SE523087C2 - Metod och anordning för att med effektsignaturer diagnostisera rörliga mekaniska delars funktion i en mekanisk apparat - Google Patents

Description

25 30 +523 087 2 - - . a v n I många industriella applikationer finns mekaniska apparater ibland i farlig eller aggressiv miljö, i små utrymmen eller helt enkelt i svårtillgängliga lägen.

I sådana fall kan det vara svårt att anbringa sensorer direkt på apparaterna eller ansluta dem till utvärderingsenheten. Fjärrövervakning eller -diagnostisering är därför nödvändig.

När mekanisk utrustning monteras ihop efter att ha öppnats för inspektion finns det en ändlig sannolikhet att den inte är i användbart skick eller att inställningarna för korrekt funktion har ändrats. För att undvika framtida underhåll för att åtgärda de introducerade felen är det värdefullt att upptäcka sådana fel i förväg.

I patentet U.S. 4,965,513 visas en analysmetod baserad på signatur- bestämning med hjälp av motorströmmen. En ström som matas till en elektrisk motor som driver t.ex. en ventil kan mätas på något ställe långt från den faktiska motorn. Strömsignalen analyseras i frekvensplanet, dvs. i princip en vibrationsanalys. Frekvensspektrat består typiskt sett av ett antal mer eller mindre tydliga toppar som är möjliga att relatera till mekaniska komponenter som utför en periodisk rörelse. Genom att jämföra frekvenskomponenternas amplituder i ett spektrum med ett spektrum från en säkert felfri funktion, kan trender indikera avvikelser eller degradering.

Det finns några kvarstående problem med metoden som anges i U.S. 4,965,513. Icke-periodiska rörelser kan inte övervakas eller utvärderas överhuvudtaget och utvärderingen är främst grundad på associativ utvärdering, dvs. jämförelse med tidigare inhämtade spektra, vilket innebär att även om vissa trender upptäcks, finns ingen detaljerad information om vilken felsignal som verkligen finns närvarande. Även övervakningssystemet som beskrivs i WO 99 / 05501 är baserad på en analys av cykliska händelser. Effektförbrukningen som funktion av tiden jämförs med förbestämda övre och undre tröskelgränser. Antalet tröskel- överskridningar räknas och utvärderingarna baseras på dessa uppgifter och gentemot tidigare upptagna provserier baserade på tidigare kända fel. I detta 10 15 20 25 30 Q - - . . . 523 087 3 fall anpassas systemet för att klara specifika uppgifter genom att bestämma funktionen i väldeñnierade situationer. Denna analys är en rent associativ procedur. Detta medför att det totala systemet måste vara relativt enkelt för att kunna täcka möjliga beteenden. Alla fel som behöver identifieras måste implementeras med avsikt och mätas upp för att tillhandahålla de associativa provupptagningarna.

SAMMANFATTNING Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är sålunda att tillhandahålla en metod och en anordning för övervakning av en mekanisk apparat, vilka är kapabla att göra fjärrdiagnos utan omfattande inlårningsprocedurer. Ett annat syfte med den föreliggande uppfinningen är sålunda att tillhandahålla en metod och en anordning som är kapabla att diagnostisera alla typer av rörelser, så väl periodiska som icke periodiska rörelser. Ett ytterligare syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en metod och en anordning som identifierar de flesta typer av fel, och företrädesvis även kvantifierar felets storlek.

Ovanstående syften uppnås med metoder och anordningar i enlighet med de bifogade kraven. Föredragna utföringsformer karakteriseras i beroende krav.

I allmänna ordalag, den momentant tillförda effekten till en drivande maskin mäts och sparas som en funktion av tiden. Utgående från beaktanden rörande mekanisk konstruktion skapas en dynamisk fysisk modell över effektflödet. Modellen representerar ett händelseförlopp, åtminstone delvis ickeperiodiskt, och beskrivs med hjälp av parametrar som är direkt kopplade till apparatens mekaniska och/ eller elektromagnetiska kvantiteter.

Parametrarna justeras i syfte att anpassa modellen till den insamlade effektsignaturen. En diagnos utförs baserad på de anpassade parametrarna.

Effektsignaturen analyseras företrädesvis i skilda tidsintervall, associerade med olika driftfaser i apparatens arbete. Modellen innefattar företrädesvis av komponenter som associeras med såväl en ideal funktion som med möjliga 10 15 20 25 30 ï-523 087 4 förutsägbara fel, men inga förinsamlade proveffektsignaler behöver emellertid tillhandahållas.

Företrädesvis kan händelsetid, momentan amplitud, fas och effektnivå, men även position, tidsutveckling och varaktighet användas i proceduren för parameteranpassning. Initialvärden för parametrarna bestäms lämpligen ur ideala driftförhållanden. Om en parameter faller utanför ett förutbestämt intervall kan driftpersonal uppmärksammas och informeras om felet, företrädesvis med detaljerad information beträffande felets position och omfattning.

Tillförsel av såväl elektrisk, mekanisk, pneumatisk som hydraulisk effekt kan utgöra basen för analysen.

En av de huvudsakliga fördelarna med den föreliggande uppfinningen är att diagnos kan utföras utan någon i förväg gjord referensmätning. Vidare är alla typer av tidsberoende rörelser möjliga att detektera.

