DE112009002248T5

DE112009002248T5 - Synthetisierte synchrone Abtastung und Beschleunigungshüllkurvenbildung für eine Differientiallagerschadensignatur

Info

Publication number: DE112009002248T5
Application number: DE112009002248T
Authority: DE
Inventors: Huageng Luo; George Hanna Ghanime; Hai Qui
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2011-09-29
Also published as: US20100071469A1; GB2475817A; GB2475817B; GB201104376D0; JP2012503208A; JP5492214B2; WO2010033352A1; US7930111B2; CA2736667C; CA2736667A1

Abstract

Ein System zum Erfassen von Differentiallagerschäden enthält einen synthetisierten Drehzahlmesser, der ein Drehzahlmesssignal erzeugt, das der Lagerringdrehzahldifferenz einer Lageranordnung entspricht, so dass die Abhängigkeit von der Lagerschadendrehzahldifferenz eliminiert werden kann und die Schadenmerkmale verbessert werden können. Das System weist ferner eine Beschleunigungshüllkurvenbildung in der Zyklusdomäne auf, um die Schadensignaturen zusätzlich zu verbessern.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein Schwingungssignaturen von Triebwerkslagern, und spezieller ein Verfahren zur Abtastung und Bildung von Beschleunigungshüllkurven, um Differentiallagerschadensignaturen zu verfeinern, die Triebwerksdifferentiallagern zugeordnet sind.
Differentiallager gehören zu den empfindlichsten und einer Überwachung des Betriebszustands am schwierigsten zugänglichen Komponenten eines Triebwerks.
Schwingungssignaturen stellen in Zusammenhang mit regulären Wälzlagersystemen die zuverlässigsten Frühwarndaten bereit. In dieser Hinsicht gibt es die auf einer Beschleunigungshüllkurvenbildung begründete Technik bereits seit vielen Jahren. Die synchrone Abtasttechnik findet ebenfalls weitläufig Anwendung in der Lagersignaturverfeinerung, insbesondere in Anwendungen mit variablen Drehzahlen.
Synchrone Abtastung ist eine Technik, die dazu dient, gleiche Zeitintervalle verwendende Abtastung in gleiche Wellenumfangswinkel verwendende Abtastung umzuwandeln, so dass die Abhängigkeit von der Rotordrehzahl eliminiert wird.
Dies wird gewöhnlich erreicht, indem auf dem Lager ein Geber angebracht wird, der genutzt wird, um den Wellenbetrieb durch Zählen der einen stationären Detektor durchquerenden physikalischen Ereignisse der rotierenden Komponente zu überwachen.
In einem Differentiallagerbetrieb bewegen sich allerdings beide Lagerringe, und die Lagerringdrehzahlen werden während Lagerbetriebszuständen gewöhnlich nicht genau gesteuert. Darüber hinaus ist die Differentiallageranordnung unter anderen mechanischen Komponenten verstaut; und die Lagersignaturen sind zu der Drehzahldifferenz zwischen den Lagerringen proportional. Um die naturgemäß geringen und von der Drehzahldifferenz abhängigen Signaturen zu extrahieren, ist daher ein synchrones Abtasten erforderlich. Geber für die unterschiedlichen Drehzahlen sind aufgrund der sich bewegenden Lagerringe im Falle eines Differentiallagers physikalisch nicht durchführbar.
Es wäre vorteilhaft, eine Abtasttechnik bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile in Zusammenhang mit herkömmlichen Abtasttechniken zur Ermittlung von Differentiallagerschadensignaturen während Lagerbetriebszuständen beseitigt.
