-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Schwingungsanalyse
in Maschinen und im spezielleren eine Schwingungsanalyse zum Zweck
einer Predictive Maintenance (voraussagenden Instandhaltung) in einer
rotierenden, sich hin- und herbewegenden und zyklischen Maschine.
-
HINTERGRUND
-
Die
Predictive Maintenance zielt darauf ab, die Verfügbarkeit von Geräten aufrechtzuerhalten
und katastrophale Ausfälle
zu vermeiden, die schwere Folgeschäden an weiteren Komponenten
der Geräte
nach sich ziehen, bevor die Geräte
abgeschaltet werden können.
Die Vermeidung katastrophaler Ausfälle reduziert oft die Anzahl
von auszutauschenden Komponenten. Die Predictive Maintenance ist
ferner insofern von Vorteil, als eine Gerätestillstandszeit vorausgesagt
und geplant werden kann. Somit kann eine ungeplante Stillstandszeit
minimiert werden, und Verzögerungen
die, auf Grund einer Beschaffung von Ersatzteilen entstehen können, können vermieden
werden.
-
Rotierende
und sich hin- und herbewegende Maschinen stellen sehr häufig in
der Industrie anzutreffende Gerätetypen
dar, und aus diesem Grund wurde extensiv an Techniken geforscht,
um Predictive-Maintenance-Programme an solchen Geräten zu unterstützen, die
eine Schwingungsanalyse, Infrarot-Thermographie und Ölanalyse
umfassen.
-
Zwei
bekannte Techniken, die bei der Schwingungsanalyse Verwendung finden,
sind Time Synchronous Averaging (TSA = Zeitsynchrone Mittelwertbildung)
und Order Tracking (Ordnungsanalyse). Beide Techniken werden in
Verbindung mit einer herkömmlichen
schnellen Fourier-Transformation (FFT) verwendet, um ein Frequenzspektrum
der Schwingungsdaten für
eine Analyse zu erzeugen und Schwingungssignaturen (oder Vibrationssignaturen)
zu detektieren, die bezeichnend für tatsächliche oder potentielle Fehlerbedingungen
sind.
-
Verschiedene
Schwingungsanalysetechniken sind gut dokumentiert und sind nachweisbar
erfolgreich bei der Voraussage von katastrophalen Ausfällen. Ein
wenig beachteter Bereich ist jedoch der der Analyse von sich häufig umkehrenden
Antrieben, insbesondere von solchen, wie sie in rotierenden und
sich hin- und herbewegenden Maschinen anzutreffen sind. Keine aktuellen
Techniken sind derzeit für
die erfolgreiche Analyse von Geräteschwingungen
bekannt, während
das Gerät
beschleunigt oder verzögert
und um zwischen Schwingungssignaturen in der Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung
zu unterscheiden. Ein Grund liegt darin, daß sich die Systemdynamik mit
der Drehzahl (oder Geschwindigkeit), Richtung und, was noch wichtiger
ist, mit der Belastung ändert.
Ein weiterer Grund für
die eingeschränkte
Analyse von sich häufig
umkehrenden Antrieben besteht darin, daß die Zeitspanne, während der
das Gerät
bei einer konstanten Drehzahl läuft,
normalerweise nicht ausreichend für eine durchzuführende Schwingungsanalyse
ist.
-
Somit
besteht ein Bedarf an einer Schwingungsanalysetechnik, die auf sich
häufig
umkehrende, rotierende, sich hin- und herbewegende und zyklische
Maschinen anwendbar ist. Schürfkübelbagger,
Löffelbagger, Fördermaschinen
und Kräne
sind nur einige Beispiele von rotierenden und sich hin- und herbewegenden
Maschinen, die einen offensichtlichen Nutzen aus einer erfolgreichen
voraussagenden Instandhaltungsstrategie, die fortgeschrittene Schwingungsanalysetechniken,
wie z.B. TSA und Order Tracking umfaßt, ziehen würden.
-
In
dem Artikel „A
multichannel monitoring system based upon vibration signal processing
for mine-shafty installation" von
Lipowzcan et al., Measurement Vol. 9, Nr. 1, 1991, S. 10–12, sind
Schwingungsdaten eines Schachts für verschiedene kartesische
Komponenten, Lagerpositionen und Rotationen nach links und rechts
angegeben.
-
Die
US-Patentschrift
US 5 501 105 offenbart
ein Verfahren und ein System zur Analyse einer Torsions- und Biegeschwingung
einer Fördermaschine.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren
von Schwingungssignaturen in einem Umkehrantrieb vorgesehen, wobei
das Verfahren die Schritte umfaßt:
Erfassen
von digitalen Daten, die für
Schwingungen in dem Umkehrantrieb repräsentativ sind, wobei der Umkehrantrieb
seine Bewegungsrichtung, wie beispielsweise seine Drehrichtung ändert, während die
Daten erfaßt
werden;
Identifizieren von Abschnitten der Daten unter Verwendung
eines Prozessormittels; und
Gruppieren der identifizierten
Abschnitte von Daten zu einer Vielzahl von Gruppen; ,
wobei
sich jeder der identifizierten Abschnitte von Daten auf eine bestimmte
Drehrichtung des Umkehrantriebes bezieht und die Vielzahl von Gruppen
sich auf verschiedene Bewegungsrichtungen des Umkehrantriebes bezieht;
und
wobei das Gruppieren der identifizierten Abschnitte von Daten, die
sich auf eine bestimmte Bewegungsrichtung beziehen, durch Anhängen (144, 146)
aufeinanderfolgender Abschnitte an eine Sammlung vorheriger Datenabschnitte,
die sich ebenfalls auf die bestimmte Richtung beziehen, erfolgt.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Detektieren
von Schwingungssignaturen in einem Umkehrantrieb vorgesehen, das
umfaßt:
ein
Wandlermittel zum Erfassen von digitalen Daten, die für Schwingungen
in dem Umkehrantrieb repräsentativ
sind;
ein Prozessormittel zum Identifizieren von Abschnitten
der Daten; und
ein Prozessormittel zum Gruppieren der identifizierten
Abschnitte von Daten zu einer Vielzahl von Gruppen durch Anfügen aufeinanderfolgender
Abschnitte an eine Sammlung vorheriger Datenabschnitte, die sich
ebenfalls auf die bestimmte Richtung beziehen;
wobei sich jeder
der identifizierten Abschnitte von Daten auf eine Bewegung in eine
bestimmte Bewegungsrichtung des Umkehrantriebes bezieht und die
Vielzahl von Gruppen sich auf verschiedene Bewegungsrichtungen des
Umkehrantriebes bezieht.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm-Produkt
vorgesehen, das ein computerlesbares Medium mit einem darin aufgezeichneten
Computerprogramm zum Detektieren von Schwingungssignaturen in einem
Umkehrantrieb aufweist, umfassend:
ein Computerprogramm-Codemittel
zum Erfassen von digitalen Daten, die für Schwingungen in dem Umkehrantrieb
repräsentativ
sind;
ein Computerprogramm-Codemittel zum Identifizieren von
Abschnitten der Daten; und
ein Computerprogramm-Codemittel
zum Gruppieren der identifizierten Abschnitte von Daten zu einer
Vielzahl von Gruppen durch Anfügen
aufeinanderfolgender Abschnitte an eine Sammlung vorheriger Datenabschnitte, die
sich ebenfalls auf die bestimmte Richtung beziehen;
wobei sich
jeder der identifizierten Abschnitte von Daten auf eine Bewegung
in eine bestimmte Bewegungsrichtung des Umkehrantriebes bezieht,
und die Vielzahl von Gruppen sich auf verschiedene Bewegungsrichtungen
des Umkehrantriebes beziehen.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die identifizierten Abschnitte von
Daten repräsentativ
für eine
im wesentlichen konstante Betriebsdrehzahl des Umkehrantriebes.
Die digitalen Daten können
Daten umfassen, die bei entweder einer Abtastrate mit fixem Zeitintervall-
oder einer variablen Abtastrate, welche mit der Drehzahl des Antriebes
synchronisiert ist, abgetastet wurden. Daten, die bei einer Abtastrate
mit fixem Zeitintervall abgetastet wurden, können resamplet (oder erneut
abgetastet bzw. abgefragt) werden, so daß jede aufeinanderfolgende
Abtastung der resampleten Daten einer aufeinanderfolgenden Position
des Umkehrantriebes entspricht und der Abstand zwischen jeder der
aufeinanderfolgenden Positionen ein konstanter Betrag ist. Der Abstand
kann ein Winkelabstand sein.
-
Vorzugsweise
entspricht jede aufeinanderfolgende Abtastung jeder Gruppe von identifizierten
Abschnitten von Daten einer aufeinanderfolgenden Abtastungsposition
des Umkehrantriebes.
-
Vorzugsweise
wird zumindest eine der Gruppen von identifizierten Abschnitten
von Daten verarbeitet, um Daten zu erzeugen, die für eine oder
mehrere Schwingungssignaturen repräsentativ sind. Der Verarbeitungsschritt
kann einen oder mehrere der folgenden umfassen:
Sammeln des
Durchschnittes in der Zeitdomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Sammeln des Durchschnittes
in der Winkeldomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Sammeln des Durchschnittes
in der Frequenzdomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Sammeln des Durchschnittes
in der Ordnungsdomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Berechnen einer zeitsynchronisierten
Durchschnittszeit-Wellenform der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Berechnen
eines Frequenzspektrums eines zeitsynchronisierten Durchschnittes
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Berechnen eines Frequenzspektrums
ausgewählter
Ordnungen der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
Berechnen
der Kurtosis eines gesammelten Zeitdomäne-Durchschnittes;
Berechnen
der Kurtosis eines gesammelten Winkeldomäne-Durch-achnittes;
Berechnen der Kurtosis
einer zeitsynchronisierten Durchschnittszeit-Wellenform; und
Berechnen
eines demodulierten Frequenzspektrums der Daten, die eine der Gruppen
umfassen.
-
BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Merkmale
und bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind hierin nachfolgend unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein
Flußdiagramm
ist, das ein Verfahren einer Schwingungsanalyse zur Anwendung auf
einen Umkehrantrieb zeigt;
-
2 ein
Zeitdiagramm ist, das eine Bestimmung der Drehrichtung und eines
Triggerpunktes einer Welle von Interesse gemäß Ausführungsformen der Erfindung
zeigt;
-
3 eine
perspektivische Darstellung eines Abschnittes eines Zahnrades ist,
die einen allgemeinen Verschleiß der
Zähne zeigt;
-
4 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung eines in 3 gezeigten Zahnes ist;
-
5 eine
grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform für das in 4 gezeigte
Zahnrad nach 500 Durchschnitten ist;
-
6 eine
perspektivische Darstellung eines Abschnittes des Zahnrades von 3 ist,
die einen Verschleiß spezifischer
Zähne zeigt;
-
7 eine
grafische Darstellung eines TSA-Frequenzspektrums des Zahnrades
von 3 nach 500 Durchschnitten ist;
-
8 eine
grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform für ein Zahnrad
ist, das weniger Verschleiß als
das Zahnrad von 3 nach 500 Durchschnitten aufweist;
-
9 eine
perspektivische Darstellung eines Abschnittes des in 8 dargestellten
Zahnrades ist;
-
10 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung eines spezifischen in 9 gezeigten
Zahnes ist;
-
11 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung eines weiteren Zahnes des in 8 dargestellten
Zahnrades ist;
-
12 eine
grafische Darstellung eines TSA-Frequenzspektrums des in 8 dargestellten
Zahnrades nach 500 Durchschnitten ist;
-
13 eine
grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform für ein Zahnrad
an der Eingangswelle eines Friction-Winders nach 500 Durchschnitten ist,
wobei von dem Ausgangsende der Eingangswelle abgetastete Daten verwendet
werden;
-
14 eine
perspektivische Darstellung einer großen Vertiefung an einem Zahn
des in 13 dargestellten Zahnrades ist;
-
15 eine
vergrößerte Darstellung
von 14 ist;
-
16 eine grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform
für das
in 13 dargestellte Zahnrad nach 500 Durchschnitten
ist, wobei von dem Antriebsende der Eingangswelle abgetastete Daten
verwendet werden;
-
17 eine grafische Darstellung einer Ordnungsspektrum-Wellenform für das in 13 dargestellte Zahnrad
nach 500 Durchschnitten ist, wobei von dem Ausgangsende der Eingangswelle
abgetastete Daten verwendet werden;
-
18 eine grafische Darstellung von zwei übereinander
gelegten TSA-Zeit-Wellenformen, eine nach 4 Durchschnitten und die
andere nach 4000 Durchschnitten ist;
-
19 eine grafische Darstellung des Korrelationskoeffizienten
zwischen der TSA nach 4000 Durchschnitten und der TSA nach der Anzahl
von als x-Achse gezeigten Durchschnitten ist;
-
20 eine grafische Darstellung von zwei übereinander
gelegten TSA-Zeit-Wellenformen, eine nach 63 Durchschnitten und
die andere nach 4000 Durchschnitten, ist;
-
21 eine grafische Darstellung eines Streuungswertes
als eine Funktion der Anzahl von Durchschnitten nach Anwenden eines
modifizierten Algorithmus zum Bestimmen der Streuungswerte ist;
-
22 eine grafische Darstellung der Hauptdifferenz
der Größe als eine
Funktion der Anzahl von Durchschnitten ist;
-
23 eine grafische Darstellung von zwei übereinander
gelegten TSA-Zeit-Wellenformen, eine nach 100 Durchschnitten und
die andere nach 4000 Durchschnitten, ist;
-
24 eine grafische Darstellung von zwei übereinander
gelegten TSA-Zeit-Wellenformen, eine nach 500 Durchschnitten und
die andere nach 4000 Durchschnitten, ist;
-
25 ein Blockdiagramm eines Computersystems ist,
mit dem Ausführungsformen
der Erfindung ausgeführt
werden können;
-
26 bis 30 Flußdiagramme
sind, die zusätzliche
Details von verschiedenen Schritten von 1 zeigen;
und
-
31, 32 und 33 bildhafte
Darstellungen eines Softwareprogrammcodes zum Verfolgen vorübergehend
unterirdischer Wellen sind.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
-
Ein
Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm-Produkt für eine Schwingungsanalyse
in Maschinen sind hierin nachfolgend offenbart. Die Prinzipien des
Verfahrens, der Vorrichtung und des Computerprogramm-Produktes gemäß Ausführungsformen
der Erfindung sind allgemein anwendbar auf rotierende und/oder zyklische
Maschinen, die typischerweise Umkehrantriebe umfassen. Die vorliegende
Erfindung soll jedoch nicht auf das/die beschriebene Verfahren,
Vorrichtung und Computerprogramm-Produkt beschränkt sein. Zum Beispiel können Aspekte
der Erfindung auf drehzahlgeregelte Antriebe, die mehrere Einstellungen mit
konstanter Drehzahl aufweisen, und auf Antriebe mit variierender
Drehzahl angewendet werden, wobei die Analyse Perioden einer Beschleunigung
und einer Verzögerung
solcher Antriebe umfaßt.
