ES2277234T3 - Procedimiento para detectar eventos de sonido estructural en un rodamiento. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para detectar eventos de sonido estructural en un rodamiento, en el que se alimenta una señal de medida (M) de un sensor dispuesto en el rodamiento y sensible a la presión o a la dilatación a un filtro de frecuencia para filtrar y separar porciones de señal no deseadas, caracterizado porque se calcula un primer valor de varianza a partir de valores digitales de la señal de salida del filtro de frecuencia, porque se obtiene al menos un segundo valor de varianza a partir de más valores digitales de la señal de salida del filtro de frecuencia, porque se calcula a partir de estos al menos dos valores de varianza, con ayuda de un cálculo recursivo, la media aritmética ponderada de estos valores de varianza, y porque un rebasamiento del valor de la media aritmética de varianza ponderada por encima de un valor umbral de varianza preseleccionado (VSW) se valora como un evento de sonido estructural originado por un daño mecánico en el rodamiento y la frecuencia para el rebasamiento delumbral, en conocimiento del número de revoluciones y las condiciones geométricas del cojinete, puede asociarse unívocamente al lugar de origen del daño (aro exterior, aro interior, cuerpos rodantes).
Description
Procedimiento para detectar eventos de sonido
estructural en un rodamiento.
La invención concierne a un procedimiento para
detectar eventos de sonido estructural en un rodamiento según el
preámbulo de la reivindicación 1.
Se conocen por el documento DE 199 43 689 A1 un
procedimiento y un dispositivo para la vigilancia y/o diagnóstico
de máquinas y/o piezas de máquina que se encuentran en movimiento.
El objetivo de tales procedimientos de medida y evaluación es
reconocer lo más temprano posible un daño en una máquina o en una
pieza de la misma, tal como, por ejemplo, en un rodamiento, para
poder cambiar ésta eventualmente antes de su fallo total.
En este procedimiento conocido se captan con un
sensor de aceleración, como señal de tiempo de banda ancha,
vibraciones y ondas de sonido estructural generadas por las máquinas
o las piezas de máquina y se envían éstas a un equipo de
evaluación. En este equipo de evaluación se digitaliza la señal de
medida y se archiva un volumen bastante grande de tales valores
digitales. En un proceso de cálculo subsiguiente se someten estos
datos a un análisis de frecuencia por medio de una transformada
rápida de Fourier. La realización de esta transformada rápida de
Fourier es muy complicada y requiere relativamente mucha capacidad
de cálculo y espacio de memoria.
Además, se conoce por este documento el que en
otros procedimientos de análisis se somete la señal de tiempo de
banda ancha a un filtrado discreto. En este caso, se filtran y
separan de la señal de medida porciones de frecuencia de las
componentes de la señal provocadas por el daño y se evalúa una
evolución de amplitud de esta porción. Mediante variaciones de las
frecuencias se puede extender la evaluación a componentes de señal
contiguas de tal manera que puedan obtenerse máximos de amplitud
locales. El coste de cálculo para la realización de un filtrado
discreto ha sido ciertamente reducido en comparación con tal
transformada de Fourier convencional, pero, no obstante, es
relativamente grande, ya que las frecuencias de esquina del filtro
tienen que ser adaptadas dinámicamente a números de evoluciones
diferentes del sistema árbol-cojinete.
Por último, se ha dado a conocer por el
documento DE 101 36 438 A1 una disposición de sensor en la que están
dispuestas en una ranura periférica de un aro de rodamiento
estacionario unas bandas extensométricas que están unidas allí con
módulos electrónicos de señal con los que puede tener lugar una
evaluación de las señales directamente en la ranura periférica del
aro del rodamiento. Dado que esta ranura periférica es relativamente
pequeña, los módulos electrónicos de señal allí dispuestos cuentan
solamente con una capacidad de memoria y de cálculo más bien
modesta, de modo que no tienen lugar in situ ni, por así
decirlo, "en línea" los procedimientos de evaluación
anteriormente descritos.
Además, se conoce por el documento GB 1 514 792
un dispositivo para registrar desperfectos en cuerpos giratorios,
por ejemplo cojinetes de bolas.