KURZBESCHREIBUNG
Im Wesentlichen gehören gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu einem Verfahren zum Erfassen von Differentiallagerschäden die Schritte: Erzeugen mehrerer Drehzahlsignale für innere und äußere rotierende Lagerringe; Synthetisieren eines Drehzahlmessers, der einer Drehzahldifferenz der Innen- und Außenringe entspricht; und synchrones Abtasten von Lagerschwingungsdaten in Reaktion auf das synthetisierte Drehzahldifferenzmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Verfahren zum Verbessern einer Differentiallagerschadensignatur die Schritte auf: Erzeugen mehrerer Drehzahlsignale für jeden Differentiallagerring; Synthetisieren wenigstens eines Drehzahlmesssignals für wenigstens einen Differentiallagerring; und synchrones Abtasten von Schwingungsdaten, die dem Differentiallager zugeordnet sind, mit Blick auf Lagerringdrehzahldifferenzen in Reaktion auf die mehreren Drehzahlsignale und auf das wenigstens eine synthetisierte Drehzahlmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gehören zu einem System zum Erfassen eines Lagerschadens: ein synthetisierter Drehzahlmesser, der dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage von Lagerringgeschwindigkeiten der Lageranordnung ein Drehzahlsignal für eine Lageranordnung zu erzeugen, so dass das Drehzahlsignal dem ungefähren Ort eines fehlenden Drehzahlmesssignals entspricht; und ein Abtastmechanismus, der dazu eingerichtet ist, der Lageranordnung zugeordnete Schwingungsdaten basierend auf dem Drehzahlsignal synchron abzutasten, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lageranordnungsschadensignatur entsprechen.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgendendetaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Differentialkugellageranordnung;
2 veranschaulicht in einem Flussdiagramm eine Beschleunigungshüllkurvenbildung verwendende Signalverarbeitungstechnik, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, zum Verfeinern einer rotierenden Lagerschadensignatur;
3 veranschaulicht in einem Schwingungsverlaufdiagramm eine Umwandlung von zeitlich äquidistant abgetasteten Daten, die mittels eines Drehzahlmessers erzeugt wurden, in räumlich äquidistante Daten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 veranschaulicht in einem Schwingungsverlaufdiagramm synthetisierte Drehzahlmessdaten, die anhand von Drehzahldaten erzeugt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 veranschaulicht in einem Flussdiagramm eine synthetisierte synchrone Abtasttechnik gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 veranschaulicht einen Vergleich eines synchronisierten gemittelten eingehüllten Spektrums mit einem gemittelten FFT-Spektrum und mit einem gemittelten Hüllkurvenspektrum gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 veranschaulicht eine Anordnung von Drehzahlsensoren und eines Beschleunigungsmessers an unterschiedlichen Punkten an einem Flugzeugtriebwerksgehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Während die oben erwähnten Figuren der Zeichnungen abgewandelte Ausführungsbeispiele veranschaulichen, kommen, wie in der Erörterung vermerkt, auch andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Betracht. In sämtlichen Fällen unterbreitet diese Beschreibung veranschaulichte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Darstellung und nicht zur Beschränkung. Dem Fachmann können zahlreiche sonstige Änderungen und Ausführungsbeispiele einfallen, die in den Schutzumfang der Grundzüge dieser Erfindung fallen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1, in der eine aus dem Stand der Technik bekannte Differentialkugellageranordnung 10 dargestellt ist, und 2, die in einem Flussdiagramm aus dem Stand der Technik bekannte, Beschleunigungshüllkurvenbildung verwendende Signalverarbeitungstechnik zum Verfeinern einer rotierenden Lagerschadensignatur veranschaulicht, wird im Folgenden ein Hintergrund von Grundzügen einer Beschleunigungshüllkurvenbildung und einer synchronen Abtastung unterbreitet, um ein besseres Verständnis der Ausführungsbeispiele der Erfindung zu ermöglichen, die weiter unten mit Bezug auf 3–6 beschrieben sind. Wälzlager, d. h. Lager, die Wälzelemente wie Walzen oder Kugeln enthalten, rufen in Abhängigkeit von der Lagergeometrie und der Drehzahl bei speziellen Frequenzen Schwingungsanregungskräfte hervor. Diese Schwingungsfrequenzen werden als Lagertöne bezeichnet. Sämtliche Lager dieser Art bringen gewöhnlich unabhängig von ihrem Zustand ein gewisses Maß an Lagertönen hervor, deren Pegel mit dem Verschleiß des Lagers ansteigt.
Allgemein sind in Zusammenhang mit einem Wälzlager vier Frequenzen vorhanden. Zu diesen gehören:

1) Käfigfrequenz oder Grund-Lauf-Frequenz (im folgenden FTF genannt);
2) Wälzelementefrequenz;
3) Kugelablauffrequenz auf dem inneren Laufpfad; und
4) Kugelablauffrequenz auf dem äußeren Laufpfad.

