende Größen, beispielsweise Wegsensoren (Orbit) sind vorgesehen.
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Die Auswerteeinheit ist auch als eigenständiges Modul für Getriebe, insbesondere für große Industriegetriebe ausführbar und an diesen auch verbindbar.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird ein dreidimensionaler Betriebsraum verwendet, wie auch unter (iv) beschrieben:
Dabei wird ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit einer Sensoreinheit überwacht, die aus einem Beschleunigungssensor als Schwingungssensor und einem Auswerteeinheit mit Prozessor besteht. Dabei umfasst die Sensoreinheit parametrierbare Filter zum Herausfiltern der Signale in eingebbaren Frequenzbereichen. Das Getriebe ist nur für den Betrieb bei zwei Drehzahlen (n1, n2) vorgesehen, wobei jeweils entweder das Nennmoment oder dessen Hälfte (Werte M1, M2) auftritt, wobei das Getriebe jeweils in treibend Richtung betrieben wird. Wesentliche Frequenzbänder sind im Bereich der Zahneingriffsfrequenzen der ersten Stufe vorgesehen, die von der Drehzahl abhängt, so dass bei den zwei Drehzahlen n1 und n2 die Zahneingriffsfrequenzen f1 und f2 vorliegen. Zusätzlich wird noch ein Frequenzband berücksichtigt, das um eine Eigenfrequenz des Grundrahmens vorgesehen ist und mit f3 bezeichnet wird. Die Auswerteeinheit erhält die aktuellen Drehzahl- und Momentwerte, wobei die drei Frequenzwerte zuvor an der Sensoreinheit parametriert werden. Die Kombinationen aller Werte sind (insgesamt 12):
(n1, M1, f1) | (1) | (n2, M1, f1) | (7) |
(n1, M1, f2) | (2) | (n2, M1, f2) | (8) |
(n1, M1, f3) | (3) | (n2, M1, f3) | (9) |
(n1, M2, f1) | (4) | (n2, M2, f1) | (10) |
(n1, M2, f2) | (5) | (n2, M2, f2) | (11) |
(n1, M2, f3) | (6) | (n2, M2, f3) | (12) |
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Die Betriebsdauer jeder Kombination ist ausreichend lange für die korrekte Messung der zugehörigen Schwingungswerte in den jeweiligen Frequenzbändern.
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Bei Betriebsbeginn des Getriebes, also zu Beginn dessen Standzeit in der Anlage, werden aus den im Teach-In Betrieb erfassten die Gut-Beschleunigungswerte P1,1,1; P1,1,2; P1,1,3; P1,2,1; P1,2,2; P1,2,3; P2,1,1; P2,1,2; P2,1,3 ; P2,2,1; P2,2,2; P2,2,3 bei den auftretenden Kombinationen (1) bis (12) automatisch bestimmt:. Dazu werden alle möglichen Betriebspunkte zumindest einmal durchfahren. Die Auswerteeinheit misst jeweils die Beschleunigungspegel bei f1, f2 und f3. Die dazugehörigen Grenzwerte werden daraus errechnet und mit G1,1,1; G1,1,2; G1,1,3; G1,2,1; G1,2,2; G1,2,3; G2,1,1; G2,1,2; G2,1,3; G2,2,1; G2,2,2; GP2,2,3 bezeichnet, wobei beispielhaft Gi,j,k = 1,5·Pi,j,k vorsehbar ist. Statt 1.5 sind auch andere Werte vorteilhaft.
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Nach abgeschlossenem Teach-In beginnt der Normalbetriebe, also die Überwachungsphase, welche auch als Condition Monitoring Phase bezeichnet wird. Eine Meldung wird ausgegeben, wenn einer oder mehrere der genannten Pegelwerte P den jeweiligen zugehörigen Grenzwert G überschreitet. In Weiterbildung ist das Auslösen der Meldung auch vom Ergebnis einer UND oder ODER-Verknüpfung der Bedingungen abhängig.
