DE4028559A1 - Detecting origin of slide bearing defects - by filtering, amplifying, frequency selection and differential quotient formation of sound emission signals - Google Patents

Detecting origin of slide bearing defects - by filtering, amplifying, frequency selection and differential quotient formation of sound emission signals

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Abstract

A method of detecting the origins of slide bearing defects involves detecting sound emissions form the bearings, converting them into electrical signals, filtering and amplifying them and processing them into a sound emission parameter. The parameter is fed into a frequency selective monitoring unit controlled by the frequency of rotation of the shaft. It is processed into a diagnostic characteristic number in the form of a differential quotient relating the amplitudes of the single, double and one-and-a-half multiple components of the rotation frequency. USE/ADVANTAGE - The method enables delay-free, fully automated defect origin location in slide bearings.

Description

Verfahren und Anordnung zur Ursachenerkennung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern finden Anwendung bei Gleitlagerungen, insbesondere von Turbinen, Pumpen, Elektromotoren und Verbrennungskraftmaschinen.Method and arrangement for the cause detection of ghosting in plain bearings are used Sliding bearings, in particular of turbines, pumps, electric motors and internal combustion engines.

Die Erfindung soll die Ursachen von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern verzögerungsfrei erkennen, um die betreffende Maschine vorbeugend außer Betrieb zu nehmen.The invention is intended to explain the causes of grazing recognize in slide bearings without delay to the relevant Preventively shut down the machine.

Rotoren großer Turbomaschinen und Pumpen werden ausnahmslos durch Gleitlager im Gehäuse geführt. Elektromotoren und Verbrennungskraftmaschinen großer Leistung besitzen Gleitlager. Für spezielle Abdichtungsaufgaben zwischen Rotor und Gehäuse werden ebenfalls Gleitpaarungen, z. B. Gleitringdichtungen eingesetzt. Diese Lagerungen haben große Belastungen aufzunehmen und werden bei hohen Drehzahlen beschrieben. Sie bestimmen deshalb maßgeblich die Zuverlässigkeit der Aggregate. Der Überwachung solcher Gleitlager wird deshalb größte Aufmerksamkeit geschenkt.Rotors of large turbomachinery and pumps are invariably guided by plain bearings in the housing. Electric motors and internal combustion engines of great power own plain bearings. For special sealing tasks between rotor and housing are also Gleitpaarungen, z. B. used mechanical seals. These bearings have great loads to absorb and are described at high speeds. you decide therefore the reliability of the aggregates. The monitoring of such plain bearings is therefore the largest Paid attention.

Die betriebliche Praxis zeigt aber, daß vor allem geringfügige, beginnende Veränderungen in der Lagerung infolge Abnutzung (Verschleiß, Ermüdung), Überbeanspruchung (Unwucht), Unregelmäßigkeiten in der Schmierung (Temperatur, Menge, Verschmutzung), thermische Einwirkungen auf die geometrische Lage der in der Regel mehrfach abgestützten Rotoren noch immer unzureichend diagnostiziert werden (Sturm; Uhlemann: Maschinenbautechnik, Berlin 34 (1985) 3, S. 129-130, 132).However, operational practice shows that, in particular, minor, incipient changes in storage due to Wear (wear, fatigue), overuse (Imbalance), irregularities in lubrication (temperature, Amount, pollution), thermal effects the geometric position of the usually multiple supported Rotors still underdiagnosed (Sturm: Uhlemann: Maschinenbautechnik, Berlin 34 (1985) 3, pp. 129-130, 132).

Reibungszustandsänderungen von hydrodynamischer Flüssigkeitsreibung in Mischreibung können mit Hilfe der Schallemissionsanalyse verzögerungsfrei erfaßt werden.Friction state changes of hydrodynamic fluid friction in mixed friction can with the help of acoustic emission analysis be detected without delay.