Kunskap om den tekniska statusen på en apparat öppnar nya vägar för processoptimering och för ekonomisk optimering eftersom det är möjligt att följa den interna statusen under drift. Sålunda finns ytterligare parametrar för processoptimering tillgängliga.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen tillsammans med ytterligare syften och fördelar därav förstås bäst genom referens till den följande beskrivningen gjort tillsammans med bilagda ritningar, i vilka: Fig. 1 är ett effektflödesdiagram för en apparat med rörliga mekaniska komponenter; Fig. 2 är en serie av diagram som illustrerar ett exempel på effektförluster i olika apparatkomponenter; 10 15 20 25 30 . - n - - n iszs os? 5 Fig. 3 är ett diagram som illustrerar ett typiskt samband mellan vridmoment och vinkelhastighet i en asynkronmotor; Fig. 4 är en utföringsform av en apparat enligt den föreliggande uppfinningen; Fig. Sa och 5b är flödesdiagram över utföringsformer av metoder enligt den föreliggande uppfinningen; Fig. 6 är en illustration av en första uppmätt effektsignal i en apparat enligt den föreliggande uppfinningen; samt Fig. 7 är en illustration av en andra uppmätt effektsignal i en apparat enligt den föreliggande uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING Betrakta en maskin med en motor som driver ett antal mekaniskt rörliga delar. Effektílödet som tillförs maskinen är enbart beroende på de effektkrävande processerna inuit maskinen. Effektflödet in till maskinen är därför direkt relaterat till all effektkonsumerande, effektlagrande eller effektfrigörande processer inuti maskinen, modifierat med en viss tidskonstant. Dessa processer kan beskrivas som ett antal kopplade partiella differentialekvationer. De partiella differentialekvationerna kan konstrueras genom att använda maskinens elektriska och mekaniska egenskaper.

Genom att lösa detta ekvationssystem erhålls allmänna periodiska, transienta, ickeperiodiska och tidsberoende lösningar.

De periodiska lösningarna är enklast att identifiera. Genom att använda olika frekvensanalysmetoder kan periodiska variationer bestämmas. Det finns en avsevärd grad av ortogonalitet mellan de periodiska lösningarna, även om det kan finnas korstermer, och därav kan preliminära lösningar identifieras. Genom att använda iteration kan även korstermerna bestämmas. Sålunda kan periodiska lösningar lätt lokaliseras till olika delar av maskinen. 10 15 20 25 30 1523 087 Transienta lösningar kommer att uppträda vid speciella händelser och är typiskt sett direkt kopplade till början eller slutet av en speciell rörelsefas.

En identifiering av en sådan transient lösning är därför enkel att utföra genom att bara beakta rörelsemönstret.

Ickeperiodiska lösningar, inte nödvändigtvis transienta, är typiska vid vissa rörelsemoder eller processer. En identifiering av början och slutet av de ickeperiodiska lösningarna kan därför normalt associeras med förväntade rörelsemoder.

Genom att mäta det totala effektflödet till maskinen kan det superponerade globala resultat observeras. Genom att jämföra resultaten från mätningen med modellöverväganden är det möjligt att identifiera de olika signaturerna eller kännetecknena för olika rörelser eller händelser inom apparaten. Även förväntade felsituationer kan omfattas av modelleringen. Identifierade avvikelser, som inte kan förklaras ur modellen, kan användas antingen till att förfina modellen eller utgöra bas för en operatörsunderstödd utvärdering.

Genom att ha möjliga felsituationer inkluderade i modellen kan direkt felidentiñering göras och i vissa situationer kan även ett mått på storleken av felet bestämmas.

Tidsoberoende lösningar (eller egentligen långsamt tidsberoende lösningar) är komplexare att hantera eftersom bidraget till effektflödet från olika delar bara kommer att adderas. Under vissa omständigheter är det möjligt att identifiera dessa lösningar, t.ex. då storleken av vissa tillskott är kända, t.ex. då de antar värdet noll. Effekttillskott som är tidsoberoende under olika delar av hela rörelsen kan därmed identifieras.

Förståelsen av mekaniska processer är generellt utomordentligt god. Genom att använda mekaniska relationer är det möjligt att bestämma effektkonsumtionen i olika delsystem. En modell över effektbehovet kan sålunda skapas, typiskt sett baserad på geometri, massor, friktion mm. Den 10 15 20 25 30 523 087 .. ... . . .. .. .. .. .. . .

Z..°.1 .'.". . .. . . .. ...n . ._ .. .. . . . . . . . . -..: ....... .. . ... .-.... ...I I u :ut I On l 9 9 ^ ° ' . .. . . f .. .s ~~ »o fl-flfl I ideala rörelsen för enskilda komponenter kan bestämmas med hjälp av ritningar och följaktligen kan en dynamisk effektflödesmodell utformas, som representerar det dynamiska effektflödet i systemet. En sådan modell kan beskrivas genom att använda modellparametrar, som är direkt kopplade till mekaniska eller elektromagnetiska egenskaper hos olika komponenter i apparaten. Genom att anpassa det förväntade effektbehovet enligt modellen med en uppmätt effekttillförsel, genom att låta parametrarna justeras, skapas en grund för diagnos. Informationen som innefattas i den anpassade parameteruppsättningen innehåller direkt identifierbar information om apparatens fysiska egenskaper, t.ex. avvikelser från den ideala operationen.

I ñg. 1 visas en schematisk illustration över effektflöden i ett mekanisk system. Maskinen beskrivs med ett antal komponenter Cl till Cn. Den sista komponenten Cn utför visst arbete motsvarande den utgående effekten Pom, som i ett generellt fall är tidsberoende. Den verkliga driften av komponent Cn associeras med ett flertal effektförluster, t.ex. p.g.a. friktion. Effekten Pn förloras ur systemet utan att bidra till den verksamma effekten.

Komponenten C(n-1), före Cn, måste ge effekt till Cn, vilken är lika med summan av effekterna Pom och Pn. Därutöver associeras funktionen av komponenten C(n-1) med en effektförlust Pn-i. Genom att summera alla effektförlusterna och den verksamma utgående effekten så fås följande ekvation: mf) = 212m + Im) i=l Alla bidrag är tidsberoende och därmed är även den totalt tillförda effekten till systemet tidsberoende. Därutöver kommer varje förändring i effektkonsumtion att uppträda även i summan. Dessa effekter inkluderar även energi som lagras i eller avges från systemet, temporärt eller under en längre tidsperiod t.ex. som kinetisk energi i rörliga delar eller potentiell energi i elastiska komponenter som t.ex. fjädrar. Den totala effekten är 10 15 20 25 30 -523 087 därmed en representation av alla effektrelaterade mekanismer i hela apparaten, och innehåller därför information om alla dessa komponenter.

