DE3314005C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der GB-PS 13 67 773 bekannt.

Einsatzmöglichkeiten bestehen in der gesamten Maschinenbautechnik, insbesondere an Rotor-Lager-Systemen, Kolben- Zylinder-Baugruppen und an Zahnradpaarungen. Verfahren und Vorrichtung gestatten bei Gewährleistung hoher Sicherheit und Verfügbarkeit die volle Ausschöpfung von Abnutzungsreserven, wobei die Forderungen der Technischen Diagnostik, nämlich Beurteilung des Schädigungszustandes ohne Demontage und während des Betriebes, erfüllt werden.

Es gibt weltweite Bestrebungen, für die Technische Diagnostik an kinematischen Paarungen ein einfach handhabbares, tragbares, mit Speichermöglichkeiten ausgestattetes, objektiv bewertendes Gerät zu entwickeln.

Eine Lösung dazu stellt die GB-PS 13 67 773 dar. Wie üblich formt ein Schwingungsaufnehmer die Maschinenschwingungen in ein entsprechendes elektrisches Signal um. Aus diesem werden zwei weitere Signale gewonnen, wobei das erste Signal dem Spitzenwert des elektrischen Signals und das zweite dem Effektivwert oder dem Mittelwert des gleichgerichteten, elektrischen Signals entspricht. Anschließend wird der Quotient aus dem ersten und dem zweiten Signal gebildet und das Ergebnis angezeigt.

Die in der Lösung weiterhin beschriebenen Ausgestaltungen, wie beispielsweise die Filterung des Signals des Schwingungsaufnehmers durch ein Bandpaßglied oder die Einfügung eines Netzwerkes mit einer im Vergleich zur Periodendauer der Walzenumdrehungen großen Zeitkonstante, dienen offensichtlich der wünschenswerten Steigerung der Austragsfähigkeit der Diagnose. Dagegen besteht die Aufgabe der eigenen Lösung darin, durch eine für die vorliegende Anwendung neuartige Verknüpfung von Effektiv- und Spitzenwert der Schwingung sowie einer zeitbezogenen Auswertung der Verknüpfung ohne zusätzliche Maßnahmen die Qualität der diagnostischen Aussage gegenüber bisher bekannten Vorrichtungen oder Verfahren so zu steigern, daß eine bedeutende Erhöhung der Verfügbarkeit technischer Anlagen erreicht wird.

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung an, die es ermöglichen, ohne Kenntnis von Betriebsparametern und konstruktiven Daten eine Meßwertverarbeitung derart vorzunehmen, daß eine Größe gebildet wird, die unter Wegfall bisher notwendiger Weiterverarbeitung ein eindeutiges Maß für den aktuellen Schädigungszustand gibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst,

• - daß die erste Signalkenngröße y₁ als Produkt aus Effektivwert und Spitzenwert der Schwingung gebildet und gespeichert wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt das Produkt aus Effektivwert und Spitzenwert der Schwingung als aktuelle Signalkenngröße (y₂) gebildet wird und daß der Quotient (y₁/y₂) aus der gespeicherten ersten Signalkenngröße (y₁) und der aktuellen Signalkenngröße (y₂) den Diagnosekennwert K(t) für die Schadensdiagnose darstellt,

und sie wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 dadurch gelöst,

• - daß die Stufe zur Signalverknüpfung als ein Multiplizierer ausgebildet ist, daß der Ausgang des Multiplizierers zu einem Eingang eines Dividierers führt, daß ein zweiter Eingang des Dividierers mit dem Ausgang eines Speichers verbunden ist, daß im Ausgangszustand der Maschinenelemente der Ausgang des Multiplizierers mit dem Eingang des Speichers für die Dauer des ersten Meßvorganges verbunden ist, daß dem Dividierer die im Speicher abgelegte erste Signalkenngröße (y₁) sowie vom Multiplizierer die aktuelle Signalkenngröße (y₂) zugeführt werden und daß der Dividierer aus der gespeicherten ersten Signalkenngröße (y₁) und der aktuellen Signalkenngröße (y₂) den Quotienten (y₁/(y₂) bildet.

Zur Schwingungsmessung dienen die emittierten Körperschallsignale. Die Messung kann im gesamten Frequenzspektrum oder in Teilbereichen erfolgen. Die mathematische Formulierung des auf diesem Weg gefundenen Diagnosekennwertes K(t), der den Zustand kinematischer Paarungen zum interessierenden Zeitpunkt t wiedergibt, lautet demnach

Dabei stellt den Effektivwert und den Spitzenwert des bewertenden Körperschallsignales dar.

