DE102008051175A1

DE102008051175A1 - Verfahren zum Überwachen von sich bewegenden Bauelementen

Info

Publication number: DE102008051175A1
Application number: DE102008051175A
Authority: DE
Inventors: Miroslaw Wrobel
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Bei einem Verfahren zum Überwachen von sich bewegenden, insbesondere rotierenden oder zyklisch bewegten Bauelementen, insbesondere Getriebe, anhand von Schall soll das Bauelement nach dem Prinzip einer "Akustischen Kamera" bezüglich seines Körperschalls überwacht werden.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von sich bewegenden, insbesondere rotierenden oder zyklisch bewegten Bauelementen, insbesondere Getriebe, anhand von Schall.
STAND DER TECHNIK
Geräusche, vor allem veränderte Geräusche dienen erfahrenen Maschinenbedienern und Mechanikern zur Diagnose von Maschinenzuständen, wie z. Bsp. Verschleiss. Für diese intuitiven bzw. empirischen Verfahren bestehen schon seit längerem Verfahren zur Ermittlung und Darstellung akustischer Emission. Diese sind aber aufgrund des Aufwands und der Fehleranfälligkeit nicht für den industriellen Alltag geeignet.
Seit kurzem steht für solche Anwendungen eine „Akustische Kamera”, veröffentlicht in der EP 1 599 708 B1 , zur Verfügung. Darin wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von akustischen Objekten beschrieben. Im Wesentlichen beruht die Funktion einer Akustischen Kamera auf einer Auswertung von relativen Laufzeiten von Punkten einer Bildebene bzw. einer 3D Objektflächen zu den einzelnen Mikrofonen eines Aufnahmearrays. Das Aufnahmearray ist mit einer Digitalkamera kombiniert. Auf dem mit der Digitalkamera erstellten Bild werden die aus den relativen Laufzeiten rekonstruierten Schallwerte abgebildet. Hier ergeben sich die relativen Laufzeiten aus dem Quotienten des Betrags des Radius im Mikrofonarray und der Schallgeschwindigkeit in Luft. Diese Art der Schallaufnahme eignet sich jedoch nicht für schnell oder sehr schnell bewegte Bauteile, da man hier aufgrund der sich bewegenden Emissionsquellen kein aussagekräftiges/eindeutiges Bild erhält. Hinzu kommt, dass sich Schall aufgrund der wesentlich höheren Schallausbreitungsgeschwindigkeit von 6000 m/s über die in Kontakt stehenden metallenen Komponenten und nicht über die Luft oder Schmierstoff in den Hohlräumen (Schallausbreitungsgeschwindigkeit 330 m/s bzw. 1200 m/s) zu den Schallaufnehmern gelangt. Die Schallausbreitung über Luft ist im vergleich zum Metall aufgrund der geringen Geschwindigkeit nur als Rauschen wahrnehmbar. Bei rotierenden Komponenten ergibt sich somit immer ein unterschiedlich langer Weg von der Schallquelle zum Schallaufnehmer. Die Schallquelle scheint somit wegen der nicht direkt linearen Ausbreitung an anderen Positionen zu sein, als angenommen.
AUFGABE
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren der o. g. Art zu schaffen, mit der eine visuelle Darstellung von Körperschall in mechanischen, insbesondere sich bewegenden Bauteilen möglich ist.
LÖSUNG DER AUFGABE
Zu Lösung der Aufgabe führt, dass das Bauelement nach dem Prinzip einer „Akustischen Kamera” bezüglich seines Körperschalls überwacht wird.
Dies geschieht durch differenzierte Körperschallaufnahme bei Maschinen, insbesondere bewegten Maschinen. Die zu Grunde liegende Idee ist die Ausnutzung der differenzierten Wellenausbreitung und damit der Signal- und Phasenunterschiede in den empfangenen Signalen. Hierzu werden Schallaufnehmer direkt am Bauelement angebracht. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit die Schallaufnehmer innerhalb oder ausserhalb des zu untersuchenden Bauelements anzubringen. Bei der Anordnung der Schallaufnehmer im Bauelement sind vorzugsweise im Bauelement konstruktive Massnahmen zur Anordnung der Schallaufnehmer getroffen. Bei Mikrofonen oder anderen luftgekoppelten Schallaufnehmern werden Schallleiter zwischen Bauelement und Schallleiter eingesetzt. Es werden mindestens zwei Schallaufnehmer für eine differenzierte Signalaufnahme in 2D (nur Richtung) benötigt. Ab drei Schallaufnehmern kann eine räumliche 3D-Schallaufnahme (d. h. Richtung und Elevationswinkel der Quelle) erfolgen.
Bei dieser Vorrichtung können zwei Aliasing-Effekte auftreten: Zum einen das sogenannte Spatial Aliasing, welches durch die mechanische Anordnung der Schallaufnehmer gelöst wird, und zweitens ein Aliasing-Effekt bei der Auflösung, der durch die direkte analog/digital Wandlung des aufzunehmenden Signals behoben werden kann.