I en första ordningens approximation behandlas enbart friktion. Andra faktorer som upplagrad energi i elastiska komponenter eller liknande är i denna första approxímation ignorerade. Friktionseffekten är typiskt proportionell mot den effekt som transporteras genom den aktuella komponenten. Om friktionseffekten i komponent nummer i är Piki kan effektekvationen skrivas om som en produkt istället: mi»e.,fi<1+k.>=t..<»x1+1«.x1+k.>...<1+k.>...<1+k.>.

Från denna framgår att varje friktionskoefficient kommer att uppträda både som en enkelterm av typen Ckl och som korstermer av typen ckikj och i högre ordningar. C och c är konstanter. Sålunda kan maskinens karakteristik hittas i effekten.

Friktionskoefficienten kt kan i ett generellt fall ha två bidrag, en tidsberoende och en (åtminstone delvis) tidsoberoende del. De tidsoberoende delarna adderas och kan i en matematisk bemärkelse inte separeras. Det finns emellertid ett antal sätt att kringgå detta problem. Det första sättet är att modellera den statiska friktionen ur konstruktionshänseende, t.ex. med hjälp av ritningar. Genom erfarenhet är det känt att det är troligt att den statiska friktionen inte förändras utan en motsvarande förändring i den dynamiska friktionen. Genom att antaga att det finns enbart en anledning till en förändring i den statiska effekten kommer även dynamiska signaler som genererats tidigare i effektflödet att öka, men inte de signaler som genererats senare. Detta kommer att beskrivas ytterligare nedan. Ett annat mycket användbart sätt är att utnyttja kunskapen om hela apparatens funktion. I många maskiner är inte alla komponenter verksamma samtidigt.

Om det är möjligt att identifiera de tidsområden där olika komponenter är 10 15 20 25 30 'S23 087 -. n. . . .. u... n n. n n. s . . . » > - o n u n n a ~ n n - _ 2-3: . . . - . . . u u . - - . - u .n . . . - . - u . ~ o ~-- ~ - ß - v - - 1 . - . . . . - s n - - _~ :- : . - - . . u u u .a ..- verksamma så är det alltså möjligt att separera även (styckvis) tidsoberoende bidrag.

Låt oss nu beakta ett (fiktivt) modellsystem. Fyra komponenter finns. Den första komponenten är en elektrisk motor som har en i huvudsak konstant verkningsgrad g som är oberoende av den avgivna effekten. Den andra komponenten har en tidsberoende friktionskoefficient k2=k sin(cot+q>). Den tredje komponenten har två förlustbidrag. I en initialfas är den tredje komponenten inaktiv. Då den börjar att röra sig har den initialt en konstant friktionsförlust. Under ett visst tidsintervall finns en ytterligare tidsberoende effektförlust kopplad till elastiska egenskaper. Efter detta tidsintervall försvinner den ytterligare effektförlusten. Slutligen har den fjärde komponenten har en konstant friktionsförlust som uppträder då den ytterligare effektförlusten i den tredje komponenten försvinner.

Fig. 2 visar de bidragande effektförlusterna i de olika komponenterna, och vid nedre delen den totala tillförda effekten till apparaten. Det inses lätt att utvecklingen av den tillförda effekten till apparaten omfattar all information om de olika komponenterna. De flesta driftsfunktionerna i apparaten blir uppenbara redan genom att konsultera ritningarna och de huvudsakliga egenskaperna är enkla att förutse utgående från grundläggande mekanik och konstruktionspraxis. En dynamisk fysikalisk effektflödesmodell kan upprättas som omfattar ett antal parametrar som representerar mekaniska eller elektromagnetiska kvantiteter för att specificera de olika komponenterna. Som exempel så kan komponent 2 t.ex. vara en växel och perioden på variationerna kan då bero på t.ex. växelhjulens diameter, antal tänder m.m. Variationernas verkliga form som en funktion av tiden kan modelleras utifrån t.ex. den faktiska formen på växelhjulets tänder m.m. Fler exempel ges längre ned. Fasläget på variationen motsvarar växelns vinkelposition vid starten. Genom att bygga modellen med sådana parametrar som har en starkt fysikalisk koppling så kommer en anpassning till signaturen på den uppmätta effektsignalen att ge användbar direkt information om apparatens komponenter. 10 15 20 25 30 ~ n « . -. n %523 0871 O Från den totala effektsignalen kan flertalet tider, to till t4 i figur 2 nedan, enkelt särskiljas. Tidsintervallen mellan dessa tidpunkter motsvarar de olika operationsfaserna i apparaten. Genom att analysera varje sådant tidsintervall separat kan modellen förenklas i många avseenden. I det första tidsintervallet är det uppenbart ur konstruktionshänseende att enbart komponenterna l och 2 bidrar med någon effektförbrukning. Parametrar som är kopplade till dessa komponenter kan sedan bestämmas i detta första tidsintervall och användas i analysen av de andra tidsintervallen. På detta sätt kan man genom att utnyttja olika operationsfaser separera även effektförbrukning som är tidsoberoende inom varje sådant tidsintervall.

Ett annat exempel kan hittas i en kuggväxel. De mekaniska krafterna mellan två tänder är en kombination av tangentiellt och radiellt verkande krafter.

Det sker även en glidning mellan tänderna. Friktionsarbetet kommer att uppvisa ett periodiskt förlopp som beror på det momentana avståndet mellan tänderna inkluderat avståndet mellan axlarna, egenskaperna hos ytorna och smörjmedlet, samt det överförda momentet. Om en tand är sliten kommer dess form att förändras och därav även det periodiska friktionsmönstret. Om en tand är delvis brusten kommer det att synas som en ofullständighet i den periodiska friktionen. Om smörjmedelsfilmen brister p.g.a. dåliga egenskaper och/ eller högt tryck kommer friktionen att förändras drastiskt.