In vielen industriellen Anwendungen ist der äußere Laufpfad 12 gewöhnlich stationär und der innere Laufpfad 14 rotiert mit der Welle 16. Allerdings können im allgemeinsten Fall sowohl der innere Laufpfad 14 als auch der äußere Laufpfad 12 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Wie in 1 dargestellt, rotiert der äußere Laufpfad 12 mit der Drehzahl N_OR, während der innere Laufpfad 14 mit der Drehzahl N_IR rotiert. An den Berührungspunkten zwischen einem Wälzelement 18 und den Laufpfaden 12, 14 betragen die Geschwindigkeiten
und
wobei D und d die in 1 dargestellten Abmessungen repräsentieren. Unter der Annahme eines einwandfreien Rollenvorgangs zwischen den Wälzelementen 18 und den Laufpfaden 12, 14, beträgt die Geschwindigkeit in der Mitte des Wälzelements 18 oder des Käfigs 20
Daraus berechnet sich die Käfigfrequenz
Die Rotationsfrequenz für das Wälzelement 18 kann in ähnlicher Weise unter der Voraussetzung, dass an der Grenzfläche des Wälzelements (bzw. der Kugel) 18 und dem Außenringberührungspunkt kein Schlupf vorhanden ist, ermittelt werden. An dem Berührungspunkt beträgt die Kugelgeschwindigkeit V ⇀_OR = V ⇀_RE + ω ⇀_Ball × r ⇀, (6) mit V ⇀_OR gleich der Geschwindigkeit des Außenrings 12 an dem Berührungspunkt; V ⇀_RE gleich der Geschwindigkeit des Kugelmittelpunkts; r ⇀ gleich dem Vektor von dem Kugelmittelpunkt bis zu dem Berührungspunkt; und ω ⇀_Ball gleich der absoluten Kugelwinkelgeschwindigkeit. Die Kugelwinkelgeschwindigkeit weist zwei Komponenten auf: die Käfigwinkelgeschwindigkeit ω_FTFk ⇀ und die Wälzelementwinkelgeschwindigkeit ω_REj ⇀ . Unter Beachtung, dass die beiden Komponenten nicht gleichsinnig sind, gilt ω ⇀_Ball = –ω_FTFk ⇀ + ω_REj ⇀ (7) und r ⇀ = d / 2i ⇀. (8)
Eine Substitution der Gl. (7) und (8) und eine Projektion der zwei Seiten auf die tangentiale Richtung ergibt:
oder
Ein Einsetzen von Gl. (5) in (10) ergibt
Für eine Schadenstelle auf einem Wälzelement 18 beträgt die Grundfrequenz 2f_RE, da die Stelle bei jeder vollständigen Rotation des Wälzelements 18 in Bezug auf den Käfig 20 den Innenring 14 bzw. den Außenring 12 jeweils einmal berühren wird. Andererseits wird für eine Schadenstelle auf dem Außenring 12 jedes Wälzelement 18 pro Umdrehung des Käfigs 20 in Bezug auf den Außenring 12 einmal über die Stelle rollen, so dass gilt:
In ähnlicher Weise ergibt sich für eine Schadstelle des Innenrings:
Beschleunigungshüllkurvenbildung oder Demodulation ist eine Signalverarbeitungstechnik, die es einem Analytiker erheblich erleichtert, den Zustand einer rotierenden Ausrüstung zu ermitteln. Kurz ausgedrückt, eliminiert die Hüllkurventechnik Signale niedriger Frequenz und großer Amplitude und erfasst Komponenten niedriger Amplitude und hoher Frequenz, um die Schadensignatur zu verbessern. Die isolierten Defektsignaturen höherer Frequenz werden anschließend mittels Gleichrichtung und Hüllkurvendetektion in die Frequenzdomäne umgewandelt.
