DE60221149T2

DE60221149T2 - System und verfahren zur identifikation des vorhandenseins von defekten in einer vibrierenden maschine

Info

Publication number: DE60221149T2
Application number: DE60221149T
Authority: DE
Inventors: Adrianus J. Escondido SMULDERS; Jim Jun San Diego WEI; Johannes I. San Diego BOERHOUT
Original assignee: SKF Condition Monitoring Inc
Current assignee: SKF USA Inc
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: WO2003048714A1; EP1451550A1; EP1451550B1; DE60221149D1; US20030130810A1; US6792360B2; ATE366919T1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Schwingungsanalyse zum Überwachen des Zustands von Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zum Erkennen der Entwicklung und des Vorliegens von Fehlern oder anderen beeinflussenden Kräften in den Komponenten einer Maschine durch Analyse des Frequenzspektrums der Schwingungen der Maschine.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist für industrielle und kommerzielle Anlagen üblich, eine große Zahl von Maschinen gleichzeitig zu betreiben, von welchen viele in einem großen voneinander abhängigen Verfahren oder System zusammenwirken. Trotz zunehmend wirkungsvollen Wartungsprogrammen entwickelt ein gewisser Prozentsatz der Maschinen Fehler, welche möglicherweise zu einem Ausfall der Maschinen führen. Zum Beispiel erfahren Maschinen, welche bewegliche Teile (z.B. Lagerungen) aufweisen, eine konstante Reibung, die zu einem Abrieb führt. Es ist bekannt, dass Lagerungsfehler ein Hauptgrund für Motorstörungen sind. Lagerungsbeschädigungen aufgrund von Abrieb sind jedoch möglicherweise ohne schwere Beschädigung oder Störung des Motors nicht sichtbar, weil die Abriebstelle der Lagerung im zusammengebauten Zustand des Motors sehr wahrscheinlich verdeckt ist.
Demzufolge ist die Verwendung von Maschinenzustands-Überwachungssystemen für die vorbeugende Wartung industrieller Maschinen wesentlich geworden, um Ausfallzeiten oder katastrophale Fehler der Maschinen zu verhindern. Ungeplante Abschaltungen von Anlagen können zu beträchtlichen finanziellen Verlusten führen. Fehler von Hochleistungsmaschinen können zu verhängnisvollen Verletzungen und zu einem Rückstau des Verarbeitungssystems führen. Typische Vorteile eines vorbeugenden Wartungsprogramms sind z.B. längere Zeiten zwischen Maschinenabschaltungen, eine Bewertung des Zustands von Maschinenkomponenten, ohne für eine visuelle Untersuchung auf eine kostspielige und/oder zerstörende Zerlegung zurückzugreifen, und die Verlängerung der Lebensdauer der Maschinen, indem korrigierende Maßnahmen getroffen werden, wenn aufkommende Fehler früh erkannt werden.
Sich drehende und hin- und herbewegende Komponenten einer Maschine erzeugen Schwingungen, welche einen breiten Frequenzbereich aufweisen. Die Schwingung einer Maschine oder einer Maschinenkomponente kann als die Summe von Amplituden (oder „Peaks") bei einer „Grundfrequenz" (oder „natürlichen Frequenz") und deren Oberschwingungsfrequenzen charakterisiert werden. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Oberschwingungsfrequenz" auf eine Frequenz, die ein Vielfaches der Grundfrequenz ist. Typischerweise werden die Oberschwingungskomponenten (also Peak- und Frequenzwerte) einer Schwingung in einem Diagramm der Amplitude gegen die Frequenz als vertikale Linien aufgezeichnet. Dieses Diagramm wird im Allgemeinen als „Frequenzspektrum", „Spektraldiagramm" oder „Spektrums-Plot" bezeichnet.
Die Frequenzen und zugehörigen Peaks der Schwingungen einer speziellen Maschine bilden zusammen das Frequenzspektrum der Maschine, auch als „Schwingungssignatur" der Maschine bekannt. Die Schwingungssignatur einer Maschine variiert zum Beispiel mit der Konstruktion, der Herstellung, der Anwendung und dem Abrieb ihrer Komponenten. Die normalen Betriebszustände der Maschine bestimmen die Amplitude der gleich bleibenden (oder „normalen") Schwingung. Es ist eine übliche Praxis, zum Vergleich mit zukünftigen Messungen des Frequenzspektrums der Maschine ein Referenzspektrum zu erhalten, wenn man weiß, dass sich die Maschine in einem guten Zustand befindet. Ein solcher Vergleich hilft beim Erkennen von Veränderungen im Zustand der Maschine oder ihrer Teilkomponenten. Somit bietet die Analyse der Schwingungssignatur einer Maschine wertvolle Einblicke in den Zustand der Maschine.
Das Frequenzspektrum der Maschine zeigt typischerweise eine oder mehrere diskrete Frequenzen, um welche sich die Schwingungsenergie konzentriert. Da die Schwingungscharakteristiken der individuellen Komponenten einer Maschine normalerweise bekannt sind oder abgeschätzt werden können, können einzelne Frequenzen des Frequenzspektrums zu speziellen Maschinenkomponenten gehören. Das heißt, es ist möglich, jeden Peak des Frequenzspektrums der Maschine mit einer speziellen Komponente der Maschine in Verbindung zu bringen. Zum Beispiel kann ein Peak bei einer gegebenen Frequenz zur Drehzahl eines bestimmten Motors gehören. Das Frequenzspektrum der Maschine dient dazu anzuzeigen, dass der Motor der Grund für die Schwingungen der Maschine sein könnte. Wenn der Motor übermäßige Schwingungen verursacht, könnte das Austauschen des Motors oder die Veränderung von dessen Betriebsgeschwindigkeit eine schädliche Resonanz (also übermäßige und schädliche Schwingungen) verhindern.
Typischerweise steigt die Schwingungshöhe der Komponente und der Maschine, wenn eine Komponente einer Maschine abgerieben wird oder einen Fehler entwickelt. Daher haben viele Maschinenstörungen eine bemerkbare Auswirkung auf die Größe und Form der Peaks des Frequenzspektrums der Maschine. Wenn ein Komponentenfehler eine bekannte Frequenz erzeugt, vergrößert sich der Peak bei dieser Frequenz, wenn die Störung fortschreitet. Die so entstehende Frequenz wird als „Störungsfrequenz" oder „Fehlerfrequenz" bezeichnet. Normalerweise erzeugt der Fehler auch Schwingungen mit Frequenzen, die Vielfache der Störungsfrequenz sind (d.h. Oberschwingungen), zusätzlich zu der Störungsfrequenz. Zum Beispiel erzeugt der Eingriff von Zahnrädern verschiedene Oberschwingungen, und die Peaks der höheren Oberschwingungen zeigen die Qualität des Zahnradeingriffs an. Daher können Veränderungen der Peaks der Schwingungen für sich entwickelnde Fehler kennzeichnend sein, und die Unversehrtheit einer bestimmten Komponente kann analysiert werden, indem die Peaks bei deren Grund- und/oder Oberschwingungsfrequenzen analysiert werden.
Der Begriff „Komponentenfehler", wie er hier verwendet wird, bezieht sich im Allgemeinen auf jeden unerwünschten Schwingungszustand („Fehler") einer Maschine oder Komponente, welcher von einem Schwingungssensor erfasst wird und mit einer spektralen Oberschwingungsreihe dargestellt werden kann. Der Begriff „Fehler" versteht sich als entwickelnder oder voll entwickelter Fehler. Ein Fehler kann zum Beispiel einfach der Abrieb eines Zahnradzahns oder ein ebener Fleck auf einer Lagerung sein.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Erkennung eines Komponentenfehlers durch Analyse des Frequenzspektrums einer Maschine. In einem Verfahren wird ein Komponentenfehler erkannt, indem Amplitudenpeaks bei der Schwingungsfrequenz oder den Schwingungsfrequenzen des Komponentenfehlers identifiziert werden. In praktischen Anwendungen ist jedoch die wahre Frequenz des Komponentenfehlers möglicherweise nicht dieselbe wie die vom Hersteller der Komponente angegebene oder wie jene, welche durch Messungen am Einsatzort voraussagbar ist. Außerdem führen Messfehler und die Kombination der Schwingungssignale von verschiedenen Komponenten und anderen Quellen zu einem Signal-Rauschverhältnis bei der Fehlerfrequenz, welches möglicherweise für eine genaue Analyse nicht ausreicht, obwohl ein Nominalwert für die Fehlerfrequenz einfach zu berechnen ist.