Den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen är vanligtvis begränsad enbart av tidskonstanter för komponenterna i apparaten, av noggrannheten av effektmätningen, brus och modellkonstruktörens skicklighet. Här nedan kommer det först att demonstreras att typiska tidskonstanter, noggrannhet och brus verkligen tillåter fackmannen inom grundläggande mekanik att använda relativt detaljerade modeller. Därefter presenteras några exempel på komponenter och processer som är möjliga att lösa. Slutligen diskuteras korfattat några exempel på verkliga apparater. 10 15 20 25 30 Y 523 087 ,.._,.._, 1 'S i-.f 5 .f -.Ä 1 , . . ~ . a För att utreda de möjliga nivåerna för modeller, har en 3-fas asynkronmotor valts som systemmodell. Den är allmänt förekommande och den tillförda effekten är enkel att mäta med konventionella hjälpmedel. I princip kan emellertid andra metoder användas för att mäta effekttillförseln till en maskin, t.ex. i mekanisk effektöverföring, eller i pneumatiska eller hydrauliska system.

Asynkronmotorn kan betraktas som en omformare av elektrisk energi till mekanisk energi som tillförs en roterande axel och som har ett enkelt samband mellan vridmoment och vinkelfrekvens (även om en mycket mer avancerad modell, om så är nödvändigt, kan konstrueras som inkluderar egenskaperna i det magnetiska materialet, índuktanser i spolar m.m.). Ett exempel på ett sådan samband visas i figur 3. En ändring i mekanisk belastning, t ex moment, orsakar en mindre ändring i vinkelfrekvens. Ändringen i vinkelfrekvens vid en laständring från noll till maximal belastning är typiskt 3-5 %. Detta betyder att när belastningen ändras kommer även energin i det roterande systemet att ändras och detta bestämmer gränsen för systemets bandbredd.

Energin som lagras i ett roterande motorsystem ges av: W = ß Jcoz där J är tröghetsfnornentet Och (O ViIIkCIfTCkVCHSCTI. OITI det SkCI' C11 förändring i vinkelfrekvens orsakad av en laständring ges den avgivna energin från det roterande systemet av: AW = ßJfcof - (1122): %J(co, +a>2)- (a), - co2)~ Ja), -Aw Där on och m2 är vinkelfrekvenserna före respektive efter belastnings- förändringen. Genom att applicera dessa relationer i en typisk situation är det möjligt att få en uppfattning om upplösningen då en asynkronmotor används som sensor. En typisk 2-polig asynkronmotor på 1 kW och med 10 15 20 25 30 523 087 u a ~ . ~ n 12 co=314 rad/s, har ett tröghetsmoment som är J=0,0008 kgm2_ Qm vridmomentet ökar 1 % kommer vinkelfrekvensen o) att minska 0,0005.

Således blir energiföråndringen i det roterande systemet AW= 314-0,0008-0,0005 J = 13 mJ.

Genom att jämföra systemets effektförändring med den effekt som kan avges av det roterande systemet i motorn är det möjligt att få ett mått på den övre bandbredden (stigtiden) för motorn som en effektsensor, t.ex.

AW Load :TI ' Genom att sätta AP=1% av motorns maximala belastning sker en sådan förändring under typiskt 10-15 ps. Det vill säga att den förväntade mekaniska bandbredden är i storleksordningen 20 kHz.

Den totala bandbredden begränsas också av den elektriska bandbredden orsakad av motorlindningarnas induktans men dessa bidrag har emellertid inte beräknats explicit. Likaså kommer närvaro av andra massor i rörelse och elasticitet i mekaniska komponenter, t.ex. elastiska kopplingar eller drivremmar, att minska bandbredden, såvida de inte är inkluderade i den dynamiska modellen.

Effektmätningen på en 3-fas elektrisk maskin utförs lämpligen som en sann S-fasig effektmätning genom att mäta både spänning och ström momentant på alla tre faserna. Begränsningen i noggrannhet beror således inte på någon modell över det elektriska systemet utan enbart på mätsystemets upplösning. Genom att endast mäta en fas eller enbart strömmen, kommer stora osäkerheter att introduceras och mätningens tillförlitligheten minskar avsevärt. Många egenskaper hos apparaten blir då omöjliga att följa. En korrekt effektmätning är sålunda av central betydelse för att utnyttja den föreliggande uppñnningens potential till fullo. 10 15 20 25 30 13 . . . . _.

Den lägsta nivån för identifiering av signaler ges av bruset. I princip har mekaniska system mycket låg brusnivå i en makroskala. Det finns emellertid ett antal möjliga bruskällor. Elektriskt brus som orsakas av t.ex. ofullständigheter i framför allt det magnetiska systemet. Detta brus är dock periodiskt och kan filtreras bort mycket effektivt. Brus som orsakas av t.ex. kraftelektroniska komponenter i nätet är vanligtvis kopplat till nätets frekvens och består i snabba och kortvariga transienter. Tredje och högre ordningens toner bidrar vanligen enbart till termiska förluster i motorn.

Mekaniskt inducerat brus beror i huvudsak på mekaniska resonanser exciterade av vibrationer orsakade av arbetande komponenter och glidande ytor. Det är emellertid en god regel att konstruera utrustningen att vara fri från resonanser, d.v.s. närvaro av en resonans kan vara en indikator på en defekt funktion. Motorn fångar upp det mekaniskt inducerade bruset om det påverkar effektflödet och ger sålunda ytterligare information om systemet om källan kan identifieras. Modellen kan sålunda utvidgas till även att inkludera en brusnivå, och i synnerhet om man kan dra slutsatsen att brussignalen är korrelerad med någon annan händelse i apparaten. Det är därför möjligt att erhålla användbar information från sådant mekaniskt brus om en noggrann modell skapats.