Aspekte der Erfindung sind auch auf Geräte anwendbar, die die Richtung
in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen ändern. Zum
Beispiel kann sich das Gerät
nach links, rechts, oben, unten, vorwärts und rückwärts bewegen. Ein Umkehrantrieb
ist als ein Geräteteil
definiert, das ein oder mehrere Elemente enthält, welche/s die Richtung entweder
linear, angular oder rotatorisch ändert/n.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung sind die identifizierten Abschnitte
von Daten repräsentativ
für eine
im wesentlichen konstante Betriebsdrehzahl des Umkehrantriebes.
-
In
dem System der vorliegenden Erfindung umfassen die digitalen Daten
vorzugsweise Daten, die mit einer variablen Abtastrate, welche mit
der Drehzahl des Umkehrantriebes synchronisiert ist, abgetastet
wurden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung umfassen die digitalen Daten
Daten, die bei einer Abtastrate mit fixem Zeitintervall abgetastet
wurden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung umfaßt das System ferner ein Prozessormittel
zum Resampling der digitalen Daten, wobei jede aufeinanderfolgende
Abtastung der resampleten digitalen Daten einer aufeinanderfolgenden
Position des Umkehrantriebes entspricht und der Abstand zwischen
jeder der aufeinanderfolgenden Positionen ein konstanter Betrag
ist.
-
Vorzugsweise
entspricht in dem System der vorliegenden Erfindung jede aufeinanderfolgende
Abtastung einer jeden der einen oder mehreren Gruppen von identifizierten
Abschnitten von Daten einer aufeinanderfolgenden Abtastposition
des Umkehrantriebes.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung umfaßt das System ferner ein Prozessormittel
zum Verarbeiten von zumindest einer der Gruppen von identifizierten
Abschnitten von Daten, um Daten zu erzeugen, die für eine oder
mehrere Schwingungssignatur/en repräsentativ sind.
-
Das
Prozessormittel umfaßt
ein oder mehrere Prozessormittel, das/die aus der Gruppe gewählt ist/sind,
die besteht aus:
einem Prozessormittel zum Sammeln des Durchschnittes
in der Zeitdomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel
zum Sammeln des Durchschnittes in der Winkeldomäne der Daten, die eine der
Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel zum Sammeln des Durchschnittes
in der Frequenzdomäne
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel
zum Sammeln des Durchschnittes in der Ordnungsdomäne der Daten,
die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel zum Berechnen
einer zeitsynchronisierten Durchschnittszeit-Wellenform der Daten,
die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel zum Berechnen
eines Frequenzspektrums eines zeitsynchronisierten Durchschnittes der
Daten, die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel
zum Berechnen eines Frequenzspektrums ausgewählter Ordnungen der Daten,
die eine der Gruppen umfassen;
einem Prozessormittel zum Berechnen
der Kurtosis eines gesammelten Zeitdomäne-Durchschnittes;
einem
Prozessormittel zum Berechnen der Kurtosis eines gesammelten Winkeldomäne-Durchschnittes;
einem
Prozessormittel zum Berechnen der Kurtosis einer zeitsynchronisierten
Durchschnittszeit-Wellenform; und
einem Prozessormittel zum
Berechnen eines demodulierten Frequenzspektrums der Daten, die eine
der Gruppen umfassen.
-
In
einer Ausführungsform
des Computerprogramm-Produktes der vorliegenden Erfindung sind die identifizierten
Abschnitte von Daten repräsentativ
für eine
im wesentlichen konstante Betriebsdrehzahl des Umkehrantriebes.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Computerprogramm-Produktes der vorliegenden Erfindung umfassen
die digitalen Daten Daten, die mit einer variablen Abtastrate abgetastet
wurden, welche mit der Geschwindigkeit des Umkehrantriebes synchronisiert
ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Computerprogramm-Produktes der vorliegenden Erfindung umfassen
die digitalen Daten Daten, die bei einer Abtastrate mit fixem Zeitintervall
abgetastet wurden.
-
Das
Computerprogramm-Produkt der vorliegenden Erfindung kann ferner
ein Computerprogramm-Codemittel zum Resampling der digitalen Daten
umfassen, wobei jede aufeinanderfolgende Abtastung der resampleten
digitalen Daten einer aufeinanderfolgenden Position des Umkehrantriebes
entspricht und der Abstand zwischen jeder der aufeinanderfolgenden
Positionen ein konstanter Betrag ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Computerprogramm-Produktes der vorliegenden Erfindung entspricht
jede aufeinanderfolgende Abtastung jeder der einen oder mehreren
Gruppen von identifizierten Abschnitten von Daten einer aufeinanderfolgenden
Abtastungsposition des Umkehrantriebes.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
des Computerprogramm-Produktes der vorliegenden Erfindung umfaßt das Computerprogramm-Produkt ferner ein
Computerprogramm-Codemittel zum Verarbeiten von zumindest einer
der Gruppen von identifizierten Abschnitten von Daten, um Daten
zu erzeugen, die für
eine oder mehrere Schwingungssignaturen repräsentativ sind.
-
Das
Computerprogramm-Codemittel umfaßt ein oder mehrere Computerprogramm-Codemittel,
die aus der Gruppe ausgewählt
sind, die besteht aus:
einem Computerprogramm-Codemittel zum
Sammeln des Durchschnittes in der Zeitdomäne der Daten, die eine der
Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel zum Sammeln
des Durchschnittes in der Winkeldomäne der Daten, die eine der
Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel zum Sammeln
des Durchschnittes in der Frequenzdomäne der Daten, die eine der
Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel zum Sammeln
des Durchschnittes in der Ordnungsdomäne der Daten, die eine der
Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel zum Berechnen
einer zeitsynchronisierten Durchschnittszeit-Wellenform der Daten,
die eine der Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel
zum Berechnen eines Frequenzspektrums eines zeitsynchronisierten Durchschnittes
der Daten, die eine der Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel
zum Berechnen eines Frequenzspektrums ausgewählter Ordnungen der Daten,
die eine der Gruppen umfassen;
einem Computerprogramm-Codemittel
zum Berechnen der Kurtosis eines gesammelten Zeitdomäne-Durchschnittes;
einem
Computerprogramm-Codemittel zum Berechnen der Kurtosis eines gesammelten
Winkeldomäne-Durchschnittes;
einem
Computerprogramm-Codemittel zum Berechnen der Kurtosis einer zeitsynchronisierten
Durchschnittszeit-Wellenform; und
einem Computerprogramm-Codemittel
zum Berechnen eines demodulierten Frequenzspektrums der Daten, die
eine der Gruppen umfassen.
-
Richtungsnormalisierung
-
Für die erfolgreiche
Analyse von Schwingungen in Umkehrantrieben ist es vorteilhaft,
daß die
Abtastungen in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung
getrennt und einzeln verarbeitet werden. Dies geschieht auf Grund
des Vorliegens unterschiedlicher Drehzahl- und Belastungsbedingungen
in der Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung.
In dem speziellen Fall von Zahnrädern
stehen unterschiedliche Zahnflächen
miteinander in Kontakt, wenn sie sich in verschiedenen Richtungen
bewegen oder drehen.
-
Eine
fundamentale Einschränkung
bei der Schwingungsanalyse von Umkehrantrieben ist die Zeit, die zur
Verfügung
steht, um Daten in einer bestimmten Richtung zu erfassen, bevor
der Antrieb sich umkehrt. Eine Lösung,
die eine Datenerfassung zuläßt, während sich
das Gerät
in kommerziellem Betrieb befindet, besteht darin, die erfaßten Abtastungen
in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung
zu trennen und dann alle für
jede Bewegungsrichtung erfaßten
Abtastungen zu gruppieren. Dieser Prozeß wird als „Richtungsnormalisierung" bezeichnet. Für den Fall
von Geräten,
die die Richtung in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen ändern, werden
die Daten in jede Richtung oder Orientierung getrennt richtungsnormalisiert.
-
Drehzahländerungen
und -schwankung
-
Es
ist auch notwendig, die Drehgeschwindigkeit der Welle von Interesse
zu detektieren und Drehzahlschwankungen zu normalisieren. Geringfügige Drehzahlschwankungen üben einen
minimalen Einfluß aus,
vorausgesetzt, die Daten werden in der Winkeldomäne abgetastet oder in diese
transformiert. TSA und Order Tracking erfordern eine fixe Anzahl
von Abtastungen pro Umdrehung in der Winkeldomäne, so daß jede Abtastung einer spezifischen
Position an der Welle entspricht. Wenn sich die Drehgeschwindigkeit
der Welle ändert
und die Daten in der Zeitdomäne
erfaßt
werden, zeigt das Frequenzspektrum, insbesondere für die höheren Ordnungen
der Welle, verschmierte spektrale Komponenten. Hingegen behält ein Frequenzspektrum
von Daten, die in der Winkeldomäne
erfaßt
werden, unabhängig
von Schwankungen einer Drehzahl scharfe Spitzen bei. Ein Verschmieren
von spektralen Komponenten tritt auf, da die in der Zeitdomäne erfaßten Datenabtastungen
nicht einer spezifischen Position an der Welle, die die Schwingung
erzeugt, sondern vielmehr einem Zeitpunkt von dem Beginn der Wellenrotation
entsprechen.
-
Die
vorhergehende Beschreibung betrifft eine TSA, die an einer rotierenden
Maschine vorgenommen wird, indem sichergestellt wird, daß die Daten
in der Winkeldomäne
abgetastet oder in diese transformiert werden. Dieses Konzept kann
gleichermaßen
auf Geräte
angewendet werden, die sich auf eine beliebige andere Weise bewegen.
Im wesentlichen müssen
die Daten in der Positionsdomäne
abgetastet oder in diese transformiert werden, wobei sich die Position
auf einen physikalischen Punkt in dem Zyklus anstatt auf einen Zeitpunkt
von dem Beginn des Zyklus bezieht. Wenn z.B. ein Geräteteil sich
linear bewegt, wäre
es wichtig, daß die
Daten entweder in der linearen Domäne abgetastet oder in diese
transformiert werden, so daß sich
jede Ab tastung auf einen spezifischen Abstand von dem Beginn eines
jeden Zyklus bezieht.
-
Die
Auswirkungen von sich ändernden
Betriebsdrehzahlen können
im Gegensatz zu bloßen
Drehzahlschwankungen im wesentlichen beseitigt werden, indem Abschnitte
konstanter Drehzahl der Daten identifiziert und verwendet werden.
In den meisten Fällen
ist es besonders vorteilhaft, Daten konstanter Drehzahl zu verwenden,
da die Systemdynamik bei einer bestimmten Drehzahl dieselbe bleibt.
In einigen Fällen
kann es jedoch von Vorteil sein, Daten zu analysieren, die während Perioden
einer Beschleunigung und/oder Verzögerung erfaßt wurden. Diese Daten können auch
drehzahlnormalisiert und/oder richtungsnormalisiert und dann mit
Hilfe verschiedener Techniken verarbeitet werden.
-
Datenabtastung
und Resampling mit Interpolation
-
Zwei
Verfahren zum Beschaffen von Schwingungssignalen in der Winkeldomäne umfassen
ein Abtasten der Daten direkt in der Winkeldomäne mit Hilfe eines phasenstarren
Frequenzvervielfachers und ein Resampling von Schwingungsdaten,
die ursprünglich
in der Zeitdomäne
abgetastet wurden.
-
Ein
phasenstarrer Frequenzvervielfacher paßt die Abtastfrequenz unter
Anteilnahme mit Änderungen der
Wellenrotationsfrequenz an und versucht, dieselbe Anzahl von Abtastpunkten
für jede
Umdrehung der Welle zu erfassen. Die Abtastfrequenz ist wirksam
mit der Frequenz der Zahnradrotation synchronisiert, um Maschinendrehzahlanstiege
oder -abnahmen auszugleichen. Somit kann eine ausreichende Anzahl
von gleich beabstandeten Impulsen in der Winkeldomäne für jede Umdrehung
des Zahnrades erzeugt werden. Die erforderliche Abtastfrequenz ist
durch die Zeit zwischen den Impulsen bestimmt. Wenn die Welle beschleunigt
und die Zeit zwischen jedem Impuls kürzer wird, erhöht sich
die Abtastfrequenz mit einer entsprechenden Rate, um dieselbe Anzahl
von Datenabtastungen pro Umdrehung beizubehalten. Die phasenstarre
Technik kann auch auf Situationen angewendet werden, in denen die
Welle von Interesse nicht, eine andere Welle in dem Getriebe jedoch
sehr wohl zugänglich
ist. In solch einem Fall wird ein geeigneter Frequenzvervielfacher
gewählt,
um eine Impulsfolge zu erzeugen, die der Welle von Interesse entspricht.
Ein potentielles Problem bei der phasenstarren Technik ist die Schwierigkeit,
mehr als ein paar wenige Impulse pro Umdrehung an einem Gerät in kommerziellem
Betrieb zu erzeugen, da die Welle von Interesse nicht ohne weiteres
zugänglich
ist und eine nicht ausreichende Anzahl von Umdrehungen einer entsprechend
zugänglichen
Welle vorhanden ist. Somit ist es am besten, die Vorrichtung im
Planungsstadium aufzunehmen. Des weiteren ist der Phasendetektor,
wenn Änderungen
der Drehzahl zu schnell auftreten, möglicherweise nicht in der Lage,
die Änderungen
der Wellendrehzahl schnell genug zu verfolgen. Die Verzögerung,
die sich ergibt, wenn Änderungen
einer Frequenz oder einer Phase auftreten, erzeugt Fehler, die die
Genauigkeit des gemittelten Zeitsignals einschränken. Weitere potentielle Nachteile
umfassen die Anfälligkeit
gegenüber
einer falschen Auslösung
und eine endliche Zeit, die erforderlich ist, um das Eingangssignal
zu sperren, und die oft zu lang sein kann. Das Ergebnis ist, daß nur ein kleiner
Anteil einer großen
Anzahl von Abtastungen für
eine zeitsynchrone Mittelwertbildung verwendet werden kann. Dies
ist für
den Fall von Umkehrmaschinen mit einer besonders kurzen Zykluszeit
weiter verschlimmert.