Ein anderes Verfahren zur Erkennung von Komponentenfehlern ist es, ein Frequenzsuchband um die nominelle Komponentenfehlerfrequenz herum zu verwenden, wobei das Suchband eine Bandbreite eines bestimmten Prozentsatzes seiner Zentralfrequenz aufweist. Der höchste Peak innerhalb des Suchbandes wird als das Komponentenfehlersignal identifiziert. Dieses Verfahren wird oft als Analyse der konstanten prozentualen Bandbreite (CPB-Analyse) bezeichnet.
Die CPB weist jedoch Unzulänglichkeiten auf und ist deswegen in einigen Fällen nicht zufriedenstellend. Da die Bandbreite des Suchbandes einen Prozentsatz der Zentralfrequenz beträgt, ist das Suchband umso breiter, je höher die Zentralfrequenz ist. Bei den hohen Frequenzen wird das Suchband sehr breit und schließt mehr Peaks ein. Oft ist für Suchbänder für Oberschwingungen höherer Ordnung möglicherweise der stärkste Peak innerhalb des Bandes nicht auf die Oberschwingung bezogen. Dies führt dazu, dass nichtharmonische Peaks als Komponentenfehler-Oberschwingungen identifiziert werden, was zu ungenauen Ergebnissen führt.
Somit besteht in der Industrie ein anhaltender Bedarf für Systeme und Verfahren, welche einen aktuellen Zustand der Maschine bestimmen und einen sicheren Betrieb genau voraussagen, wobei sie auf möglichst wenig Messungen basieren und möglichst geringe Kosten verursachen.
In der Druckschrift WO 00/55583 wird vorgeschlagen, eine Anzahl von Parametern zu analysieren, welche eine übermäßige Schwingung repräsentieren. Zu diesen Parametern gehören die Spektralkomponente bei Nullfrequenz (DC), die mittlere Spektralenergie innerhalb eines Bandes und der größte Spektralpeak innerhalb jedes Bandes. Die Bänder werden erhalten, indem das Frequenzspektrum der Maschine in N Bänder unterteilt wird, wobei es sich bei N um eine Potenz von 2 handelt. Die mittlere Spektralenergie und der größte Peak in jedem Band werden mit gesonderten Schwellenwerten verglichen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Verfahren und Systeme der Erfindung weisen verschiedene Erscheinungsformen auf, von denen keine allein für deren wünschenswerte Eigenschaften verantwortlich ist. Ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken, wie er durch die folgenden Patentansprüche ausgedrückt wird, werden nun kurz ihre hervorstechendsten Merkmale erörtert.
Die Systeme und Verfahren der Erfindung betreffen im Allgemeinen Vorrichtungen und Techniken zur Erkennung von Komponentenfehlern oder anderen stoßartigen Erscheinungen in Maschinen. In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Ableiten eines Parameters („I_HAL") bereit, dessen Wert mit dem Vorliegen von Komponentenfehlern in einer Maschine in Beziehung gebracht wird. I_HAL hängt zumindest teilweise von den Merkmalen des Frequenzspektrums der Maschine ab. Es ist empirisch ermittelt worden, dass I_HAL-Werte, welche einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, das Vorliegen von Komponentenfehlern bei der betreffenden Oberschwingungsreihe anzeigen. Somit ist eine Anwendung von I_HAL die Überwachung des Zustands einer Maschine und die Ausgabe einer Warnung oder einer Alarmbedingung, wenn I_HAL einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen von Maschinenkomponentenfehlern. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Frequenzspektrums-Schwingungsdatensatzes für die Maschine. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen der Grundfrequenz des wahrscheinlichsten Komponentenfehlers und deren Oberschwingungen und das Abschätzen der auf diese Frequenzen bezogenen Spektralenergie. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen der Energie, die zu dem Frequenzspektrum der Maschine gehört. Das Verfahren umfasst ferner das In-Beziehung-Setzen der Spektralenergie, die zu den Oberschwingungen des Komponentenfehlers gehört, zu der Gesamtenergie im gesamten Frequenzspektrum, um einen dimensionslosen Wert zu erzeugen, welcher als ein Index verwendet werden kann, der für die „Harmonizität" des Frequenzspektrums der Maschine repräsentativ ist. Dieser dimensionslose Wert wird hier als Lokalisierungsindex der Oberschwingungsaktivität oder I_HAL bezeichnet. In einigen Anwendungen kann I_HAL verwendet werden, um zwischen Schwingungsmessungen, welche für Komponentenprobleme kennzeichnend sind, und Schwingungsmessungen, welche nicht auf Komponentenfehler bezogen sind, zu unterscheiden.
Eine andere Erscheinungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Komponentenfehlers in einer Maschine, die Schwingungen ausgesetzt ist. Das Verfahren umfasst das Abschätzen eines Wertes R aus Frequenzbereichs-Schwingungsdaten, welcher die Spektralenergie der Schwingungen kennzeichnet. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen eines Wertes K aus diesen Daten, welcher die Spektralenergie kennzeichnet, die zu dem Komponentenfehler gehört. Das Verfahren umfasst ferner das Ableiten eines Index der Oberschwingungsaktivität, zumindest teilweise basierend auf den abgeschätzten Werten K und R.
Eine andere Erscheinungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterscheiden zwischen Schwingungsmessungen, die für das Vorliegen eines Komponentenfehlers in einer Maschine kennzeichnend sind, und Schwingungsmessungen, die nicht auf den Komponentenfehler bezogen sind. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Frequenzspektrums, welches zu der Maschine gehört. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen einer Grundfrequenz des Komponentenfehlers und von Oberschwingungsfrequenzen und zugehörigen Amplituden. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen eines Wertes K, welcher für die Gesamtenergie kennzeichnend ist, die zu den Grund- und Oberschwingungsfrequenzen gehört. Das Verfahren umfasst ferner das Abschätzen eines Wertes R, welcher für die Gesamtenergie kennzeichnend ist, die zu dem Spektrum gehört. Das Verfahren umfasst ferner das Ableiten eines Wertes I_HAL, zumindest teilweise basierend auf den abgeschätzten Werten K und R. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, ob die Schwingungen der Maschine durch den Komponentenfehler erzeugt werden, zumindest teilweise basierend auf I_HAL und der Grundfrequenz des Komponentenfehlers.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein System zum Überwachen des Zustands einer Maschine durch Analyse der Schwingungen der Maschine. Das System umfasst ein Datenspeichermodul, welches Daten empfängt und speichert, die für Amplituden von Schwingungen der Maschine bei ausgewählten Frequenzen kennzeichnend sind. Das System umfasst ferner ein Datenanalysatormodul in Kommunikation mit dem Datenspeichermodul, welches einen Index der Oberschwingungsaktivität ableitet. Der Datenanalysator umfasst Computerbefehle, um aus den Daten einen Wert R abzuschätzen, der für die Spektralenergie der Schwingungen kennzeichnend ist, und einen Wert K abzuschätzen, der für die Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu dem Komponentenfehler gehört. Der Datenanalysator umfasst auch Computerbefehle, um den Index der Oberschwingungsaktivität zumindest teilweise basierend auf den abgeschätzten Werten K und R abzuleiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Erscheinungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind besser zu verstehen unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, welche im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen werden sollte, welche das Folgende darstellen:
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Erkennen eines Maschinenkomponentenfehlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein höheres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Maschinenkomponentenfehlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren kann in Verbindung mit dem in 1 dargestellten System angewendet werden.
