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Die Erfindung betrifft Signalverarbeitungsverfahren und -vorrichtungen, die geeignet sind, eine Verschlechterung einer rotierenden Komponente zu erkennen.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verarbeitung von Schwingungssignalen, die von solchen rotierenden Komponenten verursacht werden.
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In verschiedenen industriellen Bereichen gewinnen Systemüberwachung und -diagnose aufgrund der zunehmenden Komplexität moderner elektrischer Systeme und ihrer Betriebskosten, die hauptsächlich mit der Wartung zusammenhängen, an Bedeutung.
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Um diese Kosten zu senken, wird die vorausschauende Wartung eingesetzt, um mögliche Ausfälle vorherzusehen und so die Ausfallzeit von Systemen wie rotierenden Maschinen zu verkürzen.
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Die Lager solcher Maschinen sind am anfälligsten für die Entwicklung von Defekten. Daher müssen wir das Auftreten eines Defekts so früh wie möglich erkennen.
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Mit zunehmender Verschlechterung der Lager können Reibungseffekte in den Komponenten des Lagers ein Drehmoment von der rotierenden auf die nicht rotierende Referenz übertragen, was zu Schäden führen kann.
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Da die verschiedenen Arten von Lagerdefekten unterschiedliche Schwingungsprofile erzeugen, basieren Diagnosemethoden hauptsächlich auf der Analyse der durch den Defekt im Lager angeregten Schwingungen.
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Die Defekte werden dabei mit Hilfe von Beschleunigungsmessern an festen Standorten in der Nähe des überwachten Lagers erfasst.
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Die Genauigkeit der Erfassung ist jedoch aufgrund des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses der gemessenen Schwingungen nicht zufriedenstellend.
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Außerdem treten Lagerdefekte möglicherweise nicht bei den erwarteten Frequenzen auf.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Genauigkeit der Defekterfassung auf der Grundlage der Analyse von Schwingungssignalen zu verbessern.
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Zu diesem Zweck ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Identifizieren von zumindest einem Defekt einer rotierenden Komponente aus einer Gruppe von vordefinierten Defekten bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst
- - Extrahieren von Frequenzdaten, die sich auf jeden vordefinierten Defekt beziehen, um dessen erste Spektrumsignatur zu bilden;
- - Messen zumindest eines Vibrationssignals, wenn die rotierende Komponente in Betrieb ist, um zumindest zwei zweite Spektren zu erhalten;
- - Filtern jedes zweiten Spektrums auf der Grundlage eines exponentiellen Glättungsalgorithmus, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst:
- - Auswahl von Peaks in jedem zweiten Spektrum gemäß ihrer Prominenz;
- - Setzen ausgewählter Peaks auf null, wenn sie in einer vordefinierten Anzahl von aufeinanderfolgenden zweiten Spektren nicht vorhanden sind, und,
- - die Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass jede erste erzeugte Spektrumsignatur mit den zweiten Spektren übereinstimmt.
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Mit anderen Worten verwendet die Erfindung zunächst zumindest zwei aufeinanderfolgende Schwingungsmessungen oder zerlegt das Schwingungssignal in zumindest zwei Teile, was es ermöglicht, das Rauschen in den beiden zweiten Spektren zu reduzieren.
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Das Rauschen wird dann durch Filtern jedes zweiten Spektrums verringert, indem der Rauschschwellenwert gemäß dem exponentiell gefilterten Wert des Effektivwerts in der aktuellen und der vorherigen Messung angepasst wird.
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Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, werden die zweiten Spektren mit jedem ersten Spektrum, das einen Defekt charakterisiert, verglichen. Je größer die Ähnlichkeit ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Vibrationssignal von diesem Defekt erzeugt wird.
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In einer Ausführungsform umfassen die Frequenzdaten Oberschwingungen und Seitenbänder jedes vordefinierten Defekts.
