DE2610551C2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Überwachung einer im Betrieb befindlichen Maschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Überwachung einer im Betrieb befindlichen MaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. des Patentanspruchs 4 angegebenen Gattung.
Es ist bei gattungsgemäßen Systemen bekannt, das Verhalten von rotierenden Maschinen dadurch zu analysieren
und zu überwachen, daß Änderungen des Effektivwertes und des Leistungsspektrums der Vibrationssignaie
beobachtet werden, die von der Maschine abgestrahlt werden. Es hat sich gezeigt, daß der Effektivwert
mit zunehmender Beschädigung größer wird. Es ist außerdem bekannt, daß Fehler bei einer speziellen Maschinenausbildung
eigenartige und einheitliche Charakteristika hinsichtlich ihres Spektrums aufweisen. Bei einem
gattungsgemäßen System gemäß der US-PS 33 892 werden die Vibrationsausgänge einer Maschine
gemessen, die Harmonische der Maschinendrehzahl darstellen, wobei die Vibrationsfrequenz während der
Messung automatisch mit der Maschinendrehung synchronisiert wird. Bei diesem System wird eine elektrische
Schaltung benutzt die herkömmliche Impulserzeugungsglieder, Frequenzvervielfacher, Schalt- und Sum-.•nierungsstufen
und dergleichen benutzt, um die Amplitude der Vibrationsenergie zu messen, die von einer
Maschine abgestrahlt wird.
Ohne Erfahrung und genaue technische Information über die zu prüfende Maschine ist es außerordentlich
schwierig, die Charakteristiken schmaler spektraler Intensitätskurven
zu charakterisieren, wenn man die bekannten Systeme anwendet selbst wenn es sich dabei
um ganz einfache Maschinen handelt.
Die gemessenen Größen von Effektivwert, Spitzenwert und spektraler Energiedichte hängen von einer
Zahl von speziellen Maschinenfaktoren ab, wobei die wichtigsten Werte Lagerbelastung und Drehzahl darstellen.
Es ist daher schwierig, bekannte Systeme zu benutzen, um den Zustand rotierender Maschinen aus einer
einzigen Messung festzustellen, außer in speziellen Fällen, in denen eine beträchtliche technische Hintergrundinformation
verfügbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße
Vorrichtung derart zu verbessern, daß in zuverlässiger Weise auch ohne Kenntnis spezielle Eigenschaften der
Zustand einer Maschine im Betrieb elektronisch überwacht werden kann, wobei die Überwachung unabhängig
von Belastung und Drehzahl der zu überwachenden Maschine ist, und wobei das Ausmaß irgendeiner Be-Schädigung
aus einer einzigen Messung heraus bestimmt werden kann, ohne Trendanalysen oder historische
Informationen zur Verfügung zu haben.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs
4 angegebenen Merkmale. Auf diese Weise wird es möglich, auch bei Maschinen, deren Betriebsverhalten
unbekannt ist, Messungen durchzuführen, deren Ergebnis einen Rückschluß auf Fehler oder Beschädigungen
zuläßt.
Es ist zwar aus der DE-OS 22 41 553 bereits ein gattungsgemäßes System bekannt, bei dem herkömmliche
Amplituden- und Frequenzmessungen durchgeführt werden, jedoch wird auch in dieser Druckschrift die
Bestimmung und Abschätzung von Kurtosis-Koeffizienten für die emittierten Vibrationssignale zur Überwachung
des Betriebszustandes einer Maschine nicht beschrieben.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
so Der Kurtosis-Koeffizient ist, wie sich beispielsweise aus Glenn James, Robert C. James, Mathematics Dictionary,
D. van Nostrand Company, Inc, Princeton, New Jersey, Seite 225, ergibt, ein statistischer Parameter, der
definiert ist als das normalisierte vierte Moment, und wie folgt ausgedrückt werden kann:
4r J(x(/)-i)4d<
"X)2Y
Dabei ist x(t) eine Vibration oder eine andere analoge Zeitfunktion
χ ist der Mittelwert von x(t),
T ist die Versuchszeit,
f ist der Augenblickswert.
f ist der Augenblickswert.
