DE2610551C2

DE2610551C2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Überwachung einer im Betrieb befindlichen Maschine

Info

Publication number: DE2610551C2
Application number: DE2610551A
Authority: DE
Inventors: David Dyer; Trevor Hedley Southampton Hampshire Wilmshurst
Original assignee: BRITISH STEEL CORP LONDON; British Steel Corp
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-12
Publication date: 1986-10-09
Also published as: AU1170676A; BE839555A; FR2331097B1; NL7602652A; CA1079390A; SE7602948L; ZA761274B; DE2610551A1; IT1057732B; SE418228B; JPS51117089A; AU499720B2; FR2331097A1; US4089055A

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.

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 norniEHsi^pr*^pn yi^prtpn 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

Patentansprüche:

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.