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Maschinenkomponentenfehlers, welches noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung entspricht. Das Verfahren kann in Verbindung mit dem in 1 dargestellten System angewendet werden.
4 ist ein Diagramm eines Tripletts von Spektrallinien, wie es verwendet werden kann, um die Grundfrequenz eines Komponentenfehlers zu erhalten. Die Grundfrequenz des Fehlers kann in Verbindung mit den Verfahren der 2 oder 3 verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen
Nun werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei sich gleiche Bezugsziffern durchgehend auf gleiche Elemente beziehen. Die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Terminologie soll nicht in irgendeiner Weise beschränkend oder restriktiv ausgelegt werden, einfach weil sie in Verbindung mit einer detaillierten Beschreibung bestimmter spezieller Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird. Ferner können Ausführungsformen der Erfindung verschiedene neue Merkmale aufweisen, von denen kein einzelnes allein für deren wünschenswerte Eigenschaften verantwortlich ist oder für die Ausübung der hierin beschriebenen Erfindungen wesentlich ist.
1 veranschaulicht ein System 100 zum Erkennen eines Maschinenkomponentenfehlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System 100 besteht aus einem Datenerfassungsmodul 110 in Kommunikation mit einem Computer 130. Das Datenerfassungsmodul 110 ist zum Erfassen von Schwingungen einer Maschine 120 mit der Maschine 120 verbunden. Das Datenerfassungsmodul 110 überträgt die Schwingungsdaten zum Computer 130, welcher die Schwingungsdaten analysiert, um einen Fehler in einer (nicht dargestellten) Komponente der Maschine 130 zu erkennen.
Die genaue Analyse der Maschinenschwingung hängt von der Fähigkeit ab, an das Datenanalysatormodul 136 ein wahres Schwingungssignal abzugeben. In einigen Ausführungsformen umfasst das Datenerfassungsmodul 110 einen Schwingungssensor 112, welcher zum Erfassen von Schwingungen der Maschine 120 mit der Maschine 120 verbunden ist. Der Schwingungssensor 112 ist typischerweise so konfiguriert, dass er einen oder mehrere der drei Grundparameter von Schwingungen misst, namentlich Auslenkung (d.h. Amplitude), Geschwindigkeit und Beschleunigung. Typischerweise wandelt der Schwingungssensor 112 die Bewegung der schwingenden Maschine 120 in elektrische Signale um. Diese Schwingungserfassungsvorrichtungen und deren Verwendung sind dem Durchschnittsfachmann der betreffenden Technologie wohlbekannt.
Das Datenerfassungsmodul 110 kann auch eine Signalaufbereitungs-, Merkmalsextraktions- und Digitalisiereinrichtung 114 umfassen. Der Schwingungssensor 112 überträgt die Schwingungssignale zu einer Signalaufbereitungs- und Digitalisiereinrichtung 114, welche aus elektrischen Schaltungen zum Aufbereiten (z.B. Verstärken und/oder Filtern), zum Extrahieren von Merkmalen und zum Digitalisieren der Schwingungssignale besteht. Die Vorrichtung 114 kann so konfiguriert sein, dass sie eine analoge Nachbearbeitung vornimmt, um bestimmte Merkmale des Signals vor dem Digitalisieren zu verstärken. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 114 Beschleunigungs-Hüllkurven anwenden, um sich wiederholende Signale zu verstärken. Die elektrischen Schaltkreise der Signalaufbereitungs-, Merkmalsextraktions- und Digitalisiereinrichtung 114 sind in der betreffenden Technologie wohlbekannt.
Bei dem Computer 130 kann es sich um irgendeine Recheneinheit handeln, welche dafür konfiguriert ist, die Schwingungsdaten, die vom Datenerfassungsmodul 110 zum Computer 130 übertragen werden, zu empfangen, zu speichern und zu analysieren. Bei dem Computer 130 kann es sich zum Beispiel um einen Server-Computer, einen Personalcomputer, einen tragbaren Computer, einen Handcomputer oder um einen persönlichen digitalen Assistenten usw. handeln.
Der Computer 130 umfasst ein Datenspeichermodul 132 in Kommunikation mit einem Datenanalysatormodul 136. Bei dem Datenspeichermodul kann es sich um irgendeine Permanentspeichervorrichtung handeln, z.B. ein Festplattenlaufwerk, Magnetband usw. Das Datenspeichermodul 132 weist eine oder mehrere Datenbänke 134 zum Speichern der Daten auf, die von der Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 bereitgestellt werden. bei der Datenbank 134 kann es sich um eine Datenspeicherstruktur in Form einer Liste, Tabelle oder relationale Datenbank handeln, wie es in der betreffenden Technologie wohlbekannt ist.
Der Computer 130 umfasst auch einen Zentralprozessor 140, welcher sich mit dem Datenspeichermodul 132 und dem Datenanalysatormodul 136 in Kommunikation befindet. Der Zentralprozessor 140 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem Datenanalysatormodul 136 und dem Datenspeichermodul 132 und hilft allgemein bei der Verarbeitung von Daten.
Das Datenanalysatormodul 136 besteht aus einer oder mehreren Software/Hardware- oder Firmware-Komponenten zum Analysieren der Schwingungsdaten der Maschine 120, um einen Fehler in einer Komponente der Maschine 120 zu erkennen. Das Datenanalysatormodul 136 umfasst einen Generator 138 für den Lokalisierungsindex der Oberschwingungsaktivität („Indexgenerator 138"), welcher die Schwingungsdaten (d.h. das Frequenzspektrum der Maschine 120) analysiert, um einen Wert zu erzeugen, der für das Vorliegen eines Komponentenfehlers kennzeichnend ist. Dieser Wert wird hier als Lokalisierungsindex der Oberschwingungsaktivität (oder „I_HAL") bezeichnet.
Es versteht sich, dass, obwohl sich die Beschreibung der Erfindung allgemein auf die Erkennung von Komponenten-„Fehlern” bezieht, die hier offenbarten Systeme und Verfahren auch angewendet werden können, um irgendein „Stoßsignal" zu erkennen, welches auf eine Maschine 120 einwirkt. Ein Stoßsignal kann zum Beispiel aus Kräften außerhalb der Maschine 120 entstehen, welche zufällig oder periodisch auf sie einwirken. Der Arbeitsvorgang und die Verwendung des Generators 138 für den Lokalisierungsindex der Oberschwingungsaktivität wird unten unter Bezugnahme auf 2, 3A, 3B und 4 in weiteren Details beschrieben.
Es versteht sich, dass die Struktur des Systems 100. wie in 1 dargestellt, nur beispielhaft für ein erfindungsgemäßes System ist. Insbesondere wird es für den Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie ersichtlich sein, dass es sich bei dem Datenerfassungsmodul 110 und dem Computer 130 nicht um zwei getrennte Vorrichtungen handeln muss. In einigen Ausführungsformen kann also das Datenerfassungsmodul 110 in dem Computer 130 integriert sein (d.h. ein Teil dessen sein oder sich in diesem befinden). Umgekehrt ist es nicht erforderlich, dass irgendwelche der Komponenten des Systems 100 gemeinsam untergebracht sind oder in Nachbarschaft zueinander befinden. Zum Beispiel kann der Schwingungssensor 112 an der Maschine 120 befestigt sein und von der Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 entfernt angeordnet sein. In solch einem Fall kann der Schwingungssensor 112 die Schwingungsdaten zum Beispiel durch drahtlosen Datenaustausch zu der Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 übertragen. In ähnlicher Weise können das Datenspeichermodul 132, das Datenanalysatormodul 136 und der Zentralprozessor 140 über drahtlose oder nicht drahtlose Kanäle Daten austauschen und können entfernt voneinander angeordnet sein. Überdies wird der Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie leicht erkennen, dass das System 100 mehrere Schwingungssensoren 112 auf mehreren Maschinen 120 umfassen kann, wobei Schwingungsdaten für einen oder mehrere Computer 130 bereitgestellt werden.