Bei einem unbeschädigten Lager haben die Kurtosis-Koeffizienten
der mechanischen Schwingungen, die am Lagergehäuse beobachtet werden, über ein breites Frequenzband
den Wert 3, unabhängig von der Belastung der Drehzahl und von außen her eingeführten Schwingungen,
unter der Annahme diese entsprechend einer Gauß'schen Verteilung.
Wenn ein Lagerschaden auftritt, ändert sich der Charakter der mechanischen Schwingungen, und dies wird
durch Erhöhung des Kurtosis-Koeffizienten im Niederfrequenzbereich
angezeigt Eine erhöhte Beschädigung des Lagers führt zu einem Ansteigen der Kurtosis-Koeffizienten
bei höheren Frequenzen, während bei niedriger Frequenz der Wert auf 3 zurückfällt, d. h. auf den
Wert des unbeschädigten Lagers. Auf diese Weise kann durch Überprüfung des jeweiligen Kurtosis-Koeffizienten
in verschiedenen Frequenzbändern nicht nur das Auftreten einer Beschädigung erkannt werden, sondern
es kann auch deren Ausmaß abgeschätzt werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild von Einzelheiten eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Analog-Überwachungsgerätes,
Fig.2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Digital-Überwachungsgerätes.
F i g. 1 zeigt einen elektronischen Wandler mit Signalaufbereitungseinrichtung
1, z. B. einen Beschleunigungsmesser, der am Gehäuse eines zu überwachenden Lagers
angeordnet und mit einem Ladungsverstärker und Bandpaßfiltern gekuppelt ist, um ein Ausgangssignal χ
zu erzeugen, welches die mechanischen Schwingungen repräsentiert, die in den verschiedenen Frequenzbändern
am Lagergehäuse auftreten. Die den Schwingungen in diesen verschiedenen Frequenzbändern entsprechenden
Signale durchlaufen nacheinander eine Multiplizierstufe 2, die ein Produktsignal Ax liefert, wobei A
ein Verstärkungsfaktor ist, der umgekehrt proportional dem quadratischen Mittelwert von χ ist.
Das Produktsignal Ax wird einer Quadrierstufe 3 zugeführt, und das quadrierte Signal A2X2 durchläuft sowohl
eine Integrierstufe 4 als auch eine zweite Quadrierstufe 5. Im Integrator 4 wird das mittlere quadratische
Signal A2X2 gleich K gesetzt, wobei eine Spannungseinstellung
über einen Stellwiderstand 6 erfolgt, um einen Ausgang zu liefern, der die Verstärkung der
Multiplizierstufe 2 gemäß dem Wert
A =
Vk
VW
steuert. Dieser Wert ist selbst invers proportional zu dem Effektivwert von x. Durch dieses Verfahren wird
demgemäß der Wert des Signals χ gegenüber dem eigenen Effektivwert normalisiert.
Wie erwähnt, repräsentieren die von der Quadrierstufe 3 ausgehenden Signale den normalisierten Effektivwert von x, d. h. A2X2 gelangt an die Quadrierstufe 5 und
dann an einen Integrator 7, um ein Ausgangssignal zu blickliche Sättigung der Quadrierstufen 3 und 5 auftreten.
Wenn die Zeitdauer, während der eine solche Sättigung auftritt übermäßig groß wird, dann wird die Genauigkeit
der Messung des Kurtosis-Koeffizienten schwerwiegend beeinträchtigt Um dieses Problem zu
lösen, ist eine Schwellenwertstufe 8 vorgesehen, die wie in der Zeichnung voll ausgezogen dargestellt ist, Ausgangssignale
von der Quadrierstufe 3 erhält und diese mit einer vorbestimmten Schwellenwertspannung P
vergleicht, die durch einen zweiten Stellwiderstand 9 geliefert wird. Normalerweise wird diese Schwellenwertspannung
auf einen Wert eingestellt der knapp unter dem Sättigungswert der Quadrierstufe 3 liegt Der
Ausgang der Stufe 8 entspricht der Zeitdauer, mit der das normalisierte quadrierte Signal den Sättigungspegel
der Qnadrierstufe 3 übersteigt und demgemäß eine Anzeige der Genauigkeit der laufenden Messung des Kurtosis-Koeffizienten
liefert Wie durch den strichlierten Pfeil in F i g. 1 angegeben, kann die Schwellenwertstufe
8 stattdessen auch Signale von der Quadrierstufe 5 empfangen und einen Ausgang liefern, der der Zeit entspricht,
mit der das Signal den Sättigungswert der Quadrierstufe 5 überschreitet, was wiederum eine Anzeige
der Genauigkeit des gemessenen Kurtosis-Koeffizienten bewirkt Der Wert der Schwellenwertspannung
kann durch Einstellung des Widerstandes 9 geändert werden.