-
Ein
einfacheres und genaueres Verfahren, Änderungen einer Drehgeschwindigkeit
zu erlauben, besteht darin, die bei einer fixen Abtastrate erfaßten Daten
digital resamplen, so daß jede Abtastung
einer spezifischen Winkelposition an der Welle von Interesse entspricht.
Dies ergibt effektiv eine variable Abtastrate, die sich mit Änderungen
der Drehgeschwindigkeit der Welle ändert, um eine fixe Anzahl
von Abtastpunkten für jede
Umdrehung der Welle sicherzustellen. Ein Vorteil besteht darin,
daß diese
Verfahren abgesehen von einer Standard-Datenerfassungsvorrichtung,
die mit einer konstanten Rate abtastet, und einem Digitalrechner
zum Nachbearbeiten und Resampling der Daten, keine zusätzliche
Hardware erfordert. Ein Resampling der Daten kann erfolgen, wenn
die Daten erfaßt
werden (d.h. prozeßgekoppelt
unter Verwendung eines Puffers), oder indirekt prozeßgekoppelt
erfolgen. Ein indirekt prozeßgekoppeltes
Resampling erlaubt mehr Zeit zum Filtern und Verarbeiten, um Interferenz
und Rauschen in dem Signal zu entfernen. Ein Vorteil des indirekt
prozeßgekoppelten
Resamplings besteht darin, daß in
dem Mittelwertbildungsprozeß mehr
aufgezeichnete Daten verarbeitet werden können und mehr Umdrehungen verwendet
werden können.
Der Hauptvorteil diese Verfahrens ist die Einfachheit, mit der die
Impulsreihe behandelt werden kann, um eine Mittelwertbildung an
einer verdeckten Welle durchzuführen.
Im Gegensatz zu komplexen Schleifenfiltern, die für den phasenstarren Schleifenfrequenz-Vervielfacher
erforderlich sind, kann eine einfache lineare Interpolation angewendet
werden, um die neuen Ankunftszeiten der Impulsfolge zu bestimmen.
-
Es
ist zwingend erforderlich, daß die
spektralen Eigenschaften, die die dynamische Natur des Signals beschreiben,
in der Umwandlung von der Zeitdomäne in die Winkeldomäne gewahrt
bleiben. Dies kann erreicht werden, indem eine lineare Interpolation
verwendet wird, um die gewünschte
Zeit von dem Referenzimpuls bis zu jeder gewünschten Abtastung zu bestimmen,
was unter der Voraussetzung, daß die
interpolierte Funktion stark bandbegrenzt ist, ein geeignetes Verfahren
darstellt. Zusammen mit den gewünschten
Resampling-Zeiten (die spezifi schen Winkelpositionen entsprechen)
werden Interpolationstechniken verwendet, um die Schwingungsdaten
zu resamplen. Es gibt eine Anzahl von verschiedenen Interpolationstechniken,
die angewendet werden können.
Ein Erhöhen
der Ordnung einer Interpolation verkleinert die Amplitude von Seitenzipfeln
und erzeugt so eine bessere Sperrbandleistung, ein flacheres Paß-Band und
eine schärfere Cut-Off-Rate.
Die kubische Funktion stellt einen guten Frequenzgang bereit, obwohl
die höhere
Ordnung die Berechnungszeiten verlängert.
-
Signalverarbeitung
-
Eine
Anzahl von verschiedenen bekannten Signalverarbeitungstechniken
kann auf das/die Schwingungssignale/e angewendet werden, nachdem
es/sie richtungsnormalisiert und/oder drehzahlnormalisiert wurde/n.
Die Zeitsynchrone Mittelwertbildung (TSA), Order Tracking und Demodulation
sind einige der Techniken, die auf die richtungsnormalisierten Daten
angewendet werden.
-
Zeitsynchrone Mittelwertbildung
(TSA)
-
Die
Zeitsynchrone Mittelwertbildung erzeugt einen kumulativen Durchschnitt
eines Signals in der Winkeldomäne.
Die Technik kann auch angewendet werden, um einen kumulativen Durchschnitt
eines Signals in entweder der Zeitdomäne oder der Positionsdomäne zu erzeugen.
Es ist zu bevorzugen, das Signal in der Positionsdomäne (Winkeldomäne für rotierende
Wellen) abzutasten oder zu resamplen, um sicherzustellen, daß sich jede
Abtastung auf eine spezielle Stelle in dem Zyklus anstatt auf einen
festgelegten Zeitpunkt von dem Beginn des Zyklus bezieht. Wenn die
Daten in der Zeitdomäne
abgetastet werden und die Drehzahl des Antriebes schwankt, tritt
ein Verschmieren des Frequenzspektrums auf. Wenn die Daten jedoch
in der Positionsdomäne
abgetastet oder resamplet werden, ist das Verschmieren des Frequenzspektrums
minimiert, wenn nicht beseitigt. Die TSA benötigt einen Referenztrigger,
der synchron mit dem speziellen analysierten Zyklus ist, um den
Anfang eines jeden Abtastfensters zu bestimmen. Der Referenztrigger
kann ein einziger Trigger, der sich auf den Beginn eines jeden Zyklus
bezieht, oder eine Vielzahl von Triggern sein, die sich jeweils
auf eine spezifische Position in dem Zyklus beziehen. Bei einer
Schwingungsanalyse verbessert die TSA die synchronen Schwingungskomponenten,
während
die nicht synchronen Komponenten und Rauschen im wesentlichen reduziert
sind. Eine Isolierung einer spezifischen Maschinenkomponente, wie
z.B. einer einzelnen Walze an einer Papiermaschine oder einer spezifischen
Welle in einem komplexen Getriebe, ist somit möglich und die Einflüsse einer
Erregung von außen,
wie z.B. Erregerfrequenzen von benachbarten Maschinen, sind minimiert.
Infolgedessen hat sich die TSA als erfolgreich zum Detektieren wiederholter
wellensynchroner Fehler, wie z.B. Wellenrisse, Fehlausrichtungen,
Unwucht und Zahnschäden,
erwiesen. Wenn die TSA allerdings über eine Umdrehung einer Welle
durchgeführt
wird, mittelt die TSA die meisten Frequenzen, die Lagerfehlern zugehörig sind,
da solche Fehler nicht synchron mit der Wellenrotation sind. Im
Vergleich dazu entfernt das Order Tracking nicht synchrone Frequenzen
nicht und zeigt daher Lagerfehler an.
-
Bei
der TSA erhöht
ein gleichmäßig verteilter
Verschleiß (d.h.
wo das Zahnprofil unverändert
bleibt) nur die Zahneingriffsfrequenz und ihre Oberschwingungen
und verursacht keine Seitenbänder.
Ungleichmäßig verteilte
Fehler führen
zu Komponenten mit anderen Frequenzen, einschließlich niedriger Oberschwingungen, die
durch periodisch wiederholte Impulse verursacht werden, und Seitenbändern, die
wiederum zur Folge haben, daß eine
Amplituden- und Frequenzmodulation auftritt. Des weiteren kann die
TSA eine „Geisterfrequenz" erzeugen, die im
wesentlichen eine saubere Linie ist, die in der Frequenzdomäne erscheint,
nachdem eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) an den Zeitdomänendaten
durchgeführt
wurde, und keinerlei bekannten Komponenten der Welle entspricht.
Man nimmt an, daß die
Ursache für
die „Geisterfrequenz" im Typ des bei der
Herstellung von Zahnrädern
verwendeten Schneidwerkes liegt.
-
Wenn
eine TSA mit einem Mittelwertbildungsfenster von einer Umdrehung
durchgeführt
wird, ist der Frequenzabstand zwischen den Linien des Spektrums
immer die Rotationsfrequenz der Welle oder eine Ordnung. Somit kann
die Auflösung
des Spektrums durch Erhöhen
der Abtastrate – dies
verbessert nur die maximale Ordnung, die dargestellt werden kann – nicht
verbessert werden. Wenn eine höhere
Auflösung
erforderlich ist, sollte die Mittelwertbildung über mehrere Umdrehungen durchgeführt werden.
Wenn z.B. ein Fenster von zwei Umdrehungen für den Durchschnitt verwendet
wird, beträgt
der Frequenzabstand in dem Spektrum eine halbe Ordnung.
-
Order Tracking
-
Order
Tracking ist der TSA insofern ähnlich,
als darin eine Frequenzganganalyse von Daten in der Winkeldomäne abgetasteten
Daten einbezogen ist. Das Order Tracking unterscheidet sich von
der TSA jedoch darin, daß eine
Signalmittelung in der Frequenz- oder Ordnungsdomäne nach
einer Transformation der Daten mittels einer FTT anstatt in der
Zeit- oder Winkeldomäne
erfolgt. Das Order-Tracking unterscheidet sich von der Ordnungsnormalisierung
darin, daß die
Analyse in der Winkeldomäne
anstatt in der Zeitdomäne
durchgeführt
wird. Das Order Tracking kann eine Vielzahl von Problemen, umfassend
Schmierprobleme, Unwucht, Fehlausrichtungen und Lagerfehler, erfolgreich
detektieren. Im wesentlichen kann das Order Tracking auf dieselbe
Weise wie die Standard-Frequenzanalyse auf in der Zeitdomäne erfaßte Daten
angewendet werden. Die Hauptvorteile des Order Trackings bestehen
darin, daß es
Drehzahlschwankungen erlaubt und daß Schwingungen immer relativ
zu der Wellendrehgeschwindigkeit angezeigt werden.
-
In
einem Ordnungsspektrum bleiben Ordnungen oder Oberschwingungskomponenten
trotz Drehzahländerungen
oder -schwankungen fest in Position. Dies stellt einen deutlichen
Vorteil dar, wenn die Kennlinien von drehzahlgeregelten Maschinen über eine
Zeitspanne verglichen werden. Der Nachteil eines Ordnungsspektrums
besteht darin, daß sich
feste Frequenzkomponenten bewegen können, wodurch es schwierig
wird, drehzahlabhängige
Amplitudenänderungen
zu erkennen. Im speziellen bleiben, da eine Resonanz direkt mit der
Wellendrehzahl in Beziehung steht, die resultierenden Amplituden
in der Zeitdomäne
fest, jedoch nicht in der Winkeldomäne. Diese Frequenzen bewegen
sich, wenn sie in einem Ordnungsspektrum aufgetragen werden, wohingegen
ihre Position fest bleibt, wenn sie in einem Frequenzspektrum aufgetragen
werden. Dies ist bei einer Ordnungs-Wasserfalldarstellung besonders
offensichtlich.
-
Demodulation
-
Modulation
ist die Veränderung
des Werts eines Parameters, der eine periodische Schwingung kennzeichnet.
Somit ist eine Amplitudenmodulation einer Sinusschwingung eine Veränderung
der Amplitude der Sinusschwingung. Eine Phasenmodulation einer Sinusschwingung
ist eine Veränderung
der Phase der Sinusschwingung. Eine Amplituden- und Phasenmodulation
tritt in Schwingungssignalen der meisten Geräte auf.
-
Demodulation
ist der Prozeß des
Extrahierens des/der ursprünglichen
modulierenden Signals/e. Demzufolge ist eine Demodulation bei der
Verarbeitung der angehängten
Daten notwendigerweise umfaßt.
-
Bei
einer Schwingungsanalyse wird typischerweise eine Demodulation verwendet,
um einen beginnenden Schaden bei Lagern und Zahnrädern vorauszusagen.
Die gebräuchlichsten
Techniken umfassen ein Bandpaßfiltern
und eine Hüllkurvenbildung
zur Unterstützung
der Detektion solcher Fehler.
-
Die Kurtosis
-
Eine
Berechnung der Kurtosis, auch als das normalisierte vierte statistische
Moment bekannt, ist eine nützliche
Analysetechnik zur Bestimmung des Zustandes eines Getriebes. Die
Kurtosis K kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet
werden:
wobei:
- N
- = Anzahl von Abtastungen
- M
- = Mittelwert
- S
- = Standardabweichung
- Xi
- = i-te Abtastung
-
Die
Kurtosis ist größer für Fälle, in
denen einzelne große
Spitzen vorliegen, im Gegensatz zu einer normalen Gauß'schen Verteilung,
für die
eine Kurtosis von drei erwartet werden kann. Somit kann die Kurtosis als
eine Anzeige des Ausmaßes
verwendet werden, bis zu dem große Spitzen die Zeit-Wellenform
dominieren. Der tatsächliche
Wert sollte überwacht
und mit dem Wert verglichen werden, der berechnet wurde, als das
Getriebe neu oder zumindest in einem guten Zustand war.
-
Die
Verwendung der Kurtosis, um einen Ermüdungsriß in einem Getriebe zu detektieren,
wurde erfolgreich demonstriert. Die Kurtosis wurde nach einer Erhöhung der
TSA-Zeit-Wellenform durch Bandpaßfiltern um die vorherrschende
Zahneingriffs-Oberschwingung herum und nachfolgendes Entfernen der
Eingriffs-Oberschwingung
berechnet. Die sich ergebende Zeit-Wellenform wies eine ausgeprägte Spitze
an der Stelle des Ermüdungsrisses
auf, und der Kurtosis-Wert stieg von drei auf ungefähr sieben
an.
-
Allgemeine
Ausführungsform
-
1 ist
ein Flußdiagramm
eines allgemeinen Verfahrens einer Schwingungsanalyse zur Anwendung auf
einen Umkehrantrieb.
-
Schwingungsdaten
von einem Umwandler, wie z.B. einem Beschleunigungsmesser, und Wellendrehzahl-,
Richtungs- und Positionsdaten von einem oder mehreren Umwandler/n,
wie z.B. einem Drehzahlmesser, werden bei Schritt 110 erfaßt.
-
Bei
Schritt 120 wird ein Datenverarbeitungs-Trigger aus den
erfaßten
Daten extrahiert. Der Trigger bezieht sich auf einen Referenzpunkt
an der Welle von Interesse und ermöglicht eine weitere Datenverarbeitung. Im
speziellen ermöglicht
der Trigger eine Identifizierung von Abschnitten der Daten, die
sich auf jede Bewegungsrichtung der Welle von Interesse beziehen,
und eine Identifizierung von Daten konstanter Drehzahl. Die Bestimmung
des Triggers und der Drehrichtung der Welle von Interesse sind in
diesem Dokument später
weiter beschrieben.