Es wird nun eine typische Anwendung des Systems 100 beschrieben. Der Schwingungssensor 112 nimmt Schwingungsdaten von einer Maschine 120 auf. Während der Aufnahme der Schwingungsdaten arbeitet die Maschine 120 vorzugsweise unter normalen Betriebsbedingungen, aber die Datenaufnahme kann auch zu anderen Zeiten stattfinden, z.B. wenn die Maschine nach ihrer Herstellung oder Überholung getestet wird. Der Schwingungssensor 112 überträgt die Schwingungsdaten, gewöhnlich in Form von elektrischen Signalen, zu der Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114. Die Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 kann zum Beispiel die elektrischen Signale verstärken und das Rauschen herausfiltern. Vorzugsweise digitalisiert die Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 auch die elektrischen Signale für den Datenaustausch mit dem Computer 130. In einigen Ausführungsformen formt die Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 die Schwingungsdaten aus der Zeitdomäne (d.h. Schwingungsamplitude gegen die Zeit) in die Frequenzdomäne (d.h. Schwingungsamplitude gegen die Frequenz) um, um ein Frequenzspektrum der Schwingungen der Maschine 120 zu erzeugen. Die Signalaufbereitungs- und Digitalisierungseinrichtung 114 kann eine schnelle Fourier-Transformations(„FFT")-Technik anwenden, um die Amplituden- und Frequenzmerkmale der von dem Schwingungssensor 112 erhaltenen Schwingungsdaten zu extrahieren.
Der Computer 130 empfängt die Schwingungsdaten von dem Datenerfassungsmodul 110 zur weiteren Verarbeitung. Der Computer 130 speichert die Schwingungsdaten, z.B. die Zeitdomänenreaktion oder ein Frequenzspektrum, in der Datenbank 134. Das Datenanalysatormodul 136 ruft im Zusammenwirken mit dem Zentralprozessor 140 die Schwingungsdaten aus dem Datenspeichermodul 132 für die Analyse durch den Indexge nerator 138 ab. Der Indexgenerator 138 wertet das Frequenzspektrum der Maschine 120 aus und erzeugt einen Wert I_HAL, welcher für den Zustand der Maschine 120 oder irgendeiner ihrer Teilkomponenten kennzeichnend ist. Das Datenanalysatormodul 136 kann I_HAL in Bezug auf einen vorgegebenen Schwellenwert auswerten und basierend auf dieser Auswertung bestimmen, ob zum Beispiel ein Komponentenfehleralarm ausgegeben wird.
2 veranschaulicht ein Verfahren 200 zum Erkennen von Komponentenfehlern in einer Maschine 120 durch Analysieren des Frequenzspektrums der Maschine 120, welches in Verbindung mit dem System 100 angewendet werden kann. Das Verfahren 200 beginnt in einer Stufe 205, nachdem das Datenerfassungsmodul 110 die Schwingungsdaten dem Computer 130 übermittelt, welcher die Schwingungsdaten, vorzugsweise in Form von Schwingungsamplituden und zugehörigen Frequenzwerten, im Datenspeichermodul 132 speichert. In einer Stufe 210 empfängt das Datenanalysatormodul 136 die Frequenzspektrumsdaten. Das Verfahren 200 wird in einer Stufe 215 fortgesetzt, wobei der Indexgenerator 138 einen Wert „K" abschätzt, der für die Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu den Oberschwingungsfrequenzen des Fehlers gehört, welche die Grundfrequenz und zumindest einige höhere Oberschwingungen umfassen, die in den Frequenzspektrumsdaten vorhanden sind. Eine beispielhafte Art der Abschätzung von K wird unten unter Bezugnahme auf die 3A, 3B und 4 beschrieben. Das Verfahren 200 geht zu einer Stufe 220 über, wo der Indexgenerator 138 einen Wert „R" abschätzt, welcher für die Gesamt-Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu allen oder den meisten Spektrallinien des vom Datenanalysatormodul 136 empfangenen Frequenzspektrums gehört. Im System 100 kann R abgeschätzt werden, indem zum Beispiel die in 3A und 3B beschriebenen Verfahren angewendet werden.
In einer Stufe 225 leitet der Indexgenerator 138 I_HAL aus einer Formel ab, die zumindest teilweise durch K und R definiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist I_HAL zum Beispiel proportional zu dem Verhältnis von K zu R, also I_HAL = t·K:R, wobei t eine Skalierungskonstante ist, die gewöhnlich auf das Einheitselement eingestellt ist. In einer anderen Ausführungsform ist I_HAL proportional zu dem Verhältnis von K zu der Differenz zwischen R und K, also I_HAL = t·K:(R – K).
Nach der Ermittlung von I_HAL kann das Verfahren in einer Entscheidungsstufe 230 fortgesetzt werden, wo der Computer die Beziehung zwischen I_HAL und einem vorgegebenen Schwellenwert ermittelt. Wie unten noch weiter erörtert wird, ist empirisch ermittelt worden, dass größere I_HAL-Werte als etwa 2 im Wesentlichen mit Komponentenfehlern oder anderen bedeutsamen Stoßkräften in Zusammenhang stehen, die auf die Maschine 120 einwirken. Daher kann der Computer 130 zum Beispiel, wenn I_HAL größer als 2 ist, in einer Stufe 235 eine Warnung ausgeben, und das Verfahren 200 endet dann in einer Stufe 240. Wenn jedoch I_HAL nicht hoch genug ist, um einen Komponentenfehler anzuzeigen, endet das Verfahren 200 in der Stufe 240, ohne dass eine Warnung ausgegeben wird.
Für den Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie wird es ersichtlich sein, dass die verschiedenen in Bezug auf das Verfahren 200 beschriebenen Handlungen nicht in derselben Reihenfolge durchgeführt werden müssen, wie sie in 2 dargestellt ist. Außerdem ist es natürlich in einigen Ausführungsformen nicht erforderlich, alle beschriebenen Handlungen durchzuführen. Zum Beispiel kann das Verfahren nach dem Ableiten von I_HAL in der Stufe 225 in der Stufe 240 enden, anstatt zu der Entscheidungsstufe 230 überzugehen. Andere Ausführungsformen des Verfahrens 200 können mehr Stufen oder Teilstufen aufweisen.
In 3A und 3B ist ein Verfahren 300 zum Erkennen von Komponentenfehlern gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dieses Verfahren kann in Verbindung mit dem in 1 dargestellten System 100 angewendet werden. Das Verfahren 300 beginnt in einer Stufe 302, nachdem zum Beispiel das Datenerfassungsmodul 110 die Schwingungsdaten der Maschine 120 zum Computer 130 überträgt. In einer Stufe 304 empfängt das Datenanalysatormodul 136 die Frequenzspektrumsdaten, indem es zum Beispiel über den Zentralprozessor 140 Anfragen bei dem Datenspeichermodul 132 vornimmt. In einer Ausführungsform umfassen die Frequenzspektrumsdaten Amplituden- und entsprechende Frequenzwerte für die vom Schwingungssensor 112 erfassten Schwingungen.
