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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung mindestens eines schwingungserregten Bauteils, beispielsweise eines verzahnten Bauteils und/oder eines Lagerteils. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Überwachungsverfahrens.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und Diagnose schwingungserregter Bauteile wie Wälzlager ist zum Beispiel aus der
DE 43 08 796 C2 bekannt. Im Rahmen dieses Verfahrens werden durch einen Schwingungsaufnehmer, welcher in diesem Fall als Klopfsensor ausgebildet ist, Signale aufgenommen. Dem Schwingungsaufnehmer ist ein Verstärker nachgeschaltet; dem Verstärker wiederum ist eine Einrichtung zur Filterung und Demodulierung des aufgenommenen Schwingungssignals nachgeschaltet. Ferner ist ein Frequenzanalysator vorgesehen, welcher der Einrichtung zur Filterung und Demodulierung nachgeschaltet ist. Die Einrichtung zur Filterung und Demodulierung umfasst wenigstens einen Gleichrichter zur Hüllkurvenbildung. Als geeignetes Demodulationsverfahren ist in der
DE 43 08 796 C2 eine Hilbert-Transformation genannt.
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Die
DE 698 11 434 T2 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrzeuggetriebes mit Beschleunigungsaufnehmern, welches insbesondere für Hubschrauber geeignet sein soll. Das Verfahren geht von der Erfassung eines Signals von einem Beschleunigungssensor aus. Aus diesem Signal wird eine Hilbert-Transformierte berechnet. Weiter wird ein komplexes Signal bestimmt, dessen Realteil das vom Beschleunigungssensor erfasste Signal und dessen Imaginärteil die Hilbert-Transformierte dieses Signals ist. Die Differenz zwischen der Phase des komplexen Signals und einer Referenzphase wird zum Erzeugen eines Phasensignals herangezogen. Dieses Phasensignal wiederum weist eine Variabilität auf, aus welcher ein Variabilitätssignal erzeugt wird, welches mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen wird.
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Die im Juli 2012 an der Universität Uppsala, Schweden, verfasse Examensarbeit „Demodulation Techniques in Gearbox Diagnostics” von Andreas Meisingseth beinhaltet weitere Informationen zur Signalverarbeitung mit Demodulationstechniken, welche Hilbert-Transformationen umfassen. Diese Signalverarbeitungsverfahren werden vorgeschlagen, um eventuelle Schäden an Schaltgetrieben zu detektieren.
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Die
DE 10 2010 034 749 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung eines rotierenden Maschinenteils, bei welcher ein Sensor und eine Auswerteelektronik sowie eine Energieversorgungseinheit und eine Sendeeinheit auf einem sich bewegenden Maschinenelement angeordnet sind. Der Sensor kann in diesem Fall auch eine Signalaufbereitung, -bewertung sowie eine weitgehende Signalverarbeitung umfassen.
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Aus der
DE 10 2010 025 851 A1 ist ein Verfahren zum Training eines Systems zur Klassifikation eines Wälzlagerzustands bekannt. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Körperschallzustandssignale ausgewertet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Überwachung eines schwingungserregten Bauteils gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Erkennbarkeit eines Schadens in einem frühen Stadium weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Überwachungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine zur Überwachung eines schwingungserregten Bauteils ausgebildete Vorrichtung gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Überwachungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umgekehrt.
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Das Verfahren geht von der Erfassung einer Schwingung eines Bauteils mittels mindestens zweier Sensoren, nämlich eines Körperschallsensors und eines Drehgebersensors, aus. Der Drehgebersensor dient als ein Trigger, um den Anfangspunkt des Schwingungssignals gegenüber dem Drehwinkel zu bestimmen. Aus dem mit Hilfe der beiden Sensoren beziehungsweise der aus mehr als zwei Sensoren aufgebauten Sensoranordnung gewonnenen Signal wird durch Demodulation, insbesondere mit Hilfe einer Hilbert-Transformation, ein Hüllkurvensignal generiert, aus welchem ein Frequenzspektrum generierbar ist. Im Rahmen des Verfahrens wird weiter eine Phaseninformation des Hüllkurvensignals ermittelt. Die Phase des Hüllkurvensignals kann grundsätzlich im Bereich von –π bis +π liegen. Die Stabilität der Phase des Hüllkurvensignals wird ausgewertet, wobei ein Schaden des überwachten, schwingungserregten Bauteils durch eine Konvergenz der Phase gegen einen bestimmten Wert detektiert wird.
