DE19702234A1

DE19702234A1 - Verfahren zur Überwachung und Qualitätsbeurteilung von sich bewegenden und/oder rotierenden Maschinenteilen insbesondere von Maschinenlagern

Info

Publication number: DE19702234A1
Application number: DE1997102234
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Geropp; Hans-Willi Dr Kesler; Goetz Langer
Original assignee: Acida Aachener Ct fur In GmbH
Current assignee: Acida Aachener Ct fur In GmbH
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Qualitätsbeurtei lung von sich bewegenden und/oder rotierenden Maschinenteilen, insbeson dere von Maschinenlagern, durch Analyse von Schwingungen mit den weite ren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Die Anlagenverfügbarkeit stellt einen wichtigen Faktor für den wirtschaftli chen Erfolg eines Unternehmens dar. Durch zustandsbezogene Instandhal tungsmethoden können die Verfügbarkeiten der Produktionsanlagen sicher gestellt und gleichzeitig die Ausfallzeiten der Anlagen sowie die Kosten der Instandhaltung auf ein Mindestmaß reduziert werden. Diese zustandsbezoge ne Instandhaltung setzt eine zuverlässige Ermittlung des Maschinenzustands voraus. Die dafür entwickelten Meß- und Auswerteverfahren dienen der Überwachung und Auswertung von Prozeßparametern und Maschinen kennwerten, wie z. B. Temperatur, Druck, Drehmoment oder elektrische Stromdaten. Häufig wird auch die Schwingungsanalyse zur Maschinendia gnose eingesetzt. Mit einer derartigen Analyse ist es möglich, Schäden be reits im Frühstadium zu erkennen und zu diagnostizieren, um Folgeschäden zu vermeiden.

Die dafür notwendigen Schwingungsüberwachungssysteme messen die Vi bration der rotierenden Maschine und geben eine Fehlermeldung bei Grenz wertüberschreitung des Summenschwingungspegels an. Solche einfachen Kennwerte des Schwingungssignals lassen jedoch keine zuverlässige Aussage z. B. über den Zustand von Wälzlagern in einer Maschine zu. Bei komplexen Maschinen, die jeweils mehrere rotierende Bauteile beinhalten, ist eine sinn volle Überwachung und insbesondere Schadensfrüherkennung nicht möglich. Der Zustand des zu diagnostizierenden Lagers kann hier nicht aus der Größe des Kennwertes abgelesen werden, sondern aus einer Veränderung dieser Kennwertgröße unter der Voraussetzung von konstanten Betriebsbedingun gen und Nichteinwirkung von Schwingungen benachbarter Maschinenteile.

Eine zuverlässige Frühdiagnose stützt sich deshalb auf weitergehende Ver fahren der Signalanalyse (z. B. Hüllkurvenanalyse). Dabei wird das Signal des Schwingungssensors analog oder digital durch die Hüllkurvenanalyse aufbe reitet und danach in den Frequenzbereich mit Hilfe der Fouriertransformation transformiert, wo eine frequenzselektive Überwachung vorgenommen wird. So ist es auch möglich, sowohl die Schadensart des fehlerhaften Bauteils zu diagnostizieren, obwohl das Körperschallsignal des schadhaften Bauteils durch Schwingungen angrenzender Maschinenteile überlagert wird.

