DE102022115296B3 - Verfahren zur Detektion eines Lagerschadens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Lagerschadens mit einem Beschleunigungssensor, der kontinuierlich einen Beschleunigungswert a erfasst. Im Beschleunigungssensor wird kontinuierlich pro Zeitintervall I der Spitzenwert der Beschleunigung a-Peak, der Effektivwert der Beschleunigung a-RMS und den Crest-Wert Crest=a-Peak/a-RMS ermittelt. Erfindungsgemäß wird zusätzlich pro Zeitintervall I ein Lagerschadenswert LSW aus der Summe der drei Werte a-Peak, a-RMS und Crest ermittelt. Als Kriterium für einen Lagerschaden ist ein Grenzwert G für den Lagerschadenswerts LSW vorgegeben. Sobald der Lagerschadenswert LSW den Grenzwert G übersteigt, wird ein Warnsignal ausgegeben

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur frühen Detektion eines Lagerschadens.
• Bei den bisherigen Verfahren zur Detektion von Lagerschäden werden verschieden Kennwerte wie z. B. der Spitzenwert der Beschleunigung a-Peak, der Effektivwert der Beschleunigung a-RMS bzw. der Crest-Wert (Crest=a-Peak/a-RMS) betrachtet.
• Diese Kennwerte werden z. B. alle 500 ms im Sensor berechnet und ausgegeben, die Berechnung kann alternativ auch aus einem Rohbeschleunigungssignal in einer nachgelagerten Software-Umgebung erfolgen.
• Diese Kennwerte sind jedoch keine zuverlässigen Indikatoren, um einen frühen Lagerschaden zu erkennen. Zu Beginn eines Lagerschadens treten am Lager erste kleine Pittings in Form von Materialausbrüchen auf. Beim Überrollen dieser Materialausbrüche entstehen, kurze transiente Signale mit einer hohen Beschleunigung, dabei steigt der Kennwert a-Peak stark an, wohingegen der Wert a-RMS in dieser Phase noch relativ niedrig bleibt.
• Diese frühe Phase eines Lagerschadens kann durch eine zusätzliche Betrachtung des Crest Faktors, der in dieser Phase sein Maximum aufweist, besser erkannt werden. Mit dem Fortschreiten des Lagerschadens werden die Pittings jedoch ausgeprägter und die Häufigkeit der transienten Signale steigt an, wodurch der Effektivwert der Beschleunigung (a-RMS) ebenfalls ansteigt.
• Hier ist ein wesentlicher Nachteil bei der konventionellen Betrachtung des Crest-Faktors zu erkennen, nach dieser Anfangsphase des Lagerschadens sinkt der Crest Faktor wieder ab. Grund sind die zunehmenden Werte von a-Peak und a-RMS, dadurch nimmt das Verhältnis (=Crest) wieder ab.
• Der konventionelle Crest-Faktor ist somit nur ein kurzzeitig auftretender Indikator für einen beginnenden Lagerschaden.
• Aus den Druckschriften DE 10 2019 127 211 A1 , CH 717054 A2 sowie US 2015 / 0 233 792 A1 sind verschiedene Verfahren zur Analyse und Diagnose von Maschinenschwingungen bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Detektion eines Lagerschadens anzugeben, das eine zuverlässigere Detektion eines Lagerschadens ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Die wesentliche Idee der Erfindung ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Lagerschadenswert LSW anzugeben, der einen zuverlässigeren Indikator für einen Lagerschaden darstellt.
• Wohingegen der neue Lagerschadenswert LSW, gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Crest-Wert, eine stetige Steigung gewährleistet. Der neue LSW ist somit ein wesentlich besserer Indikator, um einen frühen Lagerschaden zu erkennen und die zeitliche Entwicklung im Trend zu verfolgen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch:
• 1 zeitlicher Verlauf eines Lagerschaden anhand verschiedener Kennwerte
• 2 Wälzlager mit Fehlstelle
• 3 Blockdiagramm eines Beschleunigungssensors
• In 1 ist der zeitliche Verlauf von mehreren Kennwerten, die mit einem Beschleunigungssensor, der zur Überwachung eines Lagers dient, erfasst wurden, dargestellt. Aufgetragen sind der Spitzenwert der Beschleunigung a-Peak, der Effektivwert der Beschleunigung a-RMS, der Crest-Wert sowie der erfindungsgemäß ermittelte Lagerschadenswert LWS. Der Crest-Wert berechnet sich wie folgt Crest=a-Peak/a-RMS. Diese einzelnen Kennwerte sind gemittelte Werte über jeweils ein gewisses Zeitintervall I typischerweise 500 ms, die im Sensor berechnet und ausgewertet werden.
• Wie bereits erwähnt, tritt ein Lagerschaden nicht plötzlich auf, sondern entwickelt sich über einen längeren Zeitraum.
• Zu Beginn des Lagerschadens treten am Lager als erstes, kleine Pittings in Form von Materialausbrüchen auf. Beim Überrollen des Lagerschadens durch die Wälzkörper des Lagers, entstehen kurze transiente Beschleunigungssignale, dabei steigt der Wert a-Peak stark an, der Wert a-RMS bleibt jedoch relativ niedrig.
• In dieser frühen Phase eines Lagerschadens können durch eine zusätzliche Betrachtung des Crest Faktors, der in dieser Phase ein Maximum aufweist, kleine Pittings besser erkannt werden. Mit dem Fortschreiten des Lagerschadens werden die Pittings jedoch ausgeprägter und die Häufigkeit der transienten Signale steigt an, wodurch der Effektivwert der Beschleunigung (a-RMS) ebenfalls ansteigt.
• Nach dieser Anfangsphase weist der Crest-Faktor ein Maximum auf und sinkt anschließende wieder durch die zunehmenden Werte von a-Peak und a-RMS.
• Erfindungsgemäß wird der Lagerschadenswert LSW wie folgt ermittelt: $$LWS=\frac{a_{Peak}}{a_{RMS}}+a_{Peak}+a_{RMS}$$