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Im Fall einer Hilbert-Transformation ist das Hüllkurvensignal aus dem Rohsignal in einem bestimmten Zeit- oder Winkelbereich ermittelbar. Hierbei kann das Hüllkurvensignal mit Hilfe einer Hilbert-Transformation aus dem Rohsignal in einem Winkelbereich, welcher mit Hilfe einer Ordnungsanalyse vom Zeitbereich umgewandelt wird, ermittelt werden.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein periodisches Körperschallsignal in einer Maschine im Fall eines Maschinenschadens durch regelmäßige Stöße moduliert wird. Beispielsweise kann eine Modulation eines Körperschallsignals durch einen Wälzlagerschaden oder einen Verzahnungsschaden verursacht sein. Aus dem modulierten Körperschallsignal ist ein Hüllkurvensignal und aus diesem ein Hüllkurvenspektrum generierbar, in welchem Modulationsfrequenzkomponenten auftreten. Im Regelfall, bei einer Maschine ohne erkennbare Schäden, sind keine Peaks bei diesen Frequenzen erkennbar. Vielmehr verteilt sich die Phase bei diesen Frequenzen von wiederholten Messungen aufgrund vom Geräusch statistisch gleichmäßig im Bereich von –π bis +π.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass die Phase aufgrund des Vorhandenseins von Geräusch schneller als die Amplitude im Hüllkurvenspektrum auf Schäden am schwingungserregten Bauteil, beispielsweise Wälzlagerbauteil oder Zahnrad, reagiert und gegen einen bestimmten Wert konvergiert. Diese Annäherung an einen konkreten Wert wird als Schaden des schwingungserregten Bauteils interpretiert.
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Zur Auswertung der Stabilität der Phase des Hüllkurvensignals wird ein Phasenstabilitätswert PS herangezogen. Hierbei ist PS = log(K/std (n Messungen)), wobei K eine Konstante und std die Standardabweichung im Kreis von 2π von n vorherigen Messungen ist, und Änderungen des Phasenstabilitätswertes PS erfasst werden, wobei ein Schaden des schwingungserregten Bauteils durch ein Ansteigen des Phasenstabilitätswertes PS über einen Grenzwert detektiert wird.
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Wird die Anzahl n = 10 gesetzt, so ergibt sich PS = log(K/std (10 vorherige Messungen)).
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Als Konstante K wird beispielsweise der Wert 2π verwendet. Zusätzlich zum Phasenstabilitätswert PS ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Zähler ZPS definiert, welcher als die Anzahl der aufeinanderfolgenden Phasenstabilitätswerte PS über einer bestimmten Schwelle berechnet wird. Ein Schaden des schwingungserregten Bauteils wird durch einen Anstieg des Zählers ZPS auf einen oder über einen bestimmten Wert detektiert. Überschreitet der Zähler ZPS beispielsweise 10, so wird dies als Schaden des schwingungserregten Bauteils gewertet.
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Das Verfahren eignet sich nicht nur zur Überwachung von Wälzlagern und/oder verzahnten Bauteilen, insbesondere in Getrieben, sondern auch zur Überwachung sonstiger rotierende Bauteile, welche beim Betrieb einer Maschine, sei es durch Einflüsse aus der Maschine selbst und/oder durch externe mechanische Einflüsse, zu Schwingungen angeregt werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 ein an einem schwingungserregten Bauteil in einer Maschine detektiertes Rohsignal,
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2 ein aus dem Signal nach 1 generiertes Hüllkurvensignal,
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3 ein Hüllkurvenspektrum des Signals nach 2,
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4 Phasen des Hüllkurvensignals,
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5 die Stabilität der Phasenverteilung.