Um das Spatial Aliasing zu verhindern, muss die Anordnung der Schallaufnehmer so erfolgen, dass keine Phasenverschiebungen über > λ/2 auftreten können da sonst die Signale aufgrund von auftretenden Moirè-Effekten nicht eindeutig zugeordnet und ausgewertet werden können. Dies passiert, wenn sich mechanische Abtastfrequenz F_sampleMech und Signalfrequenz f_max überlagern. Wichtig bei der Signalaufnahme ist deshalb, dass der mechanische Abstand zwischen zwei akustischen Aufnehmern niedriger als die halbe Wellenlänge der aufzunehmenden Signalfrequenz ist, um ein räumliches Spatial Aliasing zu unterdrücken. Dies erklärt das Nyquist-Shonnon Abtasttheorem. Das Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem, in neuerer Literatur auch WKS-Sampling-Theorem (für Whittaker-Kotelnikow-Shannon) genannt, ist ein grundlegendes Theorem der Nachrichtentechnik, Signalverarbeitung und Informationstheorie. Das Abtasttheorem besagt, dass ein kontinuierliches, bandbegrenztes Signal, mit einer Minimalfrequenz von 0 Hz und einer Maximalfrequenz f_max, mit einer Frequenz grösser als 2 f_max abgetastet werden muss, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust exakt rekonstruieren und beliebig genau approximieren kann.
Die Wellenlänge λ, die mit dem Abstand der Schallaufnehmer korreliert, wird durch die Schallausbreitungsgeschwindigkeit c und die oberste Frequenz f_max, welche man zur Diagnose hören möchte bestimmt
Die Auflösung bzw. die Rasterung und der hier auftretenden Aliasing-Effekt kann durch die Abtastfrequenz F_sample des A/D-Wandlers bestimmt werden, da sich diese durch
bestimmt.
Möchte man z. B. bei einer Signalfrequenz von 10 kHz eine Auflösung von 1 mm erreichen, muss man bei einer Schallausbreitungsgeschwindigkeit c von 6000 m/s mit einer Abtastfregeunz F_sample von 6 MHz absampeln. Es wird deutlich, dass die aufzunehmende Frequenz keinen Einfluss auf die Rasterung hat, solange die F_sample die N-S-Funktion für die aufzunehmende Frequenz erfüllt.
Da die Schallausbreitung immer über die minimalste Festkörperstrecke erfolgt und die Komponenten des Bauteils sich bewegen, muss eine ständige Korrektur der Laufzeitfunktionen zur Rekonstruktion der Schallwerte erfolgen. Hierfür wird die innere Struktur des sich bewegenden Bauteils mathematisch in Form eines Algorithmus abgebildet. Dies ist möglich für alle bewegten Bauteile, deren Trajektorie deterministisch beschrieben werden kann. Aufgrund der ständigen Anpassung der Laufzeitfunktion kann von einem adaptiven Beam Forming gesprochen werden. Es lassen sich somit sich bewegende Punkte innerhalb oder am Bauteil nachverfolgen und akustisch überwachen.
Zur Positionsbestimmung der Komponenten kann ein Positionsgeber eingesetzt werden, jedoch ist dies nicht zwingend notwendig.
FIGURENBESCHREIBUNG
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
1 eine schematische Draufsicht auf ein Planetengetriebe und ein Mikrofonarray zur Schallaufnahme;
2 ein Schema zur Rekonstruktion einer Zeitfunktion bei einer ”Akustischen Kamera”;
3 ein Schallbild, welches durch eine „akustische Kamera” mit klassischem Beam Forming, wie in der EP 1 599 708 B1 beschrieben, generiert wurde;
4 ein synthetisches Bild einer fehlerhaften Kontaktstelle an einem Planetengetriebe, wie es durch eine erfindungsgemässe akustische Kamera generiert werden kann.
Bei dem in 1 gezeigten Planetengetriebe 1 sind um ein Sonnenrad 2 drei Planetenräder 3.1–3.3 im Abstand von 120° angeordnet. Diese greifen in ein Aussenrad 4 ein. Um das Planetengetriebe 1 ist ein Mirofonarray 5 angeordnet, um die Geräuschemission 6 aufzunehmen. Im Ausführungsbeispiel besteht das Mikrofonarray 5 aus drei Mikrofonen 7.1, 7.2 und 7.3, die jeweils bei 0°, 45° und 135° angeordnet sind. Jedem Mikrofon ist ein Schallleiter 8.1, 8.2 und 8.3 zugeordnet. Grundsätzlich ist die Verwendung von allen Arten von Schallaufnehmern, wie z. B. Vibrations- und Piezoaufnehmern denkbar.
Grundsätzlich muss die Mikrofonanordnung so gestaltet sein, dass bei rotationssymetrischen Bauteilen keine Phasenwiederholungen auftreten, weil sonst die Signale nicht eindeutig zugeordnet und ausgewertet werden können.
