DE102011051759A1

DE102011051759A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer drehenden Welle mittels geführter Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE102011051759A1
Application number: DE201110051759
Authority: DE
Inventors: Jens Prager; Thomas Heckel; Marc Kreutzbruck
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Eine Vorrichtung zur Überwachung einer drehenden Welle (100) umfaßt einen oder mehrere an der drehenden Welle angeordnete Ultraschallwandler (200) zum Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode (250) in der drehenden Welle und zum Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals (260), und eine Auswerteeinheit (300) zum Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler (180) wie etwa einen Riß, aufweist. Ein Verfahren zur Überwachung einer drehenden Welle umfaßt das Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle, das Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals, und das Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Überwachung einer drehenden Welle mittels geführter Ultraschallwellen (engl.: guided waves).
Wellen, insbesondere Hohlwellen, werden in vielfältiger Weise zur Übertragung von Drehmomenten genutzt, wie etwa als Generatorwellen in Kraftwerken oder Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen. Dabei sind Wellen häufig wesentliche bzw. sicherheitsrelevante Bauteile der jeweiligen Gesamtsysteme, in die sie eingebettet sind. Ein Versagen der Welle, beispielsweise aufgrund einer Rißbildung, kann daher erhebliche Auswirkungen haben.
Beispielsweise sind Wellen mit Längsbohrung, sogenannte Hohlwellen, eines der wichtigsten sicherheitsrelevanten Bauteile von Schienenfahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs. Diese Wellen werden während der Fertigung und im Betrieb nach regelmäßigen Laufzeitintervallen bzw. in regelmäßigen Prüfintervallen einer detaillierten zerstörungsfreien Ultraschallprüfung im Rahmen von Wartungsarbeiten unterzogen. Die Prüfintervalle wurden entsprechend der auftretenden Mängel nach Erfahrungswerten bzw. nach Vorgaben der Überwachungsbehörde festgelegt. Teilweise sind sehr kurze Prüfintervalle notwendig, um die Sicherheit der Bauteile zu gewährleisten. Für die herkömmliche Ultraschallprüfung müssen die Fahrzeuge bzw. Anlagen typischerweise außer Betrieb genommen werden. Daraus ergeben sich bei kurzen Prüfintervallen häufige und dadurch auch insgesamt lange Stillstandzeiten. Für die Prüfung selbst ist ein hoher Personalaufwand im Schichtbetrieb notwendig, insbesondere wenn Prüfungen nur nachts durchgeführt werden können.
Im Hinblick darauf ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die genannten Nachteile des herkömmlichen Prüfverfahrens zumindest teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 sowie eine Verwendung gemäß den Ansprüchen 19 oder 21. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Überwachung einer drehenden Welle das Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle, das Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals, und das Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist.
Mit Hilfe dieses Verfahrens ist eine Online-Überwachung, insbesondere eine Online-Zustandsüberwachung der Welle möglich. Insbesondere kann die Welle im Betrieb überwacht werden und muß zum Zwecke der Prüfung nicht erst ausgebaut werden bzw. in eine spezielle Prüfumgebung gebracht werden. Beispielsweise können auf diese Weise Radsatzwellen von Schienenfahrzeugen sogar während des Fahrbetriebs überwacht werden. Durch den Einsatz geführter Wellen können jedoch auch lang ausgedehnte Bauteile, insbesondere Generatorwellen in Kraftwerken, überwacht werden. Die Online-Überwachung führt zur Vermeidung bzw. Verringerung von Stillstandszeiten, der Erhöhung der Betriebssicherheit der Bauteile sowie zur Einsparung von Prüfpersonal. Insbesondere ist das Verfahren zur effizienten Strukturüberwachung der Welle geeignet, da Veränderungen in der gesamten Struktur erfaßt werden.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß für die Zwecke der Ultraschallprüfung an Hohlwellen grundsätzlich drei voneinander verschiedene Wellenarten zu unterscheiden sind, nämlich Longitudinalwellen, Transversalwellen und die vorliegend verwendeten geführten Wellen. So weist beispielsweise Stahl eine konstante Schallgeschwindigkeit von c_l = 5.920 m/s für Longitudinalwellen und eine konstante Schallgeschwindigkeit von c_t = 3.255 m/s für Transversalwellen auf. Hingegen ist für geführte Wellen die Gruppengeschwindigkeit c_G frei zwischen 0 m/s und 5920 m/s einstellbar. Weiterhin sind Longitudinalwellen und Transversalwellen nicht dispersiv, wohingegen geführte Wellen, bis auf die Torsionsmode T(0,1), Dispersion zeigen. Insbesondere koppeln geführte Moden Longitudinal- und Transversalanteile, so daß selbst bei z. B. rein longitudinaler Anregung die sich ausbildende geführte Welle für die Zwecke der Messung nicht-vernachlässigbare Transversalanteile aufweist. Hingegen weisen Longitudinalwellen für die Zwecke der Messung keine bzw. vernachlässigbare Transversalanteile auf. Gleichermaßen weisen Transversalwellen für die Zwecke der Messung keine bzw. vernachlässigbare Longitudinalanteile auf.