2 veranschaulicht in einem Flussdiagramm eine aus dem Stand der Technik bekannte, Beschleunigungshüllkurvenbildung verwendende Signalverarbeitungstechnik 100 zum Verfeinern einer rotierenden Lagerschadensignatur. Wenn ein Defekt in einem Lager entstanden ist, tritt während der Drehungen ein periodischer Stoß auf. Diese Art eines Stoßes regt in dem System eine Breitbandresonanz an, wie sie in den Blöcken 102, 104, 106 dargestellt ist. Allerdings sind die von den Schadstellenstößen stammenden Ansprechpegel gewöhnlich sehr niedrig. Falls der Dynamikbereich niedrig ist, gehen die harmonischen Signale in dem Grundrauschen unter. Sogar im Falle eines hohen Dynamikbereichs klingen die Oberschwingungen immer noch in kurzer Zeit ab und lassen sich nicht erfassen. Der Schlüssel zur Erfassung von Lagerschadstellen basiert darauf, die Lagerdefektharmonischen niedriger Amplitude zu erfassen, ohne die Rotationsschwingungssignale und dem System innewohnenden Grundfrequenzresonanzantworten großer Amplitude einzuschließen. Um dies zu erreichen, werden ”Bandpass”-Filter verwendet, um die Signatur(en) zu isolieren, wie es in Block 108 dargestellt ist. Nachdem die hochfrequente Schadenantwort erfasst ist, durchläuft das Signal eine Gleichrichtereinrichtung wie in Block 110 dargestellt; und die Hüllkurve des Signals wird anhand des gleichgerichteten Signals erfasst, wie in Block 112 dargestellt. Ein Anwenden eines Tiefpassfilterns, wie in Block 114 dargestellt, und von FFT-Techniken, wie in Block 116 dargestellt, auf das Hüllkurvensignal wird die Frequenz(en) und Amplitude(n) aufdecken, die der beschädigten Lagerkomponente eindeutig zugeordnet ist/sind.
Schwingungen treten im Falle rotierender Maschinen bei Vielfachen und ganzzahligen Bruchteilen der Wellendrehzahl auf. Falls die Welle beispielsweise mit 3600 U/min rotiert, was 60 Hz entspricht, können Resonanzen bei Vielfachen dieser Frequenz und gelegentlich bei einem Bruchteil dieser Frequenz beobachtet werden. Diese Vielfachen sind die Harmonischen (oder Oberschwingungen in der Terminologie der Musik). Die allgemeine Beziehung zwischen der Harmonischen ODR, der Wellendrehzahl U/Min (RPM) und der Frequenz f in Hz ist wie folgt:
Der Zweck der Verwendung von Harmonischen anstelle der Frequenz in Hz, basiert darauf, dass die Harmonische mit der Drehzahl der Welle konstant bleibt; die erste Harmonische ist immer bei der Drehzahl der Welle; die zweite Harmonische ist immer bei dem Doppelten der Drehzahl der Welle, usw.
Für Anwendungen rotierender Maschinen ist eine von der Abtastung mit gleichen Zeitinkrementen abweichende Abtasttechnik, z. B. eine Abtastung mit gleichen Rotationsinkrementen, einzusetzen. Die Abtastung mit gleichen Rotationsinkrementen ist als synchrone Abtastung bezeichnet. Die synchrone Abtasttechnik ist sehr nützlich für eine Datenverarbeitung in Zusammenhang mit rotierenden Maschinen, insbesondere für Anwendungen mit sich ändernden Drehzahlen der Welle.
Falls die Fouriertransformation an den synchron abgetasteten Daten durchgeführt wird, ist das Ergebnis ein Satz von Daten in einer Funktion einer Frequenzskala; jedoch wird sie hier in Harmonischeninkrementen und nicht in Hz durchgeführt. Die Harmonischenanalyse lässt sich erreichen, indem eine reguläre FFT durchgeführt wird, und der Frequenzbereich anschließend in eine Harmonischendomäne umgewandelt wird, wobei für Fälle einer konstanten Wellendrehzahl das Wellendrehzahlsignal verwendet wird. Falls die Drehzahl sich über die Länge der FFT ändert, wird die Harmonischendomäneamplitude über einen Bereich von Harmonischen verwischt sein.
