DE102019127085A1

DE102019127085A1 - Lager- und fehlerfrequenzidentifikation anhand von vibrationsspektraldiagrammen

Info

Publication number: DE102019127085A1
Application number: DE102019127085.5A
Authority: DE
Inventors: Anthony J. Hayzen
Original assignee: Computational Systems Inc
Current assignee: Computational Systems Inc
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: US11506569B2; CN111435105B; DE102019127085B4; CN111435105A; US20200225117A1

Abstract

Ein Vibrationsmess- und -analysesystem identifiziert fehlerhafte Lager in einer Maschine auf Basis von Vibrationsspektraldaten. Das System beinhaltet Vibrationssensoren, die an der Maschine befestigt sind und Vibrationssignale erzeugen. Ein Vibrationsdatensammler erzeugt Vibrationsspektraldaten auf Basis der Vibrationssignale. Die Vibrationsspektraldaten umfassen Vibrationsamplituden-versus-frequenzdaten, die Spitzenamplituden bei entsprechenden Spitzenfrequenzen beinhalten. Mindestens einige der Spitzenamplituden sind mit den durch die mehreren fehlerhaften Lager erzeugten Vibrationen verknüpft. Ein Vibrationsanalysecomputer verarbeitet die Vibrationsspektraldaten, um (1) die größten Spitzenamplituden zu lokalisieren, (2) in einer Lagerfehlerfrequenzbibliothek zu suchen, um eine Liste von identifizierten Lagern mit Lagerfehlerfrequenzen zu identifizieren, die mit den Spitzenfrequenzen der größten Spitzenamplituden übereinstimmen, (3) eine normalisierte Genauigkeitsabweichung für jedes der identifizierten Lager zu bestimmen und (4) aus der Liste eines der identifizierten Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung auszuwählen.

Description

GEBIET
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Maschinenvibrationsdatenanalyse. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein System zum Analysieren von Maschinenvibrationsspektren für die vorbeugende Wartung, um zu bestimmen, ob ein Lagerfehler vorliegt, und wenn ja, Bestimmen des Typs des Fehlers.
HINTERGRUND
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet ein typisches Wälzelementlager einen Außenring, einen Innenring, eine Käfigregion, die zwischen dem Innen- und dem Außenring angeordnet ist, und Wälzelemente (Kugeln), die im Käfig angeordnet sind. Derartige Wälzelementlager weisen spezifische Lagerfehlermodi auf, die in Vibrationsspektraldaten beobachtet werden können. Vibrationsspektralspitzenfrequenzen, die mit Lagerdefekten verknüpft sind, unterscheiden sich deutlich von einigen anderen Vibrationsfrequenzen, die in einem Frequenzspektrum von Maschinenvibrationen vorhanden sind, da es sich bei Lagerfrequenzen um Defektfrequenzen handelt. Jede Defektfrequenz betrifft eine spezielle Komponente des Lagers. Wenn etwa die Defektfrequenz Außenringkugelpassierfrequenz (BPFO) im Spektrum erscheint, liegt ein Fehler im Außenring des Lagers vor. Wenn sich die Kugelumlauffrequenz (BSF) im Spektrum zeigt, liegt ein Defekt in einer oder mehreren der Rollen vor. Dies gilt für alle Defektfrequenzen außer der fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) oder Käfigfrequenz, die sich aus anderen Gründen als einem Defekt im Käfig selbst im Frequenzspektrum zeigen kann.
Das Analysieren von Maschinenvibrationsspektren für die vorbeugende Wartung, um zu bestimmen, ob ein Lagerfehler vorliegt und das Bestimmen der Art des Fehlers erfordert Kenntnisse der zugehörigen Fehlerfrequenzen für das Lager, das überwacht wird. Wenn die relevanten Lagereigenschaften dem Analytiker nicht bekannt sind, ist eine präzise Lagerfehlerbestimmung nahezu unmöglich.
Was benötigt wird, ist ein Prozess, der die Lagerfehlerfrequenzen bestimmt, die am besten mit den Spektralspitzen übereinstimmen. Dies würde die Identifikation möglicher Lager, die Fehler aufweisen, ermöglichen. Eine Voraussetzung für diesen Prozess ist die, dass im Vibrationsspektrum tatsächlich Lagerfehlerspektralspitzen vorhanden sind (d. h. dass mindestens ein Einsetzen eines Lagerfehlers vorliegt). Andernfalls ist es schwierig, Lagerfehlerspitzen von allgemeinen Rauschspitzen zu unterscheiden.
KURZDARSTELLUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Identifizieren von Maschinenlagerfehlerfrequenzen auf Basis von gemessenen Maschinenvibrationsspektren und dadurch Identifizieren, welche Lager einer umfangreichen Lagerbibliothek mit den detektierten Fehlerfrequenzen übereinstimmen, bereit.
Nachdem die Lagerfehlerfrequenzen identifiziert wurden, ist es möglich, die Innen-, Außen-, Kugelumlauf- und Käfigintervallbandenergien (für jeden Typ von Energieband über alle Oberschwingungsspitzen summiert) zusätzlich zur typischen nicht synchronen Intervallbandenergie hochzurechnen.
Ein Schlüsselfaktor beim Identifizieren von Lagerfehlerfrequenzen auf Basis von Spitzen in den Vibrationsspektren ist eine sehr genaue Kenntnis von der Rotationsgeschwindigkeit einer Maschine. In vielen Situationen, insbesondere bei einer routenbasierten tragbaren Vibrationsdatensammlung, wird die Rotationsgeschwindigkeit einer Maschine manuell aufgezeichnet und ist daher häufig nicht ausreichend genau. Zum genauen Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit wird ein Rotationsgeschwindigkeitsalgorithmus verwendet.
Die vorstehenden und weitere Erfordernisse werden durch ein Vibrationsmess- und -analysesystem erfüllt, das ein oder mehrere fehlerhafte Lager in einer Maschine auf Basis von Vibrationsspektraldaten identifiziert. Das System beinhaltet einen oder mehrere Vibrationssensoren, einen oder mehrere Vibrationsdatensammler und einen Vibrationsanalysecomputer. Die Vibrationssensoren sind an der Maschine befestigt und erzeugen auf Basis von Vibrationen der Maschine Vibrationssignale. Der eine oder die mehreren Vibrationsdatensammler beinhalten eine Analog-Digital-Wandlerschaltung und eine Verarbeitungsschaltung, die Vibrationsspektraldaten auf Basis der Vibrationssignale erzeugt. Die Vibrationsspektraldaten umfassen Vibrationsamplituden-versus-frequenzdaten, die mehrere Spitzenamplituden bei entsprechenden Spitzenfrequenzen beinhalten. Mindestens einige der Spitzenamplituden sind mit den durch das eine oder die mehreren fehlerhaften Lager erzeugten Vibrationen verknüpft.
Der Vibrationsanalysecomputer empfängt die Vibrationsspektraldaten und führt Anweisungen zu Folgendem aus:

