DE19933755A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen (12), mit mindestens zwei Spitzenwertdetektoren (26, 28) mit unterschiedlichen Signalabfall-Zeitkonstanten, denen ein Signal eines Sensors (10), das an den rotierenden mechanischen Teilen erfaßt wird, als Eingangssignal (A) zugeführt wird, sowie einer Frequenzanalyseeinheit (38), der die Ausgangssignale (D) der Spitzenwertdetektoren zugeführt werden. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Schwingungsanalyse von rotierenden mechanischen Teilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen, insbesondere zur Früherkennung von Wälzlagerschäden und Walzenschäden.

Aus US 4 007 630 ist eine Vorrichtung zur Schwingungsanalyse von Wälzlagern bekannt, bei welcher mittels eines Schwingungssensors ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt wird, dieses Signal verstärkt und bandpaßgefiltert wird und einem Spitzenwertdetektor zugeführt wird. Der Spitzenwertdetektor, der in üblicher Weise eine Diode und eine Kapazität umfassen kann, weist eine im Vergleich zu den zu erwartenden Intervallen des interessierenden Lagerschadensignals eine sehr lange Signalabfallzeitkonstante auf. Es ferner ist ein Pulsgenerator vorgesehen, welcher den Spitzenwertdetektor nach einer bestimmten Zeitdauer jeweils durch ein Rücksetzsignal beispielsweise auf den momentan anliegenden Schwingungssignalwert zurücksetzt. Dabei wird die Kapazität des Spitzenwertdetektors über einen Feldeffekttransistor beim Eintreffen eines Rücksetzsignals schlagartig entladen. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist dabei die Wiederholrate der Rücksetzimpulse mindestens zweimal so groß wie die Wiederholrate des zu erwartenden Lagerschadensignals. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Wiederholrate der Rücksetzimpulse dagegen um ein Mehrfaches kleiner als die Wiederholrate des zu erwartenden Lagerschadensignals. Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors wird bandpaßgefiltert, um Rauschen und die Gleichspannungskomponente zu entfernen. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors einem Integrator zugeführt. Das so erhaltene Ausgangssignal wird schließlich im Zeitbereich einer Analyse unterzogen.

Aus US 3 842 663 ist eine Vorrichtung zur Schwingungsanalyse von Wälzlagern bekannt, bei welchem mittels eines Schwingungssensors ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt wird, welches verstärkt und bandpaßgefiltert wird und schließlich einem Demodulator zugeführt wird, bei welchem es sich um einen Standardgleichrichter mit Filter oder einen Integrator handelt, welcher im wesentlichen die Einhüllende des Eingangssignals erzeugt. Das Ausgangssignal des Demodulators wird einer Spektralanalyse unterzogen, um Lagerschäden zu erkennen.

Aus US 5 477 730 ist eine Vorrichtung zur Schwingungsanalyse von Wälzlagern bekannt, bei welcher mittels eines Schwingungssensors ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt wird, welches bandpaßgefiltert und anschließend demoduliert wird. Das demodulierte Signal wird dann einer Digitalfilterung unterzogen, um störende Signalanteile zu entfernen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen zu schaffen, mittels welcher bzw. mittels welchem zu erwartende interessierende Signale in mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen mit hoher Empfindlichkeit erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, sowie ein Verfahren, wie es in Anspruch 13 definiert ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, daß durch das Vorsehen von mindestens zwei Spitzenwertdetektoren mit unterschiedlichen Signalabfallzeitkonstanten im Zusammenwirken mit einer nachfolgenden Frequenzanalyse in mindestens zwei Frequenzbereichen eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden kann, während bei Verwendung nur eines Spitzenwertdetektors mit einer Signalabfallzeitkonstanten nur in einem Spektralbereich eine hohe Empfindlichkeit erzielt wird.

Bei dem Sensorsignal handelt es sich vorzugsweise um ein Schwingungssignal.

Das Sensorsignal kann gleichgerichtet oder quadriert werden, bevor es den Spitzenwertdetektoren zugeführt wird.