Zur besseren Veranschaulichung der vorliegend verwendeten geführten Wellen illustriert 4 eine geführte Longitudinalmode L(0,1), 5 eine Torsionsmode T(0,1), 6 eine Biegemode F(2,1) und 7 eine Biegemode F(5,1), die erkennen läßt, wie komplex das räumliche Schwingungsmuster geführter Wellen in höheren Moden sein können. In den Figuren sind die Amplituden nicht maßstabsgerecht dargestellt, um die jeweiligen Muster besser erkennbar zu machen. In 8 sind die Dispersionskurven verschiedener Moden dargestellt, wobei die jeweilige Phasengeschwindigkeit gegen die Frequenz aufgetragen ist. Torsionsmoden sind mit einem T, Longitudinalmoden mit einem L und Biegemoden mit einem F gekennzeichnet.
Gemäß einer Weiterbildung werden zum Anregen und/oder Aufnehmen ein oder mehrere Ultraschallwandler an einer Stirnseite der drehenden Welle vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ können zum Anregen und/oder Aufnehmen mehrere Ultraschallwandler entlang eines inneren und/oder eines äußeren Umfangs der drehenden Welle vorgesehen werden. Gemäß noch einer Weiterbildung können zum Anregen einer oder mehrerer geführter Moden die mehreren Ultraschallwandler phasenverschoben angesteuert werden.
Auf diese Weise können die verschiedensten geführten Moden in der drehenden Welle angeregt werden. Insbesondere können geführte Longitudinalmoden, Biegemoden und/oder Torsionsmoden bzw. Überlagerungen derselben in der drehenden Welle angeregt werden.
Gemäß einer Weiterbildung können beim Anregen eine oder mehrere geführte Ultraschallwellenmoden angeregt werden und bei der Auswertung Echosignale der einzelnen Moden voneinander unterschieden werden. Insbesondere kann gemäß einer Weiterbildung bei der Auswertung ein Phasenbezug der mehreren Ultraschallwandler untereinander ermittelt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine örtliche Schwingungsverteilung ermittelt werden, anhand derer sich verschiedene Moden voneinander unterscheiden lassen bzw. sich bestimmte Moden identifizieren lassen.
Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel wird das Ultraschall-Echosignal zeitlich und spektral analysiert, um die Echosignale der einzelnen Moden voneinander zu unterscheiden. Dazu können beispielsweise eine Short-Time-Fourier-Transformation und/oder eine Wavelet-Transformation verwendet werden. Ebenfalls können alternativ oder zusätzlich Mustererkennungsalgorithmen zur Identifizierung der Moden eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird beim Auswerten ein Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, bestimmt. Da drehende Wellen typischerweise eine von der simplen Zylinderform abweichende komplexe Geometrie aufweisen, weist bereits ein Echosignal der drehenden Welle im Urzustand eine komplexe Signatur auf. Beispielsweise werden Querschnittsübergänge der drehenden Welle Echosignaturen verursachen. Diese sind jedoch durch die Bauteilgeometrie bedingt und von den später zu erkennenden Veränderungen zu unterscheiden. Dies kann gemäß einer Weiterbildung dadurch erfolgen, daß das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, um den Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, zu bestimmen. Das Referenzsignal kann beispielsweise bei der Fertigung der Welle oder direkt nach dem Einbau der Welle aufgenommen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal, das in einer früheren Messung aufgenommen wurde, verglichen werden, um eine Veränderung der drehenden Welle zu erkennen oder nachzuverfolgen. Auf diese Weise ist eine Online-Strukturüberwachung der drehenden Welle möglich. Im Unterschied zu dem bereits geschilderten Vergleich mit der „neuen” Welle kann durch dieses Verfahren eine bereits entdeckte Veränderung, beispielsweise ein Riß, in ihrer Entwicklung beobachtet werden. Solange der Riß unterhalb einer kritischen Größe bleibt, muß beispielsweise kein Austausch der Welle erfolgen.
Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel wird das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen, um Änderungen, die auf eine Fehlfunktion des Meßsystems hindeuten, zu erkennen. Insbesondere können Unterschiede zum Referenzsignal, die nicht einer Bauteilveränderung der drehenden Welle, wie z. B. Alterung, Rißbildung etc., zugeordnet werden können, auf eine Fehlfunktion des Meßsystems, z. B. eines Ultraschallwandlers, hindeuten. Auch können systematische Änderungen beispielsweise auf ein Driftphänomen hindeuten. Auf diese Weise kann durch das Verfahren bei jeder Messung auf die Funktionsfähigkeit des Meßsystems überprüft werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Überwachung einer drehenden Welle, einen oder mehrere an der drehenden Welle angeordnete Ultraschallwandler zum Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle und zum Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals, und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist.
Diese Vorrichtung erlaubt eine Online-Überwachung, insbesondere eine Online-Zustandsüberwachung der drehenden Welle, beispielsweise im Betrieb, so daß die Welle zum Zwecke der Prüfung nicht erst ausgebaut bzw. in eine spezielle Prüfumgebung gebracht werden muß. Beispielsweise können durch die Vorrichtung Generatorwellen selbst während des Generatornormalbetriebs überwacht werden. Ebenso können mittels der Vorrichtung Radsatzwellen von Schienenfahrzeugen sogar während des Fahrbetriebs überwacht werden. Der Einsatz einer Ultraschallprüftechnik unter Ausnutzung von geführten Wellen läßt sich kostengünstig in die Welle integrieren und kommt ohne verschleißbehaftete Komponenten aus. Das Meßsystem ist zuverlässig, robust und unempfindlich gegen Verschmutzung und bei geeigneter Energieversorgung nahezu wartungsfrei und somit für den Feldeinsatz bestens geeignet.
Gemäß einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Ultraschallwandler an einer Stirnseite der drehenden Welle angeordnet. Alternativ oder zusätzliche können ein oder mehrere Ultraschallwandler entlang eines inneren und/oder eines äußeren Umfangs der drehenden Welle angeordnet sein. Auf diese Weise können die verschiedensten geführten Moden in der drehenden Welle angeregt werden. Insbesondere können geführte Longitudinalmoden, Biegemoden und/oder Torsionsmoden bzw. Überlagerungen derselben in der drehenden Welle angeregt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit separat von dem einen oder den mehreren Ultraschallwandlern und nicht an der drehenden Welle angeordnet. Dabei ist weiterhin eine Signalübermittlungseinheit, beispielsweise eine Funkeinheit oder eine Kabelverbindung, bereitgestellt, die die aufgenommenen Ultraschall-Echosignale von dem einen oder den mehreren Ultraschallwandlern an die Auswerteeinheit überträgt. Auf diese Weise kann die Auswerteeinheit an einem Ort angeordnet werden, der nicht den rauhen Umgebungsbedingungen der drehenden Welle ausgesetzt ist. Außerdem ist das Platzangebot an und/oder in der drehenden Welle begrenzt. Durch die getrennte Anordnung der Auswertungseinheit wird diese Platzbeschränkung aufgehoben.