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Diese Daten werden verwendet, um ein erstes Spektrum zu erzeugen, das einem vordefinierten Defekt zugeordnet ist.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Auswahl der Peaks durch einen integrativen Leaky-Average-Algorithmus.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren eine Auswahl der unbekannten Peaks in jedem zweiten Spektrum auf der Grundlage der wahrscheinlichsten Signatur des ersten Spektrums.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Identifizieren zumindest eines Defekts einer rotierenden Komponente aus einer Gruppe von vordefinierten Defekten, umfassend:
- - ein Erfassungsmittel, das ausgelegt ist, Frequenzdaten zu extrahieren, die sich auf jeden vordefinierten Defekt beziehen;
- - ein Rechenmittel, das dazu ausgelegt ist, eine erste Spektralsignatur aus jeder Gruppe der Frequenzdaten zu bilden;
- - einen Schwingungssensor, der ausgelegt ist, um zumindest ein Schwingungssignal zu messen, wenn die rotierende Komponente in Betrieb ist, um zumindest zwei zweite Spektren zu erhalten;
- - einen Filter, der ausgelegt ist, um jedes zweite Spektrum auf der Grundlage eines exponentiellen Glättungsalgorithmus zu filtern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Folgendes umfasst:
- - ein Verarbeitungsmittel, das ausgelegt ist, um Spitzen in jedem zweiten Spektrum gemäß ihrer Prominenz auszuwählen, ausgewählte Spitzen auf null zu setzen, wenn sie in einer vordefinierten Anzahl von aufeinanderfolgenden zweiten Spektren nicht vorhanden sind, und die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass jede erste erzeugte Spektrumsignatur den zweiten Spektren entspricht.
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In einer Ausführungsform umfassen die Frequenzdaten Oberschwingungen und Seitenbänder jeder vordefinierten Störung.
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In einer Ausführungsform ist das Verarbeitungsmittel ausgelegt, die Spitzenwerte unter Verwendung eines integrativen Leaky-Average-Algorithmus auszuwählen.
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In einer Ausführungsform ist das Verarbeitungsmittel ausgelegt, die unbekannten Spitzen in jedem zweiten Spektrum auf der Grundlage der wahrscheinlichsten ersten Spektrumsignatur auszuwählen.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine integrierte Schaltung, die eine Vorrichtung zum Identifizieren zumindest eines Defekts einer rotierenden Komponente aus einer Gruppe von vordefinierten Defekten, wie oben definiert, umfasst.
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Die Erfindung umfasst auch ein Lager, das einen integrierten Schaltkreis innerhalb seines Gehäuses umfasst, wie oben definiert.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser verstanden, wenn man die detaillierte Beschreibung einer spezifischen Ausführungsform studiert, die als nicht einschränkendes Beispiel gegeben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wird, auf denen:
- 1 schematisch eine Vorrichtung zeigt, die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Defekt einer rotierenden Komponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu identifizieren.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1, die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Defekt einer rotierenden Komponente aus einer Gruppe von vordefinierten Defekten zu identifizieren.
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Unter den rotierenden Komponenten sind Lager am anfälligsten für Defekte und müssen daher so früh wie möglich erkannt werden, um Schäden zu vermeiden.
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Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung 1 ein Erfassungsmittel 2, das darauf ausgelegt ist, aus einer Datenbank Frequenzdaten zu extrahieren, die sich auf jeden vordefinierten Defekt beziehen, und sie an ein Rechenmittel 3 zu senden, das ausgelegt ist, eine erste Spektrumsignatur zu bilden.
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Mit anderen Worten, jede erste Spektrumsignatur bezieht sich auf einen bestimmten Defekt.
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Die erste Spektralsignatur ist somit dazu bestimmt, mit einem zweiten Spektrum verglichen zu werden, das durch Verarbeitung eines vom Lager erzeugten Schwingungssignals erstellt wird.
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Je ähnlicher das zweite Spektrum einer ersten Spektralsignatur ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Schwingungssignal von dem Defekt erzeugt wird, der dem ersten Spektrum zugeordnet ist.
