DE4023663C2 - Method for diagnosing the mechanical properties of a machine that has rotating components - Google Patents

Method for diagnosing the mechanical properties of a machine that has rotating components

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DE4023663C2 DE19904023663 DE4023663A DE4023663C2 DE 4023663 C2 DE4023663 C2 DE 4023663C2 DE 19904023663 DE19904023663 DE 19904023663 DE 4023663 A DE4023663 A DE 4023663A DE 4023663 C2 DE4023663 C2 DE 4023663C2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften von Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der US- Patentschrift 43 80 172 bekannt, in der angegeben ist, den Betriebszustand der Maschine gezielt vorübergehend zu verän­ dern und die dadurch auftretende Veränderung des Frequenz­ spektrums der Schwingungen der Maschine als Indikator für ei­ nen Schaden zu verwenden.The invention relates to a method for diagnosing the mechanical properties of machines according to the generic term of claim 1. Such a method is known from the US Patent 43 80 172 is known, in which is indicated To temporarily change the operating status of the machine and the resulting change in frequency spectrum of machine vibrations as an indicator of egg to use any damage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Verfahren so weiterzubilden, daß die automatisierte Überwachung auf einfache Weise mit Hilfe einer Kenngröße möglich ist.The invention has for its object in the preamble of the method specified in claim 1 so that automated monitoring in a simple manner using a parameter is possible.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnah­ men gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind in dem Unteranspruch ange­ geben.This task is with the measure specified in claim 1 men solved. Before  partial further developments are indicated in the subclaim give.

Die 1. Harmonische ist immer die drehfrequente Schwingung oder bei Zahnradgetrieben die Zahneingriffsfrequenz.The 1st harmonic is 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 1/2te, 1.te, 2.te, 3.te. Harmonische ausgefiltert und nach der 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 1st / 2nd, 1st, 2nd, 3rd. Harmonics filtered out and processed according to the 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 characteristic variable 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 (for example 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 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.It is thus possible to determine which harmonic has grown faster in a given period of time, in order to be able to discover impending damage (e.g. shaft break or gear wear) in the early stages. In Fig. 3, a flow chart of a computer program for performing the parameter determination is shown, the application of which is shown in three cases, namely the 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.

Anwendung: Schäden an Leit- oder Laufschaufeln beispielsweise einer TurbineApplication: Damage to guide or rotor blades, for example a turbine

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 rotational frequency amplitude A 1 during the T-follow-up measurements according to the parameter 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 time of measurement 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 makes it possible to make a statement about damage to the guide and / or moving 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 signal on blades, for example 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 a phase increase and thus a 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.

Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial applicability

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 (3)

1. Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften ei­ ner Maschine, die rotierende Bauteile aufweist, bei dem zur Erkennung von Schäden und/oder Verschleiß an den rotierenden Bauteilen die von diesen verursachten Schwingungen als Schwingungssignale an der Maschine erfaßt werden, die vorge­ filtert und digitalisiert werden und nach einer Frequenz­ transformation im Frequenzbereich aufgrund der Amplituden der Grundfrequenz und von Harmonischen ausgewertet werden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorfilterung und die Digitalisierung in einem Transientenrecorder vorgenommen wer­ den und daß eine erste Kenngröße Ri nach folgender Gleichung ermittelt wird: wobeiA1t die Amplitude der Grundfrequenz und
Ait die Amplitude der i-ten (0,5-ten, zweiten, dritten) Harmonischen bei der Messung t ist,
A1(t-1) und
Ai(t-1) die Amplituden der Grundfrequenz und der i-ten Harmonischen bei der Messung (t-1) sind und
T die Anzahl der auf die erste Messung folgenden Messungen ist.
1. A method for diagnosing the mechanical properties of a machine having rotating components, in which the vibrations caused by these are detected as vibration signals on the machine in order to detect damage and / or wear on the rotating components, which are pre-filtered and digitized and after a frequency transformation in the frequency domain can be evaluated on the basis of the amplitudes of the fundamental frequency and of harmonics, characterized in that the pre-filtering and digitization are carried out in a transient recorder and that a first parameter R i is determined using the following equation: where A 1t is the amplitude of the fundamental frequency and
A it is the amplitude of the i-th (0.5th, second, third) harmonics in the measurement t,
A 1 (t-1) and
A i (t-1) are the amplitudes of the fundamental frequency and the i-th harmonic in the measurement (t-1) and
T is the number of measurements following the first measurement.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Auswertung der erfaßten Schwingungssignale an Schaufeln, insbesondere an Turbinen, zusätzlich eine zweite Kenngröße Fi nach folgender Gleichung ermittelt wird: wobeiϕit und
ϕi(t-1) die Phase des Laufschaufeldrehklangs (bei i = 2) bzw. Phase des Leitschaufeldrehklangs (i = 3) bei den Messungen t und t-1
darstellen.
2. The method according to claim 1, characterized in that for evaluating the detected vibration signals on blades, in particular on turbines, a second parameter F i is additionally determined according to the following equation: whereinϕ it and
ϕ i (t-1) the phase of the rotating vane sound (if i = 2) or the phase of the vane rotating sound (i = 3) for measurements t and t-1
represent.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schwingungssignale Körperschallsignale erfaßt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that structure-borne noise signals as vibration signals be recorded.
DE19904023663 1989-07-31 1990-07-25 Method for diagnosing the mechanical properties of a machine that has rotating components Expired - Lifetime DE4023663C2 (en)

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