In dem auf diese Art gebildeten Frequenzspektrum lassen sich Wälzlager schäden durch erhöhte Amplituden bei den zugehörigen kinematischen Fre quenzen und deren Vielfachen diagnostizieren. Da es je nach Schaden im Hüllkurvenspektrum auch zu relativ komplizierten Mustern kommen kann, ist die Auswertung und Interpretation im Frequenzbereich sehr komplex. Ei ne frequenzselektive Überwachung, also eine Überwachung von Amplituden verschiedener Frequenzen oder schmaler Frequenzbänder, wird aber bislang nur bei Schwingungsüberwachungssystemen eingesetzt, wobei die Amplitu den fest vorgegebener Frequenzen oder schmaler Frequenzbänder auf Grenz wertüberschreitung auf fest vorgegebene Grenzwerte überwacht werden. Maschinen mit wechselnder Drehzahl können durch dieses System jedoch nicht zuverlässig überwacht werden, da die automatische Schadensdiagnose aufgrund der fest eingestellten Frequenzbänder und deren fest vorgegebener Grenzwerte nur in einem stark eingeschränkten Drehzahlbereich möglich ist. Eine Überwachung ist also nur dann möglich, wenn sich die Drehzahl in ei nem bestimmten schmalen Drehzahlbereich befindet. Eine stetige Überwa chung ist daher nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine dif ferenzierte Überwachung selbst bei verschiedenen Drehzahlen möglich ist, indem zusätzlich zum Schwingungssignal noch die Drehzahl miterfaßt wird, wodurch die Frequenzbänder und auch deren Grenzwerte in Abhängigkeit der Drehzahl modifiziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-7. Der nebengeordnete Anspruch 8 betrifft eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, daß die Überwachungsfrequenz bänder in dem Verfahren zur Analyse von Schwingungen abhängig von der Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der zu über wachenden Maschinenteile zu den entsprechenden Frequenzen, die höher oder niedriger sein können, nachgeführt werden. Eine zuverlässige Scha densanalyse ist also auch in rotierenden oder schwingenden Maschinenbautei len, deren Drehzahl nicht immer konstant ist, möglich. So werden beispiels weise bei einer höheren Drehzahl die Überwachungsfrequenzbänder in Rich tung der höheren Frequenz verschoben und stimmen somit wieder mit den Sollwerten der erwarteten Schadensfrequenzen überein.

Ferner kann das Verfahren derart ausgeführt sein, daß die höchstzulässigen Grenzwerte (Alarmwerte) geschwindigkeits- und/oder last- und/oder bela stungsabhängig modifiziert werden können. Greift beispielweise an dem sich bewegenden oder rotierenden Maschinenteil eine gewisse Kraft an oder liegt beispielsweise das rotierende Wälzlager punktuell auf einem anderen Ma schinenteil auf, so ergeben sich andere höchstzulässige Grenzwerte als im unbelasteten Zustand. Die Schwingungsamplituden können sich aber auch durch andere Belastungen, z. B. durch eine Strom- oder Drehmomentbela stung erhöhen. Die Überwachungsfrequenzbänder und deren Grenzwerte werden also den eingestellten oder sich automatisch ergebenden und erfaßten Betriebsparametern angepaßt.

Ferner kann die Breite der Überwachungsfrequenzbänder abhängig von der Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit der zu überwachenden Maschi nenteile verändert werden. Da sich die Drehzahl und damit die Frequenz im mer in einem gewissen Toleranzbereich bewegt, weist das Überwachungsfre quenzband auch eine gewisse Toleranzbreite auf erhöht sich nun die Fre quenz, so bedeutet das automatisch, daß sich bei gleichbleibender Toleranz das Frequenzband um einen bestimmten Frequenzbereich vergrößern muß.

Auch lassen sich spezielle Überwachungskennwerte berechnen, die sich aus den Amplituden der schmalbandigen Überwachungsfrequenzbänder additiv zusammensetzen. Ein solcher Überwachungskennwert kann wiederum ab hängig von der Drehzahl sein. Bei einer Überschreitung eines derartigen Überwachungskennwertes wird Alarm ausgelöst. Das bedeutet, daß bei Auftreten von nur einer zu hohen Amplitude in einem Überwachungsfre quenzband noch kein Alarm ausgelöst wird. Eine Überschreitung des Über wachungskennwertes dagegen deutet mit hoher Sicherheit auf einen Schaden hin, da hier insgesamt die Werte erhöht sind, was wiederum als sehr charak teristisch für einen Schaden anzusehen ist.

Ferner kann es vorgesehen sein, daß eine Vergrößerung der Amplitude eines Signalanteils innerhalb eines Überwachungsfrequenzbereiches über eine zu lässige Grenze hinaus als möglicher Schaden erkannt wird, wodurch ein Fehlersignal ausgelöst wird.

Außerdem kann es zur Auslösung eines Fehlersignals kommen, wenn har monische Frequenzen der erfaßten Grundfrequenz auftreten.