Das heisst, dass zu keinem Messungszeitpunkt vor zwei oder mehreren Schallaufnehmern die gleiche Bauteilgeometrie anliegen darf. Ausschluss von Phasenwiederholung bedeutet auch, dass zu zwei verschiedenen Messungszeitpunkten, ausser einen ganzen Umdrehung von 360°, nicht die gleiche Geometrie vom Schallaufnehmerarray betrachtet werden darf. In der Praxis lässt sich das Problem am einfachsten, so wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, durch eine nicht gleichmässige und zu der sich wiederholenden Geometrie versetzten Anordnung der Schallaufnehmer realisieren.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist Folgende:
Zur Messung bewegen sich die Planetenräder 3 entsprechend dem Pfeil 9. Grundsätzlich werden, wie beim Verfahren der ”Akustischen Kamera”, die relativen Laufzeiten von den Punkten einer Bildebene bzw. der 3D-Objektflächen zu den einzelnen Mikrofonen des Aufnahmearrays ausgewertet. Die Rekonstruktion des akustischen Bildes erfolgt durch die Rekonstruktion der Zeitfunktion für einen Ort X. X = (x', y', z')T (1)
In der Bildebene wird dabei nach folgender Beziehung vorgegangen:
wobei T die Zeit ist, M die Anzahl der Mikrofone im Array, f_i sind die aufgenommenen Zeitfunktionsdaten der einzelnen Mikrofone an den Positionen x_i mit einer Ungenauigkeit Δ_i. Die Ungenauigkeiten Δ_i sind die relativen Zeitverzögerungen der Laufzeitdifferenzen, welche sich aus den absoluten Laufzeiten τ_i ergeben: Δi = τi – min(τi) (3).
Die absoluten Laufzeiten τ_i ergeben sich aus dem geometrischen Abstand von Mikrofon Nummer i zum in (1) berechneten Ort X: |ri| = |xi – x| (4)
Die einzelnen Mikrofon-Zeitfunktionen f_i werden erst laufzeitkorrigiert und danach zeitkohärent aufaddiert. Dann ist es auch vorteilhaft, das so verstärkte Signal wieder auf die Anzahl der Sensoren zu normieren. Das Ergebnis entspricht dem energetischen Gehalt der Zeitfunktion eines einzelnen Mikrofons.
Die Rekonstruktionsfunktion ist in der Literatur unter der Bezeichnung „Time Domain Delay and Sum Beamforming” bekannt. Die so rekonstruierte Zeitfunktion wird jetzt für die Schätzung des Effektivwertes des Schalldruckes am Ort X über eine endliche Anzahl von „n” zeitdiskreten Abtastpunkten t_k berechnet:
Im Gegensatz zur ”Akustischen Kamera” erfolgt die Schallaufnahme bei der vorliegenden Erfindung direkt am Bauteil.
Im Ausführungsbeispiel wird an einem Planetengetriebe 1 die Schallausbreitung sichtbar gemacht. Hier wird deutlich, dass die Schallausbreitung nicht auf direktem Weg über die Luft erfolgt, sondern aufgrund der wesentlich höheren Schallausbreitungsgeschwindigkeit von 6000 m/sec und geringerer Dämpfung den Weg über die Komponenten aus Metall wählt.
Bei rotativen bzw. bewegten Komponenten ergibt sich somit ein immer unterschiedlich langer Weg (innerhalb eines 360° Zyklus) von der Schallquelle zum Schallaufnehmer. Für den Weg des Schalls im Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass für eine Geräuschemission, die von beispielsweise einer Schadstelle 10 zwischen Sonnenrad 2 und Planetenrad 3.3 ausgeht, der Weg in der in 1 dargestellten Stellung durch das Planetenrad 3.3, über das Aussenrad 4, zum Schallleiter 8.3 und zum Mikrofon 7 führt. Wenn die Planetenräder 3.1–3.3 rotieren, gibt es keine lineare Abhängigkeit zwischen der absoluten Laufzeit und der neuen Position der Schallquelle zum Mikrofon. Die Laufzeit ist abhängig von der Geometrie des Planetengetriebes. Deshalb lassen sich die Laufzeiten nicht so trivial wie in (6) ermitteln.
wobei c = 344 m/s die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20°C darstellt.
Die Laufzeit entspricht somit immer der minimalen Festkörperstrecke zwischen Quelle und Empfänger.
Um diesen Laufweg des Schalls korrekt abzubilden, wird eine ständige Korrektur der Laufzeitfunktion f(x, p, t) erforderlich. Dazu wird die innere Struktur des zu untersuchenden Objektes z. B. des Planetengetriebes 1 mathematisch in Form eines Algorithmus abgebildet. Dieser wird in die Formel (2) als Korrekturglied eingefügt, um den zeitlichen Zustand der Planetenposition und damit den Weg des Schalls abzubilden (adaptives Beamforming).
Die weitere Signalverarbeitung erfolgt entsprechend der ”Akustischen Kamera”.
3 zeigt ein Schallbild, welches durch eine akustische Kamera mit klassischem Beam Forming erzeugt wurde. Der Bereich 11 zeigt die unterschiedlichen Intensitäten des Schalls. Der dunkle Fleck 12 zeigt die Stelle mit der höchsten Schallintensität an. In den Zonen 13.1 und 13.2 sind ebenfalls unterschiedliche Intensitäten des Schalls, gekennzeichnet durch unterschiedliche Farben oder Schattierungen, zu erkennen.