Bei der Behandlung von Signalen, die von rotierenden Maschinen stammen, ist eine synchrone Abtastung zwar bevorzugt, sie ist allerdings in der Praxis problematisch. In Zusammenhang mit einigen Datenakquisitionseinrichtungen ist es unmöglich, synchron abzutasten, speziell bei jenen, die A/D-Konverter (ADCs) des Typs σ – δ aufweisen, wo die Abtastung in regelmäßigen Zeitintervallen erfolgen muss.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannten, dass eine Lösung darauf basiert, Signalverarbeitung zu nutzen, um die Daten erneut digital abzutasten. Mit dem passenden Signalverarbeitungsalgorithmus können die Daten anhand der anfänglichen, gleiche Drehzahlzeitinkrementdaten mittels eines einmal pro Umdrehung auftretenden Drehzahlmesssignals von der Welle in äquidistante Winkelinkrementdaten neu aufbereitet werden.
Wenn sich beide Lagerringe bewegen, lässt sich ein einmal pro Umdrehung abzunehmendes Signal physikalisch nicht gewinnen, da die Schadenfrequenzen eine Funktion der Lagerringdrehzahldifferenz sind. Unter Berücksichtigung der oben erwähnten Grundlagen wird nun im Folgenden mit Bezug auf 3–6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine synthetisierte synchrone Abtasttechnik beschrieben, die dazu dient, die gewünschte wirkungsvolle synchrone Abtastung für derartige Anwendungen zu erreichen.
In gleichen Zeitintervallen abgetastete Daten können unter Verwendung eines Drehzahlmessers, wie er in 3 gezeigt ist, ohne weiteres in äquidistente Daten umgewandelt werden. Im Falle eines fehlenden Drehzahlmesssignals, und unter Verwendung einer bekannten Drehzahl-(oder Drehzahldifferenz)-Funktion, kann anhand der Drehzahl-(oder Drehzahldifferenz)-Funktion ein synthetisiertes Drehzahlmesssignal erzeugt werden; und eine räumlich äquidistante Abtastung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels der Schritte 1–5 durchgeführt werden, wie sie nachfolgend mit Bezug auf 4 erörtert sind.

1) Als Erstes, Annehmen des Vorhandenseins eines Drehzahlmesspulses zum Zeitpunkt Null;
2) Nachdem der i-te Drehzahlmesspuls zum Zeitpunkt t₁ lokalisiert ist, Annehmen, dass der (i + 1)-te Drehzahlmesspuls zum Zeitpunkt t₂ lokalisiert ist;
3) Berechnen der mittleren Drehzahl n der Welle von t₁ bis t₂ und Formulieren von: Δt₁ = t₂ – t₁ _und Δt₂ = 60/n
4) Suchen von t₂, so dass |Δt₁ – Δt₂| ein Minimum erreicht, und so dass t₂ anschließend der ungefähre Ort des (i + 1)-ten Drehzahlmesspulses ist; und
5) Durchführen einer synchronen Abtastung in Bezug auf Drehzahldifferenzen, nachdem die Drehzahlmesssignale für jeden Lagerring gewonnen sind.

5 veranschaulicht in einem Flussdiagramm eine synthetisierte synchrone Abtasttechnik gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine synthetisierte synchrone Abtastung wird anhand von Schwingungssensordaten 120 und Drehzahlmesser-(Drehzahl)-Daten 122, 123 durchgeführt. Ein synthetisierter Drehzahlmesser 124 wird in derselben Weise wie oben beschrieben anhand der Drehzahldaten 122, 123 verwirklicht.
Die Schwingungssensordaten 120 werden vorbehandelt und mit einer gewünschten hohen A/D-Abtastrate digitalisiert. Ein Bandpassfilter 126 wird anschließend angewendet, um einen gewöhnlich oberhalb von 10 kHz liegenden interessierenden Frequenzbereich zu isolieren. Eine Hilbert-Transformation 128 wird auf eine Hüllkurvendetektion 129 des isolierten Signals angewendet.
Anschließend wird unter Verwendung der Daten des synthetisierten Drehzahlmessers 124 und der isolierten Signalhüllkurvendaten ein synchrones Abtasten 130 eingesetzt, um die Zeitdomänenhüllkurve in synthetisierte Zyklusdomänedaten umzuwandeln.