- Lokalisieren der größten Spitzenamplituden in den Vibrationsspektraldaten;
- Durchführen einer Suche in einer Lagerfehlerfrequenzbibliothek, um eine Liste von identifizierten Lagern zu erzeugen, die Lagerfehlerfrequenzen aufweisen, die innerhalb einer Spektralfrequenztoleranz mit Spitzenfrequenzen der größten Spitzenamplituden übereinstimmen; und
- Bestimmen einer normalisierten Genauigkeitsabweichung für jedes der identifizierten Lager in der Liste und
- Auswählen von einem der identifizierten Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste.

Bei einigen Ausführungsformen führt der Vibrationsanalysecomputer vor der Auswahl des identifizierten Lagers mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung Anweisungen aus, um die Liste der identifizierten Lager auf Basis der normalisierten Genauigkeitsabweichungen zu sortieren.
Bei einigen Ausführungsformen bestimmt der Vibrationsanalysecomputer die normalisierte Genauigkeitsabweichung durch Ausführen von Anweisungen zu Folgendem:

- Bestimmen einer maximalen Spitzenamplitude der größten Amplitudenspitzen;
- Einstellen der Spektralfrequenztoleranz auf einen ausgewählten Wert;
- Einstellen der normalisierten Genauigkeitsabweichung auf einen Anfangswert;
- für jede der größten Amplitudenspitzen und jede Oberschwingung von jeder der Lagerfehlerfrequenzen, die mit den Spitzenfrequenzen der größten Spitzenamplituden übereinstimmen, Verringern der normalisierten Genauigkeitsabweichung vom Anfangswert durch aufeinanderfolgende Berechnungen von $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{f} - F_{p} |},$
wobei Er die normalisierte Genauigkeitsabweichung ist, F_tol die Spektralfrequenztoleranz ist, A_p die Spitzenamplitude ist, A_max die maximale Spitzenamplitude ist, F_f die Lagerfehlerfrequenz oder die Oberschwingung davon ist und F_p die Spitzenfrequenz ist.