Gemäß einer Weiterbildung ist die drehende Welle an einer jeweiligen Stirnseite in einem Lager gelagert ist, welches eine Kabeldurchführung, beispielsweise in einem Lagerdeckel, aufweist. Beispielsweise kann die Kabeldurchführung mittels eines Rotationsübertragers, beispielsweise induktiv oder als Schleifring, ausgeführt sein. Der eine oder die mehreren Ultraschallwandler können über die Kabeldurchführung mit der Auswerteeinheit und/oder einer Energieversorgung verbunden sein.
Gemäß einer Weiterbildung sind der eine oder die mehreren Ultraschallwandler und/oder die Auswerteelektronik eingerichtet, sich mittels Energy Harvesting selbst mit ausreichender Energie zu versorgen. Als Energy Harvesting wird hierbei insbesondere die Erzeugung von elektrischer Energie aus der Umgebung, beispielsweise der Umgebungstemperatur, Vibrationen, Rotationen oder Luftströmungen, verstanden. Solche Energiequellen, beispielsweise für drahtlose Sensornetzwerke, können insbesondere piezoelektrische Kristalle zur Wandlung von Vibrationen in elektrische Energie oder thermoelektrische Generatoren zur Ausnutzung von Temperaturunterschieden umfassen.
Die Verfahren und/oder Vorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können insbesondere zur Überwachung einer Radsatzwelle in einem Schienenfahrzeug während des Betriebs verwendet werden. Dabei kann gemäß einer Weiterbildung bei Detektion eines Fehlers ein Signal an das Betriebspersonal des Schienenfahrzeugs übermittelt und/oder das Schienenfahrzeug selbsttätig abgebremst oder angehalten werden.
Die Verfahren und/oder Vorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise auch zur Überwachung einer Motorwelle oder einer Generatorwelle während des Betriebs des Motors bzw. des Generators verwendet werden.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 eine Frontansicht einer Hohlwelle.
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
4 bis 7 Darstellungen verschiedener geführter Wellenmoden.
8 die Dispersionskurven für verschiedene Torsionsmoden, Biegemoden und Longitudinalmoden geführter Wellen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung einer Welle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Welle 100 ist als Hohlwelle mit einer Innenbohrung 110 ausgebildet. Weiterhin ist die Welle 100 um ihre Längsachse L drehend gelagert, wie durch den Pfeil in 1 angedeutet. Die Vorrichtung umfaßt vier an einer Stirnseite 120 der drehenden Welle in einem jeweiligen Winkelabstand von 90° angebrachte Ultraschallwandler 200. Alternativ könnten beispielsweise auch nur drei Ultraschallwandler, beispielsweise mit einem jeweiligen Winkelabstand von 120° angebracht sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Ultraschallwandler an der Stirnseite 120 der Welle 100 befestigt. Grundsätzlich kann jede beliebige Zahl von Ultraschallwandlern an der Stirnseite 120 befestigt sein, insbesondere kann auch gar kein Ultraschallwandler an der Stirnseite 120 befestigt sein, wie später mit Bezug auf das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel diskutiert wird.
Die Ultraschallwandler 200 sind eingerichtet, mindestens eine geführte Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle anzuregen. Typischerweise sind die Ultraschallwandler 200 ebenfalls zum Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals aus der Welle 100 eingerichtet. Beispielsweise können die Ultraschallwandler 200 dazu im Impuls-Echo-Verfahren betrieben werden.
Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Auswerteeinheit 300 zum Auswerten des Ultraschall-Echosignals. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist. Hierzu werden bei der Auswertung typischerweise Echosignale der einzelnen Moden voneinander getrennt. Aufgrund der Dispersion der geführten Wellen haben verschiedene Moden unterschiedliche Laufzeiten, so daß diese bei der Fehlerlokalisation berücksichtigt werden müssen. Zum Separieren der Moden wird das Ultraschall-Echosignal zeitlich und spektral analysiert. Dies kann beispielsweise mittels einer Kurzzeit-Fourier-Transformation oder allgemeiner durch eine Wavelet-Transformation, insbesondere eine Fast-Wavelet-Transformation, erfolgen, wobei die jeweiligen Zeitfenster geeignet zu wählen sind.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 300 separat von den Ultraschallwandlern 200 und nicht an der drehenden Welle 100 angeordnet. Dadurch kann die Auswerteeinheit 300 geschützt angeordnet werden und ist nicht den rauhen Betriebsbedingungen der drehenden Welle ausgesetzt. Allerdings muß eine Datenverbindung von den Ultraschallwandlern 200 zu der Auswerteeinheit 300 hergestellt werden, damit die aufgenommenen Echosignale an die Auswerteeinheit weitergegeben werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dazu an einem der Ultraschallwandler weiterhin eine Signalübermittlungseinheit 210 bereitgestellt, die die aufgenommenen Ultraschall-Echosignale den Ultraschallwandlern 200 an die Auswerteeinheit 300 mittels Funk 215 überträgt. Die Ultraschallwandler 200 sind miteinander datentechnisch verbunden, so daß sie ihre jeweiligen Daten an die Signalübermittlungseinheit 210 übermitteln können. Alternativ kann beispielsweise jeder Ultraschallwandler 200 mit einer eigenen Signalübermittlungseinheit 210 ausgestattet werden. Die Auswerteeinheit 300 umfaßt ein Sende- und Empfangsteil 310, das eingerichtet ist, die von der Signalübermittlungseinheit 210 übermittelten Daten zu empfangen. Weiterhin ist das Sende- und Empfangsteil 310 typischerweise eingerichtet, Daten, beispielsweise Steuerbefehle, von der Auswerteeinheit 300 an die Signalübermittlungseinheit 210 zu übertragen.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung zusätzlich eine Vorortelektronik 350 aufweisen, die beispielsweise in der Innenbohrung 110 der Hohlwelle 100 aufgenommen ist und über eine Verkabelung mit den Ultraschallwandlern 200 verbunden ist. In diesem Fall findet die Kommunikation mit der Auswerteeinheit 300 über die Vorortelektronik 350 statt, wobei dann beispielsweise die Signalübermittlungseinheit 210 bei der Vorortelektronik ausgebildet ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die drehende Welle 100 an einer jeweiligen Stirnseite 120 in einem Lager gelagert, welches eine Kabeldurchführung, insbesondere mittels eines Rotationsübertragers, aufweist. Dabei sind dann die Ultraschallwandler 200 bzw. die Vorortelektronik 350 über die Kabeldurchführung mit der Auswerteeinheit 300 verbunden.
Die Energieversorgung des Meßsystems an der drehenden Welle 100, d. h. der Ultraschallwandler und ggf. der Vorortelektronik kann beispielsweise über Batterien erfolgen. Da diese aber regelmäßig getauscht werden müssen, könnte eine Energieversorgung beispielsweise über das Sende- und Empfangsteil 310 erfolgen, das elektromagnetische Strahlung an das Meßsystem überträgt und so ausreichend mit Energie versorgt. Zusätzlich oder alternativ kann das Meßsystem, aber auch die Auswerteelektronik selbst, mit einer Einrichtung zum Energy Harvesting versehen sein. Als Energy Harvesting wird hierbei insbesondere die Erzeugung von elektrischer Energie aus der Umgebung, beispielsweise der Umgebungstemperatur, Vibrationen, Rotationen oder Luftströmungen, verstanden. Solche Energiequellen, beispielsweise für drahtlose Sensornetzwerke, können insbesondere piezoelektrische Kristalle zur Wandlung von Vibrationen in elektrische Energie oder thermoelektrische Generatoren zur Ausnutzung von Temperaturunterschieden umfassen. Auf diese Weise wäre das Meßsystem bzw. die Vorrichtung gänzlich autark.