Ante estos antecedentes, el cometido de la
invención consiste en presentar para un dispositivo de medida
colocado, por ejemplo, en un rodamiento un procedimiento para
detectar ondas de sonido estructural o eventos de sonido
estructural con el cual se puedan realizar los pasos de análisis
necesarios directamente en el lugar de obtención de las señales de
medida sin una gran ocupación de espacio de memoria ni una gran
capacidad de cálculo. Además, la señal de medida proveniente de
sensores adecuados montados en el rodamiento deberá ser convertida
de tal manera que sea posible mejor que hasta ahora una
manifestación unívoca sobre la presencia real de daños en el
cojinete. Por último, este procedimiento deberá poder ser realizado
tan rápidamente que se pueda captar preferiblemente "en
línea", es decir, sin demora de tiempo, un daño de cojinete que
se presente repentinamente.
La solución de este problema resulta de las
características de la reivindicación principal, mientras que en las
reivindicaciones subordinadas pueden encontrarse ejecuciones y
perfeccionamientos ventajosos de la invención.
Por consiguiente, se ha previsto conforme al
procedimiento que, para detectar eventos de sonido estructural en
un rodamiento, se alimente primero la señal de medida de un sensor
sensible a la presión o la dilatación, dispuesto en un rodamiento,
a un filtro de frecuencia para filtrar y separar porciones de señal
no deseadas. A continuación, se calcula un primer valor de varianza
a partir de los valores digitales de la señal de salida del filtro
de frecuencia y se obtiene al menos un segundo valor de varianza a
partir de valores digitales temporalmente posteriores de la señal
de salida del filtro de frecuencia. A partir de estos al menos dos
valores de varianza (varianza nueva, varianza vieja) se calcula
seguidamente la media aritmética ponderada de estos valores de
varianza con ayuda de un cálculo recursivo. Siempre que el valor de
la media aritmética ponderada esté por encima de un valor umbral de
varianza preseleccionado, se valora esto como un evento de sonido
estructural originado por un daño mecánico en el rodamiento.
El término "cálculo recursivo" significa en
este contexto que se incorporan valores de resultado de un primer
cálculo de varianza en el cálculo de un segundo valor de varianza.
Esto hace posible una estimación consistente de la amplitud del
sonido estructural sobre la base de solamente dos valores de
exploración, sin que tenga que estar prevista una capacidad de
memoria adicional en un equipo de evaluación.
La obtención del valor de la media aritmética de
varianza ponderada se logra con ayuda de la ecuación fundamental
recursiva
(Ec.
1)\overline{E}\{X^{2}\}(k+1) =
\overline{E}\{X^{2}\}(k) + C_{x}{}^{2} [x^{2}(k+1) -
\overline{E}\{X^{2}\}(k)]
en donde representan
\overline{E}{.} el valor de esperanza del valor medio aritmético
ponderado, k la variable de propagación, x un valor de exploración
digital de la señal y C una constante de
adaptación.
Respecto de la constante de adaptación C, se ha
previsto un valor que es más pequeño que uno y más grande que cero
y que puede calcularse a partir de la ecuación para la llamada
velocidad de adaptación.
(Ec. 2)t =
\{1/C_{x}{}^{2} - 1/2\} \ \text{*} \ T
En ésta, t indica la rapidez con que puede
obtenerse la verdadera varianza con una cuota de error
tolerable.
Partiendo de la ecuación fundamental recursiva
(Ec. 1) se puede formar una ecuación de conversión
(Ec. 3)nE = aE
+ aK \ \text{*} \ (nA -
aE)
en la que significan nE un valor de
resultado nuevo, aE un valor de resultado viejo, aK la constante de
adaptación y nA un valor de exploración nuevo. El "valor de
resultado nuevo" es en este caso el valor que ha de calcularse
momentáneamente, mientras que el "valor de resultado viejo"
identifica el valor calculado un ciclo de exploración
antes.
Esta ecuación de conversión se puede transformar
en una ecuación de evaluación
(Ec. 4)nV = aV
+ aK \ \text{*} \ (nA -
aV)
en la que significan nV la varianza
nueva, aV la varianza vieja, aK la constante de adaptación y nA el
valor de exploración
nuevo.
Una varianza nueva así calculada se toma como
valor estimativo para la varianza verdadera de la señal de medida,
a partir del cual se deduce la presencia de eventos de sonido
estructural en el rodamiento. En este caso, un alto valor de
varianza nuevo significa un daño grande en el rodamiento.