Bei einigen Ausführungsformen bestimmt der Vibrationsanalysecomputer die normalisierte Genauigkeitsabweichung für mehrere Lagerfehlerfrequenzwerte, die eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) beinhaltet.
Bei einigen Ausführungsformen weist der ausgewählte Wert der Spektralfrequenztoleranz F_tol mindestens das Doppelte einer Frequenzauflösung der Vibrationsspektraldaten auf.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet der Vibrationsanalysecomputer eine Benutzerschnittstelle und führt Anweisungen aus, um automatisch ein identifiziertes Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste auszuwählen und die Auswahl via die Benutzerschnittstelle zu einem Benutzer zu kommunizieren.
Bei einigen Ausführungsformen führt der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen aus, um die Liste der identifizierten Lager auf der Benutzerschnittstelle anzuzeigen und eine Auswahl eines identifizierten Lagers, die vom Benutzer via die Benutzerschnittstelle eingegeben wird, zu empfangen.
Bei einigen Ausführungsformen führt der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen aus, um für eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) für das identifizierte Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung einen oder mehrere Energiebandskalarwerte über eine Zeitperiode zu erzeugen und hochzurechnen.
Bei einigen Ausführungsformen führt der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen aus, um durch Gruppieren der identifizierten Lager gemäß einer Ähnlichkeit der Lagerfehlerfrequenzen und der Anzahl von Kugeln in den identifizierten Lagern die Liste der identifizierten Lager zu konsolidieren.
Bei einigen Ausführungsformen beinhalten der eine oder die mehreren Vibrationsdatensammler einen tragbaren Vibrationsanalysator oder ein kontinuierliches Onlinevibrationsüberwachungssystem oder beide.
Nach einem anderen Aspekt stellen die Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Identifizieren von einem oder mehreren fehlerhaften Lagern in einer Maschine auf Basis von Vibrationsspektraldaten bereit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(a) Erzeugen von Vibrationssignalen unter Verwendung von einem oder mehreren Vibrationssensoren, die an der Maschine befestigt sind;
(b) Erzeugen von Vibrationsspektraldaten auf Basis der Vibrationssignale, wobei die Vibrationsspektraldaten Vibrationsamplituden-versus-frequenzdaten umfassen, die Spitzenamplituden bei entsprechenden Spitzenfrequenzen beinhalten, wobei mindestens einige der Spitzenamplituden mit Vibrationen verknüpft sind, die von dem einen oder den mehreren fehlerhaften Lagern erzeugt werden;
(c) Lokalisieren der größten Spitzenamplituden in den Vibrationsspektraldaten;
(d) Durchführen einer elektronischen Suche in einer Lagerfehlerfrequenzbibliothek, um eine Liste von identifizierten Lagern zu erzeugen, die jeweils eine Lagerfehlerfrequenz aufweisen, die innerhalb einer Spektralfrequenztoleranz mit einer der Spitzenfrequenzen der größten Spitzenamplituden übereinstimmt;
(e) Bestimmen einer normalisierten Genauigkeitsabweichung für jedes der identifizierten Lager in der Liste und
(f) Auswählen von einem der identifizierten Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste.

Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren nach Schritt (d) und vor Schritt (f) das Sortieren der Liste von identifizierten Lagern auf Basis von deren normalisierten Genauigkeitsabweichungen.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt (e) Folgendes:

(e1) Bestimmen einer maximalen Spitzenamplitude der größten Amplitudenspitzen;
(e2) Einstellen der Spektralfrequenztoleranz auf einen ausgewählten Wert;
(e3) Einstellen der normalisierten Genauigkeitsabweichung auf einen Anfangswert;
(e4) für jede der größten Amplitudenspitzen und jede Oberschwingung von jeder der Lagerfehlerfrequenzen, die mit den Spitzenfrequenzen der größten Spitzenamplituden übereinstimmen, Verringern der normalisierten Genauigkeitsabweichung vom Anfangswert durch aufeinanderfolgende Berechnungen von $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{f} - F_{p} |},$
wobei Er die normalisierte Genauigkeitsabweichung ist, F_tol die Spektralfrequenztoleranz ist, A_p die Spitzenamplitude ist, A_max die maximale Spitzenamplitude ist, F_f die Lagerfehlerfrequenz oder die Oberschwingung davon ist und F_p die Spitzenfrequenz ist.

Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Durchführen von Schritt (e4) für mehrere Lagerfehlerfrequenzwerte, die eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) beinhalten.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt (e2) das Einstellen der Spektralfrequenztoleranz F_tol auf den ausgewählten Wert von mindestens der doppelten Frequenzauflösung der Vibrationsspektraldaten.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt (f) das automatische Auswählen eines identifizierten Lagers mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste und das Kommunizieren der Auswahl via eine Benutzerschnittstelle zu einem Benutzer.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet Schritt (f) das Anzeigen der Liste der identifizierten Lager auf einer Benutzerschnittstelle und das Empfangen einer Auswahl eines identifizierten Lagers, die von einem Benutzer via die Benutzerschnittstelle eingegeben wurde.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren außerdem das Erzeugen und Hochrechnen von einem oder mehreren Energiebandskalarwerten über eine Zeitperiode für eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) für das identifizierte Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Konsolidieren der Liste von identifizierten Lagern durch Gruppieren der identifizierten Lager gemäß einer Ähnlichkeit der Lagerfehlerfrequenzen und der Anzahl von Kugeln in den identifizierten Lagern.
Figurenliste
Andere Ausführungsformen der Erfindung werden durch Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Figuren offensichtlich, wobei Elemente nicht maßstabsgetreu sind, um die Details deutlicher zu zeigen, wobei gleiche Bezugsnummern in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente anzeigen und wobei:

1 eine typische mechanische Auslegung eines Wälzelementlagers darstellt;
2 ein Vibrationsmess- und -analysesystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
die 3-5 einen Prozess zum Analysieren von Vibrationsspektraldaten, um Typen von Lagerfehlern zu bestimmen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellen und
die 6 und 7 Beispiele von Vibrationsspektren mit Oberschwingungsspitzen, die mit einem diagnostizierten Lagerfehler verknüpft sind, wie durch eine Ausführungsform der Erfindung gemessen und analysiert, darstellen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet ein Vibrationsmess- und -analysesystem Vibrationssensoren 16, die an einer Maschine 12 befestigt sind. 3 stellt einen Prozess 100 dar, der unter Verwendung des Systems von 2 zum Sammeln und Analysieren von Vibrationsdaten durchgeführt wird, um Typen von Lagerfehlern in der Maschine 12 zu identifizieren. Die Maschine 12 beinhaltet mindestens eine rotierende Komponente 14, wie etwa eine Welle, die von Lagern B1, B2 und B3 gestützt wird. Die Vibrationssensoren 16 sind an jedem Lagerstandort vorzugsweise in einer vertikalen, einer horizontalen und einer axialen Position an der Maschine 12 platziert. Somit können mit jedem der Lager B1, B2 und B3 drei Sensoren 16 verknüpft sein. Die Vibrationssensoren 16 erzeugen Vibrationssignale, die für die Vibration der Maschine 12 repräsentativ sind, die Vibrationskomponenten beinhalten, die mit den Lagern B1, B2 und B3 verknüpft sind. Die Vibrationssignale werden von einem oder mehreren Vibrationsdatensammlern, wie etwa einem tragbaren Vibrationsanalysator 18 oder einem kontinuierlichen Onlinevibrationsüberwachungssystem 20 (die Schritte 102 und 104), empfangen, konditioniert und in digitale Zeitwellenformdaten umgewandelt. Die Vibrationsdatensammler 18 und 20 beinhalten eine Signalkonditionierungsschaltung und eine Analog-Digital-Wandlerschaltung zum Konditionieren der Vibrationssignale von den Sensoren 16 und darauf basierend Erzeugen der digitalen Zeitwellenformvibrationsdaten.
Bei bevorzugten Ausführungsformen führt der tragbare Vibrationsanalysator 18 oder das kontinuierliche Onlinevibrationsüberwachungssystem 20 eine schnelle FourierTransformation (FFT) an den Zeitwellenformvibrationsdaten durch, um Vibrationsspektraldaten zu erzeugen. Die Zeitwellenformvibrationsdaten und die Vibrationsspektraldaten werden vorzugsweise in einer Vibrationsdatenbank 22 gespeichert, in der die Daten zur Analyse durch Softwareroutinen, die auf einem Vibrationsanalysecomputer 24 durchgeführt werden (Schritt 106), verfügbar sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet das System 10 eine Benutzerschnittstelle 28, wie etwa einen Touchscreen, die es einem Benutzer erlaubt, Messergebnisse anzuzeigen, bestimmte Messparameter auszuwählen und andere Eingaben bereitzustellen, wie hier beschrieben.
Eine wichtige Eigenschaft des Vibrationsspektrums ist die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Komponente 14 der Maschine 12, die überwacht wird, da Lagerfehlerfrequenzen auf die Rotationsgeschwindigkeit bezogen sind. In vielen Situationen wird die Rotationsgeschwindigkeit nicht sehr genau aufgezeichnet, ein Problem, das sich oft bei Verwendung von tragbaren Vibrationsanalysatoren ergibt. Zur genauen Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit kann ein Rotationsgeschwindigkeitsalgorithmus verwendet werden (Schritt 108), wie etwa in der US-Patentanmeldung Seriennummer 15/946,403 mit dem Titel „Bestimmung der Drehzahl anhand von Vibrationsspektraldiagrammen“, die hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Im Allgemeinen ist das Bestimmen der Frequenz von Amplitudenspitzen im Vibrationsspektrum nur so genau wie die Auflösung des Spektrums. Die Auflösung kann unter Verwendung eines Spitzenlokalisierungsprozesses, der benachbarte Punkte berücksichtigt, verbessert werden, um Amplitudenspitzen und deren zugehörige Frequenzen genauer zu ermitteln (Schritt 110). Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die größten M Anzahl von Spitzen vom Algorithmus verwendet. Beispielsweise kann M fünfzig (50) sein.
Es versteht sich, dass, auch wenn der oben beschriebene Rotationsgeschwindigkeitsalgorithmus verwendet wird, bei Maschinen mit variablen Geschwindigkeiten eine geringe Ungenauigkeit gegeben sein kann, wenn die Geschwindigkeit der Maschine während der Erfassung der Vibrationszeitwellenform, aus der das Spektrum abgeleitet wird, geringfügig variiert. Diese geringfügige Geschwindigkeitsvariation kann durch Einstellen der Frequenztoleranz (F_tol) auf ein geeignetes Niveau (Schritt 112) teilweise kompensiert werden; F_tol wird typischerweise auf das Doppelte der Frequenzauflösung des FFT-Spektrums eingestellt, derart, dass kleine Variationen bei der Platzierung der Lagerfehlerfrequenzspitzen nicht übergangen werden. F_tol kann, soweit erforderlich, vom Benutzer angepasst werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird im nächsten Schritt die maximale Spitzenamplitude A_max im Spektrum (Schritt 114) bestimmt.