-
Bei
Schritt 130 werden die Daten drehzahlnormalisiert. Dies
umfaßt
ein Resampling der Daten für
eine Transformation von der Zeitdomäne in die Winkeldomäne. Gleichzeitig
werden Abtastungen, die sich auf Perioden einer Beschleunigung und
Verzögerung
beziehen, identifiziert und von den Daten eliminiert. Sowohl das Resampling
als auch die Bestimmung von Daten konstanter Drehzahl sind in diesem
Dokument später
weiter beschrieben.
-
Die
Schritte 142, 144 und 146 bilden den
Prozeß der
Richtungsnormalisierung. Bei Schritt 142 werden Abschnitte
der drehzahlnormierten Daten in der Winkeldomäne, die sich auf die Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung
beziehen, identifiziert. Dann, bei Schritt 144, werden
aufeinanderfolgende Abschnitte von Daten, die sich auf die Vorwärtsrichtung
beziehen, gruppiert, indem aufeinanderfolgende Abschnitte an eine
Sammlung vorheriger Datenabschnitte, die sich ebenfalls auf die
Vorwärtsrichtung
beziehen, angehängt
werden. In ähnlicher Weise
werden bei Schritt 146 aufeinanderfolgende Abschnitte von
Daten, die sich auf die Rückwärtsrichtung beziehen,
gruppiert, indem aufeinanderfolgende Abschnitte an eine Sammlung
vorheriger Datenabschnitte, die sich ebenfalls auf die Rückwärtsrichtung
beziehen, angehängt
werden. Die Abschnitte von Daten werden auf eine derartige Weise
gruppiert, daß die
erste Abtastung eines jeden aufeinanderfolgenden angehängten Abschnittes
der Position des Umkehrantriebes entspricht, die unmittelbar auf
die Position des Umkehrantriebes folgt, welche der letzten Abtastung
des zuletzt angehängten
Datenabschnittes entspricht.
-
Bei
Schritten 154 und 156 werden die in der Vorwärts- bzw.
Rückwärtsrichtung
gruppierten Daten einer Signalaufbereitung unterzogen. Die Signalaufbereitung
der Daten wird durchgeführt,
um Aliasing- und spektrale Streuungseffekte zu beseitigen. Während eines
Resamplings wird die Anzahl von Abtastungen relativ zu der Anzahl
von ursprünglichen
Abtastungen erhöht
(d.h. Upsampling unter Verwendung einer kubischen Interpolation).
In Übereinstimmung
mit dem Nyquist-Kriterium wird somit ein digitaler Tiefpaßfilter
an die Daten angelegt, um jegliche Frequenzen oberhalb jener, die
durch Daten, welche mit der ursprünglichen Abtastrate abgetastet
wurden, genau dargestellt werden können, zu entfernen. Allerdings
werden Aliasing-Fehler auf Grund des Resamplings durch den zeitsynchronen
Mittelwertbildungsprozeß gedämpft. Die
resamplete Wellenform wird durch ein Tiefpaß-Butterworth-Filter 9.
Ordnung gefiltert, um Frequenzen oberhalb der halben ursprünglichen
Abtastfrequenz zu entfernen und somit Fehler auf Grund eines Aliasing
zu vermeiden.
-
Eine
Streuung tritt auf, wenn eine schnelle Fourier-Transformation (FFT)
durchgeführt
wird, und ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Daten über eine
endliche Zeitperiode abgetastet werden und ein Schnitt der Frequenzkomponenten
in der Zyklusmitte vorgenommen wird. Eine Streuung wird durch die
Technik reduziert, die als Windowing des Signals (Fenstertechnik)
bekannt ist. Verwendete Fenster umfassen Hanning, Hamming, 7-Term-B-Harris,
4-Term-B-Harris, Flat Top, Blackman, Exact Blackman und Blackman-Harris.
-
Bei
Schritten 164 und 166 werden die in den jeweiligen
Richtungen gesammelten Daten einer Signalverarbeitung unterzogen.
Die Signalverarbeitung umfaßt
typischerweise Standard-Schwingungsanalysetechniken. Eine Analysetechnik
umfaßt
eine Mittelwertbildung der gefilterten Zeit-Wellenform in der Zeitdomäne, um einen
Zeitsynchronisierten Durchschnitt zu erzeugen. Dann wird an der
digitalen TSA-Zeit-Wellenform eine Ordnungs-FFT berechnet, wodurch
das Spektrum von Frequenzen identifiziert wird, die ganzzahlige
Vielfache einer Wellenrotationsfrequenz sind. Auch die Kurtosis
kann unter Verwendung der Daten der digitalen TSA-Zeit-Wellenform
berechnet werden.
-
Eine
weitere Analysetechnik umfaßt
die Verwendung der resampleten Daten, um ein Spektrum ausgewählter Ordnungen
(Order Tracked Spectrum) zu erzeugen, das in der Frequenzdomäne gemittelt
wird. Dies erfordert eine Transformation der Daten in die Frequenzdomäne mit Hilfe
einer FFT vor einer Signalmittelung.
-
Bei
Schritten 174 und 176 werden die in den Vorwärts- bzw.
Rückwärtsrichtungen
verarbeiteten Daten an einen Anzeigemonitor oder Drucker für eine optische
Analyse durch einen Menschen ausgegeben. Die Interpretation von
Schwingungssignalen ist eine hochspezialisierte Technik, die ein
umfangreiches Wissen über Maschinen
und ein genaues Verständnis
mechanischer Schwingungen erfordert. Bestimmte bekannte Korrelationen
können
angewendet werden, um beginnende Schäden vorauszusagen. Beispielsweise
kann ein spezifischer Typ von Fehlerbedingung durch eine spezifische
Schwingungssignatur identifizierbar sein. Des weiteren kann das
Ausmaß eines
bestehenden Schadens in einer Beziehung zu der Größe einer
oder mehrerer spezifischen/r Frequenzkomponente/n stehen.
-
Die
verarbeiteten Daten können
einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden, um eine Klassifizierung
vordefinierter Fehlerbedingungen durch eine maschinenbasierte Korrelation
erfaßter
Schwingungssignaturen mit gespeicherten Schwingungssignaturen zu
ermöglichen,
wobei Kennlinien der gespeicherten Signaturen repräsentativ
für spezifische
Fehlerbedingungen sind.
-
Die
weiterverarbeiteten Daten können
verwendet werden, um Alarmstufen mit Hilfe optischer und/oder akustischer
Indikato ren vorzusehen. Die Alarmstufen können in Warnungs-, Gefahren- und Abschaltkategorien
eingeteilt werden. Die Abschaltkategorie kann die Stufe sein, bei
der die Maschine automatisch abgeschaltet wird, um einen katastrophalen
Ausfall zu vermeiden.
-
Richtungs-
und Trigger-Bestimmung
-
2 zeigt
eine Bestimmung der Drehrichtung und eines Trigger-Punktes einer
Referenzwelle. Zwei Laserdrehzahlmesser werden verwendet, um einmal
pro Umdrehung durch Detektion einer Keilnut, einer Markierung oder
eines Stückes
eines reflektierenden Bandes an der Referenzwelle einen Rechteckimpuls
zu erzeugen. Die zwei Laserdrehzahlmesser sind voneinander um einen
Winkel von ca. 60 Grad versetzt. Der spezifische Winkel ist nicht
kritisch, der Versatz muß jedoch
ausreichen, um ein falsches Auslösen
auf Grund von Reflexionen von dem anderen Laser zu beseitigen, aber
kleiner als 180 Grad sein. Die Laserdrehzahlmesser sind jeweils
mit getrennten Kanälen
auf einer Datenerfassungskarte in einem Personal Computer (PC) verbunden
und werden gleichzeitig mit den Schwingungsinformationen abgetastet.
Wenn sich die Welle in der Rückwärtsrichtung
dreht, detektiert der erste Laser (Laser A) das reflektierende Band
und erzeugt einen Rechteckimpuls. Wenn sich die Welle weiter dreht,
detektiert der zweite Laser (Laser B) das reflektierende Band und erzeugt
einen Rechteckimpuls.
-
Ein
Softwareprogramm wird verwendet, um die Ankunftszeiten eines jeden
Impulses zu berechnen, indem die ansteigende Flanke (positive Flanke)
eines jeden Impulses geortet wird. Eine lineare Interpolation wird
verwendet, um die Ankunftszeiten genauer zu bestimmen. Die Zeit
zwischen einem Impuls von dem Laser A und einem nachfolgenden Impuls
von dem Laser B (dt) wird durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten dieser
Impulse bestimmt. Wenn jedoch eine Änderung einer Richtung erfolgt,
wird ein Impuls von dem Laser A von einem weiteren Impuls von dem
Laser A gefolgt, bevor ein Impuls von dem Laser B auftritt. Somit
muß eine
gültige
Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen immer dt im Gegensatz
zu dy oder dx entsprechen. Anders ausgedrückt, die Zeit, die verglichen
wird, muß kleiner
als die halbe Drehgeschwindigkeit der Referenzwelle sein, somit
ist dt < dT/2.
Nach dem Bestimmen, daß das
richtige dt verwendet wird, wird die Richtung durch das Vorzeichen
von dt bestimmt. Wenn dt negativ ist, erfolgt eine Rotation der
Welle in eine Richtung, und wenn dt positiv ist, erfolgt eine Rotation
der Welle in der entgegengesetzten Richtung.
-
Der
zum Bestimmen von dt anstelle von dx oder dy verwendete Softwareprogramm-Mechanismus
ist ein Satz von „wenn"-Befehlen, der jeden
Fall findet, in dem dt < dT/2
ist. Die Ankunftszeiten werden in einer logischen Sequenz ausgewertet,
um sicherzustellen, daß die
richtige Impulsankunftszeit in einer möglichst kurzen Zeit gefunden
wird. Die relative Position eines Impulses von dem Laser B wird
sich nur verändern,
wenn eine Änderung
der Richtung erfolgt, wobei die Welle zwischen zwei Impulsen anhält. Um die
Suche nach der Referenzposition für jedes Segment konstanter
Drehzahl zu vermeiden, erinnert sich das Softwareprogramm an die
Position für
den nächsten
Vergleich.
-
Es
ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß der erste Laser (Laser A)
verwendet wird, um den Beginn und das Ende einer jeden Umdrehung
zu bestimmen. Das Softwareprogramm verwendet diese Informationen,
um die Schwingungsdaten von der Zeitdomäne in die Winkeldomäne umzuwandeln.
Es ist wichtig, daß dieser
Impuls genau und wiederholbar ist, da die von jeder Umdrehung resampleten
Winkeldomäne-Daten
der exakt gleichen Position an der Welle entsprechen müssen. Der
zweite Laser (Laser B) wird nur verwendet, um die Richtung zu bestimmen,
und hat mit dem Resampling der Daten nichts zu tun.
-
Wenn
die Welle von Interesse in einem Getriebe verdeckt ist, ist eine
Bestimmung der Wellenankunftszeit schwieriger. Die Ankunftszeiten
der verdeckten Welle werden unter Verwendung des ersten Referenzimpulses
berechnet, um den Beginn der Umdrehung anzuzeigen. Das Übersetzungsverhältnis wird
dann verwendet, um exakt zu bestimmen, wie viele Umdrehungen der
Referenzwelle sich auf eine Umdrehung der Welle von Interesse beziehen.
Dieses Verhältnis
wird mit den Referenzwellen-Ankunftszeiten verwendet, um die Ankunftszeiten
der Welle von Interesse linear zu interpolieren. In Fällen, in
denen die Referenzwelle ihre Richtung mehr als einmal ändert, ist
es wichtig, die relative Position der verdeckten Welle zu verfolgen
und sicherzustellen, daß die
erste Abtastung immer derselben Position an der verdeckten Welle
entspricht.
-
Das
vorhergehende Verfahren zum Bestimmen von Ankunftszeiten einer verdeckten
Welle kann angewendet werden, um eine TSA an einer beliebigen Komponente
durchzuführen,
die eine Drehgeschwindigkeit aufweist, die entweder ein Bruchteil
einer Drehgeschwindigkeit, ein ganzzahliges Vielfaches einer Drehgeschwindigkeit
oder ein nicht ganzzahliges Vielfaches einer Drehgeschwindigkeit
ist. Ein gutes Beispiel dafür, wo
dieses angewendet werden kann, ist eine Lagerkäfigrotation. Die Drehgeschwindigkeit
des Käfigs
kann direkt mit der Drehgeschwindigkeit der Referenzwelle in Beziehung
stehen, wodurch unter der Voraussetzung, daß zwischen den Kugeln und den
Laufflächen
ein Grenzschlupf auftritt, eine TSA an dem Lagerkäfig durchgeführt werden
könnte.
-
Bestimmung
einer konstanten Drehzahl
-
Das
Softwareprogramm vergleicht jede Umdrehungszeit (dT), um Datenabschnitte
konstanter Drehzahl zu identifizieren. Wenn die Umdrehungszeit dTn
für eine
bestimmte Umdrehung n innerhalb eines bestimmten Prozentanteils
der Umdrehungszeit dTn-1 der vorhergehenden
Umdrehung n-1 liegt, wird bestimmt, daß die Drehzahl konstant ist.
Die Zeit für
jede aufeinanderfolgende Umdrehung wird mit der der vorherigen Umdrehung
verglichen, bis die prozentuelle Schwankung größer als eine bestimmte Schwelle
ist. Diese Schwelle kann in dem Softwareprogramm festgelegt sein
und besitzt typischerweise eine Standardeinstellung von 1 %. Ein
Minimum von drei aufeinanderfolgenden Umdrehungen konstanter Drehzahl
sind für
ein Resampling erforderlich. Somit werden bei einem Nichtvorhandensein
von drei aufeinanderfolgenden Umdrehungen mit konstanter Drehzahl
die relevanten Abtastungen verworfen und das Programm schreitet
zu der nächsten Ankunftszeit
voran. Dieser Prozeß wird
wiederholt, bis alle Ankunftszeiten von Umdrehungen konstanter Drehzahl
bestimmt sind.
-
Resampling
-
Abtastungen
von Schwingungsdaten, die über
jede Umdrehung für
jeden Abschnitt konstanter Drehzahl mit einer festen Abtastrate
erfaßt
wurden, werden resamplet, um eine feste Anzahl von Abtastungen pro Umdrehung
bereitzustellen. Die minimale Anzahl von Abtastungen pro Umdrehung,
um ein Aliasing zu vermeiden, ist der Quotient aus der ursprünglichen
Abtastrate (Hz) und der minimalen Wellendrehzahl
(Hz). Nach dem Resampling eines jeden Abschnittes
konstanter Drehzahl unter Verwendung einer kubischen Interpolation werden
alle Abschnitte, die sich auf jede bestimmte Bewegungsrichtung des
Antriebes beziehen, aneinan dergehängt. Dies ergibt einen kontinuierlichen
Satz von Abtastungen in bezug auf jede Bewegungsrichtung mit einer
festen Anzahl von Abtastungen pro Umdrehung. Die Gesamtzahl von
Abtastungen in jeder Bewegungsrichtung ist die Anzahl von Abtastungen
pro Umdrehung multipliziert mit der Anzahl von Umdrehungen konstanter
Drehzahl, die in jeder entsprechenden Richtung identifiziert wird.