In Einzelversuchen konnte die Korrelation dieses Kennwertes zum Zustand der Baugruppen unter verschiedensten Beanspruchungsbedingungen nachgewiesen werden. Dabei zeigten sich die überraschenden Effekte, daß gerade der Bezug auf den Ausgangszustand die Beanspruchungsbedingungen und die Multiplikation des Effektivwertes mit dem Spitzenwert den Signalcharakter für bestimmte Schädigungskategorien berücksichtigt. Entsprechend der Beziehung für den Diagnosewert K(t) ergibt sich für den Ausgangszustand (Nenner und Zähler sind gleichgroß) der Wert 1. Veränderungen des Ausgangszustandes führen zu einem Diagnosekennwert K(t)≠1. Dividiert man den Ausgangszustand durch den Istzustand, erhält man den möglichen Wertebereich für die Charakteristik des Schädigungszustandes einer kinematischen Paarung zu 0<K(t)1.

Damit ergibt sich erfindungsgemäß die Möglichkeit, den ermittelten Diagnosekennwert K(t) mit entsprechenden fest vorgegebenen und maschinentypischen Werten zu vergleichen und beispielsweise Grenzwerte entsprechend den Aussagen "Zustand gut", "noch brauchbar", "Reparatur nötig" usw. vorzugeben.

Das beschriebene Verfahren kann durch die unterschiedlichsten Anordnungen, z. B. analoge oder digitale Rechenschaltungen, realisiert werden.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1: Die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen und

Fig. 2: Ein für die Praxis geeignetes Ausführungsbeispiel zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen.

In Fig. 1 werden die von einem Körperschallaufnehmer 1, der an geeigneter Stelle am Meßobjekt angekoppelt ist, aufgenommenen mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umgeformt und über einen Impedanzwandler und Verstärker 2 an die Eingänge eines Effektivwertmessers 3 und einen Spitzenwertmessers 4 geführt. Dabei dient der Impedanzwandler und Verstärker 2 sowohl zur Verstärkung als auch zur Anpassung der den Bauteilschwingungen proportionalen elektrischen Signale an die nachfolgende Meßanordnung. Die Ausgänge von Effektivwertmesser 3 und von Spitzenwertmesser 4 sind mit den Eingängen Multiplizerers 5 verbunden, in dem beide Ausgangsgrößen miteinander multipliziert werden.

Bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage wird der Ausgang des Multiplizierers 5 mit dem Speicher 8 verbunden. Somit wird die bei Inbetriebnahme vom Multiplizierer gebildete erste Signalkenngröße y₁ im Speicher 8 abgelegt. Danach werden Multiplizierer 5 und Speicher 8 getrennt. Ihre Ausgänge führen zu den Eingängen des Dividierers 6. Aus der zu einem interessierenden späteren Zeitpunkt vom Multiplizierer 5 gebildeten aktuellen Signalkenngröße y₂ und der ersten Signalkenngröße y₁ aus dem Speicher 8 ermittelt der Dividierer 6 den Quotienten y₁/y₂, der den gesuchten Diagnosekennwert zum Zeitpunkt tK(t) darstellt. Dieser kann direkt angezeigt werden oder ggf. in einer dem Dividierer 6 nachgeordneten Bewertungslogik 7 mit vorgegebenen Werten verglichen werden, wobei Bereiche festgelegt sind, die bestimmten Schädigungszuständen der betreffenden kinematischen Paarung entsprechen. Dabei kann die Bewertungslogik aus einer entsprechenden Anzahl von Schwellwertschaltern bestehen.

In Fig. 2 findet man - analog zu Fig. 1 - die Baugruppen Körperschallaufnehmer 1 sowie Impendanzwandler und Verstärker 2, dessen Ausgang zu einem steuerbaren Spannungsteiler 9 führt. Über eine Regelschleife wird die Ausgangsspannung dieses Spannungsteilers normiert. An den Ausgängen des Effektivwertmessers 3 bzw. des Spitzenwertmessers 4 liegen die der Eingangswechselspannung proportionalen Effektiv- bzw. Spitzenwerte an. Mit dem elektronischen Umschalter 10 können diese Werte wahlweise an den Analog-Digital-Umsetzer 12 angeschaltet werden. Der jeweilige, in eine BCD-Information umgewandelte Wert wird in einem Zwischenspeicher 13 abgespeichert. Bei Überlauf des Analog-Digital-Umsetzers 12 wird der steuerbare Spannungsteiler 9 über den Zähler 11 eine Stelle weitergeschaltet. Damit ist gewährleistet, daß die Ausgangsinformation des Analog-Digital-Umsetzers 12 immer die größtmögliche Genauigkeit aufweist. Gemeinsam mit der Position des Zählers 11 kann der Ausgangswert des Analog-Digital- Umsetzers 12 über den Dekoder 16 und die numerische Anzeige 18 ausgegeben werden. Bei der Ermittlung des Ausgangswertes besteht die Möglichkeit, die Ausgangsgröße des Analog-Digital- Umsetzers 12 im Zwischenspeicher 13 abzuspeichern und später auf einen externen Speicher zu übertragen.