Für jede der in Schritt 110 lokalisierten Amplitudenspitzen wird eine Suche in der Lagerfehlerfrequenzbibliothek durchgeführt (die Schritte 116, 118 und 120), um Lager zu identifizieren, die Fehlerfrequenzen aufweisen, die mit den Frequenzen der M Anzahl von Spitzen, die in Schritt 110 lokalisiert wurden, übereinstimmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lagerfehlerfrequenzbibliothek eine Datenbank mit ungefähr 100.000 Lagern und deren zugehörigen Fehlerfrequenzen. Diese Fehlerfrequenzen beinhalten vorzugsweise die Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), die Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), die Kugelumlauffrequenz (BSF) und die fundamentale Bahnfrequenz (FTF). Der Fachmann versteht, dass die Identifikation von Lagern mit übereinstimmenden Fehlerfrequenzen nur möglich ist, wenn das Spektrum Spitzen enthält, die mindestens mit dem Einsetzen eines Lagerfehlers verknüpft sind.
Nachdem die Lager identifiziert wurden, werden sie gemäß der höchsten Wahrscheinlichkeit, dass sie einen Fehler aufweisen, sortiert (Schritt 122). Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Lager durch Summieren eines normalisierten Genauigkeitswerts Er für jeden Typ von Lagerfehler und dann Sortieren in aufsteigender Reihenfolge (d. h. kleinste Abweichung zuerst) sortiert. Dadurch werden die Lager mit den wahrscheinlichsten zuerst aufgelistet. Die Bestimmung des normalisierten Genauigkeitswerts Er wird im Folgenden ausführlicher erörtert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wählt das System 10 dann entweder automatisch das am wahrscheinlichsten fehlerhafte Lager oder präsentiert eine Liste der am wahrscheinlichsten fehlerhaften Lager auf der Benutzerschnittstelle 28, auf der der Benutzer eine Auswahl vornehmen kann (Schritt 124). Durch Spezifizieren des speziellen Lagers oder Begrenzen der Liste von Lagern, aus der der Benutzer auswählt, stellt das System 10 einen wesentlichen Vorteil auf dem Gebiet der Maschinenwartung bereit. Ohne diese Auswahlinformationen, die vom System 10 bereitgestellt werden, müsste ein Vibrationsanalytiker das fehlerhafte Lager aus tausenden in der Lagerfehlerbibliothek 26 wählen. Wenn das Lager zuvor identifiziert wurde, kann in Schritt 124 bestätigt werden, dass das Lager nicht ausgewechselt wurde.
Da viele Lager dieselben oder sehr ähnliche Fehlerfrequenzen aufweisen, können die wahrscheinlichsten Lager ferner in die wahrscheinlichsten Fehlerfrequenzen konsolidiert werden (Schritt 126). Wenn der Benutzer hinsichtlich der tatsächlichen Lager, die in der überwachten Maschine verwendet werden, unsicher ist, kann der Benutzer den geeignetsten Fehlerfrequenzsatz aus der konsolidierten Liste auswählen, um ihn mit der Maschine zu verknüpfen.
Schließlich werden, wenn der Fehlerfrequenzsatz bekannt ist, die BPFI-, die BPFO-, die BSF- und die FTF-Intervall-„Energie“-Bandskalarmessungen durch Summieren der Energiebandskalarwerte über alle Oberschwingungsspitzen für jeden Bandtyp automatisch abgeleitet und hochgerechnet (Schritt 128). Diese Informationen erlauben es dem Analytiker, das Fortschreiten von Lagerfehlern zu überwachen, ohne notwendigerweise über die Kenntnisse oder die Zeit zum Analysieren jedes einzelnen Spektrums zu verfügen.
Während der Lebensdauer einer Maschine kann ein beschädigtes oder verschlissenes Lager während der Wartung ersetzt werden. Somit wäre es vorteilhaft, den tatsächlichen Lagerfehlerfrequenzsatz immer zu speichern, wenn ein Lager ausgewechselt wird, derart, dass historische Daten neu ausgewertet werden können.
Mit Bezug auf die 2 und 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform zwei Möglichkeiten bereit, in Schritt 118 nach übereinstimmenden Lagerfehlerfrequenzspitzen zu suchen. Der allgemeinste Fall ist der, dass für jedes der Lager in der Lagerfehlerfrequenzbibliothek alle lokalisierten Spitzen in den Spektren nach Übereinstimmungen mit den BPFI-, den BPFO-, den BSF- und den FTF-Fehlerfrequenzen durchsucht werden (die Schritte 118a und 118b). Ein fokussierterer Ansatz ist der, dass der Analytiker eine spezielle Spektralspitze von Interesse auswählt, wie etwa eine BPFI-, eine BPFO- oder eine BSF-Spitze, und dann die Lagerfehlerfrequenzbibliothek nur nach Übereinstimmungen mit der speziellen Spitze durchsucht (d. h. die Spitzenliste enthält nur die ausgewählte Spitze) (die Schritte 118a und 118c). Dies ergibt typischerweise eine wesentlich kürzere Liste von potenziellen Lagerübereinstimmungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wählt der Benutzer eine spezielle Spitze im grafischen Spektrum aus, das auf der Benutzerschnittstelle 28 angezeigt wird, indem er auf die Spitze klickt oder einen Cursor auf die