In einer Stufe 306 des Verfahrens 300 ermittelt der Indexgenerator 138 die Gesamtzahl „P" der Spektrallinien in dem betreffenden Frequenzspektrum. Das Verfahren 300 geht als Nächstes zu einer Stufe 308 über, wobei der Indexgenerator 138 ein Frequenzsuchband definiert, welches einer wahrscheinlichen Position der Grundfrequenz eines Komponentenfehlers entspricht. Ein Nominalwert für die Grundfrequenz des Komponentenfehlers wird typischerweise vom Hersteller der Komponente bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Suchband definiert, indem eine niedrigste und eine höchste Frequenz unterhalb bzw. oberhalb der erwarteten Grundfrequenz des Fehlers festgelegt wird, zwischen denen der Indexgenerator 138 Peaks auswertet, um die Grundfrequenz des Fehlers empirisch abzuschätzen, wie vom Schwingungssensor 112 gemessen. Der Nominalwert des Herstellers für die Grundfrequenz eines Komponentenfehlers kann als die erwartete Grundfrequenz verwendet werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform empfängt der Indexgenerator 138 eine Eingabe, welche die Bandbreite des Suchbandes als Prozentsatz der erwarteten Grundfrequenz des Fehlers festlegt. Geeignete Ergebnisse können zum Beispiel erhalten werden, indem die Bandbreite des Suchfensters derart festgelegt wird, dass sie etwa ±2% der Grundfrequenz des Fehlers beträgt.
Wie zuvor erwähnt, wird in einem herkömmlichen Verfahren zur Ermittlung des Peaks der Grundfrequenz des Fehlers die Spektrallinie im Frequenzspektrum ausgewählt, welche die nächstgelegene zu der erwarteten Grundfrequenz des Fehlers ist. Die Genauigkeit des herkömmlichen Verfahrens wird jedoch in hohem Maße von der Frequenzauflösung der Schwingungsmessung beeinflusst. Daher führt das herkömmliche Verfahren zu einem Fehler, welcher direkt proportional zur Zahl der in die Auswertung einbezogenen Oberschwingungen ist, weil der abgeschätzte Energiebeitrag der n-ten Oberschwingung einen Fehler der Größe n·E erzeugt (wobei E der Fehler, also die Differenz zwischen den abgeschätzten und den wahren Grundfrequenzen des Komponentenfehlers, ist). Demzufolge ist es in den Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzuziehen, eine genauere Abschätzung der Grundfrequenz des Fehlers zu erhalten, wie sie unten beschrieben wird.
Das Verfahren 300 wird in einer Stufe 310 fortgesetzt, wo der Indexgenerator 138 ein Triplett 400 (siehe 4) von Spektrallinien zur Auswertung bei der Ermittlung der Amplitude bei der Grundfrequenz des Fehlers auswählt. Der Indexgenerator 138 wählt innerhalb des Suchbandes ein Spektrallinientriplett 400 aus, welches eine Zentralamplitude (z.B. F_i in 4) mit zwei benachbarten kleineren Amplituden (z.B. F_i-1 und F_i+1 in 4) aufweist.
Der Indexgenerator 138 schätzt in einer Stufe 312 des Verfahrens 300 durch Interpolation der zu dem oben ausgewählten Spektrallinientriplett gehörenden Werte einen Wert für die Grundfrequenz des Fehlers und eine entsprechende Amplitude ab. Die Interpolation ist in Fällen geeignet, in welchen die Grundfrequenz des Komponentenfehlers zwischen Spektrallinien fällt, was typischerweise vorkommt, wo erfasste Amplitudendaten als eine Reihe diskreter Frequenzwerte in Frequenzdaten umgewandelt werden. Es kann jedes geeignete Interpolationsverfahren angewendet werden, zum Beispiel die lineare Interpolation. 4, welche unten beschrieben wird, zeigt eine beispielhafte Technik zur Interpolation der Amplituden- und Frequenzwerte des Spektral linientripletts 400, um eine Abschätzung der Grundfrequenz des Fehlers und der entsprechenden Amplitude herzuleiten.
Das Verfahren 300 wird in einer Stufe 314 fortgesetzt, wobei der Indexgenerator 138 eine Variable MAX_HRMNC einstellt oder ausliest, welche für die Oberschwingung der höchsten Ordnung kennzeichnend ist, die in die Analyse einbezogen sein soll. MAX_HRMNC kann breit variieren und kann zum Beispiel auf Werte von 3 bis 25 eingestellt werden. Dies bedeutet, dass der Indexgenerator 138 in einigen Ausführungsformen mindestens 25 Oberschwingungen der Grundfrequenz in die Analyse einbezieht. Es wurde herausgefunden, dass die Einbeziehung von etwa 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Oberschwingungen der Grundfrequenz des Komponentenfehlers zu geeigneten Ergebnissen führt. Das Verfahren 300 geht zu einer Stufe 316 über, wo der Indexgenerator die Frequenz der Oberschwingung n-ter Ordnung annäherungsweise als n-maliges Vielfaches der Grundfrequenz F des Fehlers bestimmt, z.B. F₂ = 2·F bei n = 2.
Die oben ermittelten Frequenzen der Oberschwingungen entsprechen nicht notwendigerweise genau den Spektrallinien des durch das Datenanalysatormodul 136 ausgewerteten Frequenzspektrums. Demzufolge schätzt der Indexgenerator 138 in einer Stufe 318 einen Wert für die Amplitude ab, die der abgeleiteten Oberschwingungsfrequenz entspricht. Der Indexgenerator 138 bestimmt annäherungsweise die Amplitude jeder gegebenen Oberschwingung durch Interpolieren zwischen den benachbarten Spektrallinien in der Nähe der abgeschätzten Oberschwingungsfrequenz, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine zentrale Spektrallinie aufweisen, welche einen Peak aufweist, der größer ist als seine beiden unmittelbar angrenzenden Nachbarn. Zum Beispiel kann die dritte Oberschwingung 3·F zwischen zwei benachbarte Spektrallinien fallen, welche für ihre Größe die Werte V_j bzw. Y_j+1 aufweisen. Der Indexgenerator 138 schätzt die Amplitude der dritten Oberschwingung durch Interpolieren zwischen den Werten Y_j und Y_j+1 ab.
Es ist möglich, dass das Frequenzspektrum weitere Oberschwingungsmuster oder andere Frequenzen mit starken Amplituden enthält, welche annähernd mit einer oder mehreren Frequenzen in der vom Indexgenerator 138 abgeschätzten Oberschwingungsreihe zusammenfallen, welche aber nicht auf den Komponentenfehler bezogen sind. Natürlich kann, wenn der Indexgenerator 138 die nicht auf den Fehler bezogenen Werte in die Ermittlung von I_HAL einbezieht, der Wert von I_HAL deutlich verzerrt werden und somit zu fehlerhaften Schlüssen führen. Demzufolge kann der Indexgenerator 138 in einer Entscheidungsstufe 320 Peaks, die nicht auf die Oberschwingungen des Fehlers bezogen sind, erkennen und als „Rauschen" zurückweisen.
Es können verschiedene bekannte Ansätze zur Rauschverminderung angewendet werden. In einer Ausführungsform verringert der Indexgenerator 138 das Rauschen durch Ausschliefen jedes Peaks, der mehr als etwa zehnmal größer oder mehr als etwa zehnmal niedriger ist als die Amplitude bei der Grundfrequenz des Fehlers, aus der Gesamt-Spektralenergie, die zu den Oberschwingungen des Komponentenfehlers gehört. Natürlich sollte es für den Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie ersichtlich sein, dass der hier verwendete Parameter „10" nicht speziell notwendig ist und für eine bestimmte Anwendung optimiert werden kann.
Wenn der Indexgenerator 138 in der Entscheidungsstufe 320 ermittelt, dass es sich bei der abgeschätzten Amplitude der Spektrallinie bei der betreffenden Oberschwingung wahrscheinlich um Rauschen handelt, geht das Verfahren zu einer Entscheidungsstufe 324 über. Wenn der Indexgenerator 138 jedoch ermittelt, dass es sich bei der Amplitude nicht um Rauschen handelt, dann addiert der Indexgenerator 138 in einem Schritt 322 die abgeschätzte Amplitude der Oberschwin gung der aktuellen Ordnung zu dem Wert M, welcher die Ansammlung oder Summe aller Amplituden der Oberschwingungen (ausschließlich der Grundfrequenz) des Komponentenfehlers bildet.