Die in den Zwischenspeichern 13 und 14 enthaltene aktuelle Signalkenngröße y₂ sowie die erste Signalkenngröße y₁ werden in dem für diesen Zweck modifizierten Mikrorechner 15 so verarbeitet, daß im Ergebnis der obengenannte Diagnosekennwert K(t) erscheint. Dieser Diagnosekennwert kann im Zwischenspeicher 14 abgelegt werden. Die numerische Ausgabe erfolgt über den Dekoder 16 und die numerische Anzeige 18. Eine automatische Bewertung der Ausgangsgröße des Mikrorechners 15 wird nach einer Umsetzung im Digital-Analog-Umsetzer 17 mit dem Mehrfachkomperator 19 vorgenommen. Über die Eingabetastatur 20 lassen sich beispielsweise maschinentypische Daten eingeben. Mit geeigneten Anzeigeorganen erfolgt die Darstellung der entsprechenden Schädigungsbereiche.

Durch die Arbeit der Eingabe des Ausgangswertes wird das Betriebsregime der Meßanordnung festgelegt. Prinzipiell sind drei Betriebsarten möglich:

1. Betriebsart:

Messung des Ausgangszustandes nach Neueinbau der Paarung, automatische Korrektur des Diagnosekennwertes während der Einlaufphase.

2. Betriebsart:

Eingabe des Effektivwertes über die Tastatur, automatische Berechnung des Spitzenwertes.

3. Betriebsart:

Eingabe eines maximal zulässigen Effektivwertes in den Festwertspeicher des Mikrorechners 15 und ebenfalls automatische Berechnung des Spitzenwertes.

Mit den Betriebsarten 2 und 3 ist mit der Vorrichtung die Feststellung unzulässiger Zustände durch die Fehler in der Fertigung, Montage bzw. Betriebsweise möglich. Durch die Erfindung wird folgende technische Fortschrittlichkeit erreicht:

• 1. Die Auswertung des Effektiv- und Spitzenwertes mit Hilfe des Diagnosekennwertes K(t) ermöglicht eine objektive Aussage über den Schädigungszustand einer kinematischen Paarung.
• 2. Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht mit relativ geringem meßtechnischen Aufwand eine exakte Schadensdiagnose.
• 3. Die Vorrichtung ist universell an kinematischen Paarungen im gesamten Maschinenbau einsetzbar.
• 4. Die Vorrichtung kann in ihrer gerätetechnischen Realisierung unterschiedlichen Ansprüchen (Handhabbarkeit, Automatisierungsgrad, Qualifikation des Anwenderpersonals) gerecht werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen, bei dem Effektivwert und Spitzenwert einer Schwingung erfaßt und zu einer ersten Signalkenngröße miteinander verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalkenngröße (y₁) als Produkt aus Effektivwert und Spitzenkennwert der Schwingung gebildet und gespeichert wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt das Produkt aus Effektivwert und Spitzenwert der Schwingung als aktuelle Signalkenngröße (y₂) gebildet wird und daß der Quotient (y₁/y₂) aus der gespeicherten ersten Signalkenngröße (y₁) und der aktuellen Signalkenngröße (y₂) den Diagnosekennwert K(t) für die Schadensdiagnose darstellt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen, wobei ein an einem zugänglichen Teil der Maschinenelemente angeordneter Schwingungsaufnehmer mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, dessen Ausgangssignal sowohl einem Effektivwertmesser als auch einem Spitzenwertmesser zugeführt wird, deren Ausgänge mit dem Eingang einer Stufe zur Signalverknüpfung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe zur Signalverknüpfung als ein Multiplizierer (5) ausgebildet ist, daß der Ausgang des Multiplizierers (5) zu einem Eingang eines Dividierers (6) führt, daß ein zweiter Eingang des Dividierers (6) mit dem Ausgang eines Speichers (8) verbunden ist, daß im Ausgangszustand der Maschinenelemente der Ausgang des Multiplizierers (5) mit dem Eingang des Speichers (8) für die Dauer des ersten Meßvorganges verbunden ist, daß dem Dividierer (6) die im Speicher (8) abgelegte erste Signalkenngröße (y₁) sowie vom Multiplizierer (5) die aktuelle Signalkenngröße (y₂) zugeführt werden und daß der Dividierer (6) aus der gespeicherten ersten Signalkenngröße (y₁) und der aktuellen Signalkenngröße (y₂) den Quotienten (y₁/y₂) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Zustandsbestimmung von Maschinenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Dividierers (6) mit einer Bewertungslogik (7) verbunden ist, die den Quotienten (y₁/y₂) diskreten, zustandsbezogenen Bereichen zuordnet.