Spitze richtet und dann einen rechten Mausklick verwendet, um ein Aufklappmenü mit Optionen anzuzeigen, von denen eine das Suchen in der Lagerfehlerfrequenzbibliothek 26 nach Übereinstimmungen nur mit der speziellen Spitze ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Lagerfehlerfrequenzauswertungsprozesses ist in 4 dargestellt. Der Prozess involviert das Suchen nach allen Spitzen in der Spitzenliste und das Finden von Lagerfehlerfrequenzen (F_f), die mit der Frequenz der ausgewählten Spitzen (F_P) innerhalb der spezifizierten Spitzenfrequenztoleranz (F_tol) übereinstimmen (Schritt 130). Speziell involviert der Prozess das Finden der Frequenz der nächsten Spektralspitze (F_P) für jede Oberschwingung (N) der Rotationsgeschwindigkeit (Rs) für die Innenring-BPFI-Fehlerfrequenzen (F_f) und deren untere und obere Seitenbänder (F_SL und F_SH), jeweils innerhalb der ausgewählten Frequenztoleranz (F_tol), wo $F_{f} = N \times R_{S} \times B P F I$
$F_{S L} = F_{f} - R_{S}$
$F_{S H} = F_{f} + R_{S}$
Die Frequenztoleranz (F_rol) wird typischerweise auf das Doppelte der Spektralbinbreite eingestellt, könnte aber größer eingestellt werden, wenn bei den Lagerfehlerfrequenzspitzen aufgrund von Lagerverschleiß eine gewisse Variation vorliegt.
Für die Lager, für die eine Übereinstimmung gefunden wird, wird eine normalisierte Genauigkeitsabweichung Er berechnet (Schritt 132). Die Abweichung Er wird von einem willkürlichen Anfangswert von 100 durch Multiplizieren der Spektralfrequenztoleranz F_tol (d. h. Anzahl der Spektralbins, in denen die nächste Spitze zu finden ist) mit der normalisierten Spitzenamplitude A_p/A_max (relative Spitzenbedeutung) und dann Dividieren durch den Absolutwert der Frequenzdifferenz zwischen der Fehlerfrequenzoberschwingung (F_f) und der nächsten gefundenen Spitze (F_P) vom normalisierten Abweichungsalgorithmus schrittweise verringert. Wird beispielsweise eine Spitzenfrequenz F_p für F_f gefunden, dann $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{f} - F_{p} |},$
Wird eine Spitzenfrequenz F_p für F_SL gefunden, dann $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{S L} - F_{p} |} .$
Wird eine Spitzenfrequenz F_p für F_SH gefunden, dann $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{S H} - F_{p} |} .$
Dieser Prozess wird dann für jede Oberschwingung von jedem der anderen Typen von Lagerfehlerfrequenzen durchgeführt (die Schritte 134 und 136 für BPFO, die Schritte 138 und 140 für BSF und die Schritte 142 und 144 für FTF). Wenn der Analytiker einen speziellen Typ von Fehler zur Überprüfung genommen hat, wird nur dieser Lagerfehlertyp ausgewertet. Die Gesamtabweichung E_r wird für jedes Lager gespeichert, für das eine Übereinstimmung gefunden wird (Schritt 146).
Beispiele
Der obere Abschnitt von 6 stellt die Spektren und die zugehörigen BPFO-, BPFI- und BSF-Oberschwingungsspitzen für ein bekanntes Lager mit einem diagnostizierten Lagerfehler dar. Im unteren Abschnitt von 6 stellt das Übereinstimmungstrenddiagramm die Trends der Innen-, Außen-, Kugelumlauf- und Käfigintervallband-„Energien“ über die ungefähr sechs Jahre des Betriebs der Maschine dar. Die Trends zeigen deutlich an, dass während der angezeigten Zeitspanne im sechsten Jahr ein Lagerfehler aufgetreten ist.
Der obere Abschnitt von 7 stellt die Spektren und die zugehörigen BPFO-, BPFI- und BSF-Oberschwingungsspitzen für das Lager dar, dessen Fehlerfrequenzen die größte Übereinstimmung mit den Spektralspitzen aufweist. Bei diesem Beispiel werden 1669 Lager mit Fehlerfrequenzen innerhalb von 0,001 voneinander und mit derselben Anzahl von Kugeln gefunden. Das Übereinstimmungstrenddiagramm im unteren Abschnitt von 7 stellt das Übereinstimmungstrenddiagramm der Trends der Innen-, Außen-, Kugelumlauf- und Käfigintervallband-„Energien“ über eine Periode von sechs Jahren des Betriebs der Maschine dar. Erneut zeigen die Trends deutlich an, dass während der angezeigten Zeitspanne im sechsten Jahr ein Lagerfehler aufgetreten ist.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen für diese Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzise beschriebene Form beschränken. Offensichtliche Modifikationen und Variationen sind im Licht der vorstehenden Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden in einem Bestreben gewählt und beschrieben, die besten Veranschaulichungen der Prinzipien der Erfindung und von deren praktischer Anwendung bereitzustellen und es dadurch dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen und mit unterschiedlichen Modifikationen, die für die in Betracht gezogene spezielle Verwendung geeignet sind, zu nutzen. Alle derartigen Modifikationen und Variationen liegen im Schutzumfang der Erfindung, der durch die angehängten Ansprüche bestimmt wird, wenn sie gemäß der Breite, interpretiert werden, auf die sie fairer-, rechtmäßiger- und gerechterweise Anspruch haben.