In 2 ist eine Frontansicht der Hohlwelle 100 gezeigt. Dabei ist die Welle kreiszylindrisch mit einem Außendurchmesser Da, einem Innendurchmesser Di und einer Dicke D des Zylindermantels. Beispielsweise kann bei einer Radsatzwelle eines Schienenfahrzeugs der Außendurchmesser Da = 160 mm und der Innendurchmesser Di = 60 mm sein, so daß die Dicke der Welle d = 50 mm beträgt. Werden nun beispielsweise geführte Moden im Bereich Frequenzbereich von f = 100 kHz bis 500 kHz angeregt, so liegt f·d hier im Bereich von 5 × 10³ m/s bis 25 × 10³ m/s bzw. 5 MHz·mm bis 25 MHz·mm.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die darin gezeigte Hohlwelle weist eine deutlich komplexere, aber auch realistischere Geometrie als der einfache Hohlzylinder aus 1 auf. So weist die Welle in ihren gegenüberliegenden Endbereichen zwei Bereich mit größerem Außendurchmesser Dg und damit insgesamt vier Querschnittsübergänge auf. Diese Querschnittsübergänge erzeugen Echosignaturen und müssen daher bei der Auswertung der Echosignale entsprechend berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ zu den Ultraschallwandlern 200 an der Stirnseite der Welle, weist die Vorrichtung mehrere entlang des äußeren Umfangs der drehenden Welle angeordnete Ultraschallwandler 230 auf. Zusätzlich oder alternativ weist die Vorrichtung mehrere entlang des inneren Umfangs der drehenden Welle angeordnete Ultraschallwandler 240 auf. Die in Umfangsrichtung angeordneten Ultraschallwandler 230, 240 sind fest mit der Welle verbunden und drehen sich mit dieser mit. Die jeweiligen Ultraschallwandler 230, 240 sind ebenfalls datentechnisch mit der Auswerteeinheit 300 verbunden, entweder über jeweilige Signalübermittlungseinheiten oder mittelbar über eine Vorortelektronik.
Die in Umfangsrichtung angeordneten Ultraschallwandler können typischerweise zum Anregen einer oder mehrerer geführter Moden phasenverschoben angesteuert werden. Auf diese Weise können die verschiedensten geführten Moden 250, insbesondere Torsionsmoden, in der drehenden Welle angeregt werden. Liegt nun beispielsweise ein Riß 180 in der Welle vor, so wird an diesem die Welle reflektiert und der Riß erzeugt eine Echosignatur im Echosignal 260.
Die nun folgenden Erläuterungen betreffen grundsätzlich alle Auswertungsverfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insofern sich für den Fachmann nichts anderes aus der Konfiguration bzw. den speziellen Umständen einer spezifischen Ausführungsform ergibt.
Bei geführten Wellen erfolgt ein Energieübertrag zwischen einzelnen Moden. Wird also beispielsweise lediglich eine einzige Mode angeregt, so enthält das Echosignal dennoch Anteile mehrerer Moden. Daher wird bei der Auswertung typischerweise das Ultraschall-Echosignal zeitlich und spektral analysiert, um die Echosignale der einzelnen Moden voneinander zu unterscheiden. Dazu können beispielsweise eine Kurzzeit-Fourier-Transformation und/oder eine Wavelet-Transformation verwendet werden. Ebenfalls können alternativ oder zusätzlich Mustererkennungsalgorithmen zur Identifizierung der Moden eingesetzt werden. Insbesondere kann bei der Auswertung beispielsweise ein Phasenbezug zwischen den in Umfangsrichtung angeordneten Ultraschallwandler 230, 240 untereinander ermittelt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine örtliche Schwingungsverteilung ermittelt werden, anhand derer sich verschiedene Moden voneinander unterscheiden lassen bzw. sich bestimmte Moden identifizieren lassen.
