DE19927693A1

DE19927693A1 - Method for determining structural resonances includes diagnostics based on accelerating signals from an equipment surface while looking for resonant frequencies stimulated by shock impacts.

Info

Publication number: DE19927693A1
Application number: DE1999127693
Authority: DE
Inventors: Christian Pritzkow
Original assignee: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH
Current assignee: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2000-12-21

Abstract

In stimulated components shock impacts from defective components cause non-linear distortions that lead to amplitude modulations. Structural resonances of adjacent components are stimulated acting as carrier frequency peaks in an oscillating spectrum. Modulation carrier frequencies are structural resonance frequencies that can lodge in an audible or ultra sound range.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturresonanzen bei der technischen Diagnostik.The invention relates to a method for determining structure resonances in the technical diagnostics.

Durch Schäden an bewegten Maschinen- und Anlagenteilen werden Schwingungen erzeugt. Insbesondere an rotierenden Bauteilen von Antrieben gibt es eine Reihe von Schäden, welche benachbarte Bauteile stoßförmig anregen und damit zu meßbaren Schwingungen des Systems bzw. von Systemteilen führen.Damage to moving machine and system parts causes vibrations generated. There are a number of, especially on rotating components of drives Damage that stimulates neighboring components in a bump-like manner and thus can be measured Vibrations of the system or system parts.

Ein Anwendungsgebiet der technischen Diagnostik ist es, die Veränderungen von Signalen, wie zum Beispiel Schwingungszuständen eines technischen Systems, zu erfassen und Hinweise auf die Ursache des Schadens zu liefern bzw. die Schadensstelle zu lokalisieren, um frühzeitig dessen Behebung zu ermöglichen und den Ausfall des Gesamtsystems, verbunden mit längeren Ausfallzeiten und aufwendigen Reparaturen, zu vermeiden oder mindestens zu vermindern.One area of application for technical diagnostics is the changes of Signals, such as vibration states of a technical system capture and provide information on the cause of the damage or the damage location to localize in order to enable it to be remedied at an early stage and in Overall system, combined with longer downtimes and complex repairs, to avoid or at least reduce.

Der Stand der Technik weist zahlreich Verfahren auf, in denen die Signale von Schwin gungssensoren oder Schallaufnehmern ausgewertet werden, um Rückschlüsse auf fehlerhafte Betriebszustände bzw. Schäden anzuzeigen.The prior art has numerous methods in which the signals from Schwin sensors or sound sensors are evaluated to draw conclusions display faulty operating conditions or damage.

In DE 43 08 796 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und Diagnose von schwingungserregten Bauteilen offenbart. Dabei wird die Nichtlinearität des verwendeten Sensors gezielt ausgenutzt und die sich bildenden Modulationsprodukte werden mit dem Hüllkurvenverfahren ausgewertet. Dieses Verfahren ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Schwingungsaufnehmern, jedoch liegt die Empfindlichkeit damit vorwiegend im Resonanzbereich.DE 43 08 796 describes a device and a method for monitoring and Diagnosis of vibration-excited components revealed. This is the non-linearity of the sensor used and the formed Modulation products are evaluated using the envelope curve method. This The process enables the use of inexpensive vibration sensors, however, the sensitivity is mainly in the resonance range.

Aufgabe der Erfindung ist, sichere maschinendiagnostische Schadensaussagen zu ermöglichen und dazu Signale aus dem linearen Arbeitsbereich von Schwingungsaufnehmern zu verwenden.The object of the invention is to provide reliable machine diagnostic damage statements enable and signals from the linear working range of To use vibration sensors.

Erfindungsgemäß beruht das Diagnosesystem auf der Basis von Beschleunigungs signalen von der Maschinenoberfläche. Das neue Verfahren sucht nach den durch Stöße angeregten Eigenfrequenzen. Die Stöße fehlerhafter Bauteile verursachen bei den angeregten Bauteilen nichtlineare Verformungen, die zu Amplitudenmodulationen führen. Angeregt werden die Strukturresonanzen benachbarter Bauteile, die als Trägerfrequenzspitzen im Schwingspektrum wirken. Die Modulationsträgerfrequenzen sind Strukturresonanzirequenzen, die sich im Hörschallbereich finden lassen. Sie weisen im Abstand der Stoßfrequenz Seitenbänder auf. Während die Struktur resonanzen drehzahlunabhängig sind, sind die Stoßfolgefrequenzen von der Drehzahl abhängig und vorher berechenbar.According to the invention, the diagnostic system is based on acceleration signals from the machine surface. The new process looks for those by bumps excited natural frequencies. The bumps of faulty components cause the excited components nonlinear deformations that lead to amplitude modulations to lead. The structural resonances of neighboring components are stimulated as Carrier frequency peaks act in the oscillation spectrum. The modulation carrier frequencies are structure resonance frequencies that can be found in the audible range. she have sidebands at the distance of the collision frequency. While the structure resonances are speed-independent, the pulse repetition frequencies depend on the speed dependent and predictable beforehand.