Die Ausgangssignale des Integrators 7 und der Schwellenwertstufe 8 werden einem Monitor 10» z. 3.
einem proportional geeichten Voltmeter zugeführt, um eine visuelle Anzeige des augenblicklichen Kurtosis-Koeffizienten
für mechanische Schwingungen zu liefern, die am Lagergehäuse in verschiedenen Frequenzbändern
gemessen werden, und um die Zeit anzuzeigen, während der das Gerät bei Überlast betrieben wurde.
Im folgenden wird auf F i g. 2 der Zeichnung Bezug genommen, wobei einander entsprechende Teile mit
gleichem Bezugszeichen versehen wurden. Ein Beschleunigungsmesser 1, der am Gehäuse des zu überwachenden
Lagers angeordnet ist, ist mit einem Ladungsverstärker 12 gekuppelt, um ein Spannungsausgangssignal
χ zu erzeugen, das den mechanischen Vibrationen entspricht, die am Lagergehäuse abgenommen werden.
Die Signale χ gelangen zu einem multiplizierenden Digital-Analogwandler
13, der ein Ausgangssignal x/E liefert, wobei E ein Verstärkungsfaktor ist, der proportional
dem Effektivwert von χ ist.
Dieses Produktsignal x/E wird einer Reihe von Bandpaßfiltern
14 zugeführt, in denen das erforderliche Frequenzband für das Signal ausgewählt wird. Das Ausgangssignal
der Filter 14 wird einem Analog-Digital-Wandler 15 zugeführt, in dem es in einen Zahlenwert
umgewandelt wird. Der Wandler 15 weist eine Campling-Steuerlogik
auf. Das Digitalsignal vom Wandler 15 wird einer Digital-Verarbeitungsstufe 16 zugeführt, die
den Verstärkungsfaktor E proportional zum Effektivwert des Signals χ berechnet, und den Verstärkungsfaktor
dem Wandler 13 liefert. Außerdem steuert die Verarbeitungsstufe 16 die Wahl des Frequenzbandes für das
Signal innerhalb der Filtergruppe 14 und liefert ein Aus-
'ierten Moment oder "än^ssi^ns! 5, welches dem norniEHsipr*pn yiprtpn Mn-
dem Kurtosis-Koeffizienten des Eingangssignals χ entspricht.
Der dynamische Bereich und die Genauigkeit des beschriebenen Gerätes wird durch die Spannung K bestimmt,
die über den Stellwiderstand 6 eingestellt wird. Wenn das Verhältnis zwischen Maximalwert und Effektivwert
des Signals χ groß wird, dann kann eine augenment oder dem Kurtosis-Koeffizienten des Eingangssignals
entspricht. Dieses Signal kann auf einem Monitor 10 dargestellt werden. Die Digital-Verarbeitungsstufe
16 kann außerdem Ausgangssignale liefern, die anderen statistischen Momenten, z. B. dem Spitzenwert und der
Standardabweichung entsprechen. Bei einem Versuch, der mit einem Überwachungsge-
rät durchgeführt wurde, das dem oben beschriebenen Gerät glich und welches durchgeführt wurde, um die
Bedingung rollender Berührungslager in einer Prüfmaschine zu überwachen, wurden elektrische Signale in
zwei oder mehreren Frequenzbändern aufeinanderfolgend von einem Beschleunigungsmesser, der am Lagergehäuse
angebracht war, einem Überwachungsgerät zugeführt, um eine Messung des Kurtosis-Koeffizienten
der Signale in jedem Frequenzband zu liefern. Bei unbeschädigten Lagern ergab sich der Kurtosis-Koeffizient
für die Signale in jedem Frequenzband mit einem Wert von etwa 3. Beim Auftreten einer Beschädigung im Lager
stieg der Kurtosis-Koeffizient für die Signale in den unteren Frequenzbändern der Größe nach an, während
der Koeffizient für die Signale in den höheren Frequenzbändern etwa gleich blieb. Mit dem Anwachsen
der Beschädigung in den Lagern verminderte sich der Wert des Koeffizienten für die Signale in den unteren
Frequenzbändern auf etwa 3, während der Wert für Signale in den höheren Frequenzbändern anstieg.