Claims

Vibrationsmess- und -analysesystem zum Identifizieren von einem oder mehreren fehlerhaften Lagern in einer Maschine auf Basis von Vibrationsspektraldaten, wobei die Maschine rotierende Komponenten beinhaltet, die mit einer Rotationsgeschwindigkeit rotieren, wobei das Vibrationsmess- und -analysesystem Folgendes umfasst: einen oder mehrere Vibrationssensoren, die an der Maschine befestigt sind und auf Basis von Vibrationen der Maschine Vibrationssignale erzeugen; einen oder mehrere Vibrationsdatensammler in elektrischer Kommunikation mit dem einen oder den mehreren Vibrationssensoren, wobei der eine oder die mehreren Vibrationsdatensammler eine Analog-Digital-Wandlerschaltung und eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die Vibrationsspektraldaten auf Basis der Vibrationssignale erzeugt, wobei die Vibrationsspektraldaten Vibrationsamplituden-versus-frequenzdaten umfassen, die eine Vielzahl von Spitzenamplituden bei entsprechenden Spitzenfrequenzen beinhalten, wobei mindestens einige der Spitzenamplituden mit Vibrationen verknüpft sind, die von dem einen oder den mehreren fehlerhaften Lagern erzeugt werden; einen Vibrationsanalysecomputer, der die von dem einen oder den mehreren Vibrationsdatensammlern erzeugten Vibrationsspektraldaten empfängt, wobei der Vibrationsanalysecomputer betreibbar ist, Anweisungen zu Folgendem auszuführen: - Lokalisieren einer Vielzahl von größten Spitzenamplituden in den Vibrationsspektraldaten; - Durchführen einer Suche in einer Lagerfehlerfrequenzbibliothek, um eine Liste von identifizierten Lagern zu erzeugen, die Lagerfehlerfrequenzen aufweisen, die innerhalb einer Spektralfrequenztoleranz mit Spitzenfrequenzen der Vielzahl von größten Spitzenamplituden übereinstimmen; - Bestimmen einer normalisierten Genauigkeitsabweichung für jedes der identifizierten Lager in der Liste und - Auswählen von einem der identifizierten Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer vor der Auswahl von einem der identifizierten Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung Anweisungen ausführt, um die Liste der identifizierten Lager auf Basis der normalisierten Genauigkeitsabweichungen zu sortieren.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer die normalisierte Genauigkeitsabweichung durch Ausführen von Anweisungen zu Folgendem bestimmt: - Bestimmen einer maximalen Spitzenamplitude der Vielzahl von größten Amplitudenspitzen; - Einstellen der Spektralfrequenztoleranz auf einen ausgewählten Wert; - Einstellen der normalisierten Genauigkeitsabweichung auf einen Anfangswert; - für jede der Vielzahl von größten Amplitudenspitzen und jede Oberschwingung von jeder der Lagerfehlerfrequenzen, die mit den Spitzenfrequenzen der Vielzahl von größten Spitzenamplituden übereinstimmen, Verringern der normalisierten Genauigkeitsabweichung vom Anfangswert durch aufeinanderfolgende Berechnungen von $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{f} - F_{p} |},$
wobei Er die normalisierte Genauigkeitsabweichung ist, F_tol die Spektralfrequenztoleranz ist, A_p die Spitzenamplitude ist, A_max die maximale Spitzenamplitude ist, F_f die Lagerfehlerfrequenz oder die Oberschwingung davon ist und F_p die Spitzenfrequenz ist.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 3, wobei der Vibrationsanalysecomputer die normalisierte Genauigkeitsabweichung für mehrere Lagerfehlerfrequenzwerte bestimmt, die eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) beinhalten.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Wert der Spektralfrequenztoleranz F_tol mindestens das Doppelte einer Frequenzauflösung der Vibrationsspektraldaten aufweist.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer eine Benutzerschnittstelle beinhaltet und der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen ausführt, um automatisch ein identifiziertes Lager mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste auszuwählen und die Auswahl via die Benutzerschnittstelle zu einem Benutzer zu kommunizieren.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer eine Benutzerschnittstelle beinhaltet und der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen ausführt, um die Liste der identifizierten Lager auf der Benutzerschnittstelle anzuzeigen und eine Auswahl eines identifizierten Lagers, die von einem Benutzer via die Benutzerschnittstelle eingegeben wird, zu empfangen.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen ausführt, um durch Summieren von Energie über alle Oberschwingungsspitzen für jeden Typ von Energieband über eine Zeitperiode einen oder mehrere Energiebandskalarwerte zu erzeugen und hochzurechnen, wobei die Energiebandskalarwerte eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) für das identifizierte Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung beinhalten.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der Vibrationsanalysecomputer Anweisungen ausführt, um durch Gruppieren der identifizierten Lager gemäß einer Ähnlichkeit der Lagerfehlerfrequenzen und der Anzahl von Kugeln in den identifizierten Lagern die Liste der identifizierten Lager zu konsolidieren.