  

  Tabelle I

  Kennwerte	Phase 1	Phase 2	Phase 3
  a-Peak	8,0 m/s^2	120 m/s^2	220 m/s^2
  a-RMS	3,0 m/s^2	8 m/s^2	75 m/s^2
  Crest	2,6	10,9	2,9

• Wie aus der Tabelle I ersichtlich ist der Crest-Faktor nur in der frühen Phase (Phase 2) eines beginnenden Lagerschadens ein guter Indikator. Jedoch kann nicht zwischen einer „frühen Phase“ und einem weit vorangeschrittenen Lagerschaden unterschieden werden. Tabelle II

  a-Peak	a-RMS	Crest-Factor	LSW
  2 m/s2	2 m/s2	1	5
  3 m/s2	2 m/s2	1,5	6,5
  4 m/s2	2 m/s2	2	8
  5 m/s2	2 m/s2	2,5	9,5
  6 m/s2	2 m/s2	3	11
  7 m/s2	2 m/s2	3,5	12,5
  8 m/s2	3 m/s2	2,67	13,7
  8 m/s2	4 m/s2	2	14
  8 m/s2	5 m/s2	1,6	14,6
  8 m/s2	6 m/s2	1,33	15,3
  8 m/s2	7 m/s2	1,14	16,1
  8 m/s2	8 m/s2	1	17

• Wie aus der Tabelle II ersichtlich ist der Lagerschadenswert LSW ein besserer und zuverlässigerer Indikator für einen Lagerschadens
• In der frühen Phase eines Lagerschadens kann ein beginnender Lagerschaden durch die Betrachtung des Crest Faktors erkannt werden. Mit Fortschreiten des Lagerschadens werden insbesondere die Pittings ausgeprägter und deren Häufigkeit steigt an, dadurch nimmt auch der Effektivwert der Beschleunigung (a-RMS) zu und der Crest-Faktor nimmt wieder ab.
• Mit dem erfindungsgemäßen Lagerschadenswert LSW ist eine kontinuierliche Überwachung eines Lagerschadens nicht nur in der Frühphase, sondern über die ganze Entwicklungszeit eines Lagerschadens möglich, weil der LSW-Wert kontinuierlich ansteigt. Der erfindungsgemäße LSW-Wert ist somit ein wesentlich besserer Indikator, um einen frühen Lagerschaden zu erkennen und die zeitliche Entwicklung des Lagerschadens im Trend verfolgen zu können.
• 2 zeigt ein Wälzlager mit einer Fehlstelle F.
• 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors z. B. VVB ifm electronic gmbh mit folgenden Komponenten:
• MEMS: Ausgabe eines rohen Beschleunigungssignal (hohe Samplefrequenz)
• Microcontroller: Kontinuierliche Berechnung von Kennwerten (a-RMS, a-Peak, v-RMS, Crest, LSW) aus den rohen Beschleunigungssignalwerten
• EEPROM: Speicherung der internen Firmware des Gerätes
• Device Transceiver: Umwandlung der internen Signale in ein digital lesbares Format z.B. IO-Link, CANopen,...
• Der Beschleunigungssensor ist über eine Schnittstelle mit einem IO-link-Master verbunden, der zur Integration in eine Steuerung oder beliebiges IT-System dient.

Claims (1)

1. Verfahren zur Detektion eines Lagerschadens mit einem Beschleunigungssensor, der kontinuierlich einen Beschleunigungswert a erfasst, wobei kontinuierlich pro Zeitintervall I der Spitzenwert der Beschleunigung a-Peak, der Effektivwert der Beschleunigung a-RMS und der Crest-Wert Crest=a-Peak/a-RMS bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich pro Zeitintervall I ein Lagerschadenswert LSW aus der Summe der drei Werte a-Peak, a-RMS und Crest ermittelt wird und als Kriterium für einen Lagerschaden ein Grenzwert G für den Lagerschadenswert LSW vorgegeben ist, wobei ein Warnsignal generiert wird, sobald der Lagerschadenswert LSW den Grenzwert G übersteigt.

Images