Como ponen de manifiesto las explicaciones
anteriores, con el procedimiento según la invención se puede
establecer a partir de la señal de medida de un dispositivo de
medida colocado en un rodamiento la existencia de ondas de sonido
estructural o eventos de sonido estructural con un equipo de
evaluación que no disponga de una gran capacidad de memoria y que
cuente con una capacidad de cálculo más bien pequeña. Estos
dispositivos de evaluación pueden ser microprocesadores que estén
dispuestos directamente en el lugar de obtención de la señal de
medida, por ejemplo en la ranura periférica de un rodamiento, y que
realicen los pasos de análisis necesarios para detectar daños en
cojinetes.
Además, el procedimiento según la invención hace
posible que la señal de medida de un sensor adecuado, como, por
ejemplo, una banda extensométrica dispuesta en el rodamiento, sea
convertida de tal manera que sea posible, mejor que con
procedimientos conocidos hasta ahora, una manifestación unívoca
sobre la presencia real de daños en el cojinete. Por último, este
procedimiento hace posible que con sólo pocos valores de medida se
puedan reconocer ondas de sonido estructural tan rápidamente que se
pueda captar preferiblemente "en línea", es decir, sin demora
de tiempo, un daño de cojinete que se presente súbitamente.
El procedimiento según la invención y su
cooperación con un rodamiento de medida y un equipo de evaluación
podrán explicarse de manera óptima ayudándose de ejemplos de
realización que están representados en un dibujo. Muestran en
éste:
La figura 1, una sección transversal esquemática
a través de un rodamiento de medida,
La figura 2, una vista en planta de una
disposición de medida en una ranura periférica del rodamiento de
medida según la figura 1,
La figura 3, un circuito puente eléctrico de
medida de la disposición de medida según la figura 2,
La figura 4, una evolución de la señal de medida
con porciones de frecuencia que aluden a un daño en el
rodamiento,
La figura 5, dos señales de medida después de
pasar por un filtro de frecuencia, y
La figura 6, la representación de valores medios
de varianza de las dos señales de medida según la figura 5.
Por consiguiente, la figura 1 muestra una
representación en sección transversal esquemática de un rodamiento
en el que están dispuestos cuerpos rodantes 3 entre un aro exterior
estacionario 1 y un aro interior giratorio 2, de modo que el aro
interior 2 está soportado de forma giratoria, por ejemplo, en una
dirección 6. Este aro interior 2 sirve para recibir un componente
no representado aquí que ejerce una fuerza F sobre el aro interior
2. Como puede deducirse de esta representación, la fuerza F actúa
sobre el aro exterior 1 a través del aro interior 2 y los cuerpos
rodantes 3, de modo que dichos cuerpos rodantes 3 generan en sus
puntos de contacto móviles con el aro exterior 1 una deformación
periódica que puede ser medida con sensores adecuados.
Por tanto, en la superficie periférica del aro
exterior 1 están fijadas en una zona de medida 5 unas resistencias
de medida R1, R2, R3, R4 que varían su resistencia eléctrica en
función de la dilatación y con las cuales se puede detectar así la
deformación del aro exterior 1 al pasar los cuerpos rodantes 3 sobre
cada resistencia de medida R1, R2, R3, R4. Sin embargo, en este
contexto es importante el hecho de que las resistencias R1, R2, R3,
R4 no tienen que estar especialmente orientadas en cuanto a su
distancia de una a otra.
Como muestra la figura 2, las resistencias de
medida R1, R2, R3, R4 en este ejemplo de realización del rodamiento
de medida están dispuestas en una ranura periférica 4 del aro
exterior 1 en una zona de fijación 7 de modo que estas resistencias
están posicionadas con paralelismo axial respecto de la dirección de
movimiento del aro interior 1. Las resistencias R1, R2, R3, R4
están conexionadas entre ellas formando un puente de medida 8 cuyo
esquema de conexiones está representado en la figura 3. Este puente
de medida 8 es solicitado de manera en sí conocida con una tensión
U y suministra a través de los sitios de contacto una señal de
medida M de forma ampliamente sinusoidal. Esta señal de medida M
puede ser conducida, a través de pistas conductoras no
representadas aquí, a un equipo de evaluación 9 que puede estar
montado en la ranura 4 del aro exterior del cojinete y en el que
puede realizarse un análisis de la señal.