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Programmtechnisch werden also folgende Ungleichungen ausgewertet:
P1,1,1 | > | G1,1,1 | (21) |
P1,1,2 | > | G1,1,2 | (22) |
P1,1,3 | > | G1,1,3 | (23) |
P1,2,1 | > | G1,2,1 | (24) |
P1,2,2 | > | G1,2,2 | (25) |
P1,2,3 | > | G1,2,3 | (26) |
P2,1,1 | > | G2,1,1 | (27) |
P2,1,2 | > | G2,1,2 | (28) |
P2,1,3 | > | G2,1,3 | (29) |
P2,2,1 | > | G2,2,1 | (30) |
P2,2,2 | > | G2,2,2 | (31) |
P2,2,3 | > | G2,2,3 | (32) |
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Dabei werden immer nur die den momentan anliegenden Drehzahl- und Momentwerten zugehörigen Ungleichungen benutzt. Da außerdem die Drehzahlen n1 und n2 mit den Zahneingriffsfrequenzen f1 und f2 direkt zusammenhängen (mittels eines getriebeübersetzungsabhängigen Faktors), ist es wegen diesen Nebenbedingung vorteilhaft, nur f1 u. f2 abhängig von der momentanen Drehzahl zu überwachen. D. h. bei Betrieb des Getriebes mit Drehzahl n1 wird nur f1 überwacht, bei n2 nur f2. Dadurch ist die Anzahl der in jedem Zeitschritt zu berücksichtigenden Ungleichungen reduzierbar. Beispielhaft werden im Betriebspunkt (n1, M1) nur die Ungleichungen (21) und (23), bei (n1, M2) nur (24) und (26), bei (n2, M1) nur (28) und (29), bei (n2, M2) nur (31) und (32) für die Überwachung der Pegel benutzt. Dabei ist es sogar vorteilhaft, dass die Werte P1,1,2; P1,2,2; P2,1,1; P2,2,1 schon beim Teach-In entfallen zu lassen und somit diesen schneller ausführbar zu machen.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird ein dreidimensionaler Betriebsraum verwendet, wie auch unter (iv) beschrieben:
Dabei wird ein zweistufiges Stirnradgetriebe wiederum mit einer Sensoreinheit überwacht, die aus einem Beschleunigungssensor und einer Auswerteeinheit mit Prozessor besteht. Das Getriebe wird mit nur zwei Drehzahlen (n1, n2) betrieben, wobei entweder halbes oder volles Drehmoment (M1, M2), jeweils treibend, an der Abtriebswelle abgegeben wird. Die Zahneingriffsfrequenz der ersten Stufe hängt von der Drehzahl ab, so dass bei den zwei Drehzahlen n1 und n2 die Zahneingriffsfrequenzen f1 und f2 vorliegen. Die zugehörige Frequenz oder ein diese umgebendes Frequenzband wird überwacht. Zusätzlich wird eine Eigenfrequenz des Grundrahmens des Getriebes überwacht werden, die bei der Frequenz f3 auftritt. Der Auswerteeinheit werden die aktuellen Drehzahl- und Drehmomentwerte zugeführt. Vor Beginn des Normalbetriebs mit Überwachung werden die drei Frequenzwerte f1, f2, f3 zuvor als Parameterwerte eingegeben. Die Kombinationen aller Werte sind (insgesamt 12):
(n1, M1, f1) | (1) |
(n1, M1, f2) | (2) |
(n1, M1, f3) | (3) |
(n1, M2, f1) | (4) |
(n1, M2, f2) | (5) |
(n1, M2, f3) | (6) |
(n2, M1, f1) | (7) |
(n2, M1, f2) | (8) |
(n2, M1, f3) | (9) |
(n2, M2, f1) | (10) |
(n2, M2, f2) | (11) |
(n2, M2, f3) | (12) |
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Der Betrieb des Getriebes erfolgt in der Weise, dass die Betriebsdauer bei jeder Kombination ausreichend lange für die korrekte Messwerterfassung der auftretenden Schwingungen bei f1, f2 und f3 ist. Am neuen Getriebe werden durch Teach-In die Gut-Beschleunigungswerte bei den auftretenden Kombinationen (1) bis (12) automatisch bestimmt: P1,1,1; P1,1,2; P1,1,3; P1,2,1; P1,2,2; P1,2,3; P2,1,1; P2,1,2; P2,1,3; P2,2,1; P2,2,2; P2,2,3. Dazu werden alle möglichen zwölf Betriebspunkte zumindest einmal angefahren, wobei die Auswerteeinheit die jeweiligen Beschleunigungspegel bei f1, f2 und f3 erfasst. Die jeweils zugehörigen Grenzwerte G1 , 1 , 1; G1,1,2; G1,1,3; G1,2,1; G1,2,3; G1,2,3; G2,1,1; G2,1,2; G2,1,3; G2,2,1; G2,2,2; G2,2,3 werden gemäß Gi,j,k = s·Pi,j,k gebildet, wobei s zwischen 1 und 2 liegt, insbesondere 1,5 beträgt.
