DE4023663A1 - Diagnosing mechanical characteristics of machine having rotating parts - detecting damage and/or wear by evaluating vibration signals arising - Google Patents
Diagnosing mechanical characteristics of machine having rotating parts - detecting damage and/or wear by evaluating vibration signals arisingInfo
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- G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften von Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for diagnosing the mechanical properties of machines according to the generic term of claim 1.
Es ist insbesondere aus den Aufsätzen von Leopold, J.: "Wellen risse aus der Sicht des Maschinenversicherers", Seiten 15 bis 17; Mühle, E.-E.; Ziebarth, H.: "Früherkennung von Querrissen an Turbinenwellen durch Schwingungsüberwachung - Theorie und Anwendung", Seiten 76 bis 86; Krämer, E.; Haapala, E.; Paavola, M.: "Field Experiences With Cracked Rotors", Seiten 39 bis 44; Bohnstedt, H. J.: "Früherkennung von Wellenrissen bei Turbosätzen durch Überwachung der Schwingungen", Seiten 8 bis 14 der "Allianz Berichte" Nr. 24, November 1987 bekannt, Schwingungssignale an einer zu diagnostizierenden Maschine zu erfassen und auszuwerten. Die Auswertung wird zwar unter Zu hilfenahme von elektronischen Geräten vorgenommen, jedoch ist zur Erkennung von Schäden bei jeder Messung eine detaillierte Analyse der gemessenen Werte durch geschultes Personal not wendig.It is particularly from the essays by Leopold, J .: "Waves tears from the perspective of the machine insurer ", pages 15 to 17; Mühle, E.-E .; Ziebarth, H .: "Early detection of cross cracks on turbine shafts by vibration monitoring - theory and Application ", pages 76 to 86; Krämer, E .; Haapala, E .; Paavola, M .: "Field Experiences With Cracked Rotors", pages 39 to 44; Bohnstedt, H. J .: "Early detection of wave cracks in Turbo sets by monitoring the vibrations ", pages 8 to 14 of "Allianz Reports" No. 24, November 1987 known Vibration signals on a machine to be diagnosed record and evaluate. The evaluation is under Zu made of electronic devices, however to detect damage with each measurement a detailed Analysis of the measured values by trained personnel agile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfah ren dieser Art so weiterzubilden, daß auf einfache Weise eine automatisierte Überwachung möglich ist.The invention has for its object a known process ren of this kind so that a simple way automated monitoring is possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein eingangs angegebenes Ver fahren die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Vor teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ange geben.To solve this problem, a Ver specified above drive up the features of the characterizing part of claim 1. Before partial further training is in the dependent claims give.
Mit der Erfindung werden in vorteilhafter Weise zwei Kenngrößen für den Maschinenzustand ermittelt, die kontinuierlich oder wechselweise nach Bedarf aufgezeichnet oder beobachtet werden können und aus deren Änderung, beispielsweise eines Amplituden ausschlags über eine vorgegebene Toleranz, der Maschinenzustand direkt abgelesen werden kann. So gibt ein Ausschlag bzw. die Steigung eines Ausschlags in einer bestimmten Zeit beispiels weise den fortschreitenden Riß in einer Welle oder einer Schau fel einer Turbine wieder, und es kann rechtzeitig ein Ausschal ten der Maschine und die Reparatur erfolgen. Durch die Erfin dung wird beispielsweise die Untersuchung der Relation der Ver änderung der Zuwächse der i-ten (i = 0,5; 2; 3) harmonischen Frequenzen der gemessenen Schwingung, beispielsweise zu den Veränderungen der 1. Harmonischen (i = 1), automatisch möglich und zur Erkennung von Wellenrissen oder auch Zahnradverschleiß benutzt. Durch die rechnergestützte Anwendung des erfindungs gemäßen Verfahrens werden Spektralbilder der Wellen- und Kör perschallschwingung der überwachten Maschinen, insbesondere Turbinenwellen und Zahnradgetriebe, gewonnen und auf die ge nannte Art und Weise untersucht. Die 1. Harmonische ist dabei immer die drehfrequente Schwingung oder bei Zahnradgetrieben die Zahneingriffsfrequenz.With the invention, two parameters are advantageously determined for the machine condition, the continuously or alternately recorded or observed as needed can and from their change, for example an amplitude deflection over a predetermined tolerance, the machine condition can be read directly. So there is a rash or Rise of a rash in a certain time, for example point the progressive crack in a wave or a show a turbine again, and it can be struck in time machine and repairs are carried out. By the inventor For example, the investigation of the relation of ver change in the increments of the i-th (i = 0.5; 2; 3) harmonic Frequencies of the measured vibration, for example to the Changes in the 1st harmonic (i = 1), automatically possible and for the detection of shaft cracks or gear wear used. By the computer-aided application of the Invention According to the method, spectral images of the waves and bodies Supersonic vibration of the monitored machines, in particular Turbine shafts and gear drives, won and on the ge named way examined. The 1st harmonic is included always the rotational frequency vibration or with gear drives the meshing frequency.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert, wobeiThe invention is explained with reference to FIGS. 1 to 4, wherein
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Anordnung zur Erfassung und Auswertung von Maschinenschwingungen, Fig. 1 is a basic block diagram of an arrangement for the detection and analysis of machine vibration,
Fig. 2 und 4 Amplitudenspektren der Maschinenschwingungen und Fig. 2 and 4, amplitude spectra of the machine vibration and
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Auswertung der Maschinenschwin gungen darstellen. Fig. 3 represent a flow chart for evaluating the machine vibrations.