Ferner ist vorzugsweise eine Auswahlstufe vorgesehen, welche dafür sorgt, daß Sensorsignale, auf welche der Spitzenwertdetektor mit der längsten Zeitkonstante anspricht, den Spitzenwertdetektor mit der kürzeren Zeitkonstante nicht zum Ansprechen bringen können.

Ferner kann eine Signalbearbeitungsstufe vorgesehen sein, welche die Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren so bearbeitet, daß die abfallende Flanke nach einem erfaßten Spitzenwert bezüglich des Erfassungszeitpunkts dieses Spitzenwerts in der Zeit nach hinten gespiegelt wird.

Vorzugsweise werden die Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren addiert, wobei das sich ergebende Summensignal der Frequenzanalyseeinheit zugeführt wird.

Die Frequenzanalyseeinheit ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie die relevanten Maxima der Frequenzanalyse ermittelt, entscheidet, ob eine Schädigung vorliegt, und dann gegebenenfalls eine Zuordnung zu der Art der Schädigung vornimmt, wobei vorzugsweise eine Beurteilung des Schädigungsgrads anhand der Höhe der ermittelten Maxima vorgenommen wird. Außerdem kann eine Speichereinheit vorgesehen sein, welche die Beurteilung des Schädigungsgrads über einen vorbestimmten Zeitraum aufzeichnet.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Spitzenwertdetektor im wesentlichen als Spitzengleichrichter mit Diode, Kondensator und Entladewiderstand ausgebildet sein, wobei die Abfallzeitkonstante von dem RC-Glied bestimmt wird.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung;

Fig. 2 beispielhaft einen Ausschnitt aus dem zeitlichen Verlauf verschiedener Signale in der Analysevorrichtung; und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Spitzenwertdetektoren einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung.

Gemäß Fig. 1 ist ein Schwingungsaufnehmer 10 fest oder abnehmbar an einer Maschine 12 angebracht, welche rotierende Teile umfaßt. Der Schwingungsaufnehmer 10 kann beispielsweise als Beschleunigungsaufnehmer ausgestaltet sein, welcher von der Maschine 12 und insbesondere von deren Lagern hervorgerufene mechanische Schwingungen und Geräusche in ein elektrisches Signal umwandelt, welches einem Verstärker 14 zugeführt und dann einer geeigneten Filterkombination aus Filtern 16 und 18, z. B. Hochpässen oder Bandpässen, zugeführt wird, um hochfrequente Signalanteile herauszufiltern. Anschließend wird das Signal in einer Gleichrichterstufe 20 gleichgerichtet oder quadriert und anschließend einem Tiefpaß 22 zugeführt. Danach wird das Signal einer Auswahlstufe 24 zugeführt, deren genaue Funktion später erläutert wird und die das Signal parallel einem ersten Spitzenwertdetektor 26 und einem zweiten Spitzenwertdetektor 28 zuführt. Das Ausgangssignal der Spitzenwertdetektoren 26 und 28 wird optional jeweils einer Signalbearbeitungsstufe 30 bzw. 32 zugeführt, deren Ausgangssignale in einem Addierer 34 addiert werden. Das Summensignal wird mittels einer weiteren Filterstufe 36 von nicht hinreichend periodischen Komponenten befreit und einer Frequenzanalyseeinheit 38 zugeführt, welche beispielsweise eine Fourier-Transformationsstufe 40 und eine Auswerteeinheit 42 zur Auswertung des erhaltenen Frequenzspektrums umfaßt. Ferner ist eine Speichereinheit 44 vorgesehen, in welcher die von der Auswerteeinheit 42 gewonnenen Ergebnisse über längere Zeiträume hinweg gespeichert werden können.

Die Spitzenwertdetektoren 26 und 28 können in üblicher Weise im wesentlichen durch eine vorzugsweise "ideale" Diode, eine Kapazität und einen Entladewiderstand gebildet, wobei die Signalabfallzeitkonstante von dem RC-Glied des Spitzenwertdetektors bestimmt wird. Eine solche Anordnung aus drei Spitzenwertdetektoren mit je einer Diode, einer Kapazität C1, C2, C3 und einem Widerstand R1, R2, R3 ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt, wobei jeweils unterschiedliche Zeitkonstanten realisiert sind. Im Falle einer idealen Diode entspricht die Verschaltung gemäß Fig. 3 einer Parallelschaltung der Spitzenwertdetektoren bezüglich des Eingangssignals.