Das Verfahren 300 wird in der Entscheidungsstufe 324 fortgesetzt, wo der Indexgenerator 138 ermittelt, ob n = MAX_HRMNC. Wenn n nicht gleich MAX_HRMNC ist, zeigt dies, dass noch Oberschwingungen höherer Ordnung zur Auswertung durch den Indexgenerator 138 verbleiben. In solch einem Fall geht das Verfahren zu einer Stufe 326 über, wo der Indexgenerator 138 den Wert von n inkrementiert, was bedeutet, dass der Indexgenerator 138 die nächste Oberschwingung des Fehlers für die Auswertung auswählt. Als Nächstes geht das Verfahren 300 zu einer Stufe 316 über. Wenn jedoch der Indexgenerator 138 alle bei der Ermittlung von I_HAL, zu berücksichtigenden Oberschwingungen ausgewertet hat, wird das Verfahren 300 über die Seitenumbruchsmarkierung A in einer Stufe 328 fortgesetzt (siehe 3B).
Der Indexgenerator 138 inkrementiert M in einer Stufe 328, indem er dazu die Amplitude A_F der Grundfrequenz des Fehlers addiert. Daher repräsentiert M die summierte Gesamtenergie der Oberschwingungen des Fehlers einschließlich der Energie der Grundfrequenz des Fehlers. Übergehend zu einer Stufe 330 des Verfahrens 300 stellt der Indexgenerator 138 einen Wert „K" ein, welcher für die Gesamt-Spektralenergie der Oberschwingungen des Fehlers kennzeichnend ist, indem er M durch die Gesamtzahl der Peaks in der Oberschwingungsreihe des Fehlers, namentlich n + 1, dividiert. Das heißt, K = M:N, wobei N = n + 1.
Das Verfahren 300 wird in einer Stufe 332 fortgesetzt, wo der Indexgenerator 138 einen Wert Q ermittelt, indem er alle Amplituden der Peaks in dem vom Datenanalysatormodul 136 empfangenen Frequenzspektrum addiert. Natürlich kann es in einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, bestimmte Peakwerte zu ignorieren, welche gewisse vorgegebene Kriterien erfüllen. Das heißt, es ist nicht erforderlich, dass jeder einzelne der Peaks in dem Frequenzspektrum in Q einbezogen wird. In einer Ausführungsform der Erfindung bezieht jedoch der Indexgenerator 138 bei der Ermittlung von Q weitgehend alle Peaks des Frequenzspektrums der Maschine 120 ein.
Als Nächstes leitet der Indexgenerator in einer Stufe 334 einen Wert „R" ab, der für die Gesamt-Spektralenergie des vom Datenanalysatormodul 136 empfangenen Frequenzspektrums kennzeichnend ist. In der dargestellten Ausführungsform stellt der Indexgenerator 138 den Wert R so ein, dass er direkt proportional zu dem Verhältnis von Q zu P ist, wobei P die Gesamtzahl der Peaks ist, die bei der Ermittlung von Q einbezogen wurden. In anderen Ausführungsformen kann R in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung durch einen vorgegebenen Koeffizienten skaliert werden; somit kann R aus einer Beziehung hergeleitet werden, die gegeben ist durch R = s·Q:P, wobei s eine vorgegebene Skalierungskonstante ist.
In einer Stufe 336 des Verfahrens 300 errechnet der Indexgenerator 138 I_HAL, mit einer Formel, welche sich zumindest teilweise durch K und R definiert. Zum Beispiel kann der Indexgenerator 138 I_HAL, herleiten durch Dividieren des Wertes K, welcher für die Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu den Oberschwingungen des Komponentenfehlers gehört, durch den Wert R, welcher für die Gesamt-Spektralenergie des Frequenzspektrums der Maschine 120 kennzeichnend ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Indexgenerator 138 I_HAL herleiten als das Verhältnis von K zu der Differenz zwischen R und K, das heißt, I_HAL = K:(R – K). Es ist empirisch ermittelt worden, dass diese beiden Beziehungen geeignete Ergebnisse bei der Erkennung von Komponentenfehlern oder anderen Stoßkräften, die auf eine Maschine 120 einwirken, durch Analyse der von der Maschine 120 aufgenommenen Frequenzspektrumsdaten liefern.
Wie zuvor bereits erwähnt, stellt I_HAL, einen geeigneten Indikator für den Zustand einer Maschine 120 dar. Durch Experimentieren an Schwingungsdatensätzen, die von in Betrieb befindlichen Maschinen aufgenommen wurden, ist erkannt worden, dass größere I_HAL-Werte als 2 zum Beispiel gut mit Fehlern in Lagerungen oder anderen Maschinenkomponenten im Zusammenhang zu stehen scheinen.
Die Verwendung von I_HAL ist vorteilhaft, weil anders als bei herkömmlichen Verfahren, welche eine Einstellung und Unterhaltung von regelmäßigen absoluten Sensoralarmwerten erforderlich machen, die offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren auf der Herleitung nur eines einzelnen Parameters, namentlich I_HAL, basieren können. Je höher I_HAL wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass das ausgewertete Oberschwingungsmuster einem Komponentenfehler entspricht. Dementsprechend kann I_HAL verwendet werden, um ein Maß an Sicherheit anzuzeigen, ob eine bedeutsame Störungsart in einer Maschine 120 vorliegt. Überdies wird der Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie erkennen, dass die Verwendung von I_HAL das Erfordernis verringert oder vollständig beseitigt, einen absoluten Sensoralarmwert einzustellen, welcher für jede Messart und jede Stelle einzigartig ist. Dies zum Beispiel von deutlichem Vorteil in industriellen Anwendungen, wo Tausende von Alarmwerten eingestellt und unterhalten werden müssen.