Weiterhin wird typischerweise beim Auswerten ein Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, bestimmt. Da drehende Wellen typischerweise eine von der simplen Zylinderform abweichende komplexe Geometrie aufweisen (siehe 3), weist bereits ein Echosignal der unveränderten und fehlerfreien Welle eine komplexe Signatur auf. Beispielsweise werden Querschnittsübergänge der drehenden Welle Echosignaturen verursachen. Diese sind jedoch durch die Bauteilgeometrie bedingt und von den später zu erkennenden Veränderungen zu unterscheiden. Dies kann gemäß einer Weiterbildung dadurch erfolgen, daß das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, um den Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, zu bestimmen. Das Referenzsignal hierfür kann beispielsweise bei der Fertigung der Welle oder direkt nach dem Einbau der Welle aufgenommen werden. Ein geeignetes Kriterium kann bei der Erkennung beispielsweise die Symmetrie der reflektierten Signale sein. Typischerweise sollte die rotationssymmetrische Geometrie der drehenden Welle und auch der Formeinflüsse (z. B. Querschnittsübergänge) auch rotationssymmetrische Echos erzeugen, wohingegen Fehler, wie etwa ein Riß, nicht rotationssymmetrisch sind und folglich ebensolche Schwingungskomponenten erzeugen.
Weiterhin kann das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal, das in einer früheren Messung aufgenommen wurde, verglichen werden, um eine Veränderung der drehenden Welle zu erkennen oder nachzuverfolgen. Auf diese Weise ist eine Online-Strukturüberwachung der drehenden Welle möglich. Im Unterschied zu dem bereits geschilderten Vergleich mit der „neuen” Welle kann durch dieses Verfahren eine bereits entdeckte Veränderung, beispielsweise ein Riß, in ihrer Entwicklung beobachtet werden. Solange der Riß unterhalb einer kritischen Größe bleibt, muß beispielsweise kein Austausch der Welle erfolgen. Überschreitet der Riß jedoch eine kritische Größe, so kann die Auswerteeinheit beispielsweise ein Hinweissignal absetzen und/oder die Anlage bzw. das Schienenfahrzeug, in dem die Welle eingebaut ist, abbremsen oder stillegen. Zur effizienten Strukturüberwachung der Welle sollten Veränderungen in der gesamten Struktur erfaßt werden. Die komplexe Einbausituation sowie der Kostendruck erfordern jedoch typischerweise eine Minimierung der Sensorpositionen entlang der Längsachse L. Der Einsatz einer Ultraschallprüftechnik unter Ausnutzung von geführten Wellen läßt sich jedoch kostengünstig in die Welle integrieren und kommt ohne verschleißbehaftete Komponenten aus. Das Meßsystem ist zuverlässig, robust und unempfindlich gegen Verschmutzung und bei geeigneter Energieversorgung nahezu wartungsfrei und somit für den Feldeinsatz bestens geeignet.
Darüber hinaus kann das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen werden, um Änderungen, die auf eine Fehlfunktion des Meßsystems hindeuten, zu erkennen. Insbesondere können Unterschiede zum Referenzsignal, die nicht einer Bauteilveränderung der drehenden Welle, wie z. B. Alterung, Rißbildung etc., zugeordnet werden können, auf eine Fehlfunktion des Meßsystems, z. B. eines Ultraschallwandlers, hindeuten. Auch können systematische Änderungen beispielsweise auf ein Driftphänomen hindeuten. Auf diese Weise kann durch das Verfahren bei jeder Messung auf die Funktionsfähigkeit des Meßsystems überprüft werden.
Die Verfahren und/oder Vorrichtungen gemäß einem der vorangehen beschriebenen Ausführungsbeispiele können insbesondere zur Überwachung einer Radsatzwelle in einem Schienenfahrzeug während des Betriebs verwendet werden. Dabei kann insbesondere bei Detektion eines Fehlers ein Signal an das Betriebspersonal des Schienenfahrzeugs übermittelt und/oder das Schienenfahrzeug selbsttätig abgebremst oder angehalten werden.