Diese Abtastungssätze
werden als kontinuierliche Daten behandelt, die unter Verwendung
verschiedener Schwingungsanalysetechniken verarbeitet werden können.
-
Softwareimplementierung
-
Das
Softwareprogramm wurde in der Matlab- und Labview-Umgebung entwickelt.
Labview wurde hauptsächlich
verwendet, um eine Schnittstelle zwischen den Matlab-Script-Dateien
und der in dem Personal Computer (PC) verwendeten Datenerfassungskarte
zu bilden.
-
Die
Tabellen 1 bis 7 am Ende der detaillierten Beschreibung enthalten
Matlab-Script-Dateien, die verwendet werden, um Ausführungsformen
der Erfindung auszuführen:
-
Tabelle
1: Ankunftszeiten-Script 1 (Hauptprogramm)
-
Tabelle
2: Ankunftszeiten-Script 2 (Funktion, die in dem Ankunftszeiten-Script
1 verwendet wird)
-
Tabelle
3: Ankunftszeiten-Script der Welle von Interesse
-
Tabelle
4: Resampling von Schwingungsdaten in ein Vorwärts- und Rückwärtsrichtungs-Script
-
Tabelle
5: Impulsreferenzüberprüfungs-Script
(Richtungsbestimmung)
-
Tabelle
6: Resampling-Script (einschließlich
Interpolation)
-
Tabelle
7: Kurtosis-Berechnungs-Script
-
Weitere Details in bezug
auf die allgemeine Ausführungsform
-
Die 26 bis 30 stellen
zusätzliche
Details in bezug auf bestimmte der Schritte in 1 bereit.
-
Die
Daten werden in Blöcken
erfaßt,
deren Größe so gewählt ist,
daß sichergestellt
ist, daß Daten,
die sich auf zumindest zwei vollständige Umdrehungen beziehen,
in jedem Block erfaßt
sind. Ein SD_Segment ist ein Segment von Daten, die kontinuierlich
in der Zeitdomäne
sind und die sich auf eine/n spezifische/n Drehzahl- und Beschleunigungsbereich
und Richtung beziehen. Die nachfolgenden Variablen sind definiert:
- N
- = die Anzahl von Kanälen,
- K
- = die Datenerfassungsblocknummer,
- L
- = die SD-Segmentnummer,
- Revs
- = die Anzahl von Umdrehungen
in jeder zu erfassenden Richtung, und
- Z
- = die Anzahl von Punkten
pro Umdrehung, die resamplet werden sollen (dieser Wert wird auf
der Basis der Abtastrate, der Drehgeschwindigkeit der Welle und
des gewünschten
Upsampling-Verhältnisses
bestimmt).
- Sx
- = Wellennummer x
-
26 zeigt zusätzliche
Details, die sich auf die Schritte 110 und 120 von 1 beziehen,
welche sich auf die Erfassung der Schwingungsdaten und die Extraktion
von Datenverarbeitungs-Triggern beziehen. Im speziellen beziehen
sich die Schritte 101–104, 105 und 119 von 26 auf den Schritt 110 von 1,
und die Schritte 201–204 von 26 beziehen sich auf den Schritt 120 von 1.
-
Bei
Schritt 100 werden die nachfolgenden Variablen jeweils
auf Null initialisiert:
- • die Datenerfassungsblocknummer
(K),
- • die
SD-Sektionsnummer (L),
- • die
Gesamtanzahl von Umdrehungen in jeder erforderlichen Richtung (RFWD, RREV), und
- • die
Anzahl von verwendbaren Umdrehungen für jede Richtung einer jeden
Welle (Act_RevsSxDFWD, Act_RevsSxDREV).
-
Wenn
eine Richtung nicht initialisiert ist, werden die SD-Segmente für diese
Richtung nicht erfaßt.
-
Die
Referenztriggerdaten werden bei Schritt 101 erfaßt, und
die Richtungstriggerdaten werden bei Schritt 102 erfaßt. Die
tatsächlichen
Schwindungsdaten für
die Kanäle
1, 2 und N werden bei Schritten 103, 104 bzw. 119 erfaßt. Die
Anzahl von Kanälen
zum Erfassen tatsächlicher
Schwingungsdaten ist typischerweise durch die Datenerfassungshardware
oder die Datenverarbeitungsanforderungen begrenzt. Die Schritte 101 bis 104 und 119 erfolgen
typischerweise gleichzeitig auf Grund einer parallelen Implementierung
der Abtasthardware für
jeden Kanal.
-
Bei
Schritt 105 wird die Datenerfassungsblocknummer inkrementiert,
um einen nachfolgenden Satz von Abtastungen bei den Schritten 101 bis 104 und
Schritt 119 zu erfassen.
-
Bei
Schritten 201 und 203 wird der K-te Block von
Daten für
die Referenz- bzw. Richtungstrigger gelesen.
-
Bei
Schritten 202 und 204 werden die Drehzahlmesserankunftszeiten
A1k(t) und A2k(t)
für Drehzahlmesser
1 bzw. 2 für
den K-ten Block von Daten berechnet. Diese Werte werden verwendet,
um die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung für jede Umdrehung
zu bestimmen. Die Verarbeitung setzt bei Schritt 501 von 28 nach Schritt 204 von 26, bei Schritt 350 von
-
29 nach Schritt 307 von 27 und bei Schritt 301 von 27 nach Schritt 202 von 26 fort.
-
Die 27 und 28 und
Schritte 361, 371, 381, 362, 372 und 382 von 29 zeigen zusätzliche Details,
die sich auf Schritte 142 bzw. 130 von 1 beziehen,
welche sich auf eine Drehzahlnormalisierung der Schwingungsdaten
beziehen.
-
Unter
Bezugnahme zuerst auf 28 werden die Triggerinformationen
interpretiert, um die Richtung der Umdrehungen, die während des
K-ten Blocks erfolgen, bei Schritt 501 zu bestimmen. Der
Schritt 501 folgt auf Schritt 204 von 26.
-
Dann
wird bei Schritt 502 die Gesamtanzahl von Umdrehungen in
dem K-ten Block (Rk) berechnet. Dieser Wert
wird verwendet, um die Gesamtzahl von Umdrehungen in jeder Richtung
zu verfolgen und stellt Informationen bereit, die benötigt werden,
um die relative Position jeglicher verdeckter Wellen zu bestimmen.
-
Wenn
die Umdrehungen in dem K-ten Block in der Vorwärtsrichtung erfolgen, wird
bei einem Entscheidungsschritt 510 die Anzahl von Umdrehungen
in der Vorwärtsrichtung
um die Anzahl von Umdrehungen in dem aktuellen Block bei Schritt 511 inkrementiert.
Alternativ, wenn die Umdrehungen in dem K-ten Block in der umgekehrten
Richtung erfolgen, wird bei dem Entscheidungsschritt 510 die
Anzahl von Umdrehungen in der umgekehrten Richtung um die Anzahl
von Umdrehungen in dem aktuellen Block bei Schritt 513 inkrementiert. Für beide
vorhergehenden Fälle
setzt die Verarbeitung bei Schritt 302 von 27 fort. Die Bestimmung des Triggers und der Richtung
einer Drehung der Wellen von Interesse sind in diesem Dokument an
anderer Stelle beschrieben.
-
Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 27 werden
die Triggerinformationen interpretiert, um die Geschwindigkeit und
Beschleunigung der Umdrehungen, die während des K-ten Blocks stattfinden,
bei Schritt 301 zu bestimmen. Der Schritt 301 folgt
auf Schritt 302 von 26.
-
Die
Drehzahl-, Beschleunigungs- und Richtungsinformationen werden bei
Schritt 302 analysiert. Wenn die aktuelle Richtung nicht
benötigt
wird, und/oder die Drehzahl- und Beschleunigungswerte nicht innerhalb des
gewünschten
Bereiches liegen (NEIN), wird bei dem Entscheidungsschritt 302 der
K-te Block für
jeden Kanal bei Schritt 309 aus dem Speicher gelöscht. Dann
wird die Datenerfassungsblocknummer (K) bei Schritt 310 inkrementiert.
Die Verarbeitung setzt danach bei den Schritten 201 und 203 von 26 zum Verarbeiten des nächsten Blocks (K + 1) fort.
-
Das
erste Mal, bei dem die erfaßten
Daten innerhalb des angegebenen Drehzahl- und Beschleunigungsbereiches
fallen, und in einer Richtung sind, die benötigt wird (JA), werden die
Daten bei dem Entscheidungsschritt 302 in dem Speicher
gespeichert. Jeder nachfolgende Block von Daten, die sich in der
Zeitdomäne
benachbart zu dem vorhergehenden Block von Daten innerhalb der gewünschten
Drehzahl befinden, werden Beschleunigungs- und Richtungsparameter
bei Schritt 304 an das Ende des vorhergehende Blocks angehängt.
-
Dieser
Prozeß ergibt
ein kontinuierliches Segment von Daten (in der Zeitdomäne), das
innerhalb der Beschleunigungs-, Drehzahl- und Richtungsanforderungen
liegt. Dieses Segment wird als SD-Segment (Drehzahl- & Richtungssegment)
bezeichnet. Wenn die aufeinanderfolgenden Blöcke nicht mehr dieselbe Richtung aufweisen
und/oder nicht mehr innerhalb derselben Drehzahl- und Beschleunigungsbedingungen fallen,
wird ein neue SD-Seg ment begonnen. Dieser Prozeß wird durch die Schritte 303, 307 und 308 gesteuert.
-
Der
Schritt 303 überprüft, ob der
vorhergehende gültige
Block benachbart (in der Zeitdomäne)
zu dem aktuellen Block war. Wenn nicht, wird das vorhergehende SD-Segment
bei Schritt 307 bis Schritt 350 in 29 für
eine zusätzliche
Verarbeitung exportiert. Danach wird die SD-Segmentnummer (L) bei
Schritt 308 inkrementiert und bei Schritt 304 fortgesetzt.
-
Nachdem
jeder Block bei Schritt 304 an das aktuelle SD-Segment
angehängt
wurde, wird die Anzahl von verwendbaren Umdrehungen einer jeden
Welle bei Schritt 305 berechnet. Die Anzahl von verwendbaren Umdrehungen
der verdeckten Wellen wird berechnet, indem ein Algorithmus verwendet
wird, der die relative Position der Wellen verfolgt und die Anzahl
von vollständigen
und kontinuierlichen Umdrehungen der verdeckten Welle bestimmt.
-
Bei
Schritt 306 wird die tatsächliche Anzahl von Umdrehungen
einer jeden Welle in jeder Richtung getestet. Wenn die Anzahl von
Umdrehungen in der aktuellen Richtung die für diese Richtung erforderliche
Gesamtanzahl übersteigt
(JA), wird der Richtungsparameter bei Schritt 312 in „nicht
mehr erforderlich" geändert. Dies
bedeutet dem Steuerprogramm, keine weiteren Daten in der bestimmten
Richtung zu verarbeiten, da genügend
Umdrehungen erfaßt
wurden.
-
Als
nächstes
wird bei Schritt 311 bestimmt, ob genügend Umdrehungen für jede Richtung
und jede Welle erfaßt
wurden. Wenn JA, beendet der Prozeß die Erfassung von Daten bei
Schritt 313 und schreitet zu Schritt 650 von 30, wo das Programm darauf wartet, daß alle SD-Segmente
resamplet und an die entsprechende SDNU (Speed Direction Normalised
Unit = drehzahlrichtungsnormalisierte Einheit) angehängt werden. Wenn
NEIN, müs sen
noch zusätzliche
Umdrehungen erfaßt
werden, und die Blocknummer (K) wird bei Schritt 310 inkrementiert.
Die Verarbeitung setzt dann bei den Schritten 201 und 203 von 26 in bezug auf den nächsten Block fort.
-
29 zeigt zusätzliche
Details, die sich auf den Schritt 307 von 27 beziehen, der sich auf eine Verarbeitung der
Daten eines vorhergehenden SD-Segments bezieht, während Daten
eines aktuellen SD-Segments erfaßt werden.
-
Bei
Schritt 350 werden die Ankunftszeiten (d.h. die Zeiten,
zu denen eine Welle den ursprünglichen Triggerpunkt
der Welle durchläuft)
für jede
der Wellen berechnet.
-
Bei
Schritten 361, 371 und 381 werden die
aktuellen SD-Segmentdaten für
jeden entsprechenden Kanal von dem Speicher abgerufen. Dann werden
bei Schritten 362, 372 und 382 die SD-Segmentdaten für jeden entsprechenden
Kanal in die Winkeldomäne
resamplet. Der Resamplingprozeß ist
in diesem Dokument an anderer Stelle erläutert.
-
Bei
Schritten 363, 373 und 383 werden die
Zeitdomänen-SD-Segmentdaten
für jeden
entsprechenden Kanal aus dem Speicher gelöscht und nur die resampelten
Winkeldomänen-SD-Segmentdaten
im Speicher belassen.
-
Die
Schritte 142, 144 und 146 von 1,
die Schritte 501 bis 513 von 28 und die Schritte 600, 610 und 620 von 29 bilden den Prozeß einer Richtungsnormalisierung.
Die Richtung der Daten in des aktuellen SD-Segments wurde bei den
Schritten 501 bis 513 von 28 identifiziert.
-
Nunmehr
zurückkehrend
zu 29 werden die aufeinanderfolgenden Abschnitte
von Daten, die sich auf dieselbe Richtung be ziehen, gruppiert, indem
aufeinanderfolgende Abschnitte an eine Sammlung von vorhergehenden
Datenabschnitten, die sich ebenfalls auf diese Richtung beziehen,
bei den Schritten 600, 610 und 620 angehängt werden.
Die Daten in diesem Format werden als Speed Direction Normalised
Unit (SDNU) bezeichnet.
-
In ähnlicher
Weise werden, wenn ein SD-Segment eine andere Richtung aufweist
(d.h. vorwärts
im ersten Fall und rückwärts im zweiten
Fall), wie in 1 als Schritte 144 und 146 gezeigt,
die aufeinanderfolgenden Abschnitte von Daten, die sich auf diese
Richtung beziehen, gruppiert, indem aufeinanderfolgende Abschnitte
an eine Sammlung von vorhergehenden Datenabschnitten, die sich ebenfalls
auf diese Richtung beziehen, angehängt werden.