Es werden gemäß dem Ausführungsbeispiel zur Auswertung von Ma schinenschwingungen nach der Fig. 1 Körperschallsignale an einem Maschinengehäuse G gemessen und in einer Auswerte einheit A verarbeitet. In einem Transientenrecorder TR der Aus werteeinheit A wird das analoge Körperschallsignal vorgefiltert und digitalisiert, wobei ein Signalprozessor SP eine weitere Bandbegrenzung des Frequenzbandes ausführt und die Frequenz funktion (z. B. durch Fast-Fourier-Transformation (FFT)) be rechnet. Auf der Spektralebene werden dabei die einzelnen harmonischen Frequenzen ausgesucht. Es werden die 1/2 n., n., 2n. bzw. 3n. Harmonische ausgefiltert und nach einer Kenn größengleichung bearbeitet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird die Relation der Veränderung der Zuwächse der i-ten (i = 0,5; 2; 3) harmonischen Frequenzen zu den Veränderungen der 1. Har monischen während der T-Folgemessungen nach der folgenden Kenn größengleichung für die Kenngröße Ri ermittelt:According to the exemplary embodiment for evaluating machine vibrations according to FIG. 1, structure-borne noise signals are measured on a machine housing G and processed in an evaluation unit A. The analog structure-borne sound signal is pre-filtered and digitized in a transient recorder TR of the evaluation unit A, a signal processor SP carrying out a further band limitation of the frequency band and calculating the frequency function (for example by Fast Fourier Transformation (FFT)). The individual harmonic frequencies are selected on the spectral level. The 1/2 n., N., 2n. or 3n. Harmonics filtered out and processed according to a characteristic size equation. As can be seen from FIG. 2, the relation of the change in the increments of the i-th (i = 0.5; 2; 3) harmonic frequencies to the changes in the 1st harmonic during the T-follow-up measurements according to the following characteristic equation for the parameter R i is determined:
Die Größen Ai stellen hier die Amplituden der Harmonischen der Grundfrequenz (i = 1, entspricht A1) zu Zeitpunkten t (z. B. t = 7 für 7 Tage einer Woche) dar. Die Kenngröße Ri gibt die Relation der jeweiligen Amplituden der verschiedenen Harmoni schen (i = 0,5; 2; 3) zur Grundfrequenz (i = 1) über verschie dene Meßzeitpunkte wieder. Gemäß der Fig. 2 bedeuten:The quantities A i here represent the amplitudes of the harmonics of the fundamental frequency (i = 1, corresponds to A 1 ) at times t (eg t = 7 for 7 days of a week). The parameter R i gives the relation of the respective amplitudes of the various harmonics (i = 0.5; 2; 3) to the fundamental frequency (i = 1) over different measurement times. . According to the Figure 2 are:
Ait . . . i-te Harmonische (letzte Messung t)
Ai(t-1) . . . i-te Harmonische (vorletzte Messung (t-1))A it . . . i-th harmonic (last measurement t)
A i (t-1) . . . i-th harmonic (penultimate measurement (t-1))
ΔA0,5 = A0,5t - A0,5(t-1) Zuwachs (Veränderung der 0,5. Harmonischen
ΔA₁ = A1t - A1(t-1) Zuwachs (Veränderung) der 1. Harmonischen
ΔA₂ = A2t - A2(t-1) Zuwachs (Veränderung) der 2. Harmonischen
ΔA₃ = A3t - A3(t-1) Zuwachs (Veränderung) der 3. Harmonischen
ΔAi = Ait - Ai(t-1) ΔAi . . . Zuwachs der i-ten Harmonischen (i = 0,5; 1; 2; 3)ΔA 0.5 = A 0.5t - A 0.5 (t-1) increase (change in the 0.5th harmonic
ΔA₁ = A 1t - A 1 (t-1) increase (change) in the 1st harmonic
ΔA₂ = A 2t - A 2 (t-1) increase (change) in the 2nd harmonic
ΔA₃ = A 3t - A 3 (t-1) increase (change) in the 3rd harmonic
ΔA i = A it - A i (t-1) ΔA i . . . Increase in the i-th harmonic (i = 0.5; 1; 2; 3)