Strömmande media i ventiler är en annan källa till mekaniskt brus. Om detta brus påverkar kraften i spindeln kommer det att detekteras: Utgående från ventilens mekaniska konstruktion kan dess upphov identifieras.

Termiskt inducerat brus förväntas inte orsaka något signifikant bidrag.

Däremot kan temperaturen som sådan förväntas påverka egenskaperna för t.ex. smorda ytor.

Från ovanstående diskussion är det tydligt att mätningen av tillförd effekt till en apparat är ett mycket mer kraftfullt och exakt diagnostiseríngsverktyg än tidigare insetts i känd teknik. Med en 16-bitars upplösning på effektmätningen kan förändringar på 10 mW i en 1 kW apparat användas i l0 15 20 25 30 lszs osv 14 n u ~ | - n diagnostiseringssyfte, vilket betyder att även små effektpåverkande händelser kan spåras. I ett typiskt fall kan frekvenser upp till åtminstone 10 kHz vara tillgängliga, vilket inkluderar de viktigaste mekaniska rörelserna.

Fig. 4 visar en apparat som har en diagnostiserande anordning i enlighet med en utföringsform av den föreliggande uppfinningen. En apparat 10 innefattar ett antal komponenter l4a-d, vilka bidrar till effektförbrukningen.

Komponenterna drivs från början av en elektrisk 3-fas asynkronmotor 12.

Motorn 12 erhåller elektrisk effekt genom försörjningsledare 16 från ett elektriskt nåt 18. En effektmätare 22 är utformad för att mäta momentan spänning och ström i alla faser i syfte att tillhandahålla ett verkligt mått på den tillförda effekten till motorn 12 i varje ögonblick. En processor 20 år kopplad till effektmätaren 22 och mottar antingen beräknade effektvärden eller en mängd mätta strömmar och spänningar varefter processorn utför den faktiska effektberåkningen. Effekten samlas in som funktion av tiden med en lagringsenhet 24.

I den föreliggande utföringsformen innefattar processorn 20 ytterligare datalagringsorgan 26 som har en representation av en dynamisk fysikalisk effektflödesmodell. Den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen representerar ett förlopp av händelser i apparaten 10. Håndelseföljden är åtminstone till delar ickeperiodisk. Den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen beskrivs i termer av modellparametrar som är direkt kopplade till mekaniska och/ eller elektromagnetiska storheter för apparaten 10. Processorn 20 inkluderar även en anpassningssektion 28 där modellparametrarna anpassas i syfte att anpassa modellens effektförbrukning till de uppmätta effektsignaturerna. Anpassningssektionen 28 ger således en uppsättning parametrar som utgör en uppsättning av verkligt bestämda fysikaliska kvantiteter rörande apparaten 10. Dessa parametrar skickas vidare till ett diagnosticeringssektion 29 där de anpassade parametrarna jämförs med förväntade eller tillåtna värden beräknade från konstruktionsöverväganden. Om någon av parametrarna 10 15 20 25 30 » - ~ a m s 52.3 D87 1 5 antar ett värde som inte är i enlighet med en ideal funktion för apparaten så skickas en signal till ett operatörsgränssnitt 30 för att felet ska uppmärksammas. Möjliga utföringsformer av operatörsgränssnittet och dess funktioner beskrivs i detalj längre ned.

Utformningen av proceduren för anpassning av modellparametrarna i syfte att anpassa effektförbrukningsmodellen till den uppmätta tillförda effekten kan göras på många olika sätt. Den mest fördelaktiga metoden är starkt kopplad till apparattypen och hur modellen faktiskt är uppbyggd. Emellertid kan många olika anpassningsalgoritmer enligt känd teknik användas för att erhålla en sådana anpassningar. Valet av en vissa optimeringsalgoritmer och optimeringskriterier görs lämpligen redan vid konstruktionen av modellen.

I en utföringsform, bestäms de initiala parametrarna som förs in i anpassningsprocessen från normala konstruktionskriterier och -toleranser eller med information från konstruktören. Ett annat alternativ är att använda de anpassade parametrarna från ett referensfall eller från den senaste diagnosen som hade liknande driftvillkor.

Annpassnings- eller adaptionsproceduren kan även beakta olika aspekter av effektsignalens signaturer. Eftersom apparatens drift är åtminstone delvis ickeperiodisk är många aspekter möjliga. I associativa metoder enligt känd teknik används typiskt sett frekvens och/ eller maximal amplitud. I den föreliggande uppfinningen med betraktande av effektsignalen i tidsdomänen, kan emellertid många aspekter av effektsignalsignaturerna utnyttjas i parameteranpassningen. Några icke-exkluderande exempel är händelsetid, momentan amplitud, momentan fas, momentan effektnivå, läge, tídsutveckling och varaktighet.

I många system finns dessutom ett enkelt förhållande mellan tid och läge.

Som exempel, i en apparat som har en skruv som överför den mekaniska effekten, kan den förflyttade sträckan för den komponent som flyttas enkelt beräknas ur stigningen, vinkelhastigheten och tiden. Tidsskalan i 10 15 20 25 30 - - ~ a u u #523 os? 16 effektsignalen kan i ett sådant fall istället betraktas som ett avståndsmått och analysen kan utföras enligt detta. Om vinkelhastigheten är effektberoende görs en korrektion för en sådan ändring.

Fig. 5a visar huvudstegen i en utföringsform av en metod i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Proceduren börjar vid steg 200. Vid steg 202 tillhandahålls en dynamisk fysikalisk effektflödesmodell. Modellen beskrivs i termer av modellparametrar som är direkt kopplade till mekaniska och /eller elektromagnetiska kvantiteter för apparaten. I steg 204 mäts den tillförda effekten till apparaten och registreras som funktion av tiden. I steg 206 sker en anpassningsprocess, i vilken modellparametrarna anpassas för att ge en modelleffektförbrukning som liknar den uppmätta effektsignalens signaturer så bra som möjligt. Denna anpassningsprocedur ger en uppsättning .av anpassade modellparametrar som bär på direkta information om de mekaniska och/ eller elektromagnetiska egenskaperna för apparaten. I ett diagnossteg 208 jämförs de anpassade parametrarna med tillåtna parameterintervall som erhållits ur konstruktionsbetraktelser. Om någon av de anpassade parametrarna hamnar utanför det tillåtna området fortsätter proceduren till steg 210, annars stoppar proceduren vid steg 212. I steg 210 uppmärksammas en operatör på den upptäckta avvikelsen, helst tillsammans med ytterligare information kopplat till felet ifråga.