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Um diesen Vergleich durchzuführen, umfasst die Vorrichtung 1 einen Schwingungssensor 4, der dazu ausgelegt ist, während des Betriebs des Lagers zumindest ein Schwingungssignal zu messen, um zumindest zwei zweite Spektren zu erhalten und so die Erkennbarkeit eines Defekts zu erhöhen.
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Insbesondere wird das Schwingungssignal in zumindest zwei Teile aufgeteilt, wobei jeder Teil zum Erzeugen eines zweiten Spektrums verwendet wird.
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Alternativ führt der Schwingungssensor 4 zwei Schwingungssignalmessungen durch, wobei jedes Signal zum Erzeugen eines zweiten Spektrums verwendet wird.
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Um das Rauschen jedes zweiten Spektrums zu reduzieren und die Erkennbarkeit eines Defekts zu erhöhen, umfasst die Vorrichtung 1 einen Filter 5, der ausgelegt ist, jedes zweite Spektrum auf der Grundlage eines exponentiellen Glättungsalgorithmus zu filtern.
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Als exponentieller Glättungsalgorithmus kann zum Beispiel die einfache exponentielle Glättung oder die doppelte exponentielle Glättung, auch bekannt als exponentielle Glättung zweiter Ordnung, verwendet werden.
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Die doppelte exponentielle Glättung kann z. B. mit der Holt-Winters- oder Brown-Methode durchgeführt werden.
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Die gefilterten zweiten Spektren werden dann an ein Verarbeitungsmittel 6 weitergeleitet, das darauf ausgelegt ist, in jedem zweiten Spektrum Spitzenwerte gemäß ihrer Prominenz auszuwählen, indem ein integrativer Leaky-Average-Algorithmus verarbeitet wird.
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Die Prominenz eines Peaks misst insbesondere, wie stark sich ein Peak von der umgebenden Basislinie des Spektrums abhebt, und ist definiert als der vertikale Abstand zwischen dem Peak und seiner untersten Konturlinie.
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Um zufällige Peaks unter den ausgewählten Peaks zu unterdrücken, ist das Verarbeitungsmittel 6 auch dazu ausgelegt, ausgewählte Peaks auf null zu setzen, wenn sie in einer vordefinierten Anzahl von aufeinander folgenden zweiten Spektren nicht vorhanden sind.
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Die Auswahl der vordefinierten Anzahl wird gemäß der Anzahl der genannten zweiten Spektren hergestellt.
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Wenn es beispielsweise nur zwei zweite Spektren gibt, ist die vordefinierte Anzahl gleich zwei.
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In diesem Fall sucht das Verarbeitungsmittel 6 in beiden zweiten Spektren nach ausgewählten Peaks.
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In einem anderen Beispiel, wenn es sieben zweite Spektren gibt, kann die vordefinierte Anzahl zwischen vier und sieben aufeinanderfolgenden Spektren umfassen.
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Die Menge der zweiten Spektren wird dann von dem Verarbeitungsmittel 6 mit jedem ersten Spektrum verglichen, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass das Vibrationssignal von dem Defekt erzeugt wird, der dem ersten Spektrum zugeordnet ist.
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Mit „Wahrscheinlichkeit“ ist die Qualität der Klassifizierung gemeint, die von 0 für eine völlig falsche Klassifizierung bis 1 für eine perfekte Klassifizierung des zu erkennenden Defekts aus der Gruppe der vordefinierten Defekte reicht.
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Insbesondere identifiziert das Verarbeitungsmittel 6 die Harmonischen und Frequenzbänder des ersten Spektrums und des zweiten Spektrums, um zu prüfen, ob sie sich überschneiden.
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Je mehr sich die Frequenzdaten überschneiden, desto wahrscheinlicher ist es, dass der Defekt mit dem ersten Spektrum zusammenhängt.
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Die Wahrscheinlichkeiten können dann als Daten über ein Kabel oder ein Fernkabel an einen Computer gesendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 1 innerhalb der Komponente implementiert werden und die Wahrscheinlichkeiten drahtlos an einen Computer übertragen.