Auf die Zyklusdomänedaten wird eine schnelle Fouriertransformation (FFT) angewendet, um die gewünschte Harmonischenanalyse 132 hervorzubringen. Die resultierende Harmonischendomänedaten werden gemittelt, um die Differentiallagerschadensignatur(en) nach Bedarf zusätzlich zu verbessern. Die resultierenden Schadensignaturen 134 werden in der Harmonischendomäne festgelegt.
In einer Anwendung wurde der Außenring eines Differentiallagers mit einer (elektroerosiv erzeugten) EDM-Oberflächenverletzung versehen. Basierend auf Gl. (12) wurde die Frequenz bei der Drehzahlkonfiguration mit 1850 Hz oder 15,835ten Harmonischen der Drehzahldifferenz ermittelt.
Wie in dem oberen Abschnitt von 6 zu sehen, war es ohne den Einsatz der oben beschriebenen Techniken einer synthetisierten synchronen Abtastung und einer Beschleunigungshüllkurvenbildung nahezu unmöglich, anhand des regulären FFT-Spektrums eines Beschleunigungsmesssignals irgendeine Signatur zu identifizieren.
Bei einer regulären Beschleunigungshüllkurvenbildung war ein geringer Höcker bei 1850 Hz, wie er in dem mittleren Abschnitt von 6 zu sehen ist, mittels regulärer Beschleunigungshüllkurvenbildungstechniken kaum zu erkennen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beide Lagerringgeschwindigkeiten nicht genau gesteuert sind. Ein geringes Driften der Lagerringdrehzahlen verstärkte die Abweichung bei der Lagersignaturfrequenz. Im Ergebnis wurde die Lagersignatur in der Nähe von 1850 Hz verwischt.
Die Schadensignatur wurde auf einer graphischen Anzeigeeinrichtung, beispielsweise, ohne darauf beschränken zu wollen, einem CRT eines Flachpaneeldisplays, lediglich dann wesentlich verbessert, wie in dem unteren Abschnitt von 6 zu sehen, wenn synthetisierte synchrone Abtasttechniken gemäß der hierin beschriebenen Grundzüge verwendet wurden, wobei die Schadensignatur bei genau der 14,835ten Harmonischen angeordnet ist.
Die oben beschriebenen Grundzüge sind für Anwendungen, beispielsweise, ohne darauf beschränken zu wollen, Flugzeugtriebwerksdifferentiallageranwendungen geeignet, bei denen das Triebwerk eine Hochdruckwelle und eine Niederdruckwelle enthält, wo sowohl der Innenring als auch der Außenring rotieren. Die oben beschriebenen Grundzüge sind auch für Windturbinenanwendungen geeignet, die umfangreiche Zahnradanordnungen verwenden und die Vielfache von Oberschwingungen der interessierenden Grundfrequenz erzeugen können.
Die im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispiele können vorteilhafterweise unter Verwendung einer oder mehrerer Breitbandsensoren verwirklicht werden, die auf einem Flugzeugtriebwerksgehäuse von dem interessierenden Lager weit entfernt angeordnet sind, um eine Umgebung mit einem außerordentlich niedrigen Signal/Rausch-Verhältnis bereitstellen. 7 veranschaulicht eine Anordnung von Drehzahlsensoren 152, 154 und eines Beschleunigungsmessers 156 an unterschiedlichen Punkten auf einem Flugzeugtriebwerksgehäuse 150, die geeignet ist, um eine praktikable Lösung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzusehen.
Die oben beschriebenen Grundzüge schaffen außerdem vorteilhafterweise eine Technik zur Durchführung einer synchronisierten Abtastung in der Zeitdomäne und einer Mittelwertbildung in der Frequenz-(Harmonischen)-Domäne, wobei auf ein Drehzahlmesser-(Drehzahl)-Signal hoher Genauigkeit verzichtet werden kann. Diese Grundzüge sind für eine Lagerüberwachung in Anwendungen geeignet, bei denen die Wellendrehzahl(en) variabel ist (sind) und bei denen ein physikalischer Drehzahlmesser undurchführbar ist.