Gemäß Anspruch 7 kann es im Verfahren vorgesehen sein, daß die Eigenre sonanzfrequenz und/oder weitere, nicht geschwindigkeitsabhängige Schwin gungen einer Maschine, beispielsweise eines Walzgerüstes, sowie die Breite des zugehörigen Überwachungsfrequenzbandes unabhängig von der (auf Dreh-)Geschwindigkeit von im Maschinengestell sich bewegenden oder um laufenden Maschinenteilen erfaßt und ausgewertet wird, wobei der höchstzu lässige Grenzwert (Amplitude des Signalanteils) geschwindigkeits-, drehzahl- und/oder lastabhängig definiert wird. Diese Schwingungen können zu Quali tätseinbußen bis hin zur Schädigung der gesamten Maschine führen. Zur Schwingungsüberwachung ist es in solchen Fällen sinnvoll, die Mittelfre quenz und die Breite des Frequenzbandes fest vorzugeben, die Höhe des Frequenzbandes, die den Grenzwert (Alarmwert) darstellt, drehzahlabhängig auszuführen. Hierbei sollte der Grenzwert nicht linear von der Drehzahl ab hängig sein, sondern seinen höchsten Wert bei der kritischen Drehzahl besit zen. Ist die Drehzahl also höher als die kritische Drehzahl, so verringert sich der Grenzwert wieder.

Die Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens be steht u. a. aus einem Schwingungsausnehmer oder Vibrationssensor zur Er fassung von Vibrationen einer bewegenden Teile enthaltenen Maschine oder Maschinenteile. Ferner ist in der Vorrichtung eine Signalaufbereitungseinheit zur Verstärkung und/oder Hüllkurvenbildung und/oder Filterung (Tiefpaß- oder Hochpaßfilterung) der vom Schwingungsaufnehmer ankommenden Si gnale vorgesehen. Die so aufbereiteten Signale werden danach dem Analog-/Digital-Wandler zugeführt und in digitale Form aufbereitet. Daran anschlie ßend ist eine Vorrichtung und/oder eine Recheneinheit (z. B. ein softwarege steuerter Rechner) zur Durchführung eines Fouriertransformation der vom Schwingungsaufnehmer stammenden digitalisierten Signale vorgesehen. Mit Hilfe dieser Fouriertransformation wird ein Frequenzspektrum gebildet. Zur Überwachung des Frequenzspektrums ist eine Recheneinheit vorgesehen, in welcher die Signale mit Hilfe der schmalbandigen Überwachungsfrequenz bänder auf ihre Größe hin überwacht und mit abgespeicherten Grenzwerten verglichen werden.

Zusätzlich zum Schwingungssignal wird mit einem weiteren Sensor die Ge schwindigkeit, die Drehzahl und/oder der Lastzustand der sich bewegenden, zu überwachenden Maschinenteile erfaßt. Dieses Sensorsignal wird dann ebenfalls der Recheneinheit zugeführt, um dort die überwachten Frequenz bänder geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig zu höheren oder niederen Frequenzen zu verschieben und die zulässigen Grenzwerte drehzahlabhängig zu modifizieren. Damit ist eine differenzierte Überwachung bei verschiedenen Drehzahlen möglich. Alarmüberschreitungen können auch über einen Feldbus an übergeordnete Systeme übertragen werden.

Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 zwei Grenzwertkurven bei unterschiedlicher Drehzahl so wie

Fig. 2 eine Prinzipsskizze des Verfahrensablaufs.

Fig. 1a zeigt das gemessene und ausgewertete Frequenzspektrum eines sich bewegenden oder rotierenden Maschinenteils, das keinen Schaden aufweist.

In Fig. 1b ist zur Veranschaulichung ein Frequenzspektrum des selben bei spielhaften Maschinenteils dargestellt, das in diesem Fall mit erhöhter Dreh zahl rotiert. Dabei ist festzustellen, daß sich die Frequenzen mit zunehmen der Drehzahl in einen höheren Hertzbereich verschieben. Um die jeweiligen Frequenzen liegen schmalbandige Überwachungsfrequenzbänder 1 an, die abhängig von der Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit der zu über wachenden Maschinenteile zu höheren oder niederen Frequenzen nachge führt werden. Somit ist eine drehzahlabhängige Grenzwertüberwachung möglich.