En la figura 4 se representa la evolución típica
en el tiempo de una señal de medida M de esta clase. Como muestra
la evolución de la señal, la señal fundamental de forma sinusoidal
lleva superpuesta un a señal de frecuencia más alta que en esta
representación está marcada con los círculos K_{1} y K_{2}. La
porción de señal de más alta frecuencia es de especial interés para
el análisis de la señal de medida M, ya que ésta alude a un daño en
el cojinete.
Desgraciadamente, en tales señales de medida el
nivel de la señal fundamental M de forma sinusoidal es muchísimo
más alto que el de la porción de señal de más alta frecuencia. Por
tanto, la señal de medida M requiere una evaluación independiente
para separar la señal de más alta frecuencia de la porción de señal
fundamental y poder diferenciarla sin ninguna duda de una señal de
ruido siempre presente y a menudo de magnitud semejante en cuanto a
su valor de amplitud. A este fin, se conduce primero la señal de
medida M del dispositivo de medida 8 a un filtro de frecuencia que
separa las porciones de frecuencia no deseadas de esta señal de
medida M. Este filtro de frecuencia puede estar construido de modo
que filtre la señal de medida analógica o bien de preferencia la
señal de medida previamente digitalizada de conformidad con
preajustes previamente seleccionados y emita señales digitales.
La figura 5 muestra el resultado de este
filtrado en frecuencia. Se representan en esta figura en un espacio
de tiempo izquierdo t_{1} una señal de medida filtrada para un
rodamiento averiado y en el segmento de tiempo derecho t_{2} una
señal de medida para un rodamiento en perfecto estado. El instante
t_{n} marca el cambio de señal de un rodamiento averiado a un
rodamiento en perfecto estado. Como puede deducirse claramente de
esta representación, mediante el filtrado en frecuencia de la señal
de medida se consigue ya una mejora respecto de la posibilidad de
reconocimiento de las porciones de señal de más alta frecuencia,
pero la relación de las amplitudes A_{S} de la porción de señal
de medida de más alta frecuencia a las amplitudes de la señal de
ruido sigue siendo todavía relativamente pequeña. Esta porción de
ruido es en el segmento de tiempo t_{2} exactamente la evolución
de la señal que alude a un rodamiento en perfecto estado, ya que la
señal fundamental de forma sinusoidal producida por el movimiento
de rodadura de los cuerpos rodantes 3 por delante del respectivo
sitio de medida 5 ha sido retirada por el proceso de filtrado.
Por tanto, dado que esta relación de señal/ruido
es muy pequeña, se presenta primeramente también una sensibilidad
de detección relativamente mala para los daños de cojinete que se
trata de descubrir. Se pone ahora remedio a esta situación con el
procedimiento de evaluación según la invención, en el que se crea
con él, entre otras cosas, una distancia muchísimo mayor entre la
señal de sonido estructural y la señal de ruido. Además, con sólo
muy pocos valores de medida digitales se puede efectuar una
manifestación unívoca sobre la presencia de un daño de
cojinete.
A este fin, se ha previsto según la invención
que a partir de valores digitales de la señal de salida del filtro
de frecuencia (evolución de señal según la figura 5) se calcule
inicialmente un primer valor de varianza, a continuación se obtenga
al menos un segundo valor de varianza a partir de más valores
digitales de la señal de salida del filtro de frecuencia y a partir
de estos al menos dos valores de varianza (varianza nueva, varianza
vieja) se calcule con ayuda de un cálculo recursivo la media
aritmética ponderada de estos valores de varianza. Como es sabido,
la varianza representa el cuadrado de la desviación estándar, que a
su vez indica el modo en que se dispersan valores de medida
individuales alrededor de un valor medio.
Dado que un valor grande de la media aritmética
de varianza ponderada significa que la porción de señal de medida
analizada se desvía fuertemente de la señal fundamental de forma
sinusoidal o de la señal de ruido, su rebasamiento por encima de un
valor umbral de varianza predeterminado V_{SW} puede valorarse
como evento de sonido estructural originado por un daño mecánico en
el rodamiento.