Es ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß die Signalabfallzeitkonstanten der verschiedenen Spitzenwertdetektoren unterschiedlich gewählt sind. So kann im vorliegenden Beispiel das Verhältnis der Signalabfallzeitkonstanten der beiden Spitzenwertdetektoren 26 und 28 beispielsweise 1 : 10 betragen.

In Fig. 2 sind beispielhaft Ausschnitte aus dem Zeitbereich der Signale an verschiedenen Stellen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dargestellt, wobei das Signal A das Eingangssignal der Auswahlstufe 24 darstellt, das Signal B das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 26 mit der kleineren Zeitkonstante darstellt, das Signal C das entsprechende Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 28 mit der größeren Zeitkonstante darstellt, das Signal D das Ausgangssignal des Addierers 34 darstellt, wenn keine Signalbearbeitungsstufen 30 und 32 vorgesehen sind, und das Signal E das Ausgangssignal der Signalbearbeitungsstufe 30 für den Spitzenwertdetektor 26 mit der kleineren Zeitkonstante darstellt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal B bzw. C der Spitzenwertdetektoren 26 bzw. 28 von einem Maximum des Eingangssignals A bis zu dem Maximalwert hochgezogen wird und dann mit einer Flanke abfällt, deren Steigung von der Signalabfallzeitkonstante, d. h. dem Wert des RC-Glieds, abhängt, bis erneut ein Eingangssignal A anliegt, welches größer ist als der momentane Wert des Ausgangssignals B bzw. C. Die Flanke des Ausgangssignals B des Spitzenwertdetektors 26 fällt dabei wesentlich steiler ab als die Flanke des Ausgangssignals C des Spitzenwertdetektors 28, so daß das Ausgangssignal B des Spitzenwertdetektors mit der kleineren Zeitkonstante auch Maxima mit geringerer Intensität erfaßt und nachbildet.

Die Auswahlstufe 24 dient dazu, dafür zu sorgen, daß der Spitzenwertdetektor 26 mit der kürzeren Zeitkonstante nicht auf Signale anspricht, deren Amplitude ausreichend ist, den Spitzenwertdetektor 28 mit der längeren Zeitkonstante zum Ansprechen zu bringen, d. h. der Spitzenwertdetektor 26 wird von der Auswahlstufe 24 am Ansprechen auf ein Signal gehindert, wenn der Spitzenwertdetektor 28 auf das Signal anspricht. Im Fall von mehr als zwei Spitzenwertdetektoren gilt dieses Prinzip entsprechend, d. h. ein Spitzenwertdetektor mit längerer Zeitkonstante hat jeweils Priorität gegenüber einem Spitzenwertdetektor mit kürzerer Zeitkonstante, so daß ein Spitzenwertdetektor nur dann ansprechen kann, wenn alle Spitzenwertdetektoren mit längerer Zeitkonstante nicht Ansprechen.

Die Signalbearbeitungsstufen 30 und 32 können dazu verwendet werden, die Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren 26 und 28 so zu bearbeiten, daß die abfallende Flanke nach einem erfaßten Spitzenwert bezüglich des Erfassungszeitpunkts dieses Spitzenwerts in der Zeit nach hinten gespiegelt wird. Dies ist beispielhaft durch die Signalkurve E in Fig. 2 dargestellt, welche das Ausgangssignal der Signalbearbeitungsstufe 30 wiedergibt. Auf diese Weise wird eine Signalform des Ausgangssignals der Spitzenwertdetektoren erzielt, welche die Hüllkurve des Eingangssignals besser wiedergeben.