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Nach abgeschlossenem Teach-In beginnt der Normalbetrieb und somit auch die Überwachung auf der Schwingungspegelwerte auf Überschreiten der Grenzwerte. Eine Meldung oder Warnung wird dann herausgegeben, wenn einer oder mehrere der Schwingungspegelwerte P den zugehörigen Grenzwert G überschreitet. Es werden also folgende Ungleichungen überwacht:
P1,1,1 | > | G1,1,1 | (21) |
P1,1,2 | > | G1,1,2 | (22) |
P1,1,3 | > | G1,1,3 | (23) |
P1,1,3 | > | G1,2,1 | (24) |
P1,2,2 | > | G1,2,2 | (25) |
P1,2,3 | > | G1,2,3 | (26) |
P2,1,1 | > | G2,1,1 | (27) |
P2,1,2 | > | G2,1,2 | (28) |
P2,1,3 | > | G2,1,3 | (29) |
P2,2,1 | > | G2,2,1 | (30) |
P2,2,2 | > | G2,2,2 | (31) |
P2,2,3 | > | G2,2,3 | (32) |
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Alternativ wird eine ODER – Verknüpfung zwischen mehreren der Ungleichungen verwendet zur Bestimmung des Ergebnisses der Überwachung.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Prüfstand und wird im Folgenden dargestellt:
Zwei gleiche zweistufige Getriebe laufen in einem Verspannungsprüfstand die meiste Zeit bei Nennmoment, also 100%, kurzzeitig zur Nachbildung von Überlasten wird das Moment aber auf 110% erhöht. Dies wird zyklisch wiederholt. Die Getriebeöltemperatur wird über Änderung der eintreibenden Drehzahl annähernd konstant gehalten. Ein Zwei-Punkt-Regler schaltet hierzu die eintreibende Drehzahl zwischen einer niedrigen und einer hohen Drehzahl, wie beispielsweise 250 und 1000 upm, unabhängig vom aktuell eingestellten Drehmoment um.
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Die im Betrieb auftretenden und wichtigen Frequenzen der Schwingungen sind die Zahneingriffsfrequenzen der ersten und zweiten Stufe, die bis zum 2-ten Vielfachen der Grundfrequenz überwacht werden (f1, f2, f3, f4, f5, f6). Dazu die drei Drehfrequenzen der drei Wellen (f7, f8, f9). Außerdem jeweils drei Lagerfrequenzen der drei Wellenlagerpaare (f10, f12, f13, f14, f15, f16, f17, f18, f19), und die Frequenzen der Gelenkwellenmittelstücke, welche durch ungleichförmige Drehbewegung bei Beugewinkel (f20, f21) auftreten, wobei der der Beugewinkel vom Moment abhängt.
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Diese Frequenzen sind direkt proportional zur Eingangsdrehzahl. Da wiederum nur zwei Drehzahlen im Betrieb vorgesehen sind, sind demnach die Frequenzen f1 bis f42 zu überwachen.
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Außerdem sollen zwei Prüfstandseigenfrequenzen überwacht werden, die durch Hochlaufversuche und Campbell-Darstellung gefunden wurden (f43, f44).
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Damit entstehen folgende Kombinationen (insgesamt 92 Stück):
(n1, M1, f1)
(n1, M1, f2)
(n1, M1, f3)
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(n1, M1, f21)
(n1, M1, f43)
(n1, M1, f44)
(n2, M1, f22)
(n2, M1, f23)
(n2, M1, f24)
:
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(n2, M1, f42)
(n2, M1, f43)
(n2, M1, f44)
(n1, M2, f1)
(n1, M2, f2)
(n1, M2, f3)
:
:
(n1, M2, f21)
(n1, M2, f43)
(n1, M2, f44)
(n2, M2, f22)
(n2, M2, f23)
(n2, M2, f24)
:
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(n2, M2, f42)
(n2, M2, f43)
(n2, M2, f44)
zu denen jeweils die Pegelwerte Pijk erfasst werden. Dazu ist eine Teach-In Dauer vorgesehen, die lang genug ist, damit alle Kombinationen von Drehzahl mit Drehmoment durchfahren werden, aber kurz gegenüber der vorgesehenen Gesamtbetriebszeit des Prüfstands im Normalbetrieb ist.
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Die Frequenzen werden zu Beginn als Parameter der Auswerteeinheit zugeführt, wobei bei Weiterbildung digitale Eingänge an der Auswerteeinheit vorgesehen sind, über welche die Information übermittelbar ist, welche Drehzahl n1 oder n2 sowie Drehmoment M1 oder M2 ob im jeweiligen Betriebspunkt vorliegt.
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In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Frequenzband (fmin...fmax) überwacht, das in n Sub-Frequenzbänder unterteilt ist. Ohne rechnerische Verknüpfung mit der Drehzahl werden diese n Klassen immer überwacht. Das vorherige Bestimmen und Parametrieren von einzelnen Frequenzwerten entfällt somit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Sensor
- 3
- Auswerteeinheit