Fig. 5b visar en del av en föredragen utföringsform av en metod enligt den föreliggande uppfinningen, särskilt användbar för mer komplexa apparater.

Proceduren är den samma som visas i ñg. 5a till steg 204. I steg 205 identifieras ett antal tidsdomäner i den registrerade effektsignalen, vilka kan tillskrivas vissa delprocesser i apparaten i enlighet med konstruktionsöverväganden. I steg 207 görs en liknande anpassningsprocess som i steg 206 i fig. 5a. Dock utförs anpassningsprocessen i steg 207 separat på var och en av de bestämda tidsdomänerna. Detta minskar komplexiteten för anpassningsprocessen. lO 15 20 25 30 523 087 . . . . , .

Metoden och anordningarna enligt den föreliggande uppfinningen är användbara i många olika applikationer. Ett exempel på en apparat där man kan dra nytta av den föreliggande uppfinningen är en motordriven ventil - MOV. Ventiler som styr olika industriella processer finns ofta i farliga miljöer. Samtidigt kan ett litet fel i en ventil leda till stora produktionsförluster och därmed stor kostnader. Ett annat mer speciñkt exempel kan vara en apparat som styr läget för styrstavar i ett kärnkraftverk. Här är miljön mycket farlig och varje stopp för att korrigera fel ger stora ekonomiska förluster.

Det ska emellertid framhållas att den föreliggande uppfinningen är mer generellt applicerbar och kan användas på många typer av mekaniska apparater. Den specifika modellen som används för de olika apparaterna måste naturligtvis skräddarsys för varje specifikt fall och konstruktion.

Emellertid är modellerna baserade på grundläggande fysikalisk teori avseende mekanisk, termodynamisk, fluidmekanisk och elektrisk teori och modellutformningen bör inte orsaka några svårigheter för fackmannen inom mekanik. Fördelarna med denna uppfinning år dock högst beroende av hur soñstikerad modellen är.

Några få exempel på komponenter som enkelt kan beskrivas genom en modell ges nedan.

Växlar konstrueras vanligen för att överföra vinkelhastighet och vridmoment kontinuerligt. Som en följd av detta är det nödvändigt att tillåta glidning mellan tänderna. Eftersom glidningen sker med olika riktning på normalkraften blir friktionsförlusten vinkelberoende på grund av glidningen.

Detta betyder att det finns en tidsberoende effektsignal där amplituden är proportionell mot det utförda friktionsarbetet. Friktionsarbetet är beroende av det överförda vridmomentet och friktionskoefñcienten. Slutsatser kan därmed göras avseende smörjmedlets status. Om tändernas ytor är slitna sker en förändring både i överföringen av vinkelhastighet (och i vridmoment) och den vinkelberoende friktionen kommer att uppvisa ett något förändrat 10 15 20 25 30 i523 087 :--.:-e - u u. coon nu nu n. n. n . 18 ---== -'-= .'::::::'::'" :":'_°__°: :_ :o::-»:a. u ~u. . . . . . .. .. .. mönster. Sålunda är det möjligt att upptäcka och i viss utsträckning också analysera sådana slitna ytor. På samma sätt kommer ett förändrat hjulavstånd att orsaka ett annorlunda mönster.

Många mekaniska processer betraktas som mer eller mindre tidsoberoende i en första anblick men eftersom den föreliggande uppfinningen har visat att ganska detaljerade mekaniska processer kan lösas upp, kan sådana processer, i en mikroskala, uppvisa tidsberoende fenomen. Exempel är kullager, där det sker en kontinuerlig deformation av både kulorna och banan, vilken slutligen resulterar i materialutmattning. Om det finns en skada t.ex. i kulbanan kommer kulornas belastningsprocess att förändras och de därav följande transienterna ökar i storlek. På liknande sätt orsakar partiklar transienter varje gång en kula (eller rulle) passerar partikeln.

I ventiler används en del av den effekt den drivande motorn avger till att driva spindeln genom tätningen. Om spindeln är cylindrisk uppstår en dynamisk friktionsprocess. Detta kan resultera i att tätningen ”skriker”, en process som kommer att orsaka ett periodiskt effektbehov från motorn. Då sliden går in i sätet kommer den att "släpa" mot ytorna och därmed orsaka friktion och ökat effektbehov.

I ett första steg i ett modellbygge utgår man från en idealt fungerande apparat. Hela funktionen följs och olika komponenters rörelser följs, särskilt med avseende på friktionskontakter, förändringar i kontakter, förändringar i dimensioner etc. Från en sådan ideal funktion kan en relativt enkel modell erhållas. Den information som erhålls genom den föreliggande uppfinningen genom att använda en sådan modell för ideal funktion är tämligen begränsad. Genom att emellertid introducera modelldelar som gär bortanför en perfekt ideal funktion kan vissa parametrar kopplade till dessa följas och avvikelser från det normala kan detekteras. I t.ex. en växel kan en defekt tand identifieras eller ett fall med bristfällig Smörjning kan bestämmas. I många fall kan emellertid avvikelserna inte kopplas till en speciell komponent. 10 15 20 25 30 » iszz oay Därför är det att föredra att utvidga modellen i ett andra steg så att den innefattar vanliga eller viktiga felsituationer. Genom att ha en parameter som representerar storleken eller förekomsten av den felaktiga funktionen kan den icke-ídeala funktionen inkluderas i samma modell och samma anpassningsprocedur som för de ideala funktionerna. Om en anpassad felstorleksparameter får ett värde som skiljer sig signifikant från noll finns ett fel. Ett exempel på en modelldel för icke-ideal funktion är t.ex. en partikel i ett kullager. En parameter kan vara storleken på partikeln och om denna parameter överskrider en viss nivå antas en partikel ñnnas där. Ett annat exempel kan vara en ventil med en slid som rör sig i en vinkel som avviker något från den ideala vinkeln, och därmed orsakar friktion mot ytor som normalt inte vidrörs. En parameter som beskriver vinkelavvikelsen kan användas för att avgöra om det finns ett sådant fel.