Die Frequenzanalyseeinheit 38, insbesondere die Auswerteeinheit 42, ist so ausgebildet, daß eine Früherkennung von Schäden an den Lagern der überwachten Maschine 12 möglich ist. Dabei werden die relevanten Mama des von der Fourier-Transformationsstufe 40 gelieferten Spektren ermittelt, wobei anhand eines an sich bekannten Algorithmus zunächst ermittelt wird, ob überhaupt eine Schädigung vorliegt und anschließend gegebenenfalls eine Zuordnung zu der Art der Schädigung vorgenommen wird. Eine Beurteilung des Schädigungsgrads wird anhand der Höhe der ermittelten Maxima vorgenommen. Um die Geschichte der Schädigung zu dokumentieren, kann das Beurteilungsergebnis bezüglich des Schädigungsgrads über einen vorbestimmten Zeitraum in dem Speicher 44 aufgezeichnet werden. Ferner kann die Auswerteeinheit 42 auch mit einer Einheit zur Abgabe eines Alarmsignals gekoppelt sein, um beim Vorliegen eines bestimmten Schädigungsgrads ein Alarmsignal auszulösen.

Es versteht sich, daß die Spitzenwertdetektoren, Auswahlstufen, Signalbearbeitungsstufen etc. analog ausgebildet oder funktionsmäßig digital nachgebildet sein können, wobei letzteres bevorzugt ist. Der in Fig. 2 gezeigte Signalverlauf entspricht einer digitalen Realisierung.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen (12), mit mindestens zwei Spitzenwertdetektoren (26, 28) mit unterschiedlichen Signalabfall-Zeitkonstanten, denen ein Signal eines Sensors (10), das an den rotierenden mechanischen Teilen erfaßt wird, als Eingangssignal (A) zugeführt wird, sowie einer Fregenzanalyseeinheit (38), der die Ausgangssignale (D) der Spitzenwertdetektoren zugeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensorsignal um ein Schwingungssignal handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal gleichgerichtet oder quadriert wird, bevor es den Spitzenwertdetektoren (26, 28) zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswahlstufe (24) vorgesehen ist, welche dafür sorgt, daß Sensorsignale (A), auf welche der Spitzenwertdetektor (28) mit der längsten Zeitkonstante anspricht, den bzw. die Spitzenwertdetektor(en) (26) mit kürzerer (kürzeren) Zeitkonstante(n) nicht zum Ansprechen bringen können.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Signalbearbeitungsstufe (30, 32) vorgesehen ist, welche die Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren (26, 28) so bearbeitet, daß die abfallende Flanke nach einem erfaßten Spitzenwert bezüglich des Erfassungszeitpunkts dieses Spitzenwerts in der Zeit nach hinten gespiegelt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren (26, 28) addiert werden und das sich ergebende Summensignal (D) der Frequenzanalyseeinheit (38) zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Früherkennung von Schäden an Wälzlagern oder Walzen ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyseeinheit (38) so ausgebildet ist, daß sie die relevanten Maxima der Frequenzanalyse ermittelt, entscheidet, ob eine Schädigung vorliegt, und dann gegebenenfalls eine Zuordnung zur Art der Schädigung vornimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyseeinheit (42) so ausgebildet ist, daß sie eine Beurteilung des Schädigungsgrads anhand der Höhe der ermittelten Maxima vornimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinheit (44) vorgesehen ist, welche die Beurteilung des Schädigungsgrads über einen vorbestimmten Zeitraum aufzeichnet.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spitzenwertdetektor (26, 28) im wesentlichen als Spitzengleichrichter mit Diode, Kondensator und Entladewiderstand ausgebildet ist, wobei die Abfallzeitkonstante von dem RC-Glied bestimmt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwertdetektoren digital nachgebildet sind.

13. Verfahren zur Analyse von rotierenden mechanischen Teilen (12), wobei mit einem Sensor (10) ein elektrisches Signal an den rotierenden mechanischen Teilen erfaßt wird, das Signal mindestens zwei Spitzenwertdetektoren (26, 28) mit unterschiedlichen Signalabfall-Zeitkonstanten als Eingangssignal (A) zugeführt wird und die Ausgangssignale (B, C, D) der Spitzenwertdetektoren einer Fregenzanalyseeinheit (38) zugeführt werden.