Während hierin lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es ist daher selbstverständlich, dass die beigefügten Patentansprüche sämtliche Abwandlungen und Veränderungen abdecken sollen, die in den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Differentiallagerschäden, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Erzeugen mehrerer Drehzahlsignale für innere und äußere rotierende Lagerringe; Synthetisieren eines Drehzahlmessers, der der Drehzahldifferenz der Innen- und Außenringe entspricht; und synchrones Abtasten von Lagerschwingungsdaten in Reaktion auf das synthetisierte Drehzahldifferenzmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Synthetisieren eines Drehzahldifferenzmessers die Schritte aufweist: Voraussetzen des Vorhandenseins eines Drehzahlmesspulses bei einer Startzeit; Lokalisieren eines Drehzahlmesspulses zu einem ersten Zeitpunkt nach dem Startzeitpunkt und unmittelbar vor einem fehlenden Drehzahlmesspuls; Voraussetzen des Vorhandenseins eines Drehzahlmesspulses zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem fehlenden Drehzahlmesspuls entspricht; Ermitteln einer mittleren Lageranordnungswellendrehzahl zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt; und Minimieren des Absolutbetrags der Differenz zwischen einer Abweichung des ersten Zeitpunkts und einer Abweichung des zweiten Zeitpunkts, um den ungefähren Ort des wenigstens einen synthetisierten Drehzahlmesssignals zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Anwendens einer schnellen Fouriertransformation (FFT) auf die synthetisierten Zyklusdomänedaten, um eine Differentiallagerschadensignatur in der Harmonischendomäne zu erzeugen, die Inkrementierungen von Harmonischen der Differentiallagerdrehzahl entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem Schritt des Anwendens einer Spektralmittelwertbildung auf die Harmonischendomänedaten, um die Differentiallagerschadensignaturen zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des synchronen Abtastens von Lagerschwingungsdaten in Reaktion auf das synthetisierte Drehzahldifferenzmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen, die Schritte beinhaltet: Vorbehandeln und Digitalisieren der Schwingungsdaten mit einer gewünschten hohen A/D-Abtastrate; Bandpassfiltern der vorbehandelten und digitalisierten Schwingungsdaten, um in einem gewünschten interessierenden Frequenzbereich Signale zu isolieren; und Anwenden der Hilbert-Transformation auf die isolierten Signale, um eine Hüllkurve der isolierten Signale zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das synchrone Abtasten von Lagerringschwingungsdaten nach dem Erzeugen der Hüllkurve der isolierten Signale durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Innenring und der Außenring einer Differentiallageranordnung eines Flugzeugtriebwerks entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Drehzahlsignale mittels eines Breitbandsensors erzeugt werden, der auf einem Flugzeugtriebwerksgehäuse an einer gewünschten Stelle angeordnet ist, die sich entfernt von der Differentiallageranordnung befindet.
Verfahren zum Verbessern einer Differentiallagerschadensignatur, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Erzeugen mehrerer Drehzahlsignale für jeden Differentiallagerring; Synthetisieren wenigstens eines Drehzahlmesssignals für wenigstens einen Differentiallagerring; und synchrones Abtasten von Schwingungsdaten, die einem Differentiallager zugeordnet sind, mit Blick auf Lagerringdrehzahldifferenzen in Antwort auf die mehreren Drehzahlsignale und auf das wenigstens eine synthetisierte Drehzahlmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Synthetisieren wenigstens eines Drehzahlmesssignals die Schritte beinhaltet: Lokalisieren eines Drehzahlmesspulses zu einem ersten Zeitpunkt nach einem Startzeitpunkt und unmittelbar vor einem fehlenden Drehzahlmesspuls; Voraussetzen des Vorhandenseins eines Drehzahlmesspulses zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem fehlenden Drehzahlmesspuls entspricht; Ermitteln einer mittleren Lageranordnungswellendrehzahl zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt; und Minimieren des Absolutbetrags der Differenz zwischen einer Abweichung des ersten Zeitpunkts und einer Abweichung des zweiten Zeitpunkts, um den ungefähren Ort des wenigstenseinen synthetisierten Drehzahlmesssignals zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt des Anwendens einer FFT auf die synthetisierten Zyklusdomänedaten, um eine Differentiallagerschadensignatur in der Harmonischendomäne zu erzeugen, die Inkrementierungen von Harmonischen der Differentiallagerschadensignaturen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt des Anwendens einer Spektralmittelwertbildung auf die Harmonischendomänedaten, um die Differentiallagerschadensignaturen zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des synchronen Abtastens von Schwingungsdaten, die dem Differentiallager zugeordnet sind, mit Blick auf Lagerringdrehzahldifferenzen in Antwort auf die mehreren Drehzahlsignale und auf das wenigstens eine synthetisierte Drehzahlmesssignal, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lagerschadensignatur entsprechen, die Schritte beinhaltet: Vorbehandeln und Digitalisieren der Schwingungsdaten mit einer gewünschten hohen A/D-Abtastrate; Bandpassfiltern der vorbehandelten und digitalisierten Schwingungsdaten, um in einem gewünschten interessierenden Frequenzbereich Signale zu isolieren; und Anwenden der Hilbert-Transformation auf die isolierten Signale, um eine Hüllkurve der isolierten Signale zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das synchrone Abtasten von Lagerringschwingungsdaten nach dem Erzeugen der Hüllkurve der isolierten Signale durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Differentiallager einen Abschnitt einer Differentiallageranordnung eines Flugzeugtriebwerks beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das wenigstens eine synthetisierte Drehzahlmesssignal sowohl auf Innenringdrehzahlen als auch auf Außenringdrehzahlen begründet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die mehreren Drehzahlsignale mittels eines Breitbandsensors erzeugt werden, der auf einem Flugzeugtriebwerksgehäuse an einer gewünschten Stelle angeordnet ist, die sich entfernt von der Differentiallageranordnung befindet.
System zum Erfassen eines Lagerschadens, wobei das System aufweist: einen synthetisierten Drehzahlmesser, der dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage von Lagerringgeschwindigkeiten der Lageranordnung ein Drehzahlsignal für eine Lageranordnung zu erzeugen, so dass das Drehzahlsignal dem ungefähren Ort eines fehlenden Drehzahlmesssignals entspricht; und einen Abtastmechanismus, der dazu eingerichtet ist, der Lageranordnung zugeordnete Schwingungsdaten basierend auf dem Drehzahlsignal synchron abzutasten, um synthetisierte Zyklusdomänedaten zu erzeugen, die wenigstens einer Lageranordnungsschadensignatur entsprechen.
System zum Erfassen eines Lagerschadens nach Anspruch 18, wobei die Lageranordnung ein Flugzeugtriebwerksdifferentiallager beinhaltet.
System zum Erfassen eines Lagerschadens nach Anspruch 19, wobei die Lagerringdrehzahl eine Lagerinnenringdrehzahl und eine Lageraußenringdrehzahl beinhalten.
System zum Erfassen eines Lagerschadens nach Anspruch 18, wobei das System ferner aufweist: einen Schwingungssensor, der dazu eingerichtet ist, jeden Lagerring zu überwachen und davon Schwingungsignale zu erzeugen; und ein Signalverarbeitungsmittel, das dazu eingerichtet ist, die Schwingungssignale vorzubehandeln und zu digitalisieren, um daraus die Schwingungsdaten zu erzeugen.
System zum Erfassen eines Lagerschadens nach Anspruch 21, wobei das System ferner aufweist: ein Bandpassfilter, das dazu eingerichtet ist, die vorbehandelten und digitalisierten Schwingungsdaten zu filtern, um Signale in einem gewünschten interessierenden Frequenzbereich zu isolieren; und ein Signalverarbeitungsmittel, das dazu eingerichtet ist, auf die isolierten Signale eine Hilbert-Transformation anzuwenden, um eine Hüllkurve der isolierten Signale zu erzeugen, die den Schwingungsdaten entsprechen.
System zum Erfassen eines Lagerschadens nach Anspruch 18, ferner mit Signalverarbeitungsmitteln, die dazu eingerichtet sind, an den synthetisierten Zyklusdomänedaten eine FFT durchzuführen, um eine Differentiallagerschadensignatur in der Harmonischendomäne zu erzeugen, die Inkrementierungen von Harmonischen von Differentiallagerschadensignaturen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner mit Signalverarbeitungsmitteln zum Durchführen einer Spektralmittelwertbildung an den Harmonischendomänedaten, um die Differentiallagerschadensignaturen zu verbessern.