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Das Ausführungsbeispiel geht davon aus, dass an einem Bauteil eines Apparates, beispielsweise an einer Wälzlagerung in einem Getriebe, mittels eines Körperschallsensors und eines Drehgebersensors eine Schwingung detektiert wird.
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Die 1 zeigt das an dem schwingungserregten Bauteil detektierte Rohsignal RS, welches im Wesentlichen eine Summe aus zwei Sinussignalen und weißem Rauschen darstellt. Hierbei ist eine Trägerfrequenz von 135 Hz und eine Modulationsfrequenz von 5 Hz erkennbar. Die Trägerfrequenz entspricht der Resonanz des schwingungserregten Bauteils im bestimmungsgemäßen Betrieb. Dagegen ist die Modulationsfrequenz von 5 Hz, welche ebenfalls mit dem Körperschallsensor aufgenommen wird, auf einen Schaden am schwingungserregten Bauteil zurückzuführen. Das auf den Schaden zurückzuführende Signal hat die Form eines Stoßsignals. Dies wird noch deutlicher im Hüllkurvensignal HSi nach 2, welches durch eine Hilbert-Transformation aus dem Rohsignal nach 1 gewonnen wird.
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Die 3, in welcher die Bezeichnung HSp für Hüllkurvenspektrum steht, zeigt die Phasenverteilung der dritten Harmonischen der Modulationsfrequenz, wobei deutliche Peaks bei 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, und so weiter erkennbar sind.
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Modulationsfrequenzkomponenten im Hüllkurvenspektrum bleiben, solange kein Schaden vorhanden ist, hinsichtlich deren Phasen unverändert im Laufe der Zeit. Die Phasen verteilen sich in der Regel dank des Geräusches statistisch gleichmäßig im Bereich von –π bis +π. Diese Situation entspricht der Situation nach 4 bis in den Bereich bei etwa 300–400 Messungen. Anschließend ist eine rasche Konvergenz des Phasensignals PHS auf einen bestimmten, festen Wert feststellbar, was mit dem Auftauchen eines Schadens am schwingungserregten Bauteil einhergeht.
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Noch deutlicher wird dieser Zusammenhang anhand von 5, welche die Abhängigkeit des Phasenstabilitätswertes PS von der Anzahl n der Messungen zeigt. Insgesamt sind hierbei die Ergebnisse von 1000 Messungen dargestellt. Die Konvergenz auf einen bestimmten Wert, wie in 4 erkennbar, wobei PHS für Phasen des Hüllkurvensignals steht, ist gleichbedeutend mit einem annähernd sprunghaften Anstieg des Phasenstabilitätswerts PS, wie er aus 5 hervorgeht.
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Hierbei ist der Phasenstabilitätswert PS definiert als dekadischer Logarithmus des Quotienten 2π/std (10 vorherige Messungen), wobei std für Standardabweichung im Kreis von 2π steht.
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Zusätzlich zum Phasenstabilitätswert PS ist ein Zähler ZPS definiert, welcher als Anzahl der aufeinanderfolgenden Phasenstabilitätswerte PS über einer bestimmten Schwelle berechnet wird. Ein Schaden des schwingungserregten Bauteils wird durch einen Anstieg des Zählers ZPS über einen bestimmten Wert detektiert. Überschreitet beispielsweise der Zähler ZPS den Wert 10, so wird dies als Schaden des schwingungserregten Bauteils gewertet.
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Bezugszeichenliste
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- Am
- Amplitude
- fr
- Frequenz
- HSi
- Hüllsignal
- HSp
- Hüllkurvenspektrum
- K
- Konstante
- m
- Anzahl (an ermittelten Phasenstabilitätswerten)
- ZPS
- Anzahl der aufeinanderfolgenden Phasenstabilitätswerte über einer bestimmten Schwelle
- n
- Anzahl (an Messungen)
- PHS
- Phase des Hüllkurvensignals
- PS
- Phasenstabilitätswert
- RS
- Rohsignal
- S
- Signalstärke
- std
- Standardabweichung
- t
- Zeit