Mit dem Suchverfahren werden die Frequenzbereiche automatisch gefunden, in denen Strukturresonanzen durch Stoßimpulse fehlerhafter Bauteile angeregt werden.With the search method, the frequency ranges are automatically found in which Structural resonances are excited by shock impulses of defective components.

Die Suche der Strukturresonanzen erfolgt mit Hilfe digitaler oder analoger Signalverarbeitung. Dazu wird der zu untersuchende Frequenzbereich so befiltert, daß er mit einer Bandbreite von mehr als der doppelten Stoßfolgefrequenz gleitend durchfahren wird. Das bandpaßgefilterte Signal wird demoduliert und die Amplitude der Stoßfolgefrequenz bestimmt. In dem Frequenzband, in dem die Amplitude der demodulierten Stoßfolgefrequenz maximal wird, ist die Strukturresonanz zu suchen. Der Suchvorgang wird im linearen Arbeitsbereich von Schwingungsaufnehmern durchgeführt. The search for structure resonances is done with the help of digital or analog Signal processing. For this purpose, the frequency range to be examined is filtered in such a way that he sliding with a bandwidth of more than twice the pulse repetition rate is driven through. The bandpass filtered signal is demodulated and the amplitude the pulse repetition frequency is determined. In the frequency band in which the amplitude of the demodulated pulse repetition frequency, the structure resonance is to be sought. The search process is carried out in the linear working area of vibration sensors carried out.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit dem Verfahren zur Strukturresonanzsuche die Anzahl der Symptome zum Auffinden von Maschinenschäden erweitert wird und somit eine bessere Vorhersage und Lokalisierung von Schäden auch an komplexeren technischen Systemen vorgenommen werden kann.The advantage of the invention is that with the method for Structure resonance search the number of symptoms to find Machine damage is expanded and thus better prediction and localization damage can also be made to more complex technical systems.

Die allgemeine Verfahrensweise ist in Fig. 1 als Programmablaufplan dargestellt. In Fig. 2 wird nachfolgend das Verfahren zur Bestimmung von Strukturresonanzen anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.The general procedure is shown in Fig. 1 as a program flow chart. In FIG. 2, the method for the determination of structural resonances using an exemplary embodiment is described below.

Die Beschleunigungssignale des Schwingungsaufnehmers werden als Zeitfenster mit einer Tastfrequenz von größer oder gleich 20 kHz abgetastet, wobei die Frequenzanteile oberhalb der halben Tastfrequenz zur Vermeidung des Anti-Aliasingeffektes mit einem Tiefpaßfilter unterdrückt werden.The acceleration signals of the vibration sensor are included as a time window a sampling frequency of greater than or equal to 20 kHz sampled, the frequency components above half the key frequency to avoid the anti-aliasing effect with a Low pass filters are suppressed.

Zur Bildung einer bandpaßgefilterten Zeitfunktion wird das Zeitfenster der so ermittelten Beschleunigung durch eine hochauflösende Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transformiert. Die gewünschten Passierfrequenzanteile bleiben unverändert, alle zu filternden Frequenzanteile werden gleich Null gesetzt und so vollständig unterdrückt. Zur Erfassung des Modulationsvorganges muß die Bandbreite des Durchlaßfilters so breit sein, daß die Strukturresonanzfrequenz mit den Seitenbändern der Stoßfrequenz im Durchlaßbereich liegen.To form a band-pass filtered time function, the time window of the so determined acceleration by a high resolution Fast Fourier transform in transformed the frequency domain. The desired pass frequency shares remain unchanged, all frequency components to be filtered are set to zero and so completely suppressed. The bandwidth must be used to record the modulation process of the pass filter be so wide that the structure resonance frequency with the Sidebands of the collision frequency are in the pass band.