-
Eine
SDNU ist für
jeden Kanal und jede für
diesen Kanal verfügbare
Richtung vorhanden. Die Abschnitte von Daten werden auf solche Weise
gruppiert, daß die
erste Abtastung eines jeden aufeinanderfolgenden angehängten Abschnitts
der Position des Umkehrantriebs entspricht, die unmittelbar auf
die Position des Umkehrantriebs folgt, die der letzten Abtastung
des zuletzt angehängten
letzten Datenabschnitts entspricht.
-
Die
synchronen Komponenten einer jeden SDNU sind kontinuierlich, da
jedes SD-Segment sowohl in der Winkel- als auch der Zeitdomäne kontinuierlich
ist, und wenn jedes SD-Segment angehängt wird, um eine SDNU zu bilden,
wird die Winkeldomänenkontinuität (d.h.
synchrone Komponenten) beibehalten. Wie in diesem Dokument an anderer
Stelle erklärt,
ist solch eine Kontinuität
für den
Prozeß einer
zeitsynchronen Mittelwertbildung zwingend.
-
Das
Anhängen
von SD-Abschnitten, um eine SDNU zu erzeugen, verursacht jedoch
Diskontinuitäten in
jeglichen nicht synchro nen Komponenten. Diese Diskontinuitäten treten
an dem Punkt auf, wo zwei SD-Segmente angehängt werden, und treten als
Ergebnis nicht synchroner Komponenten auf, die sich nicht über jede Umdrehung
wiederholen. Somit ändert
sich die Phase dieser nicht synchronen Komponenten, wenn in dem Zeitdomänen-Datenerfassungsprozeß eine Pause
auftritt (d.h. wenn SD-Segmente angehängt werden).
-
Wenn
alle Komponenten des Signals nicht kontinuierlich sind, kann der
Order Tracking- oder Demodulationsprozeß unerwünschte Komponenten in dem FFT-Spektrum
zum Ergebnis haben. Dies auf Grund der Tatsache, daß der FFT-Prozeß voraussetzt,
daß ein
Signal über
die Periode des analysierten Signals kontinuierlich ist.
-
Bei
Schritten 601, 611 und 621 wird die Länge des
aktuellen SD-Segments in den Header dieses SD-Segments geschrieben.
Diese Informationen werden verwendet, um die Position jeglicher
Diskontinuitäten zu
verfolgen, und können
entweder verwendet werden, um Diskontinuitäten zu vermeiden, wenn die
SDNUs verarbeitet werden, die Diskontinuitäten zu glätten, die Diskontinuitäten zu entfernen,
oder die Auswirkung der Diskontinuität auf die FFT zu verstehen.
Eine nachfolgende Verarbeitung setzt bei Schritt 308 von 27 fort.
-
Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 30 wartet
das Programm darauf, daß alle
Umdrehungen in jeder erforderlichen Richtung an jeder Welle bei
Schritt 650 erfaßt
und in die Winkeldomäne
resamplet werden. Dieser Programmschritt folgt auf Schritt 314 von 27. Wenn alle Daten verfügbar sind, erfolgt bei Schritten 800 und 850 eine
Signalaufbereitung an jeder SDNU für die jeweiligen Richtungen.
Die Signalaufbereitung der Daten wird ausgeführt, um Aliasing- und spektrale
Streuungseffekte zu beseitigen. Während eines Resampling wird
die Anzahl von Abtastungen relativ zu der Anzahl ursprünglicher
Abtastungen erhöht
(d.h. Upsampling unter Verwendung einer kubischen Interpolation).
Ein digitales Tiefpaßfilter
wird daher auf die Daten angewendet, um jegliche Frequenzen oberhalb
jener, die durch Daten genau repräsentiert werden können, die
bei der ursprünglichen
Abtastrate gemäß dem Nyquist-Kriterium
abgetastet wurden, zu entfernen. Allerdings werden Aliasingfehler
auf Grund eines Resampling durch den zeitsynchronen Mittelwertbildungsprozeß gedämpft. Die resampelte
Wellenform wird durch ein Tiefpaß-Butterworth-Filter 9.
Ordnung gefiltert, um Frequenzen oberhalb der halben ursprünglichen
Abtastfrequenz zu entfernen und somit Fehler auf Grund eines Aliasing
zu vermeiden.
-
Eine
Streuung tritt auf, wenn eine schnelle Fourier-Transformation (FFT)
durchgeführt
wird, und ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Daten über eine
endliche Zeitperiode abgetastet werden und ein Schnitt der Frequenzkomponenten
in der Zyklusmitte vorgenommen wird. Eine Streuung wird durch die
Technik reduziert, die als Windowing des Signals (Fenstertechnik)
bekannt ist. Verwendete Fenster umfassen Hanning, Hamming, 7-Term-B-Harris,
4-Term-B-Harris, Flat Top, Blackman, Exact Blackman und Blackman-Harris.
-
Bei
Schritten 900 und 950 von 30 und
Schritten 164 und 166 von 1 werden
die in den jeweiligen Richtungen gesammelten Daten einer Signalverarbeitung
unterzogen. Die Signalverarbeitung umfaßt typischerweise Standard-Schwingungsanalysetechniken.
Eine Analysetechnik umfaßt
eine Mittelwertbildung der gefilterten Zeit-Wellenform in der Zeitdomäne, um einen
zeitsynchronisierten Durchschnitt zu erzeugen. Dann wird an der
digitalen TSA-Zeit-Wellenform eine Ordnungs-FFT berechnet, wodurch
das Spektrum von Frequenzen identifiziert wird, die ganzzahlige
Vielfache einer Wellenrotationsfrequenz sind. Auch die Kurtosis kann
unter Verwendung der Daten der digitalen TSA-Zeit-Wellenform berechnet
werden.
-
Eine
weitere Analysetechnik umfaßt
die Verwendung der resampleten Daten, um ein Spektrum ausgewählter Ordnungen
(Order Tracked Spectrum) zu erzeugen, das in der Frequenzdomäne gemittelt
wird. Dies erfordert eine Transformation der Daten in die Frequenzdomäne mit Hilfe
einer FFT vor einer Signalmittelung.
-
Bei
Schritten 1000 und 1050 von 30 und
Schritten 174 und 176 von 1 werden
die in den Vorwärts-
bzw. Rückwärtsrichtungen
verarbeiteten Daten an einen Anzeigemonitor oder Drukker für eine optische Analyse
durch einen Menschen ausgegeben. Die Interpretation von Schwingungssignalen
ist eine hochspezialisierte Technik, die ein umfangreiches Wissen über Maschinen
und ein genaues Verständnis
mechanischer Schwingungen erfordert. Bestimmte bekannte Korrelationen
können
angewendet werden, um beginnende Schäden vorauszusagen. Beispielsweise
kann ein spezifischer Typ von Fehlerbedingung durch eine spezifische
Schwingungssignatur identifizierbar sein. Des weiteren kann das
Ausmaß eines
bestehenden Schadens in einer Beziehung zu der Größe einer
oder mehrerer spezifischen/r Frequenzkomponente/n stehen.
-
Die
verarbeiteten Daten können
einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden, um: jegliche Diskontinuitäten innerhalb
von SDNUs zu glätten,
Diskontinuitäten
innerhalb von SDNUs zu entfernen oder eine Klassifizierung vordefinierter
Fehlerbedingungen durch eine maschinenbasierte Korrelation erfaßter Schwingungssignaturen
mit gespeicherten Schwingungssignaturen zu ermöglichen, wobei Kennlinien der
gespeicherten Signaturen repräsentativ
für spezifische
Fehlerbedingungen sind.
-
Die
weiterverarbeiteten Daten können
verwendet werden, um Alarmstufen mit Hilfe optischer und/oder akustischer
Indikatoren vorzusehen. Die Alarmstufen können in Warnungs-, Gefahren- und Abschaltkategorien
eingeteilt werden. Die Abschaltkategorie kann die Stufe sein, bei
der die Maschine automatisch abgeschaltet wird, um einen katastrophalen
Ausfall zu vermeiden.
-
Wellenverfolgung
-
Die 31, 32 und 33 zeigen
einen Softwareprogrammcode zum Verfolgen der Position jeglicher
Zwischenwellen, die in einem Getriebe verdeckt sein können, indem
die Anzahl von Vorwärts- und Rückwärtsrotationen
einer Referenzwelle verfolgt wird. Der Programmcode ist in LabviewTM geschrieben, das eine von National Instruments
entwickelte grafische Programmiersprache ist. Der Begriff „verdeckte
Welle" bezieht sich
auf eine Welle, die von außen
nicht zugänglich
ist, um einen Trigger zu erzeugen. Dieser Programmcode ist somit
nur in Fällen
erforderlich, in denen die Welle von Interesse eine verdeckte Welle
ist. In Fällen,
in denen der Trigger direkt von der Welle von Interesse abgeleitet
werden kann, besteht keine Notwendigkeit, die relative Wellenposition
zu verfolgen, da der Triggerimpuls die Null-Grad-Position der Welle
von Interesse angibt.
-
Die
Null-Grad-Position der verdeckten Welle ist der Punkt, an dem sich
die Referenzwelle zum ersten Mal in dem Datenerfassungsfenster in
ihrer Null-Grad-Position befindet. Die Null-Grad-Position der verdeckten Welle tritt
nicht immer auf, wenn sich die Referenzwelle in ihrer Null-Grad-Position
befindet, da sich die verdeckte Welle mit einer anderen Drehzahl
als die Referenzwelle dreht, und aus diesem Grund ist es zwingend erforderlich,
daß die
Anzahl von Vorwärts-
und Rückwärtsrotationen
der Referenzwelle verfolgt wird, um die tatsächliche Posi tion der verdeckten
Welle zu bestimmen. Die tatsächliche
Position der verdeckten Welle bezieht sich darauf, wo die Null-Grad-Stelle der verdeckten
Welle in bezug auf die Referenzwelle auftritt. Ein Verfolgen der
Null-Grad-Position der verdeckten Welle stellt sicher, daß in Fällen, in
denen die Welle die Richtung mehr als ein Mal ändert, die erste Abtastung
eines Resampling in eine Winkeldomäne immer derselben Position
der verdeckten Welle entspricht.
-
Die
Eingänge
in diesen Abschnitt des Programmcodes sind die Arrtime(Ankunftszeit)-Matrix,
die tatsächlichen
Umdrehungen am Ende eines Ersten gültigen Zyklus, das Drehzahlverhältnis und
die Richtungsabhängigkeit.
Die Arrtime-Matrix ist eine Matrix von Ankunftszeiten für die Referenzwelle
(Triggerwelle), die sich auf die Null-Grad-Position der Referenzwelle
in dem SD-Segment bezieht. Wie in diesem Dokument an anderer Stelle
erklärt,
ist das SD_Segment ein Segment von Schwingungsdaten, die unter spezifischen
wünschenswerten
Drehzahl-, Beschleunigungs- und Richtungsbedingungen erfaßt werden.
Die variable tatsächliche
Umdrehungen am Ende des Ersten gültigen
Zyklus repräsentiert
die tatsächlichen
Umdrehungen, die die Referenzwelle (Triggerwelle) vom Beginn des
gesamten Datenerfassungsprozesses erfahren hat. Dies umfaßt den ersten
Zyklus in dem aktuellen SD_Segment (d.h. den Zyklus von der ersten
Ankunftszeit bis zu der zweiten Ankunftszeit). Das Drehzahlverhältnis ist
das Verhältnis
der Drehzahl der verdeckten Welle zu der Drehzahl der Referenzwelle
(Drehzahl der verdeckten Welle/Drehzahl der Referenzwelle). Der
Richtungsabhängigkeits-Eingang
ist eine Bool'sche
Steuervariable, die die Drehrichtung dem SD_Segment angibt: Wahr
für Vorwärts und
Falsch für
Rückwärts.
-
Unter
Bezugnahme auf 31 wird die Richtungsabhängigkeit
des aktuellen SD_Segments bei Schritt 110 gelesen und inter pretiert.
Wenn die aktuelle Richtung vorwärts
ist (Wahr), gibt der Fall 110 einen Wert 1 aus, und wenn
sie rückwärts ist,
gibt der Fall 110 einen Wert von –1 aus. Der Ausgangswert wird
bei Schritt 120 verwendet, um eine Matrix von Indizes zu
erstellen, die die Ankunftszeiten (arrtime) mit der Position der
verdeckten Welle in Bezug setzt. Dies wird erreicht, indem die relative
Drehposition der Referenzwelle mit dem Drehzahlverhältnis multipliziert
wird. Die Indizes, die die Ankunftszeiten mit der relativen Position
der verdeckten Welle in Bezug setzen, werden dann an die Schritte 150 und 130 gesendet.
-
Der
Code zwischen den Schritten 120 und 130 (umfassend
die Schritte 120 bis 123) extrahiert im wesentlichen
die maximalen und minimalen Werte in der Matrix. Diese maximalen
und minimalen Werte werden dann bei Schritt 130 verwendet,
um den Anfang und das Ende des SD_Segments zu bestimmen. Ob der
maximale Wert der Anfang oder das Ende eines SD_Segments ist, hängt von
der Richtungsabhängigkeit
des aktuellen SD_Segments ab. Wenn die Richtung vorwärts ist,
ist der Fall 130 wahr, und der Fall 131 wird verarbeitet,
um zu bestimmen, ob die Referenz auf die erste Umdrehung um 1 inkrementiert
werden soll oder nicht. Wenn der Rest der Division bei Schritt 123 Null
ist, dann muß der
erste Wert bei Schritt 131 nicht inkrementiert werden,
wenn der Rest der Division bei Schritt 123 jedoch nicht
Null ist, dann muß der
erste Wert bei Schritt 131 um 1 erhöht werden. Dies auf Grund der
Tatsache, daß das
Ergebnis des ganzzahligen Quotienten bei Schritt 121 in
dem Fall um 1 unter der ersten vollständigen Umdrehung der verdeckten
Welle liegt. Einem ähnlichen
Prozeß wird
bei Schritt 130 gefolgt, wenn die Richtungsabhängigkeit
des aktuellen SD_Segments umgekehrt ist.
-
Der
Ausgang von Schritt 130 ist eine ganze Start- und Endzahl,
die in Schritt 140 verwendet wird, um eine Matrix von ganzen
Zahlen zu erzeugen, die sich auf die Null-Grad-Position der verdeckten
Welle beziehen. Diese Werte werden verwendet, um die Ergebnisse
des Schrittes 160 zu interpolieren und die Ankunftszeiten
der Null-Grad-Position der verdeckten Welle zu ermitteln.