La figura 6 muestra de manera gráfica para un
rodamiento averiado en el segmento izquierdo del diagrama lo
inhabitualmente grande que es en un espacio de tiempo t_{1} la
distancia de los valores de varianza V para este rodamiento
averiado al valor de varianza para un rodamiento intacto en un
espacio de tiempo t_{2}. Como puede deducirse también de esta
representación, el rebasamiento de los valores de varianza
calculados V respecto de un valor umbral de varianza V_{SW} aquí
dibujado puede aludir unívocamente a la presencia de eventos de
sonido estructural y, por lo tanto, de daños en el rodamiento.
| 1 | Aro exterior |
| 2 | Aro interior |
| 3 | Rodamiento |
| 4 | Ranura |
| 5 | Zona de medida |
| 6 | Dirección de giro |
| 7 | Zona de fijación |
| 8 | Puente de medida |
| 9 | Equipo de evaluación |
| A_{S} | Amplitud de la señal de medida S |
| A_{F} | Amplitud de la señal de filtro |
| K_{1} | Evento de sonido estructural |
| K_{2} | Evento de sonido estructural |
| M | Señal de medida |
| R1 | Resistencia eléctrica |
| R2 | Resistencia eléctrica |
| R3 | Resistencia eléctrica |
| R4 | Resistencia eléctrica |
| t | Tiempo |
| t_{1} | Espacio de tiempo |
| t_{2} | Espacio de tiempo |
| t_{n} | Instante de cambio de señal de medida |
| V | Varianza |
| V_{SW} | Valor umbral de varianza. |
Claims (9)
1. Procedimiento para detectar eventos de sonido
estructural en un rodamiento, en el que se alimenta una señal de
medida (M) de un sensor dispuesto en el rodamiento y sensible a la
presión o a la dilatación a un filtro de frecuencia para filtrar y
separar porciones de señal no deseadas, caracterizado porque
se calcula un primer valor de varianza a partir de valores
digitales de la señal de salida del filtro de frecuencia, porque se
obtiene al menos un segundo valor de varianza a partir de más
valores digitales de la señal de salida del filtro de frecuencia,
porque se calcula a partir de estos al menos dos valores de
varianza, con ayuda de un cálculo recursivo, la media aritmética
ponderada de estos valores de varianza, y porque un rebasamiento del
valor de la media aritmética de varianza ponderada por encima de un
valor umbral de varianza preseleccionado (V_{SW}) se valora como
un evento de sonido estructural originado por un daño mecánico en el
rodamiento y la frecuencia para el rebasamiento del umbral, en
conocimiento del número de revoluciones y las condiciones
geométricas del cojinete, puede asociarse unívocamente al lugar de
origen del daño (aro exterior, aro interior, cuerpos rodantes).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se calcula la media aritmética ponderada
de los valores de varianza según la ecuación fundamental
recursiva
(Ec.
1)\overline{E}\{X^{2}\}(k+1) =
\overline{E}\{X^{2}\}(k) + C_{x}{}^{2} [x^{2}(k+1) -
\overline{E}\{X^{2}\}(k)]
en donde representan
\overline{E}{.} el valor de esperanza del valor medio aritmético
ponderado, k una variable de propagación, x un valor de exploración
digital de la señal y C una constante de
adaptación.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la constante de adaptación C presenta un
valor que es menor que uno y mayor que cero.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque la constante de adaptación C se puede
calcular a partir de la ecuación para la velocidad de
adaptación
(Ec. 2)t =
\{1/C_{x}{}^{2} - 1/2\} \ \text{*}
T
en donde t indica lo rápidamente
que puede obtenerse la varianza verdadera con una cuota de error
tolerable.
5. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la ecuación
fundamental recursiva (Ec. 1) se convierte en una ecuación de
conversión
(Ec. 3)nE = aE
+ aK \ \text{*} \ (nA -
aE)
en la que significan nE un valor de
resultado nuevo, aE un valor de resultado viejo, aK la constante de
adaptación y nA un valor de exploración
nuevo.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque se transforma la ecuación de conversión
(Ec. 3) en una ecuación de evaluación
(Ec. 4)nV = aV
+ aK \ \text{*} \ (nA -
aV)
en donde significan nV una varianza
nueva, aV una varianza vieja, aK la constante de adaptación y nA un
valor de exploración
nuevo.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el valor de la varianza nueva se toma
como valor estimativo para la varianza verdadera de la señal de
medida que marca la presencia de eventos de sonido estructural en
el rodamiento.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 o la
reivindicación 7, caracterizado porque un valor de varianza
nuevo alto representa una probabilidad alta de la presencia de
eventos de sonido estructural en el rodamiento.
9. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque un valor de varianza nuevo alto
representa un daño grande en el rodamiento.
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