Detaljerna i modellen begränsas enbart av hur soñstikerad modellbyggaren är. Likväl finns det alltid fel som inte kan förutspås och modelleras. Om det i anpassningsprocessen finns en signifikant avvikelse mellan modelleffekten och den uppmätta som inte kan kompenseras bort genom anpassning av parametrarna i de föreliggande modellen finns ett fel närvarande. Från karakteristiska detaljer i felsignalen är det möjligt att prediktera eller åtminstone uppskatta dess orsak. Operatören görs uppmärksammad på att ett sådant okänt fel finns och en manuell utvärdering kan göras. En fördel med den föreliggande uppfinningen är att, eftersom analysen baseras på en modell, så kan modellen lätt förbättras och uppgraderas när som helst. Inga ytterligare testinsamling eller liknande procedurer måste göras och den förbättrade modellen kan direkt används.

Modellen enligt den föreliggande uppfinningen kan ibland även bero på vissa yttre kvantiteter. Då en ventil öppnas eller stängs påverkas modellen av närvaro eller storlek på det flöde som stoppas. I vissa fall kan dessa parametrar tillåtas variera under anpassningssteget och betraktas som en normal modellparameter. Emellertid erhålls en mer pålitlig modell om dessa :H- un u . n nu n .. ,. ._ , _ 19 --=r: :.: g :zz- - .. . . . . - .. , 10 15 20 25 30 f- 523 087 . . . . _. _ Ü Ü I O II O! II n. Onani externa kvantíteter inkluderas genom att samla information från andra källor eller verkligt uppmätta och införda i anpassningsprocessen som externa parametrar. Behovet och möjligheten att skaffa sådana externa faktorer är starkt beroende på apparaten i fråga. Exempel på externa kvantíteter som kan vara av intresse är t.ex. belastning, temperatur, fuktighet, flöde, friktion och elektriska parametrar och egenskaper.

Den grundläggande principen för metoden för diagnostisering enligt den föreliggande uppfinningen baseras på en icke-associativ analys, utan använder istället parametriserade modeller. Emellertid kan registreringar av tidigare effektsignaler vara en fördel i vissa situationer. Om apparaten kan köras i flera olika driftlägen eller under starkt skilda externa driftvillkor kan samma modellparametrar användas i modeller som skiljer väsentligt i sin utformning. Ett exempel kan t.ex. vara moderna för öppning respektive stängning av en ventil. Samma parametrar används i huvudsak men i något olika sammanhang. En parameter som bestäms med stor osäkerhet i en driftmod kan vara mycket enklare att bestämma i en annan mod. En jämförelse anpassade parametervärden i olika driftmoder är intressant i analysen eftersom detta fördjupar insikterna i processerna.

En jämförelse mellan anpassade parametrar för samma driftmod men vid olika tillfällen kan också vara av intresse. Genom att följa tidsutvecklingen av en parameter över en längre tid kan t.ex. kan förslitning upptäckas i ett tidigt skede långt innan slitaget leder till ett ödesdigert driftfel. Det är även i vissa fall möjligt att uppskatta en kvarvarande livstid på en komponent.

Sådan information är av betydelse för en operatör. Genom att övervaka ett antal kritiska komponenter kan ett underhållsarbete planeras med lämplig säkerhetsmarginal till haveri. Dessutom kan flera komponenter bytas ut vid samma tillfälle om de har kort kvarvarande livstid, vilket därmed minskar antalet produktionsstopp.

I vissa system kan apparatens komponenter vara så utformade att de ger upphov till i huvudsak identiska effektförlustsignaturer. I sådana system är 10 15 20 25 30 523 087 n. u. . . u u" u u u .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ._ ._ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . r-:n- -. . -.. ....... . ,, , _ _ . . . . . . - - , . . . . . ,, ' ' I? ll AO Il lløl 0 en unik parameteranpassning inte möjlig. Genom att emellertid avsiktligt introducera små fel på var och en av komponenterna kan detta problem lösas. Ett litet fel påverkar inte nödvändigtvis apparatens faktiska funktion men kan ge små unika signaturer som kan detekteras i effektmätningarna.

Genom att jämföra amplituden av ett sådant avsiktligt fel med effektsignalens intensiteter som i ett idealt sammanhang inte kan särskiljas, kan bidraget från de olika komponenterna bestämmas. Emellertid bör noteras att de introducerade felen i det ideala sammanhanget inte får påverka apparaten på ett sådant sätt att funktionen eller livstiderna märkbart påverkas.

Den föreliggande uppfinningen fokuserar på signaturer av effektförluster i tidsdomänen genom användning av ickeperíodisk information. Många system inom känd teknik fokuserar på information som behandlas i frekvensdomänen d.v.s. efter en Fouriertransformering. En Fouriertransform är en transformation mellan tid- och frekvensdomänerna men har även andra inre egenskaper. En Fouriertransform innebär även en typ av medelvärdesbildning vilket betyder att ickeperiodiska signaler dämpas.

Denna egenskap används i känd teknik för att extrahera periodiska egenskaper av intresse men kommer på samma gång att bortse från mängder av extra information. Ett frekvensspektrum kan därför sakna mycket information jämfört med motsvarande kurva i tidsdomänen. Även om transformation fram och tillbaka mellan frekvens- och tidsdomänerna kommer att medföra en minskning av informationen, kan emellertid en utredning i frekvensplanet vara av värde som ett komplement till tidsdomänanalysen. Medelvärdesbildning och frekvensñltrering kan t.ex. enkelt utföras genom att använda transformmetoder. Brus som härrör från elnätet kan t.ex. avlägsnas.