Als eine Darstellungsmöglichkeit des adaptiven Beam Formings kann ein ähnliches Bild erzeugt werden. Ein solches synthetisches Bild ist in 4 zu sehen. Allerdings wird eben im Unterschied zum klassischen Beam Forming nur der Körperschall an den metallenen Komponenten 2, 3.1, 3.2, 3.2, 3.3 und 4 dargestellt. Die unterschiedlichen Grauschattierungen 14.1 und 14.2 stellen die unterschiedlichen Intensitäten des Schalls dar. Diese lassen im Beispiel erkennen, dass eine Exzentrizität des Ritzels, das als Sonnenrad 2 wirkt, vorliegt, was zu einer höheren Belastung in einem Bereich 15 führt. Da es sich um eine bewegte Komponente handelt, stellt das Bild eine Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt dar, bzw. es lässt sich durch die erfindungsgemässe akustische Kamera eine schadhafte Stelle im Bauteil nachverfolgen. Bezugszeichenliste

1	Planetengetriebe
2	Sonnenrad
3	Planetenrad
4	Aussenrad
5	Mikrofonarray
6	Geräuschemission
7	Mikrofon
8	Schallleiter
9	Pfeil
10	Schadstelle
11	Bereich
12	Fleck
13	Zone
14	Grauschattierung
15	Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1599708 B1 [0003, 0017]

Claims

Verfahren zum Überwachen von sich bewegenden, insbesondere rotierenden oder zyklisch bewegten Bauelementen, insbesondere Getriebe, anhand von Schall, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement nach dem Prinzip einer „Akustischen Kamera”, bezüglich seines Körperschalls überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mittels adaptivem Beam Forming bezüglich seines Körperschalls überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine differenzierte Signalaufnahme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium zur Schallausbreitung ein fester Körper oder Körperteile des Bauelements benutzt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bauelement mindestens zwei Schallaufnehmer zugeordnet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bauelement zur räumlichen Schallaufnahme mindestens drei Schallaufnehmer zugeordnet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung von absoluten Laufzeiten des Schalls ein Algorithmus zur mathematischen Abbildung der Bauelementgeometrie und -position verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine ständige Korrektur der Laufzeitfunktion gemäss einer Bauteilgeometrie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ständige Korrektur mit Hilfe des Algorithmus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position des überwachten Bauelements ein Positionsgeber einsetzbar ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Schallaufnehmer so am Bauteil angeordnet sind, dass keine Phasenwiederholungen innerhalb eines Zyklus auftreten.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei rotationssymmetrischen Bauteilen die Schallaufnehmer so angeordnet sind, dass zu keinem Zeitpunkt eine gleiche Bauteilgeometrie vor mehreren Schallaufnehmern anliegt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei rotationssymmetrischen Bauteilen die Schallaufnehmer so angeordnet sind, dass nicht zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, ausser nach einer vollständigen Umdrehung von 360°, Aufnahmen von gleichen Bauteilgeometrieen gemacht werden.