-
Bei
dem Fall 160 wird der Cluster, der die Ankunftszeiten und
den Index relativer Positionen der verdeckten Welle enthält, umgedreht,
wenn die Richtung des SD_Segments umgekehrt ist. Wenn die Richtung des
aktuellen SD_Segments vorwärts
ist, dann besteht keine Notwendigkeit, den Cluster umzudrehen, da
die relativen Positionen der verdeckten Welle bereits in ansteigender
Reihenfolge vorliegen.
-
Der
letzte Schritt in dem Programm besteht darin, die Ankunftszeiten
und relativen Positionen der verdeckten Welle zu interpolieren,
um die Zeitpunkte zu bestimmen, zu denen sich die verdeckte Welle
in einer Null-Grad-Position befindet. Auf die Ankunftszeiten der
verdeckten Welle wird in dem Programmcode als die Ankunftszeiten
der Welle von Interesse (shoiarr-time)
Bezug genommen, und diese werden später in Verbindung mit den Schwingungsdaten-Abtastzeiten
verwendet, um die Schwingungsdaten dort in die Winkeldomäne zu resampeln,
wo sich die Winkeldomäne
für diese
Fälle auf
die verdeckte Welle bezieht (d.h. 0 bis 360 Grad der verdeckten
Welle).
-
Beispiel einer
Harrison Drehmaschine
-
Eine
TSA wurde an einer 30 Jahre alten Harrison Drehmaschine unter Verwendung
einer Ausführungsform
der Erfindung durchgeführt,
um die Auswirkung von kleinen Fehlern auf die Zeit-Wellenform und
das Frequenzspektrum zu demonstrieren.
-
Das
Getriebe der Drehmaschine umfaßt
eine Antriebswelle, eine Zwischenwelle und eine Ausgangswelle mit
drei Zahnrädern
daran. Die erste Analyse ist eine der Rückwärtsrichtungsseite des Zahnrades 2,
das an der Ausgangswelle angeordnet ist und 49 Zähne aufweist. Das Zahnrad 2 ist
das Ausgangszahnrad für
die häufigste
Bearbeitungsgeschwindigkeit in dem Getriebe und repräsentiert
daher das am meisten benutzte Zahnrad in dem Getriebe.
-
Die 3 und 4 zeigen
ein typisches Zahnprofil des Zahnrades 2. 4 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines in 3 gezeigten Zahnradzahnes 310.
Das gesamte Zahnrad zeigt Zonen von lokaler Haftung, Abriebverschleiß und Polieren.
Zonen von lokaler Haftung 410 und 420 sind in 4 gezeigt.
Es ist sehr wahrscheinlich, daß eine
Haftung zuerst auftrat, was dazu führte, daß feine Partikel von der Oberfläche des Zahns
entfernt wurden, die in der Folge ein/en Abriebverschleiß und Polieren
verursacht haben. Der Zahn zeigt auch Zeichen eines moderaten Kunststoff-Metallflusses 430 in 4.
-
Abweichungen
von einem vollkommenen Zahnprofil resultieren in verschmierten und
ungleichmäßigen Spitzen
in der TSA-Zeit-Wellenform auf Grund dessen, daß der Kontakt zwischen zwei
kämmenden
Zähnen
nicht mehr reibungslos ist. Zusätzliche
Schwingungen werden eingebracht, wenn die unebenen Flächen aneinander
vorbeigleiten. Die TSA-Wellenform von 5 zeigt
nach 500 Durchschnitten deutlich eine Energiespitze zwischen 180
und 200 Grad, und 6 zeigt die Zähne, denen
diese Spitzen entsprechen.
-
Die
Zähne,
die der Energiespitze zwischen 180° und 200° entsprechen, zeigen Eigenschaften,
die wahrscheinlich zu dem in 5 ersichtlichen
erhöhten
Schwingungsbetrag beitragen. Das Erste ist eine sehr tiefe Rille 650,
wie in 6 gezeigt. Da das Getriebe keine Kupplung aufweist,
und die Zahnräder
während eines
Schaltens einfach ineinander gleiten, ist es sehr wahrscheinlich,
daß die
Rille 650 von einem Schaltvorgang herrührt, der erfolgte, während sich
die Zahnräder
noch drehten. Es scheint, daß die
Ecke des kämmenden
Zahnrads mit diesem Zahnrad zusammengestoßen ist, während es versuchte, den Eingriff
zu sperren. Da sich die Drehung fortsetzte und das Zahnrad sich
weiter in Richtung eines vollen Eingriffs bewegt hat, wurde der
Winkel auf dem in 6 gezeigten Zahn zerkratzt.
Dies repräsentiert
einen nicht lokalen Abriebverschleiß. Ein lokaler Schaden durch
Abriebverschleiß 620 und 630 und
ein Ermüdungsversagen
durch Rollkontakt 640 sind in 6 ebenfalls
gezeigt. Der Verschleiß trägt wahrscheinlich
zu den in 5 gezeigten Energiespitzen bei.
-
7 zeigt
das Spektrum ausgewählter
Ordnungen für
den zeitsynchronisierten Durchschnitt als Anzahl von Nebenbanden,
die der Zahneingriffsordnung zugehörig sind. Diese Nebenbanden
können
jedem von einem unregelmäßigen Verschleiß an den
Zahnradzähnen,
einem Zahnschaden und einer nicht korrekten Beabstandung zwischen
Zahnrädern
zugeschrieben werden. In diesem Fall ist es der Zahnschaden, der
dazu geführt
hat, daß die
Ordnungen um einen Zahneingriff relativ hoch sind. Wenn der Zahn
in einem besseren Zustand wäre,
würden
die Nebenbanden um die Zahneingriffsordnung kleinere relative Amplituden
aufweisen.
-
Ein
Spektrum für
ein vollkommenes Zahnprofil würde
einer Sinuswelle nahe kommen, wobei die Frequenz der Zahneingriffsfrequenz
oder einer ihrer Oberschwingungen entspricht. Wenn das Zahnrad jedoch nicht
vollkommen ist, gibt es immer Abweichungen von dem vollkommenen
Profil. Der zeitsynchrone Durchschnitt des Zahnrades 3 in
der Rückwärtsrichtung
nach 500 Durchschnitten ist in 8 gezeigt.
Das Zahnrad 3 weist 81 Zähne auf und ist ebenfalls an
der Ausgangswelle angeordnet. 8 weist
im Vergleich mit 5 ein viel glatteres Profil
auf und stellt ein gutes Beispiel einer Zeit-Wellenform für ein Zahnrad
in einem relativ guten Zustand bereit.
-
Die
TSA-Zeit-Wellenform von 8 weist sehr ausgeprägte Spitzen
auf jeder Seite von 100° auf.
Der Zahn genau vor 100° ist
der 22. Zahn, daher entsprechen Spitzen 810 und 820 auf
jeder Seite dem 21. bzw. dem 23. Zahn. Ein Ermüdungsversagen durch Rollkontakt
oder ein Schaden durch ein mögliches
Eindringen eines harten Partikels an dem 21. Zahn 940 und
dem 23. Zahn 910 ist in 9 gezeigt. 10 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines Ermüdungsversagens
durch Rollkontakt oder eines Schadens durch ein mögliches Eindringen
eines harten Partikels 1010 und 1020, der an dem
23. Zahn 910 von 9 erlitten
wurde. Der 22. Zahn, der zwischen dem 21. Zahn 940 und
dem 23. Zahn 910 angeordnet ist, scheint in gutem Zustand
zu sein.
-
Die
TSA-Zeit-Wellenform in 8 zeigt auch eine ausgeprägte Spitze 830,
die dem 9. Zahn entspricht. Diese Spitze ist sehr wahrscheinlich
dem Abdruck 1110 des kleinen harten Partikels, der in 11 gezeigt
ist, zuzuschreiben. Es ist möglich,
daß der
Abdruck durch ein Teil des Gegenrades verursacht wurde, das abgesplittert
sein kann, während
ein Schaltvorgang in Bewegung versucht wurde.
-
12 zeigt
das Spektrum der TSA für
das Zahnrad 3 (nach 500 Durchschnitten) mit einer sehr
scharfen Spitze bei 81 Ordnungen, was der Zahneingriffs-Grundordnung
entspricht. Darüber
hinaus sind keine Nebenbanden zu sehen, da die Ordnungen um die
Zahneingriffsordnung herum sehr klein sind. Dies bestätigt, daß sich das
Zahnrad 3 in einem guten Zustand befindet.
-
Beispiel eines
Friction-Winder-Getriebes
-
Eine
weitere Analyse wurde an einem sechs Monate alten Getriebe eines
Friction-Winders durchgeführt,
der in der Lage ist, zehn Tonnen Erz von einer unterirdischen Goldmine
zu heben. Dem Transportkübel steht
ein Gegengewicht von einer Masse von 10 Tonnen gegenüber, daher
ist das Zahnrad am stärksten
belastet, wenn der Transportkübel
leer ist und sich nach unten bewegt.
-
Die
Analyse erfolgte am Eingangswellenantrieb. Zu Beginn wurde ein Beschleunigungsmesser
in der vertikalen Richtung über
dem Antriebsendlager (Ausgangsende) montiert. Die resultierende
Zeit-Wellenform für
die Rückwärtsrichtung
nach 500 Durchschnitten ist in 13 gezeigt,
die ausgeprägte
Spitzen 1310 um 90° herum
zeigt. Eine Überprüfung des
Zahnrades, das 17 Zähne
aufweist, zeigte kleine Schäden
an dem Zahn, der dieser Position entspricht. Der Zahn, der den Spitzen 1310 um
90° herum
entspricht, weist einen großen
Abdruck 1410 am Rücken
auf, wie in den 14 und 15 gezeigt. 15 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des in 14 gezeigten Abdrucks, die sehr
wahrscheinlich während
des Einbaues des Zahnrades auftrat.
-
16 zeigt die resultierende TSA-Zeit-Wellenform
für die
Rückwärtsrichtung
nach 500 Durchschnitten, wobei der Beschleunigungsmesser in der
vertikalen Richtung an dem Antriebsende der Welle montiert ist. Da
das Zahnrad in Richtung der Ausgangsseite des Getriebes angeordnet
ist, zeigt die TSA-Zeit-Wellenform, die
an Daten durchgeführt
wurde, die über
dem ausgangsseitigen Lager erfaßt
wurden, wie durch 13 gezeigt, diesen Fehler deutlicher. 16 zeigt die Beträge als viel kleiner und weniger
ausgeprägt.
-
Das
Ordnungsspektrum für
das Zahnrad 3 ist in 17 gezeigt.
Es ist zu sehen, daß die
dominanten Eingriffsoberschwingungen für das Zahnrad 3 die
vierte Oberschwingung 1710 und die fünfte Oberschwingung 1720 der
Zahneingriffsfrequenz sind. Dies erklärt, weshalb so viele Spitzen
auftreten, nämlich
zwischen 4 und 5 Spitzen für
jeden Zahn. Der Zahn, der 180° entspricht,
weist insofern einen kleinen Fehler auf, als ein sehr kleiner Fleck
vorhanden ist, wo ein geringer Abriebverschleiß aufgetreten ist. Es ist ferner
wahrscheinlich, daß Fehler
an weiteren Zähnen
in dem Getriebe vorhanden sind, da weitere deutliche Spitzen bei
5° und 290° vorhanden
sind.
-
Konvergenz
-
Die
optimale Anzahl von zeitsynchronisierten Durchschnitten entspricht
der minimalen Anzahl von Durchschnitten, die erforderlich sind,
um ein ausreichendes Rauschen und nicht synchrone Schwingungen zu entfernen
und die wesentlichen Eigenschaften der TSA-Zeit-Wellenform anzugeben.
Es besteht ein Kompromiß zwischen
der Anzahl von Durchschnitten und den Kosten einer Datenerfassung.
Im wesentlichen wird es umso länger
dauern, die Daten zu sammeln, und werden die Kosten einer Durchführung der
Analyse umso größer sein,
desto mehr Durchschnitte erfaßt
werden. Dies ist insbesondere der Fall bei Umkehrantrieben, da einige
Daten, die erfaßt
werden, wenn der Antrieb langsamer wird, die Richtung ändert und
dann beschleunigt, nicht verarbeitet werden können.
-
In
der Praxis schwankt die minimale annehmbare Zahl von Durchschnitten
gemäß den Eigenschaften einer
bestimmten Maschine. Es wurde jedoch gezeigt, daß eine Verdoppelung der Anzahl
von Durchschnitten das Signal/Rausch-Verhältnis um einen Faktor √2 verringert.
Somit ist die minimale annehmbare Anzahl von Durchschnitten auch
von dem Getriebe selbst abhängig,
da das Signal/Rausch-Verhältnis
für jedes
Getriebe anders ist.
-
Ein
bekannter Algorithmus kann verwendet werden, um die Anzahl von Durchschnitten,
die erforderlich ist, zu bestimmen, bevor die TSA-Zeit-Wellenform
beginnt, sich zu stabilisieren. Der Algorithmus analysiert einen
vereinfachten Korrelationskoeffizienten zwischen dem kumulativen
Durchschnitt (nach N Durchschnitten) und dem kumulativen Durchschnitt
nach N/2 Durchschnitten, wobei N im Allgemeinen jede Zahl von Durchschnitten
ist, die eine Potenz von 2 ist. Der Algorithmus ist unten stehend
gezeigt.
-
Beende
Mittelwertbildung, wenn:
wobei:
- L
- = Streuungsrate (per
Definition)
- Xn.j
- = j-te Punkt in dem
aktuellen Durchschnitt bei n Umdrehungen
- Xn/2.j
- = j-te Punkt in dem
Durchschnitt bei n/2 Umdrehungen
- N
- = Anzahl von Punkten
in dem Durchschnitt
-
Der
Algorithmus wurde überprüft, indem
eine TSA an einem verrauschten Getriebe durchgeführt wurde, da mehr Durchschnitte
für den
Fall eines hohen Signal/Rausch-Verhältnisses erforderlich sind.
Der Algorithmus sagte voraus, daß eine Konvergenz für ein spezielles
Zahnrad nach 4 Durchschnitten auftrat. Dies war deshalb der Fall,
da nach 4 Durchschnitten der Streuungsfaktor 0,037 betrug, was kleiner
ist als ein Streuungsfaktor von 0,05 wie gemäß dem Algorithmus berechnet.