Bekannt sind Verfahren und Anordnung zur Maschinenelementezustandsbestimmung (DD-PS 2 48 036) sowie Nachweisverfahren für Partikel im Schmierspalt von Gleitlagern (DD-PS 2 80 263). Diese Verfahren verwenden die Impulsdichte als Diagnoseparameter und erfordern die Einstellung eines Diskriminatorpegels zur Trennung von Stör- und Nutzsignalen. Durch Analyse im Zeit-, Frequenz- und Wahrscheinlichkeitsbereich sollen Frequenz und Amplitude 5 periodischer Veränderungen der Impulsdichte als Maß für den Schädigungszustand ermittelt werden. Das Ergebnis der Signalanalyse ist jedoch vom eingestellten Diskriminatorpegel abhängig, so daß quantitativ falsche Aussagen entstehen.Are known method and arrangement for Maschinenelementzustandsbestimmung (DD-PS 2 48 036) and detection method for particles in the lubrication gap of slide bearings  (DD-PS 2 80 263). These methods use the pulse density as diagnostic parameters and require the setting a discriminator level for the separation of interference and Useful signals. Through analysis in the time, frequency and Probability range should be frequency and amplitude 5 periodic changes in the momentum density as a measure of the damage condition can be determined. The result of However, signal analysis is of the discriminator level set dependent, so that quantitatively wrong statements arise.

Als weiterer Nachteil erweist sich der hohe apparative und zeitliche Aufwand für Analyse und Bewertung.Another disadvantage is the high apparatus and time required for analysis and evaluation.

International bekannte Verfahren verwenden die Form der Einhüllenden des Schallemissionssignals über einem Schallemissionsereignis (EP O 2 09 862) bzw. die Periodizität der Einhüllungen (EP O 0 28 081) zur Bestimmung der Schallemissionsursachen, wobei auf die Reibungsursachen nicht geschlußfolgert werden kann. Das ist ein Nachteil. Eine Bestimmung der Ursachen von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern, d. h. der Ermittlung des direkten Kontaktes zwischen Welle und Lagerschale, ist mit den bekannten Verfahren und Anordnungen nicht möglich.Internationally known methods use the form of Envelope of the sound emission signal over one Acoustic emission event (EP O 2 09 862) or the periodicity the wrappings (EP O 0 28 081) for determining the Acoustic emission causes, with the causes of friction can not be concluded. That's a disadvantage. A determination of the causes of grazing symptoms in Plain bearings, d. H. the determination of the direct contact between shaft and bearing shell, is with the well-known Procedures and arrangements not possible.

Dem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, zur Ursachenermittlung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern die Schallemission als Diagnoseparameter zu ermitteln und nach erfolgter Frequenzanalyse eine Kennzahl zu bilden.The method is based on the task of determining the cause from grazing in plain bearings to determine the sound emission as a diagnostic parameter and after the frequency analysis to form a key figure.

Erfindungsgemäß wird die Schallemission am Gleitlager von einem Schallemissionssensor mittels bekannter Verfahren erfaßt, in ein elektrisches Signal gewandelt, einer Filterung und Verstärkung zugeführt. Aus dem gefilterten Signal wird ein Schallemissionsparameter gebildet, der einer frequenzselektiven Überwachungseinheit zugeleitet wird, die von der Drehfrequenz der Welle gesteuert wird. Als Schallemissionsparameter kann der Effektivwert, die Hüllkurve oder die Impulsdichte der Schallemission verwendet werden. Aus dem Vergleich der Amplituden A kann eine Diagnosekennzahl bestimmt werden, die innerhalb bestimmter Wertebereiche unterschiedlichen Reibungsursachen zuzuordnen ist. Die Diagnosekennzahl wird aus den Amplituden A der einfachen, doppelten und eineinhalbfachen drehfrequenten Anteile des Schallemissionsparameters in der FormAccording to the invention, the noise emission at the sliding bearing of a sound emission sensor by known methods detected, converted into an electrical signal, a filtering and amplification supplied. From the filtered Signal is formed a sound emission parameter, the fed to a frequency-selective monitoring unit which is controlled by the rotational frequency of the shaft. As a sound emission parameter, the effective value, the Envelope or the pulse density of the acoustic emission used  become. From the comparison of the amplitudes A can a diagnostic code to be determined within certain ranges of values of different causes of friction is to be assigned. The diagnostic code is taken from the Amplitudes A of the simple, double and one and a half times rotational frequency components of the acoustic emission parameter in the shape

mit fn Drehfrequenz der Rotorwelle ermittelt. Auf den 10 eineinhalbfachen drehfrequenten Anteil des Schallemissionsparameters kann verzichtet werden, falls bekannt ist, daß Anstreiferscheinungen vorliegen.determined with f n rotational frequency of the rotor shaft. On the 10 one and a half times the rate of rotation of the acoustic emission parameter can be dispensed with, if it is known that grazing phenomena are present.