So besteht gemäß der Erfindung die Möglichkeit festzustel len, welche Harmonische in einem vorgegebenen Zeitabschnitt schneller gewachsen ist, um daraufhin sich anbahnende Schäden (z. B. Wellenriß oder Zahnradverschleiß) im Frühstadium ent decken zu können. In der Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines Computerprogramms zur Durchführung der Kenngrößenermittlung dargestellt, dessen Anwendung an drei Fällen, nämlich der Wellenrißfrüherkennung, der Zahnradverschleißerkennung und der Erkennung von Schäden an Schaufeln, beispielsweise einer Tur bine, gezeigt wird.Thus, according to the invention, there is the possibility of determining which harmonic has grown faster in a given period of time, in order to then be able to discover impending damage (e.g. shaft crack or gear wear) in the early stage. In Fig. 3, a flowchart of a computer program for performing the parameter determination is shown, the application of which is shown in three cases, namely the early wave crack detection, gear wear detection and the detection of damage to blades, for example a turbine.
Die ausgerechneten Kenngrößen Ri werden in Abhängigkeit von der Zeit, also im Trend, beobachtet. In die Abschlußaussage werden dabei auch Prozeßparameter einbezogen, die hier nicht näher er örtert sind.The calculated parameters R i are observed as a function of time, ie in the trend. Process parameters that are not discussed here are also included in the final statement.
Der Wellenriß in einer rotierenden Maschine, z. B. einer Tur bine, stellt ein hohes Gefährdungspotential für die gesamte Maschine dar. Aufgrund von Betriebserfahrungen können die Aus wirkung der Entstehung und Ausbreitung von Wellenrissen auf das Schwingungsverhalten der betroffenen Maschine abgeschätzt wer den. Ein Querriß in der Welle hat beispielsweise zur Folge, daß durch die periodische Änderung des Wellendurchhangs zusätzlich sowohl drehfrequente (i = 1) als auch doppelte und dreifache drehfrequente Schwingungen (i = 2; i = 3) angeregt werden, wobei das Verhältnis der Anteile von der Rißform und -tiefe abhängt. Bei konstanten Betriebsverhältnissen können über mehrere Tage hinweg progressiv ansteigende Amplituden A der Wellenschwingungen auf einen fortschreitenden Riß hindeuten. Da sich die durch den Riß angeregten Schwingungen und die schon vorher vorhandenen Unwuchtschwingungen überlagern, kann die Amplitude A stellenweise zunächst auch abnehmen. Nach Erreichen einer bestimmten Rißtiefe steigt jedoch auch hier die Amplitude A wieder an. Die theoretischen Untersuchungen hinsichtlich des Schwingungsverhaltens bestätigen hier die Betriebserfahrungen. Weist die Welle einen Riß auf, erzeugt schon allein das Eigen gewicht eine Bahn in der Wellenmitte, die bei Annahme des üb lichen Rißmodells aus Harmonischen der Frequenz n, 2n und 3n besteht. Man mißt, beispielsweise horizontal oder vertikal, in Radialrichtung der Welle Ausschläge, die aus einer n-, 2n- und 3n-fachen Schwingung bestehen.The wave crack in a rotating machine, e.g. B. a door bine, represents a high hazard for the whole Machine represents. Due to operational experience, the off effect of the emergence and spread of wave cracks on the Vibration behavior of the affected machine is estimated the. A transverse crack in the shaft has the consequence, for example, that due to the periodic change in the wave sag both rotational frequencies (i = 1) as well as double and triple rotational frequency vibrations (i = 2; i = 3) are excited, where the ratio of the proportions of the crack shape and depth depends. With constant operating conditions can over amplitudes A der progressively increasing for several days Wave vibrations indicate a progressive crack. There the vibrations excited by the crack and those already can overlay existing unbalance vibrations Decrease amplitude A in places at first. After reaching However, the amplitude increases here at a certain crack depth A again. The theoretical studies regarding the Vibration behavior confirm the operating experience here. If the wave has a crack, it creates its own weight a path in the middle of the shaft union model from harmonics of frequency n, 2n and 3n consists. One measures, for example horizontally or vertically, in Radial direction of the wave deflections that consist of an n, 2n and 3n-fold vibration exist.