-
18 zeigt die TSA-Zeit-Wellenformen für 4 Durchschnitte
und für
4000 Durchschnitte. Ein Vergleich der Wellenformen zeigt an, daß die Haupteigenschaften
im wesentlichen dieselben sind. Es bestehen jedoch Unterschiede,
was zu dem Schluß führt, daß der berechnete
Streuungsfaktor von 0,05 zu hoch ist und modifiziert werden sollte.
-
Um
einen geeigneteren Streuungswert zu bestimmen, wurde der TSA-Zeit-Wellenform-Korrelationskoeffizient
zwischen jedem Durchschnitt und die TSA nach 4000 Durchschnitten
berechnet. Da sich die TSA-Zeit-Wellenform jener der TSA von 4000
Durchschnitten annähert,
nähert
sich der Korrelationskoeffizient einem Wert von eins an. Wie schnell
dies geschieht, zeigt den Effekt, den jeder zusätzliche Durchschnitt auf die
Eigenschaften der TSA-Zeit-Wellenform hat.
-
19 zeigt einen Graph des Korrelationskoeffizienten
vs. die Anzahl von Durchschnitten. Der höchste Korrelationskoeffizient,
der auf drei signifikante Stellen erzielt wurde, betrug 0,989. Dies
war nach 63 Durchschnitten der Fall, was somit den Schluß nahelegt,
daß die
Zeit-Wellenform nach 63 Durchschnitten eine sehr gute Darstellung
der Eigenschaften des Getriebes bereitstellt.
-
20 zeigt eine grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform
nach 63 Durchschnitten, die über eine
grafische Darstellung einer TSA-Zeit-Wellenform nach 4000 Durchschnitten
gelegt ist. 20 zeigt, daß die Eigenschaften
der zwei Zeit-Wellenformen im wesentlichen dieselben sind. Der Streuungsfaktor
nach 63 Durchschnitten beträgt
0,0001. Somit müßte die
Streuung auf 0,0001 gesetzt werden, um dieses Genauigkeitsniveau
zu erreichen.
-
Der
vorhergehende Algorithmus ging davon aus, daß der Mittelwert für jeden
Satz von Datenpunkten Null betrug. Diese Annahme wurde präsumptiv
getroffen, um die Berechnung des Korrela tionskoeffizienten zu vereinfachen
und die Rechenzeit zu reduzieren. Während der vorhergehende Algorithmus
nur die letzten 50 Abtastungen analysierte, um ein „Droop" zuzulassen, verwendet
die hierin nachfolgend beschriebene modifizierte Version alle Abtastpunkte
in der Berechnung, um sicherzustellen, daß der Korrelationskoeffizient
durch jede Abweichung in der Zeit-Wellenform beeinflußt wird, ganz gleich, wo die
Abweichungen auftreten. Des weiteren eliminiert die hierin nachfolgend
beschriebene modifizierte Version des Algorithmus die Annahme, daß der Mittelwert
für jeden
Satz von Daten Null beträgt.
-
Die
modifizierte Version des Algorithmus lautet wie folgt: Beende Mittelwertbildung,
wenn:
wobei:
- L
- = Streuungsrate (per
Definition), typischerweise auf 0,05 festgelegt
- Xn.j
- = j-te Punkt in dem
aktuellen Durchschnitt (n Umdrehungen)
- Xn/2.j
- = j-te Punkt in dem
Durchschnitt bei n/2 Umdrehungen
- N
- = Anzahl von Punkten
in dem Durchschnitt
-
21 zeigt eine grafische Darstellung des Streuungswerts
vs. der Anzahl von Durchschnitten unter Verwendung der modifizierten
Version des Algorithmus. In dieser Darstellung ist deutlich zu erkennen,
daß sich nach
63 Durchschnitten der modifizierte Streuungsfaktor noch immer verbessert,
der modifizierte Streuungsfaktor sich nach 100 Durchschnitten jedoch
sehr wenig ändert.
Somit beträgt
der Streuungsfaktor, der bei der modifizierten Version des Algorithmus
verwendet werden sollte, um sicherzustellen, daß eine optimale Konvergenz
er folgt ist, 0,0007, wobei dieser Wert den Streuungsfaktor nach
100 Durchschnitten repräsentiert.
-
Um
die Gültigkeit
des modifizierten Algorithmus zu bestätigen, wurde eine Analyse der
mittleren Größendifferenz
durchgeführt.
Dies umfaßte
ein Berechnen der mittleren Differenz zwischen jedem Datenpunkt und
dem entsprechenden Datenpunkt nach 4000 Durchschnitten. Dieses Verfahren
demonstriert die Differenz der Beträge der Zeit-Wellenformen, liefert
jedoch keine besonders gute Angabe darüber, wie genau die wesentlichen
Eigenschaften angezeigt werden. Der Korrelationskoeffizient ist
wahrscheinlich ein besserer Indikator, da es in den meisten Fällen wichtiger
ist, daß die
Eigenschaften genau gezeigt werden und nicht die Beträge.
-
22 zeigt einen Graph der mittleren Differenz des
Betrags zwischen der TSA-Zeit-Wellenform einer variierenden Anzahl
von Durchschnitten und der TSA-Zeit-Wellenform für 4000 Durchschnitte. Nach
100 Durchschnitten hat sich die mittlere Betragsdifferenz stabilisiert
und beträgt
nur –0,6
g's, wohingegen
nach 63 Durchschnitten die mittlere Betragsdifferenz noch immer
um –1,2
g's herum schwankt.
Die Analyse der mittleren Differenz legt den Schluß nahe,
daß für diesen
Fall ca. 100 Durchschnitte ausreichend sind, um den Großteil der
Rausch- und nicht
synchronen Komponenten zu entfernen.
-
23 zeigt, daß die
TSA-Zeit-Wellenform von 100 Durchschnitten die Zahnradsignatur exakt
veranschaulicht, während
sie eine vernünftige
Darstellung der Beträge
im Vergleich mit einer entsprechenden TSA-Wellenform von 4000 Durchschnitten
zeigt. 24 zeigt, daß die TSA-Zeit-Wellenform
von 500 Durchschnitten eine noch größere Genauigkeit im Vergleich
mit der entsprechenden TSA-Wellenform von 4000 Durchschnitten aufweist.
Der Korrelationskoeffizient zwischen 500 Durchschnitten und 4000
Durchschnitten beträgt
0,988, und die mittlere Betragsdifferenz betrug –0,156 g's.
-
Wie
zuvor erläutert,
ist die optimale Anzahl von erforderlichen Durchschnitten abhängig von
dem Signal/Rausch-Verhältnis
und dem Betrag nicht synchroner Komponenten. Diese zwei Faktoren
sind eine Funktion des eigentlichen Getriebes unter Bewertung. Die
optimale Anzahl von Durchschnitten ist daher abhängig von einem spezifischen
Getriebe und eine Analyse ähnlich
der hierin nachfolgend gezeigten sollte durchgeführt werden, um die optimale
Anzahl von Durchschnitten für
jedes einzelne Getriebe zu bestimmen.
-
Computerimplementierung
-
Das
Verfahren zum Analysieren von Schwingungen von Umkehrantrieben kann
unter Verwendung eines Computerprogrammproduktes in Verbindung mit
einem Computersystem 2500, wie in 25 gezeigt,
implementiert werden. Im speziellen kann das Verfahren zum Analysieren
von Schwingungen von Umkehrantrieben als Software oder als computerlesbarer
Programmcode implementiert werden, die/der auf dem Computersystem 2500 arbeitet.
-
Das
Computersystem 2500 umfaßt einen Computer 2550,
eine optische Anzeige 2510 und Eingabevorrichtungen in
der Form einer Computertastatur 2530 und einer Computermaus 2532.
Zusätzlich
kann das Computersystem 2500 beliebige einer Anzahl weiterer
Ausgabevorrichtungen, einschließlich
Zeilendrucker, Laserdrukker, Plotter und andere mit dem Computer 2550 verbundene
Wiedergabevorrichtungen, umfassen. Das Computersystem 2500 kann
mit einem oder mehreren weiteren Computern über eine Kommunikationsschnittstelle 2564 unter
Verwendung eines geeigneten Kommunikationskanals 2540,
wie z.B. einem Modem-Kommunika tionspfad, einem elektronischen Netzwerk
od.dgl., verbunden sein. Das Netzwerk kann ein lokales Netzwerk
(LAN), ein landesweites Netz (WAN), ein Intranet und/oder das Internet 2520 sein.
-
Der
Computer 2550 umfaßt
das Steuermodul 2566, einen Speicher 2570, der
einen Direktzugriffsspeicher (RAM) oder einen Festspeicher (ROM)
umfaßt,
eine Kommunikationsschnittstelle 2564, eine Eingangs-/Ausgangs
(E/A)-Schnittstelle 2572, eine Videoschnittstelle 2560 und
ein oder mehrere Speichervorrichtungen, die allgemein durch die
Speichervorrichtung 2562 dargestellt sind. Das Steuermodul 2566 wird
unter Verwendung eines Zentralprozessors (CPU) implementiert, der
einen computerlesbaren Programm-Code ausführt oder ablaufen läßt, welcher
eine bestimmte Funktion oder einen in Beziehung stehenden Satz von Funktionen
ausführt.
-
Die
Videoschnittstelle 2560 ist mit der optischen Anzeige 2510 verbunden
und liefert Videosignale von dem Computer 2550 für eine Anzeige
auf der optischen Anzeige 2510. Eine Benutzereingabe, um
den Computer 2550 zu betätigen, kann durch eine oder
mehrere Eingabevorrichtung/en 2530, 2532 über die E/A-Schnittstelle 2572 vorgesehen
sein. Zum Beispiel kann ein Benutzer des Computers 2550 eine
Tastatur als E/A-Schnittstelle 2530 und/oder eine Zeigeeinrichtung,
wie z.B. eine Maus, als E/A-Schnittstelle 2532 verwenden.
Die Tastatur und die Maus stellen eine Eingabe in den Computer 2550 bereit.
Die Speichervorrichtung 2562 kann aus einer oder mehreren
der folgenden Vorrichtungen bestehen: einem Diskettenlaufwerk, einem Festplattenlaufwerk,
einem magneto-optischen Plattenlaufwerk, einer CD-ROM, einem Magnetband
oder einer beliebigen anderen von einer Anzahl von nicht flüchtigen
Speichervorrichtungen, die dem Fachmann gut bekannt sind. Jedes
der Elemente in dem Computersystem 2550 ist typischerweise
mit den anderen Vorrichtungen über
einen Bus 2580 verbunden, der wiederum aus Daten, Adreß- und Steuerbussen
bestehen kann.
-
Ein
Datenerfassungsmodul (nicht gezeigt) kann ebenfalls mit dem Bus 2580,
entweder direkt oder über
die E/A-Schnittstelle 2572, verbunden sein. Das Datenerfassungsmodul
umfaßt
typischerweise mehrere Eingangs- und Ausgangskanäle zum gleichzeitigen Erfassen
von Eingangssignalen und Liefern von Ausgangssignalen.
-
Die
Verfahrensschritte zum Analysieren von Schwingungen von Umkehrantrieben
werden durch Anweisungen in der Software beeinflußt, die
von dem Computersystem 2500 ausgeführt werden. Wiederum kann die
Software als ein oder mehrere Modul/e zum Implementieren der Verfahrensschritte
implementiert sein.
-
Im
speziellen kann die Software in einem computerlesbaren Medium, das
die Speichervorrichtung 2562 umfaßt, gespeichert sein, oder
von einem entfernten Ort über
die Schnittstelle 2564 und den Kommunikationskanal 2540 von
dem Internet 2520 oder einem/r anderem/r Netzwerkort oder
-stelle heruntergeladen werden. Das Computersystem 2500 umfaßt das computerlesbare
Medium, das eine/n aufgezeichnete/n Software oder Programmcode aufweist,
so daß Anweisungen
der Software oder des Programmcodes ausgeführt werden können.
-
Das
oben Stehende dient lediglich als ein Beispiel der Arten von Computern
oder Computersystemen, mit denen die Ausführungsformen der Erfindung
ausgeführt
werden können.
Typischerweise sind die Prozesse der Ausführungsformen als Software oder
ein computerlesbarer Programmcode resident, die/der auf einer Festplatte
als dem computerlesbaren Medium aufgezeichnet ist, und unter Verwendung
des Steuermoduls 2566 gelesen und gesteuert wird. Eine
Zwischenspeicherung des Programmcodes und jeglicher Daten, umfassend
Entitäten,
Tickets u.dgl., kann unter Verwendung des Speichers 2570,
möglicherweise
in Zusammenarbeit mit der Speichervorrichtung 2562 bewerkstelligt
werden.
-
In
einigen Fällen
kann das Programm an den Benutzer auf einer CD-ROM oder einer Diskette
(beide allgemein durch die Speichervorrichtung 2562 gezeigt)
codiert ausgeliefert werden, oder könnte alternativ durch den Benutzer
von dem Netzwerk über
eine mit dem Computer 2550 verbundene Modem-Vorrichtung
gelesen werden. Überdies
kann das Computersystem 2500 die Software von anderen computerlesbaren
Medien laden. Diese können
ein Magnetband, einen ROM oder einen Chip, eine magnetooptische
Platte, einen Funk- oder Infrarot-Übertragungskanal zwischen dem
Computer und einer weiteren Vorrichtung, eine computerlesbare Karte,
wie z.B. eine PCMCIA-Karte, und das Internet 2520 und Intranetze
mit E-Mail-Übertragungen
und auf Internet-Seiten gespeicherte Informationen u.dgl, umfassen.
Das oben Stehende dient lediglich als Beispiele von entsprechenden
computerlesbaren Medien.
-
Das
Verfahren zum Analysieren von Schwingungen von Umkehrantrieben kann
zentralisiert in einem Computersystem 2500 oder verteilt,
wobei verschiedene Elemente über
mehrere miteinander verbundene Computersysteme verteilt sind, realisiert
sein.
-
Computerprogramm-Mittel
oder Computerprogramm bedeuten in dem vorliegenden Kontext jeden Ausdruck
in jeder/m Sprache, Code oder Notation eines Satzes von Anweisungen,
der darauf abzielt, zu bewirken, daß ein System mit einem Informationsverarbeitungsvermögen eine
bestimmte Funktion entweder direkt oder nach einem der folgenden:
a) Umwandlung in eine/n andere/n Sprache, Code oder Notation oder
b) Wiedergabe in einer anderen materiellen Form ausführt. TABELLE
1
TABELLE
2
TABELLE
3
TABELLE
4
TABELLE
5
TABELLE
6
TABELLE
7