Erfindungswesentlich ist außerdem, daß der Schallemissionsparameter mit einer Integrationszeitkonstante arbeitet, die der Dauer von maximal 1/10 Wellenumdrehung entspricht.It is also essential to the invention that the sound emission parameter works with an integration time constant, the duration of a maximum of 1/10 shaft rotation equivalent.

Der Anordnung liegt die Aufgabe zugrunde, das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren.The arrangement is based on the object, the inventive To realize process.

Die Aufgabe ist nach der Anordnung dadurch gelöst, daß bei der am Ausgang der Verarbeitungseinheit zur Bildung des Schallemissionsparameters eine frequenzselektive Überwachungseinheit liegt, deren Ausgänge mit einer Bewertungslogik verbunden sind.The problem is solved by the arrangement in that at at the output of the processing unit to form the Schallemissionsparameters a frequency-selective monitoring unit whose outputs are connected to an evaluation logic.

Die praktische Realisierung kann sowohl mit analogen als auch mit digitalen Baugruppen erfolgen.The practical realization can be with both analog and also be done with digital modules.

Erfindungsgemäß wird folgende technische Fortschrittlichkeit erreicht:According to the invention, the following technical progressiveness reached:

  • 1. Möglichkeit der verzögerungsfreien vollautomatischen Ermittlung der Ursachen für Anstreiferscheinungen in Gleitlagern, z. B. Lagerverkantung, Schmierstoffmangel, Unwucht. 1st possibility of delay-free fully automatic Determination of the causes of graffiti in Plain bearings, z. B. Lagerverkantung, lack of lubricant, Unbalance.  
  • 2. Eindeutige Zustandserkennung und Anzeige durch Anwendung einer einfach zu bildenden Diagnosekennzahl aus den Amplituden der Frequenzkomponenten des Schallemis­ sionsparameters.2. Unique state recognition and display by application an easy-to-form diagnostic code the amplitudes of the frequency components of Schallemis sion parameters.
  • 3. Geringer apparativer Aufwand der automatischen Überwachungsanlage bei einfacher Bedienungsführung.3. Low equipment cost of automatic Monitoring system with simple operation guidance.
  • 4. Universelle Anwendbarkeit an einer großen Anzahl gleitgelagerter Maschinen zur Fertigungskontrolle, Montagekontrolle und Betriebsüberwachung.4. Universal applicability to a large number of plain bearings Machines for production control, assembly control and operation monitoring.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.The invention will be described below with reference to two embodiments explained.

In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows

Fig. 1 Frequenzspektrum des Kurzzeiteffektivwertes der Schallemission bei Schmiermittelmangel Fig. 1 frequency spectrum of the short-term effective value of the noise emission in the absence of lubricant

Fig. 2 Frequenzspektrum des Kurzzeiteffektivwertes der Schallemission bei Rotorunwucht Fig. 2 frequency spectrum of the short-term effective value of the sound emission at Rotorunwucht

Fig. 3 Frequenzspektrum des Kurzzeiteffektivwertes der Schallemission bei Lagerverkantung Fig. 3 frequency spectrum of the short-term effective value of the sound emission Lagerlagerantung

Fig. 4 Ausführungsbeispiel der Anordnung. Fig. 4 embodiment of the arrangement.

Beispiel 1Example 1

Die in einem Gleitlager bei Anstreiferscheinungen der Rotorwelle an der Lagerschale entstehende hochfrequente Schallemission wird von einem Schallemissionssensor, der am Lagergehäuse befestigt ist, aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt, in einem Hochpaßfilter von niederfrequenten Störanteilen getrennt, in einem Verstärker verstärkt und anschließend in einem Kurzzeiteffektivwertmesser zum Kurzzeiteffektivwert der Schallemission verarbeitet.The in a plain bearing at Anstreiferscheinungen the Rotor shaft on the bearing shell resulting high-frequency Acoustic emission is measured by a sound emission sensor, the is attached to the bearing housing, and taken in a electrical signal converted in a high-pass filter of separated into low-frequency interference components, in an amplifier amplified and then in a short-term effective value to the short-term effective value of Noise emission processed.