Fig. 4 zeigt das typische Erscheinungsbild eines über den Um fang gleichmäßigen Verschleißes eines Zahnrades eines Zahnrad getriebes. Dargestellt sind die Komponente K1 mit der Zahn eingriffsfrequenz (Drehzahl × Zähnezahl) und ihre Harmonischen K2 und K3 für den einwandfreien Zustand als durchgezogene Linie und bei verschlissenem Zahnrad als gestrichelte Linie. Der Ver schleiß bewirkt ein Ansteigen aller dieser Pegel; typisch ist jedoch, daß die harmonischen Komponenten K2 und K3 der Zahn eingriffsfrequenz K1 stärker wachsen als die Grundkomponente K1 selbst. Hierbei kann davon ausgegangen werden, daß erhöhter Verschleiß sehr oft zuerst an der zweiten bzw. dritten harmoni schen Komponente K2, K1 der Zahneingriffsfrequenz zu sehen ist. Fig. 4 shows the typical appearance of an order over the uniform wear of a gear of a gear transmission. The component K 1 is shown with the tooth meshing frequency (speed × number of teeth) and its harmonics K 2 and K 3 for the perfect condition as a solid line and with a worn gear as a broken line. The wear causes all these levels to rise; it is typical, however, that the harmonic components K 2 and K 3 of the meshing frequency K 1 grow faster than the basic component K 1 itself. It can be assumed that increased wear very often first on the second or third harmonic component K 2 , K 1 of the meshing frequency can be seen.
Die in der Auswerteeinheit A gemäß Fig. 1 durchgeführte Signalanalyse der an einer Turbine gemessenen Schwingungen be steht aus folgenden Stufen:The signal analysis carried out in the evaluation unit A according to FIG. 1 of the vibrations measured on a turbine consists of the following stages:
- 1) Berechnung des Laufschaufeldrehklangs entsprechend Grund frequenz f1, multipliziert mit der Zahl der Laufschaufeln, und des Leitschaufeldrehklangs entsprechend Grundfrequenz f1, multipliziert mit der Zahl der Leitschaufeln.1) Calculation of the rotating blade sound according to the basic frequency f 1 , multiplied by the number of moving blades, and of the rotating vane sound according to the basic frequency f 1 , multiplied by the number of the guide blades.
-
2) Es wird die Relation der Veränderung des Laufschaufel
drehklangs mit der Amplitude A2 bzw. des Leitschaufeldreh
klangs mit der Amplitude A3 zu den Veränderungen der dreh
frequenten Amplitude A1 während der T-Folgemessungen nach
der Kenngrößengleichung (1) untersucht:
wobei hierAit = Amplitude des Laufschaufeldrehklangs (i = 2)
(Drehfrequenz × Schaufeln) bzw. des Leitschaufeldrehklangs
(i = 3) im Meßzeitpunkt t),
A₁ = drehfrequente Amplitude,
T = folgende Messung (folgende Zeitabschnitte, z. B. Tage)darstellen
Wenn die Relation Ri < 1 ist, dann wächst die i-te Amplitude Ai schneller als die drehfrequente Amplitude A1 und ermög licht daher eine Aussage über Schäden an den Leit- und/oder Laufschaufeln.2) The relationship of the change in the rotating blade sound with the amplitude A 2 or the rotating vane sound with the amplitude A 3 to the changes in the rotary frequency amplitude A 1 during the T-follow-up measurements according to the characteristic equation (1) is examined: whereA it = amplitude of the blade rotation sound (i = 2) (rotational frequency × blades) or the guide blade rotation sound (i = 3) at the measurement time t),
A₁ = rotational frequency amplitude,
T = represent the following measurement (following time periods, e.g. days)
If the relation R i <1, then the i-th amplitude A i grows faster than the rotational frequency amplitude A 1 and therefore enables a statement to be made about damage to the guide vanes and / or rotor blades. - 3) Zusätzlich wird bei der Signalanalyse an Schaufeln, bei spielsweise einer Turbine, auch die Phase des Schaufel drehklangs untersucht, um eine verläßliche Aussage über Schäden zu erhalten. Es wird die Veränderung der Phase ϕ2 des Laufschaufeldrehklangs bzw. der Phase des Leitschaufel drehklangs während der Folgemessungen zu der ersten Messung nach der folgenden Gleichung untersucht: wobei hierϕi = Phase des Laufschaufeldrehklangs (bei i = 2) bzw. Phase des Leitschaufeldrehklangs (i = 3)darstellt.3) In addition, when analyzing the signals on blades, for example in a turbine, the phase of the blade's rotary sound is also examined in order to obtain reliable information about damage. The change in phase ϕ 2 of the rotating blade or the phase of the rotating blade during the follow-up measurements to the first measurement is investigated according to the following equation: where here represents i = phase of the rotating blade sound (at i = 2) or phase of the rotating blade sound (i = 3).