Ferner ist es vorgesehen, daß die höchstzulässigen Grenzwerte 3 auch ge schwindigkeits- und/oder last- und/oder belastungsabhängig modifiziert wer den können. So lassen sich also auch bei unterschiedlicher Gewichts- oder Strombelastung die entsprechenden Alarmwerte einstellen.

Zusätzlich ist es vorgesehen, daß auch die Breite 2 der Überwachungsfre quenzbänder 1 abhängig von der Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit der zu überwachenden Maschinenteile verändert wird. Eine entsprechende Verbreiterung der Überwachungsfrequenzbänder bei erhöhter Drehzahl ist ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich. Somit ist auch bei einer höheren Frequenz der gleiche Toleranzbereich gewährleistet wie bei einer niedrigeren Frequenz. Dieser Toleranzbereich stellt eine zuverlässige Kontrolle der Frequenzen auch bei schwankender oder nicht exakt erfaßter Drehzahl sicher.

Das Meßverfahren kann auch dahingehend variiert werden, daß Überwa chungskennwerte berechnet und ausgewertet werden, die additiv aus den Amplituden 4 von Signalanteilen aus unterschiedlichen schmalbandigen Überwachungsfrequenzbändern 1 zusammengesetzt sind.

Überschreitet eine Amplitude 4 eines Signalanteils innerhalb eines bestimm ten Überwachungsfrequenzbereiches die zulässige Grenze, so wird ein Feh lersignal ausgelöst. In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit kann auch ein Fehlersignal bei Auftreten von harmonischen Frequenzen der erfaßten Grundfrequenz ausgelöst werden.

Alternativ zum beschriebenen Verfahren kann es sinnvoll sein, nur ein oder zwei Parameter drehzahlabhängig zu gestalten. So besteht die Möglichkeit, die Eigenresonanz und/oder weitere, nicht geschwindigkeitsabhängige Schwingungen einer Maschine sowie die Breite des zugehörigen Überwa chungsfrequenzbandes unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der im Ma schinengestell sich bewegenden oder umlaufenden Maschinenteile zu erfassen und auszuwerten. Dabei wird nur der höchstzulässige Grenzwert, also die Amplitude 4 des Signalanteils geschwindigkeitsabhängig definiert.

In Fig. 2 ist die technische Realisierung des Verfahrens prinzipiell dargestellt. Mit Hilfe eines Schwingungsaufnehmers 5, der an der Maschine befestigt ist, wird die Vibration der Maschine, die sich bewegende oder rotierende Teile enthält, oder der Maschinenteile selbst aufgenommen. Die so erfaßten Schwingungen bzw. Signale werden in einer Signalaufbereitungseinheit 6 verstärkt und/oder gefiltert und/oder in einer sonstigen Weise (Hüllkurvenbildung) aufbereitet. Daran anschließend werden die so aufberei teten Signale in einem Analog/Digital-Wandler 7 in digitale Form umgewan delt. Von diesen digitalisierten Signalen wird in einer Vorrichtung zur Durchführung einer Fouriertransformation 8 ein Frequenzspektrum gebildet.

In einer weiteren Recheneinheit 9 werden die Signale auf ihre Größe hin überwacht und mit abgespeicherten Grenzwerten 3 verglichen. Mit einem weiteren Sensor 10 wird die Geschwindigkeit, die Drehzahl und/oder der Lastzustand der sich bewegenden, zu überwachenden Maschinenteile erfaßt. Diese Sensorsignale werden ebenfalls der Recheneinheit 9 zugeführt, wo die schmalbandigen Überwachungsfrequenzbänder 1 und deren Grenzwerte in Abhängigkeit der Drehzahl modifiziert werden. Hier erfolgt also die dreh zahl- oder geschwindigkeitsabhängige Nachführung der Überwachungsfre quenzbänder 1 zu höheren oder niederen Frequenzen.