Der Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie wird leicht erkennen, dass, obwohl sich die vorliegende Beschreibung auf die Überwachung des Maschinenzustands konzentriert, um Komponentenfehler zu erkennen, I_HAL auch verwendet werden kann, um das Vorliegen anderer „stoßartiger" oder „pulsierender" Erscheinungen zu erkennen, die auf die Maschine 120 einwirken, wodurch eine Oberschwingungsreihe in den Frequenzspektrumsdaten der Maschine 120 erzeugt wird. Wenn das System 100 zum Beispiel herausfindet, dass I_HAL bei einer bestimmten Frequenz und ihren Oberschwingungen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, kann diese Frequenz mit den zu der Maschine 120 gehörigen erwarteten Grundfrequenzen der Komponentenfehler verglichen werden. Wenn die zu dem hohen I_HAL-Wert gehörende Frequenz keiner der erwarteten Fehlerfrequenzen entspricht, kann angenommen werden, dass eine pulsierende oder stoßartige Erscheinung (möglicherweise außerhalb der Maschine 120) auf die Maschine 120 einwirkt und die Schwingungen verursacht, statt dass ein Komponentenfehler die Ursache der Schwingungen ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 in einer Stufe 350 enden, nachdem der Indexgenerator 138 in Schritt 336 I_HAL. erzeugt. In anderen Ausführungsformen (wie in 3A und 3B veranschaulicht) kann das Verfahren 300 jedoch weitere Stufen umfassen. Daher kann der Computer 130, nachdem der Indexgenerator 138 I_HAL ermittelt, in einer Stufe 338 des Verfahrens 300 ermitteln, ob der basierend auf dem in Stufe 310 ausgewählten Spektrallinientriplett 400 berechnete I_HAL-Wert größer ist als der größte zuvor ermittelte I_HAL-Wert, namentlich MAX_I_HAL. Wenn dies der Fall ist, wird das Verfahren 300 in einer Stufe 340 fortgesetzt, wo der Computer 130 eine Variable MAX_I_HAL auf den aktuellen I_HAL-Wert einstellt, und geht dann zur Entscheidungsstufe 342 über. Auch wenn I_HAL, nicht größer ist als MAX_I_HAL, wird das Verfahren 300 im Entscheidungsblock 342 fortgesetzt, wo der Computer 130 ermittelt, ob der Indexgenerator 138 alle Spektrallinientripletts in dem in Stufe 308 definierten Frequenzsuchband ausgewertet hat. Wenn noch Tripletts zur Analyse durch den Indexgenerator 138 verbleiben, wird das Verfahren 300 (über die Seitenumbruchsmarkierung B) in der Stufe 310 fortgesetzt, wo der Indexgenerator 138 in derselben Weise wie bereits oben beschrieben ein anderes Spektrallinientriplett auswählt. Wenn keine Spektrallinientripletts 400 zur Analyse durch den Indexgenerator 138 verbleiben, geht das Verfahren 300 zu einer Entscheidungsstufe 344 über.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Computer dafür konfiguriert sein, zu ermitteln, ob der aus der Analyse aller Tripletts in einem gegebenen Suchband abgeleitete maximale I_HAL-Wert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Daher kann der Computer 130 zum Beispiel in der Entscheidungsstufe 344 auswerten, ob MAX_I_HAL größer ist als ein bestimmter Schwellenwert, welcher für einen gegebenen Maschinentyp 120 oder dessen Teilkomponenten empirisch ermittelt sein kann. Der Schwellenwert kann zum Beispiel auf 2 eingestellt sein. Dann kann der Computer 130, wenn MAX_I_HAL größer als 2 ist, in einer Stufe 346 des Verfahrens 300 eine Warnung ausgeben.
Nach der Ausgabe der Warnung, oder wenn MAX_I_HAL kleiner ist als der Schwellenwert, kann das Verfahren 300 in einer Entscheidungsstufe 348 fortgesetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 natürlich nach der Entscheidungsstufe 344 zur Endstufe 350 übergehen und enden. Dies wäre zum Beispiel dort der Fall, wo nur ein Frequenzsuchband von Interesse ausgewertet wird.
In einigen Ausführungsformen kann es jedoch praktisch und wünschenswert sein, für die Analyse größerer Teile des Frequenzspektrums (oder sogar für das gesamte Frequenzspektrum), welches vom Datenanalysatormodul 136 ausgewertet wird, mehrere Suchbänder zu berücksichtigen. In solch einer Ausführungsform ist es möglich, in Schwingungsdatenbänken zu suchen, um mögliche Komponentenstörungen oder andere Quellen für Maschinenschwingungen zu erkennen. Unter Anwendung der hier beschriebenen Verfahren offenbarten die Schwingungsdaten beim Suchen von Daten in einer Datenbank-Speichermaschine zum Beispiel mehrere Lagerungsprobleme, ohne dass ein Eingriff des Benutzers oder ein detailliertes Wissen über die Komponentenfehlereigenschaften erforderlich war. Bei der Suche in Datenbanken wertet der Indexgenerator 138 für jedes im Frequenzspektrum der Maschine 120 gefundene Spektrallinientriplett 400 (siehe Figur 400) einen I_HAL-Wert aus. Wenn I_HAL einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, könnte dies anzeigen, dass eine anomale Schwingungsquelle vorliegt, die auf die Maschine 120 einwirkt, wobei es sich bei der Schwingungsquelle um einen identifizierbaren Komponentenfehler oder irgendeine andere stoßartige oder pulsierende Erscheinung handeln kann, die auf die Maschine 120 einwirkt.
In einer anderen Ausführungsform analysiert das Datenanalysatormodul 136 Entwicklungen im Zustand der Maschine 120 durch Suche in historischen Schwingungsdaten der Maschine 120. In einigen Fällen erhält zum Beispiel das Datenerfassungsmodul 110 periodisch Schwingungsdaten von der Maschine 120 über eine Zeitdauer von zum Beispiel 12 bis 24 Monaten und speichert diese Daten im Datenspeichermodul 132. Jedes Mal, wenn das Datenerfassungsmodul 110 Schwingungsdaten erhält, speichert es ein Frequenzspektrum für die Maschine 120 und verbindet dieses Frequenzspektrum mit einer speziellen Zeitkennung, z.B. Monat, Woche, Tag, Stunde usw. Das Datenanalysatormodul 136 errechnet I_HAL-Werte für jedes Frequenzspektrum mit Zeitkennung, welches im Datenspeichermodul 132 gespeichert ist, und erzeugt eine Aufzeichnung der Entwicklung der I_HAL-Werte über den Zeitraum von 12 bis 24 Monaten. Es ist beobachtet worden, dass I_HAL-Werte für Komponenten einer Maschine ohne nennenswerte Fehler über die Beobachtungsdauer unter einem vorgegebenen I_HAL-Schwellenwert bleiben. I_HAL-Werte für Komponenten einer Maschine mit sich entwickelnden Fehlern zeigen jedoch mit der Zeit einen Aufwärtstrend in Richtung des vorgegebenen Schwellenwerts. Daher kann der Indexgenerator 138 I_HAL-Werte bei der Schwingungsanalyse von Maschinen verwenden, um aus Schwingungsdaten, die über eine ausreichend lange Zeitdauer, z.B. Tage, Wochen, Monate oder Jahre, erfasst worden sind, Entwicklungen abzuleiten.
Der Durchschnittsfachmann in der betreffenden Technologie wird leicht erkennen, dass die hier offenbarten Verfahren nutzbringend angewendet werden können, um diagnostische Funktionen in Software oder Firmware zur Überwachung von Maschinenzuständen bereitzustellen. Dementsprechend kann der Computer 130 dafür konfiguriert werden, in der Entscheidungsstufe 348 des Verfahrens 300 zu ermitteln, ob ein anderes Frequenzsuchband ausgewählt werden sollte. Wenn dies der Fall ist, kehrt das Verfahren 300 über die Seitenumbruchsmarkierung C zu Schritt 308 der 3A zurück. Anderenfalls endet das Verfahren 300 in der Stufe 350.
Natürlich muss, wie es für den Durchschnittfachmann in der relevanten Technologie ersichtlich ist und oben erwähnt wurde, das Verfahren 300 nicht alle in 3A und 3B dargestellten Stufen umfassen. Außerdem können in einigen Ausführungsformen alle der Funktionen des Verfahrens 300 kombiniert werden und in einer einzigen Stufe durchgeführt werden, oder sie können umgekehrt unterteilt werden und in zusätzlichen Stufen durchgeführt werden, die in 3A und 3B nicht dargestellt sind. Schließlich wird der Durchschnittfachmann in der relevanten Technologie erkennen, dass eine oder mehrere der oben beschriebenen Funktionen durch andere Einheiten oder Module durchgeführt werden können als die speziell erwähnten. Zum Beispiel kann das Datenanalysatormodul 136 einige oder alle der Funktionen durchführen, von denen oben beschriebenen ist, dass sie von der Signalaufbereitungs- und Digitalisiereinrichtung 114 durchgeführt werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf die Stufe 312 des in 3A und 3B dargestellten Verfahrens 300 erörtert, interpoliert der Indexgenerator 138 in einigen Ausführungsformen der Erfindung Amplituden- und Frequenzwerte eines Tripletts von Spektrallinien, um die wahrscheinlichste Position der Grundfrequenz eines Komponentenfehlers zu ermitteln. 4 zeigt ein Verfahren zur Durchführung der Interpolation von Spektrallinientripletts. In 4 ist ein Triplett 400 von Spektrallinien 402, 404 und 406 abgebildet, welches vom Indexgenerator 138 ausgewählt wurde, um die Grundfrequenz des Fehlers abzuschätzen. Die Spektrallinien 402, 404 und 406 weisen die Frequenzen F_i-1, F_i bzw. F_i+1 und die Amplituden Y_i-1, Y_i bzw. Y_i+1 auf. Das Frequenzspektrum kann durch die geraden Linien 410 und 412 angenähert werden, welche von den drei Spektrallinien 402, 404 und 406 geschnitten werden. Die dünnen gestrichelten Linien sind nur in die Figur eingezeichnet, um das Verständnis der geometrischen Beziehungen zu fördern, die angewendet werden, um die Spektrallinienwerte gemäß der hier offenbarten Technik zu interpolieren. Die abgeschätzte Fehlerfrequenz ist F und ist durch die gestrichelte Spektrallinie 408 dargestellt. Wie in 4 dargestellt, ist dieses Fallbeispiel dafür, dass F kleiner als F_i ist.