Es erfolgt nun eine Rücktransformation in den Zeitbereich, man erhält dadurch die ge wünschte bandpaßgefilterte Zeitfunktion. Die Demodulation wird durch digitale Gleichrichtung (abs(x_i)) eingeleitet. Das Signal enthält so durchweg positive pulsierende Funktionswerte. Zur Beseitigung des störenden Einflusses der Gleichsignalanteile (Offset) wird dieser Anteil mit der folgenden Funktion korrigiert:
There is now a backward transformation into the time domain, which gives the desired bandpass-filtered time function. Demodulation is initiated by digital rectification (abs (x _i )). The signal contains positive, pulsating function values throughout. To eliminate the disturbing influence of the DC signal components (offset), this component is corrected with the following function:

mit i = Laufindex und n = Anzahl der Aufpunkte der Zeitfunktion.with i = running index and n = number of points of the time function.

Die so gebildete Zeitfunktion wird nun digital tiefpaßgefiltert, so daß die Auflösung der Stoßfolgefrequenzen in einem erneut zu bildenden Spektrum möglich wird. Gesucht werden die Amplituden von Stoßfolgefrequenzen, die als Drehzahlverhältnisse dem Meßsystem bekannt sind und aus der aktuellen Drehzahl ermittelt werden.The time function thus formed is now digitally low-pass filtered so that the resolution of the Shock repetition frequencies in a spectrum to be re-formed becomes possible. Searched are the amplitudes of pulse repetition frequencies, which as the speed ratios Measuring system are known and can be determined from the current speed.

Zur Bestimmung der Amplituden der Stoßfolgefrequenzen im tieffrequenten Bereich werden Spektren gebildet. Dazu wird die Zahl der Meßpunkte durch Nutzung nur jedes 2^kten (k-ganzzahlig) Meßpunktes reduziert, um bei gleicher Auflösung tiefer Frequenzen gegenüber der ursprünglichen Aufpunktzahl Rechenzeit zu sparen. Die Amplituden der Stoßfolgefrequenzen werden zwischengespeichert.Spectra are formed to determine the amplitudes of the pulse repetition frequencies in the low-frequency range. For this purpose, the number of measuring points is reduced by using only every 2 ^k th (k-integer) measuring point in order to save computing time with the same resolution of lower frequencies compared to the original number of points. The amplitudes of the pulse repetition frequencies are buffered.

Für die Suche nach dem Frequenzbereich, in dem sich die Strukturresonanzfrequenz befindet, wird nun ein Iterationsprozeß begonnen. Bei jedem Iterationsschritt wird das Bandpaßfilter mit gleicher Bandbreite um einen Frequenzschritt Δf höher gerückt. Der Frequenzschritt und die Bandbreite der Bandpaßfilterung müssen aufeinander abgestimmt sein. Durch zu geringe Schrittweite wird der Iterationsprozeß langwierig und bei zu großer Schrittweite wird die Bandbreitenforderung des Filters verletzt.For the search for the frequency range in which the structure resonance frequency an iteration process is now started. With each iteration step, this will be Bandpass filters with the same bandwidth moved one frequency step Δf higher. The The frequency step and the bandwidth of the bandpass filtering must be mutually exclusive be coordinated. If the step size is too small, the iteration process becomes lengthy and if the step size is too large, the bandwidth requirement of the filter is violated.

Die Strukturresonanzfrequenz des durch periodische Stoßvorgänge angeregten Bauteils befindet sich in dem Frequenzbereich, in dem die Amplitude der so ermittelten Stoßfolgefrequenz maximal wird. Die Iteration durchläuft den gesamten höherfrequenten Hörschall- bis Ultraschallbereich, der Rücksprung erfolgt bis zur Bandpaßfilterung.The structure resonance frequency of the component excited by periodic impact processes is in the frequency range in which the amplitude of the thus determined Shock repetition rate becomes maximum. The iteration runs through the entire higher-frequency hearing sound to ultrasound range, the return occurs up to Bandpass filtering.

Claims

Method for determining structure resonances by evaluating signals from the linear working range of vibration sensors, characterized in that such a method consists of the following steps:

- Evaluation of the acceleration signals of the vibration sensor with a pulse frequency of greater than or equal to 20 kHz
- Suppression of the frequency components above half the key frequency
- Formation of a bandpass filtered time function
- Increase the pass band of the bandpass filter with the same bandwidth and repetition of the previous method steps
- Demodulation of the time function by rectification and suppression of the offset
- Determination of the amplitude of the pulse repetition frequency by Fast Fourier transform in the frequency domain
- Buffer amplitudes of the pulse repetition frequencies
- Determination of the frequency range at which the amplitude becomes maximum by comparing the temporarily stored data
- Output of the frequency range with the structure resonance of the component excited by impacts.