Der Zeitverlauf des Kurzzeiteffektivwertes der Schallemission weist bei Schmierstoffmangel oder Rotorunwucht im Falle eines Anstreifens der Rotorwelle an der Lagerschale Überhöhungen in Abständen von einer Wellenumdre­ hung auf. Im Frequenzspektrum dominiert die Drehfrequenz mit ihren Harmonischen (Fig. 1 und 2). Bei Lagerverkantung entstehen innerhalb einer Wellenumdrehung im Falle eines Anstreifens der Rotorwelle an der Lagerschale infolge Restunwucht zwei Erhöhungen der Reibungsintensität. Im Frequenzspektrum dominiert deshalb die doppelte Drehfrequenz (Fig. 3).The time course of the short-term effective value of the sound emission has in case of lack of lubricant or rotor imbalance in the case of a stripping of the rotor shaft on the bearing shell overshoots at intervals of a Wellenumdre hung. In the frequency spectrum, the rotational frequency dominates with its harmonics ( FIGS. 1 and 2). In the case of bearing warping, two increases in the friction intensity occur within one shaft revolution in the event of the rotor shaft brushing against the bearing shell due to residual imbalance. In the frequency spectrum, therefore, the double rotational frequency dominates ( FIG. 3).

Zwei frequenzselektive Überwachungseinheiten erfassen die Amplituden der drehfrequenten und doppeltdrehfrequenten Komponenten, die in einer Bewertungslogik zur Diag­ nosekennzahlTwo frequency-selective monitoring units detect the Amplitudes of the rotational frequency and double rotational frequency Components that in a valuation logic to Diag nosekennzahl

mit fn Drehfrequenz der Welle verknüpft werden. Innerhalb bestimmter Wertebereiche läßt sich eine eindeutige Zuordnung zu Reibungsursachen treffen:be linked with f n rotational frequency of the shaft. Within certain ranges of values, a clear assignment to causes of friction can be made:

Diagnosekennzahl DR′ Diagnostic code D R ' Reibungsursachefriction cause <DR′1 <D R'1 LagerverkantungStock canting DR′2 . . . DR′3 D R'2 . , , D R'3 Schmierstoffmangellack of lubricant <DR′4 <D R'4 Rotorunwuchtrotor imbalance

Beispiel 2example 2

Das im Schallemissionssensor 1 aufgenommene Schallemissionssignal des Gleitlagers wird in einem Bandpaßfilter 2 (untere Grenzfrequenz 100 kHz, obere Grenzfrequenz 200 kHz, gefiltert und im Verstärker 3 um 40 dB verstärkt. Im Effektivwertmesser 4 wird für das Verstärkerausgangssignal der Effektivwert mit einer Integrationszeitkonstante, die der Dauer von 1/10 Wellenumdrehung entspricht, bestimmt. Aus dem Effektivwertverlauf werden im Bandpaßfilter die Amplituden von drei Frequenzteilen bestimmt. Die Einstellung der Mittenfre­ quenzen erfolgt über eine Steuereinheit 8, an deren Eingang eine Drehzahlimpulsfolge (ein Impuls pro Umdrehung) anliegt. In der Bewertungslogik 6 wird die Diagnosekennzahl gebildet und infolge ihrer Einordnung in festgelegte Wertebereiche die aufgetretenen Anstreifursachen signalisiert.The acoustic emission signal of the plain bearing recorded in the acoustic emission sensor 1 is filtered in a bandpass filter 2 (lower cutoff frequency 100 kHz, upper cutoff frequency 200 kHz and amplified by 40 dB in the amplifier 3. In the rms value meter 4 the rms output value for the amplifier output signal is the integral time constant corresponds to 1/10 rotation of the shaft is determined. amplitudes of three frequency components are determined from the effective value curve in the band pass filter. quences the setting of the Mittenfre via a control unit 8, at whose input a speed pulse train is applied (one pulse per revolution). in evaluation logic 6 the diagnostic code is formed and signaled as a result of their classification into specified value ranges, the occurred Anstreifursachen.