4 zeigt, dass das Dreieck mit den Eckpunkten a, b, c dem Dreieck ähnelt, welches die Eckpunkte d, e und c aufweist. Daraus folgt, dass
Somit gilt für F < F_i:
und für F > F_i:
Der so erhaltene Wert F der Grundfrequenz des Fehlers ist genauer, als wenn einfach angenommen wird, dass die Grundfrequenz des Fehlers durch die stärkste Linie in der Nähe der erwarteten Grundfrequenz des Fehlers im Frequenzsuchband gegeben ist. Außerdem sollte angemerkt werden, dass durch die Anwendung dieser Interpolationstechnik die abgeschätzte Grundfrequenz des Fehlers mit der zentralen Spektrallinie des Tripletts 400, namentlich F, zusammenfällt, wenn die benachbarten Linien F_i-1 und F_i+1 die gleichen Amplituden aufweisen.

Claims

Verfahren zum Unterscheiden zwischen Schwingungsmessungen, die für das Vorliegen eines Komponentenfehlers in einer Maschine kennzeichnend sind, und Schwingungsmessungen, die nicht auf den Komponentenfehler bezogen sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Empfangen eines Frequenzspektrums (210), welches zu der Maschine gehört; – Abschätzen (310 bis 326) einer Grundfrequenz und der Oberschwingungsfrequenzen der Komponentfehler und zugehörigen Amplituden; – Abschätzen (215) eines Wertes K, welcher für die Gesamt-Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu den Grund- und Oberschwingungsfrequenzen gehört; – Abschätzen (220) eines Wertes R, welcher für die Gesamt-Spektralenergie kennzeichnend ist, die zu dem Spektrum gehört; – Ableiten (225) eines Wertes I_HAL, zumindest teilweise basierend auf den abgeschätzten Werten K und R, und – Ermitteln (230), ob die Schwingungen der Maschine durch den Komponentenfehler erzeugt werden, durch Auswerten von I_HAL in Bezug auf einen vorgegebenen Schwellenwert; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abschätzens eines Wertes K das Erhalten einer Summe M umfasst, welche die Summe mehrerer Amplituden umfasst, die zu den Grund- und Oberschwingungsfrequenzen des Komponentenfehlers gehören.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschätzen von K ferner das Dividieren von M (330) durch die Anzahl der Oberschwingungen N einschließlich der zu dem Komponentenfehler gehörenden Grundfrequenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abschätzen eines Wertes R das Erhalten einer Summe Q (332) umfasst, welche die Summe aller Amplituden umfasst, die den Spektrallinien in dem Spektrum entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Abschätzen von R ferner das Dividieren von Q (334) durch die Gesamtzahl P der Spektrallinien in dem Spektrum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Ableiten des Index I_HAL, das Dividieren von K durch R umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Ableiten des Index I_HAL das Dividieren von K durch die Differenz zwischen K und R umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner das Ausgeben einer Warnung umfasst, wenn der Index I_HAL, größer als 2 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abschätzen der Grundfrequenz des Komponentenfehlers das Interpolieren von Werten umfasst, die zu aneinander liegenden Spektrallinien gehören.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Interpolieren von Werten das Auswählen eines Tripletts von Spektrallinien (400) umfasst, wobei eine Amplitude einer Mittellinie des Tripletts von Spektrallinien größer ist als eine Amplitude anderer Spektrallinien des Tripletts von Spektrallinien.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Abschätzen einer zweiten Grundfrequenz und das Wiederholen der Abschätzung der Oberschwingung umfasst, wobei für die Summierungs- und Berechnungsschritte die zweite Grundfrequenz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner das wiederholte Abschätzen einer Reihe weiterer Grundfrequenzen und das Wiederholen der Abschätzung der Oberschwingung umfasst, wobei für die Summierungs- und Berechnungsschritte jede der weiteren Grundfrequenzen verwendet werden, um eine entsprechende Reihe von Werten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Abschätzen jeder der Grundfrequenzen das Suchen nach einem Spektrallinientriplett innerhalb zumindest eines Suchbandes in dem Frequenzbereichsspektrum umfasst, wobei das Spektrallinientriplett eine Amplitude der mittleren Spektrallinie aufweist, die größer ist als die Amplitude jeder Spektrallinie, die der Amplitude der mittleren Spektrallinie benachbart ist.
Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner das Suchen innerhalb mehrerer Suchbänder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner das Durchführen einer erschöpfenden Suche nach den Spektrallinientripletts durch das Frequenzbereichsspektrum umfasst.
System zum Erkennen eines Komponentenfehlers in einer Maschine, die Schwingungen unterworfen ist, wobei das System das Folgende umfasst: – Mittel (130) zum Empfangen von Daten, welche für Amplituden und entsprechende Frequenzen von Schwingungen der Maschine kennzeichnend sind; – Mittel (136) zum Abschätzen eines Wertes R aus den Daten, welcher für die zu allen Spektrallinien des Frequenzspektrums der empfangenen Schwingungen gehörende Gesamt-Spektralenergie kennzeichnend ist; – Mittel (136) zum Abschätzen eines Wertes K aus den Daten, welcher für die zu dem Komponentenfehler gehörende Spektralenergie kennzeichnend ist; – Mittel (136, 138) zum Ableiten eines Index I_HAL der Oberschwingungsaktivität, zumindest teilweise basierend auf den abgeschätzten Werten K und R; – Mittel (136) zum Anzeigen eines Komponentenfehlers basierend auf der Auswertung des Index I_HAL der Oberschwingungsaktivität in Bezug auf einen vorgegebenen Schwellenwert; dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (136) zum Abschätzen des Wertes K eingerichtet ist zum Abschätzen des Wertes K zumindest teilweise basierend auf dem Addieren mehrerer Amplituden, die einer Oberschwingungsreihe der Grundfrequenz des Komponentenfehlers entsprechen.
System nach Anspruch 15, umfassend: – ein Datenspeichermodul (132), welches Daten empfängt und speichert, die für Amplituden von Schwingungen der Maschine bei ausgewählten Frequenzen kennzeichnend sind, – ein Datenanalysatormodul (136) in Kommunikation mit dem Datenspeichermodul, welches einen Index I_HAL der Oberschwingungsaktivität ableitet, wobei der Datenanalysator Computerbefehle umfasst, um die Werte K und R abzuschätzen und um K durch R zu dividieren.
System nach Anspruch 15, umfassend: – ein Datenspeichermodul (132), welches Daten empfängt und speichert, die für Amplituden von Schwingungen der Maschine bei ausgewählten Frequenzen kennzeichnend sind, – ein Datenanalysatormodul (136) in Kommunikation mit dem Datenspeichermodul, welches einen Index I_HAL der Oberschwingungsaktivität ableitet, wobei der Datenanalysator Computerbefehle umfasst, um die Werte K und R abzuschätzen und um K durch eine Differenz zwischen R und K zu dividieren.