Wenn die Relation Fi < 1 ist, dann ist ein Phasenzuwachs und somit ein Turbinenschaden zu verzeichnen. If the relation F i <1, then there is an increase in phase and thus turbine damage.
Die Analyse der Veränderungen der Parameter Ri und Fi er leichtert die Fehlersuche bei Leitschaufeln und Laufschaufeln in Turbomaschinen.The analysis of the changes in the parameters R i and F i facilitates troubleshooting for guide vanes and rotor blades in turbomachinery.
Die Erfindung ist vor allem bei der automatisierten Überwachung von Maschinen mit rotierenden Teilen, beispielsweise in Kraft werken, anwendbar.The invention is particularly useful in automated surveillance of machines with rotating parts, for example in force works, applicable.
Claims (5)
- - bei dem von den rotierenden Bauteilen verursachte Schwin gungssignale erfaßt und ausgewertet werden,
- - The vibration signals caused by the rotating components are detected and evaluated,
- - zur Erkennung von Schäden und/oder Verschleiß an den rotie renden Bauteilen die Schwingungssignale an der Maschine ge messen werden, in einem Transientenrecorder (TR) vorgefiltert und digitalisiert werden und durch eine Frequenztransforma tion im Frequenzbereich ausgewertet werden, wobei
- - jeweils mindestens eine Kenngröße (Ri, Fi) ermittelt wird, die die Relation der Werte einer harmonischen Frequenz (i = 0,5; 2; 3) zur Grundfrequenz (i = 1) über eine vor gegebene Zeitspanne (T) darstellt.
- - To detect damage and / or wear on the rotating components, the vibration signals on the machine are measured, pre-filtered and digitized in a transient recorder (TR) and evaluated by a frequency transformation in the frequency range, whereby
- - In each case at least one parameter (R i , F i ) is determined, which represents the relationship of the values of a harmonic frequency (i = 0.5; 2; 3) to the fundamental frequency (i = 1) over a given period of time (T) .
- - die Kenngröße (Ri) zur Ermittlung von Schäden an Wellen
und/oder Zahnrädern nach folgender Gleichung ermittelt wird:
wobei
Ai = die Amplituden der Harmonischen,
t = die Anzahl der Meßzeitpunkte,
T = das Meßintervall und
Ri = die Kenngröße
darstellen.
- - The parameter (R i ) for determining damage to shafts and / or gears is determined according to the following equation: in which
A i = the amplitudes of the harmonics,
t = the number of measuring times,
T = the measuring interval and
R i = the parameter
represent.
- - zur Auswertung der gemessenen Signale an Schaufeln, insbe
sondere bei Turbinen, zusätzlich die weitere Kenngröße (Fi)
nach folgender Gleichung ermittelt wird:
wobeiϕi = Phase des Laufschaufeldrehklangs (bei i = 2) bzw.
Phase des Leitschaufeldrehklangs (i = 3) und
Fi = die Relation der Phasen der Harmonischendarstellen.
- - In order to evaluate the measured signals on blades, in particular in the case of turbines, the further parameter (F i ) is also determined using the following equation: whereϕ i = phase of the rotating vane sound (at i = 2) or phase of the vane rotating sound (i = 3) and
F i = the relation of the phases of the harmonics.
- - Körperschallsignale als Schwingsignale an der Maschine erfaßt werden.
- - Structure-borne noise signals are recorded as vibration signals on the machine.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP89114118 | 1989-07-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4023663A1 true DE4023663A1 (en) | 1991-02-07 |
| DE4023663C2 DE4023663C2 (en) | 1996-02-01 |
Family
ID=8201700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19904023663 Expired - Lifetime DE4023663C2 (en) | 1989-07-31 | 1990-07-25 | Method for diagnosing the mechanical properties of a machine that has rotating components |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4023663C2 (en) |
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Also Published As
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|---|---|
| DE4023663C2 (en) | 1996-02-01 |
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