Bezugszeichenliste

1

Überwachungsfrequenzbänder

2

Breite

3

Grenzwert

4

Amplitude

5

Schwingungsaufnehmer

6

Signalaufbereitungseinheit

7

Analog-/Digital-Wandler

8

Recheneinheit zur Durchführung einer Fouriertransformation

9

Recheneinheit

10

Sensor

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und Qualitätsbeurteilung von sich bewe genden und/oder rotierenden Maschinenteilen, insbesondere von Ma schinenlagern und Verzahnungen, wie z. B. Wälzlagergetriebe und Ma schinenführungen, durch Analyse von Schwingungen, die durch min destens einen Schwingungssensor aufgenommen und durch eine Aus wertelogikschaltung ausgewertet werden, wobei Schwingungen der zu überwachenden Maschinenteile oder diese umgebender Maschinenbe reiche erfaßt werden und ein auf einen Schaden des Maschinenteils oder -bereiches zurückzuführender Signalanteil innerhalb vorgegebba rer Überwachungsfrequenzbänder durch Vergleich mit abgespeicherten Grenzwerten auf drohenden oder vorhandenen Schaden oder Fehl funktion des Maschinenteils ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Überwachungsfrequenzbänder abhängig von der Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit der zu überwachenden Maschinenteile zu höheren oder niederen Frequenzen nachgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die höchstzulässigen Grenzwerte (Alarmwerte) geschwindigskeits- und/oder last- und/oder belastungsabhängig (z. B. stromabhängig) modifiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Überwachungsfrequenzbänder abhängig von der Bewe gungs- oder Rotationsgeschwindigkeit der zu überwachenden Maschi nenteile verändert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, gekenn zeichnet durch die Berechnung und Auswertung von Überwachungs kennwerten, die additiv aus den Amplituden von Signalanteilen aus unterschiedlichen schmalbandigen Überwachungsfrequenzbändern zu sammengesetzt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vergrößerung der Amplitude eines Signalanteils innerhalb eines Überwachungsfrequenzbereiches über eine zulässige Grenze hinaus ein Fehlersignal ausgelöst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von harmonischen Frequenzen der erfaßten Grundfre quenz ein Fehlersignal ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenresonanzfrequenz und/oder weitere, nicht geschwindigkeits abhängige Schwingungen einer Maschine (Walzgerüst) sowie die Breite des zugehörigen Überwachungsfrequenzbandes unabhängig von der (Dreh-)Geschwindigkeit von im Maschinengestell sich bewegenden oder umlaufenden Maschinenteilen erfaßt und ausgewertet und der höchstzulässige Grenzwert (Amplitude des Signalanteils) geschwindig keits-, last- und/oder belastungsabhängig definiert wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü che 1-7, bestehend aus:

- einem Schwingungsaufnehmer (5) zur Erfassung von Vibrationen einer bewegende Teile enthältenden Maschine oder Maschinentei le;
- einer Signalaufbereitungseinheit (6) zur Verstärkung und/oder Hüllenkurvenverbindung und/oder Filterung der vom Schwin gungsaufnehmer (5) ankommenden Signale;
- einem Analog-/Digitalwandler (7) zur Wandlung der vom Schwingungsaufnehmer (5) kommenden, gegebenenfalls aufbe reiteten Signale in digitale Form;
- einer Vorrichtung und/oder einer Recheneinheit (z. B. softwa regesteuerter Rechner) zur Durchführung einer Fouriertransfor mation (8) der vom Schwingungsaufnehmer stammenden, digita lisierten Signale sowie
- einer Recheneinheit (9), in welcher die Signale auf ihre Größe hin überwacht und mit abgespeicherten Grenzwerten (3) verglichen werden;
- einem weiteren Sensor (10) zur Geschwindigkeits-, Drehzahl- und/oder Lastzustandserfassung der sich bewegenden, zu über wachenden Maschinenteile, dessen Sensorsignal der Rechenein heit (9) zugeführt wird, um dort die Überwachungsfrequenzbän der (1) geschwindigkeits- oder drehzahlabhängig und/oder last- bzw. belastungsabhängig zu höheren oder niederen Frequenzen zu verschieben und die zulässigen Grenzwerte (3) drehzahlab hängig zu modifizieren.