Liste der BezugszeichenList of reference numbers

Fig. 4 Fig. 4

1 Schallemissionssensor
2 Filter
3 Verstärker
4 Effektivwertmesser
5 Bandpaßfilter
6 Bewertungslogik
7 Drehzahlgeber
8 Steuerung für Bandpaßfilterung 1 sound emission sensor
2 filters
3 amplifiers
4 RMS meters
5 bandpass filter
6 Evaluation logic
7 speed sensor
8 Control for bandpass filtering

Claims (6)

1. Verfahren zur Ursachenermittlung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern, bei dem die Schallemission am Gleitlager erfaßt, in ein elektrisches Signal gewandelt, einer Filterung und Verstärkung zugeführt und anschließend zu einem Schallemissionsparameter verarbeitet wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Schallemissionsparameter einer frequenzselektiven Überwachungseinheit zugeführt wird, die von der Drehfrequenz fR der Welle gesteuert wird, und in der eine Diagnosekennzahl DR in Form eines Differenzenquotienten aus den Amplituden A der einfachen, doppelten und eineinhalbfachen drehfrequenten Anteile des Schallemissionsparameters in der Verknüpfung von gebildet und diese aus der Signalverarbeitung gewonnene Diagnosekennzahl DR angezeigt und innerhalb bestimmter Wertebereiche den Reibungsursachen zugeordnet wird.1. A method for determining the cause of ghosting in sliding bearings, wherein the acoustic emission detected on the sliding bearing, converted into an electrical signal, a filtering and amplification and then processed to a sound emission parameter, characterized in that the sound emission parameter is fed to a frequency-selective monitoring unit, the is controlled by the rotational frequency f R of the shaft, and in which a diagnostic ratio D R in the form of a difference quotient of the amplitudes A of the single, double and one and a half times the rotational frequency components of the acoustic emission parameter in the link of formed and this obtained from the signal processing diagnostic code D R is displayed and assigned within certain ranges of the causes of friction. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schallemissionsparameter mit einer Integrationszeitkonstante gebildet wird, die der Dauer von maximal 1/10 Wellenumdrehung entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that the sound emission parameter with an integration time constant is formed, the duration of maximum 1/10 shaft rotation corresponds. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Schallemissionsparameter der Effektivwert, die Hüllkurve oder die Impulsdichte der Schallemission verwendet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that as the sound emission parameter, the effective value, the Envelope or the momentum density of the sound emission is used. 4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Diagnosekennzahl durch den Quotienten aus den Amplituden A des drehfrequenten und doppeltdrehfrequenten Anteils des Schallemissionsparameters gebildet wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the diagnostic code by the quotient of the amplitudes A of the rotational frequency and double rotational frequency Proportion of the acoustic emission parameter is formed.   5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Diagnosekennzahl aus dem Effektivwert oder der Signalleistung der einfachen, doppelten und eineinhalbfachen drehfrequenten Anteile des Schallemissionsparameters gebildet wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the diagnostic code from the RMS value or the Signal performance of the simple, double and one and a half times the rotational frequency components of the acoustic emission parameter is formed. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Ursachenermittlung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern, wobei ein am Gleitlager angeordneter Schallemissionssensor mit dem Eingang eines Filters und Verstärkers verbunden ist, dessen Ausgang an einer Verarbeitungseinheit zur Bildung des Schallemissionsparameters angeschlossen ist, gekennzeichnet dadurch, daß am Ausgang der Verarbeitungseinheit zur Bildung des Schallemissionsparameters eine frequenzselektive Überwachungseinheit liegt, die von einem Drehzahlgeber gesteuert wird und deren Ausgänge mit einer Bewertungslogik verbunden sind.6. Arrangement for carrying out the method for determining the cause of grazing in plain bearings, wherein a arranged on the sliding bearing acoustic emission sensor with the input of a filter and amplifier whose output is connected to a processing unit for the formation of the sound emission parameter is connected, characterized in that at the output the processing unit for forming the sound emission parameter a frequency selective Monitoring unit is that of a speed sensor is controlled and their outputs with an evaluation logic are connected.
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