Vibrationsmess- und -analysesystem nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Vibrationsdatensammler eines oder beides von einem tragbaren Vibrationsanalysator und einem kontinuierlichen Onlinevibrationsüberwachungssystem beinhalten.
Verfahren zum Identifizieren von einem oder mehreren fehlerhaften Lagern in einer Maschine auf Basis von Vibrationsspektraldaten, wobei die Maschine rotierende Komponenten beinhaltet, die mit einer Rotationsgeschwindigkeit rotieren, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Erzeugen von Vibrationssignalen unter Verwendung von einem oder mehreren Vibrationssensoren, die an der Maschine befestigt sind; (b) Erzeugen von Vibrationsspektraldaten auf Basis der Vibrationssignale, wobei die Vibrationsspektraldaten Vibrationsamplituden-versus-frequenzdaten umfassen, die eine Vielzahl von Spitzenamplituden bei entsprechenden Spitzenfrequenzen beinhalten, wobei mindestens einige der Spitzenamplituden mit Vibrationen verknüpft sind, die von dem einen oder den mehreren fehlerhaften Lagern erzeugt werden; (c) Lokalisieren einer Vielzahl von größten Spitzenamplituden in den Vibrationsspektraldaten; (d) Durchführen einer elektronischen Suche in einer Lagerfehlerfrequenzbibliothek, um eine Liste von identifizierten Lagern zu erzeugen, die jeweils eine Lagerfehlerfrequenz aufweisen, die innerhalb einer Spektralfrequenztoleranz mit einer der Spitzenfrequenzen der Vielzahl von größten Spitzenamplituden übereinstimmt; (e) Bestimmen einer normalisierten Genauigkeitsabweichung für jedes der identifizierten Lager in der Liste und (f) Auswählen von einem der identifizierten Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner nach Schritt (d) und vor Schritt (f) das Sortieren der Liste von identifizierten Lagern auf Basis von deren normalisierten Genauigkeitsabweichungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Schritt (e) Folgendes umfasst: (e1) Bestimmen einer maximalen Spitzenamplitude der Vielzahl von größten Amplitudenspitzen; (e2) Einstellen der Spektralfrequenztoleranz auf einen ausgewählten Wert; (e3) Einstellen der normalisierten Genauigkeitsabweichung auf einen Anfangswert; (e4) für jede der Vielzahl von größten Amplitudenspitzen und jede Oberschwingung von jeder der Lagerfehlerfrequenzen, die mit den Spitzenfrequenzen der Vielzahl von größten Spitzenamplituden übereinstimmen, Verringern der normalisierten Genauigkeitsabweichung vom Anfangswert durch aufeinanderfolgende Berechnungen von $E_{r} = E_{r} - F_{t o l} \times \frac{A_{p} / A_{m a x}}{| F_{f} - F_{p} |},$
wobei Er die normalisierte Genauigkeitsabweichung ist, F_tol die Spektralfrequenztoleranz ist, A_p die Spitzenamplitude ist, A_max die maximale Spitzenamplitude ist, F_f die Lagerfehlerfrequenz oder die Oberschwingung davon ist und F_p die Spitzenfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Durchführen von Schritt (e4) für mehrere Lagerfehlerfrequenzwerte, die eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) beinhalten, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Schritt (e2) das Einstellen der Spektralfrequenztoleranz F_tol auf den ausgewählten Wert von mindestens einer doppelten Frequenzauflösung der Vibrationsspektraldaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Schritt (f) das automatische Auswählen eines identifizierten Lagers mit der kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung aus der Liste und das Kommunizieren der Auswahl via eine Benutzerschnittstelle zu einem Benutzer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Schritt (f) das Anzeigen der Liste der identifizierten Lager auf einer Benutzerschnittstelle und das Empfangen einer Auswahl eines identifizierten Lagers, die von einem Benutzer via die Benutzerschnittstelle eingegeben wurde, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Erzeugen und Hochrechnen von einem oder mehreren Energiebandskalarwerten durch Summieren von Energie über alle Oberschwingungsspitzen für jeden Typ von Energieband über eine Zeitperiode umfasst, wobei die Energiebandskalarwerte eine oder mehrere einer Kugelpassierfrequenz des Innenrings (BPFI), einer Kugelpassierfrequenz des Außenrings (BPFO), einer Kugelumlauffrequenz (BSF) und einer fundamentalen Bahnfrequenz (FTF) für das identifizierte Lager mit einer kleinsten normalisierten Genauigkeitsabweichung beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Konsolidieren der Liste von identifizierten Lagern durch Gruppieren der identifizierten Lager gemäß einer Ähnlichkeit der Lagerfehlerfrequenzen und der Anzahl von Kugeln in den identifizierten Lagern umfasst.