Weiterhin können die Verfahren und/oder Vorrichtungen gemäß einem der vorangehen beschriebenen Ausführungsbeispiele insbesondere zur Überwachung einer Motorwelle oder einer Generatorwelle während des Betriebs des Motors bzw. des Generators verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind jedoch lediglich beispielhaft und sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer drehenden Welle, umfassend Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle, Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals, und Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Anregen und/oder Aufnehmen ein oder mehrere Ultraschallwandler an einer Stirnseite der drehenden Welle vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Anregen und/oder Aufnehmen mehrere Ultraschallwandler entlang eines inneren und/oder eines äußeren Umfangs der drehenden Welle vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zum Anregen einer oder mehrerer geführter Moden die mehreren Ultraschallwandler phasenverschoben angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei bei der Auswertung ein Phasenbezug der mehreren Ultraschallwandler untereinander ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Anregen der eine oder mehrere geführte Ultraschallwellenmoden angeregt werden und wobei bei der Auswertung Echosignale der einzelnen Moden voneinander unterschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ultraschall-Echosignal zeitlich und spektral analysiert wird, um die Echosignale der einzelnen Moden voneinander zu unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Auswerten eine Short-Time-Fourier-Transformation oder eine Wavelet-Transformation umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Auswerten ein Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, um den Anteil des Ultraschall-Echosignals, der auf der Form der drehenden Welle beruht, zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal, das in einer früheren Messung aufgenommen wurde, verglichen wird, um eine Veränderung der drehenden Welle zu erkennen oder nachzuverfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aufgenommene Ultraschall-Echosignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, um Änderungen, die auf eine Fehlfunktion des Meßsystems hindeuten, zu erkennen.
Vorrichtung zur Überwachung einer drehenden Welle, umfassend einen oder mehrere an der drehenden Welle angeordnete Ultraschallwandler zum Anregen mindestens einer geführten Ultraschallwellenmode in der drehenden Welle und zum Aufnehmen eines Ultraschall-Echosignals, und eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Ultraschall-Echosignals, um zu erkennen, ob die drehende Welle eine Veränderung, insbesondere einen Fehler wie etwa einen Riß, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein oder mehrere Ultraschallwandler an einer Stirnseite der drehenden Welle angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei mehrere Ultraschallwandler entlang eines inneren und/oder eines äußeren Umfangs der drehenden Welle angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die Auswerteeinheit separat von dem einen oder den mehreren Ultraschallwandlern und nicht an der drehenden Welle angeordnet ist, wobei weiterhin eine Signalübermittlungseinheit bereitgestellt ist, die die aufgenommenen Ultraschall-Echosignale von dem einen oder den mehreren Ultraschallwandlern an die Auswerteeinheit überträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die drehende Welle an einer jeweiligen Stirnseite in einem Lager gelagert ist, welches eine Kabeldurchführung, insbesondere mittels eines Rotationsübertragers, aufweist, wobei der eine oder die mehreren Ultraschallwandler über die Kabeldurchführung mit der Auswerteeinheit und/oder einer Energieversorgung verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der eine oder die mehreren Ultraschallwandler und/oder die Auswerteelektronik eingerichtet sind, sich mittels Energy Harvesting mit ausreichender Energie zu versorgen.
Verwendung eines Verfahrens und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung einer Radsatzwelle in einem Schienenfahrzeug während des Betriebs.
Verwendung nach Anspruch 19, wobei bei Detektion eines Fehlers ein Signal an das Betriebspersonal des Schienenfahrzeugs übermittelt wird und/oder das Schienenfahrzeug selbsttätig abgebremst oder angehalten wird.
Verwendung eines Verfahrens und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Überwachung einer Motorwelle oder einer Generatorwelle während des Betriebs des Motors bzw. des Generators.