Ein typisches Überwachungsgerät, welches für Werkzeugmaschinen
Anwendung finden kann, weist einen Wandler und eine zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung
auf, und dieser Wandler ist auf der zu überwachenden Maschine angeordnet und über geeignete Verstärker
mit einer Reihe von Bandpaßfiltern verbunden, von denen der Ausgang der in den Zeichnungen dargestellten
Schaltung zugeführt wird. Das System kann mit einer geeigneten Quelle für statistisches Rauschen geeicht
werden.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform wird das Ausgangssignal der Schwellenwertstufe 8 allein als
Anzeige der Bedingung der Maschine benutzt. Wenn das System auf diese Weise benutzt wird, dann kann die
Signalquelle für die Stufe 8 von einer Quadrierstufe 3 oder einer Quadrierstufe 5 oder einer Multiplizierstufe 2
herrühren.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Überwachung der Bedingungen bei Rollberührungslagern
beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch auf anderen Gebieten Anwendung finden, wo es
erforderlich ist, Signale statistisch zu klassifizieren, die einer Gauß'schen Verteilerbedingung entsprechen oder
auch einer Nicht-Gauß'schen Bedingung.
So könnte beispielsweise das vorgeschriebene Gerät benutzt werden, um den Kurtosis-Koeffizienten von Signalen
zu bestimmen, die aus hydrophonen Einrichtungen oder von Wandlern, die auf Bohrplattformen oder
in Rohrleitungen angeordnet sind. Außerdem kann das Gerät benutzt werden, um eine Kavitationsbildung in
einer hydraulischen Anlage anzuzeigen, und um den Beginn einer Beschädigung der Räder einer Maschinenanlage
zu kennzeichnen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur elektronischen Überwachung des Zustandes einer in Betrieb befindlichen Maschine,
wobei elektrische Signale in einem oder mehreren Frequenzbändern erzeugt werden, die repräsentativ
sind für die von der Maschine abgestrahlten Vibrationssignale, dadurch gekennzeichnet,
daß über eine Zeitperiode die Kurtosis-Koeffizienten für die erzeugten Signale (x) bestimmt und diese
Koeffizienten zur Anzeige des Betriebszustandes der Maschine während des Betriebs verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrischen Signale repräsentativ sind für die mechanischen Vibrationen, die durch
Rollberührungslager der Maschine erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurtosis-Koeffizienten gleichzeitig
oder aufeinanderfolgend aus den elektrischen Signalen bestimmt werden, die repräsentativ sind für die
erzeugten Signale in zwei oder mehreren Frequenzbändern.
4. Vorrichtung zur elektronischen Überwachung des Betriebszustandes einer Maschine zur Durchführung
des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Wandler (1), der elektrische Signale
in einem oder mehreren Frequenzbändern liefert, die den von der Maschine abgestrahlten Vibrationssignalen entsprechen, und der eine Auswertestufe
speist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der elektrischen Signale (x) einem Multiplizierer (2) zugeführt
wird, dem ein erster Quadrierer (3) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einerseits über
einen ersten Integrator (4) dem zweiten Eingang des Multiplizierers (2) zugeführt wird, um den normalisierten
Effektivwert (A2X2) der Signale (x) zu erhalten,
und dessen Ausgangssignal andererseits über einen zweiten Quadrierer (5) einem zweiten Integrator
(7) zugeführt wird, der das quadrierte normalisierte Signal zeitlich integriert, um das die Anzeige
bewirkende Ausgangssignal zu liefern, welches proportional dem Kurtosis-Koeffizienten des Signals (x)
ist.
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