Information som ges till en operatör vid en felidentifiering eller pä begäran kan vara av mycket olika typer. Därutöver kan annan extern information erhållas automatiskt vid ett sådant tillfälle, vilket underlättar operatörens 10 15 20 25 30 523 087 nnn nnn n n nn nnnn nn nn nn nn n , n n n n n n n n n n n n n n n n ..n nn n n n n n n n n n n n n n n n n.. . . nnn n n n n n n n n n n nnn n . n . ,, n n n n n n n n n n n . . , , _, ~ n n n n nn nn nn nn nnnn .n beslut. lcke exklusiva exempel på information är t.ex. identifiering av en defekt komponent, typ av defekt, storleken på defekten, skattning av återstående tid till haveri för såväl den defekta komponenten som för andra komponenter, nödvändiga reservdelar för en reparation, beräknad reparationskostnad, reparationsinstruktioner och beräknad reparationstid.

Sådan information kan vara mycket värdefull för planeringsändamål.

Teknisk status för en maskin år ett något vagt begrepp. I princip kan den definieras som tid till nästa haveri. Om en maskin består av n komponenter kan den tekniska statusen skrivas som: Ts=Min(T,,...T.,...T) l Il Där TS är den tekniska statusen och Ti är tid till haveri för komponent i.

Funktionen Min finner den kortaste tiden av de listade objekten. Samma funktion kan användas för andra mätt på teknisk status som t.ex. tid till underhåll och, då underhåll har utförts, återställs tiden.

Ett illustrativt verkligt exempel på diagnostisering av en apparat kommer nu att diskuteras. I detta exempel demonstreras en användningen av den analytiska och diagnostiska proceduren enligt den föreliggande uppfinningen för en motordriven slidventil. Den tillförda effekten till ventilen mäts med konventionella metoder genom att använda spännings- och ström- transformatorer och lämplig datainsamlingsutrustning. Den tillförda effekten beräknas från insamlade data. Ett typiskt resultat från en mätning visas i figur 6 som kurva 50.

En dynamisk fysikalisk effektflödesmodell för den motordrivna slidventilen skapas. All central information om ventilen erhålls ur de tekniska specifikationerna och ritningarna.

Den generella följden av händelser bestäms enkelt genom effektförbrukningens tidsberoenden. Från vänster, motorn startas, följt av 10 15 20 25 30 ~ 523 087 23 . . . . . . att spelet i manöverdonet, växellådan och spindelmuttern tas in. Därefter lossas kilen från sätet och kilen transporteras bort från sätet tills ändlägesbrytaren stoppar motorn.

Genom den mekaniska operationen av slidventilen kan ett antal detaljer i processen identifieras och modelleras. När den föregående stängningsproceduren stoppade, pressades kilen in i sätet och fiädrarna i manöverdonet komprimerades. Kraften i spindeln som håller kilen i läge låses av friktionen i mutterns gänga och i vinkelväxeln.

I den första delen av lossningsoperationen av slidventilen fångar motorn spelet i växellådan eftersom operationen är reverserad i jämförelse mot stängningsproceduren. Detta spel år vanligen mycket litet. Nästa operationsfas i processen är att lossa snäckskruven i snäckväxeln som är belastad av fjädern varigenom friktionskraften är proportionell mot vridningsvinkeln. Tills detta har inte några andra delar rört sig i anordningen.

Då snäckskruven lossas från fjädern kommer den att fånga upp spelet i snäckväxeln. Denna fas av operationen representerar den lägsta effekten i hela operationen. Effekten används endast till att rotera motorn, den primära växeln och dess lager på den ingående axeln till snäckväxeln.

Nästa process är då manöverdonet tar in spelet från snäckväxeln till muttern. I denna del adderas friktionen i snäckväxeln till friktionen i lagren på kopplingsanordningen som vanligen âterfinns i denna del av manöverdonet.

Nästa process börjar då spindelmuttern roterar. Muttern är belastad med kraften som en gång orsakades av spindeln vid stängning. Friktionskraften i gängan förhindrar vridningen av muttern. För att lossa muttern ökas vridmomentet. Den anbringade effekten övervinner friktionseffekten i snäckväxeln och komprimerar fjädern i manöverdonet. Med andra ord kan 10 15 20 25 30 ï 523 087 ,.._,.._, .. .. 24 r' denna del av operationen modelleras med enbart dessa två komponenter.

Fjäderns kompressionslängd bestäms.

Då manöverdonets vridmomentet är tillräckligt stort för att övervinna låsningsfriktionens kraft i spindelrnuttern kommer muttern att vridas.

Vanligtvis finns ett spel i mutter och lager men vid lossningen fångar fjädern i manöverdonet detta spel och fjädrarna frigörs. Detta är en mycket snabb process och begränsas endast av växelns tröghetsmoment. Dessutom, om spelet är litet, kommer fjädern att reversera muttern och börja bygga upp momentet i muttern (och kraften i spindeln) för att kunna lossa kilen.

Alla dessa processer sker i alldeles början av hela processen, mellan tiderna ts och ts. En expansion av detta område visar detaljer vilka kan identifieras som de olika deloperationerna ovan.

Då vridmomentet i muttern (och kraften i spindeln) byggs upp kommer fjädern i donet att komprimeras. Detta kan identifieras som den skarpa ökningen i den tillförda effekten vid t7. Då vridmomentet blir tillräckligt stort kommer kilen slutligen att lossa från dess position i sätet och spindeln börjar röra sig. I den första början kommer den i fjädern upplagrade energin att frigöras och samarbeta med motorn för att dra spindeln inledningsvis med en hög men avtagande hastighet. Friktionseffekten är summan av friktionseffekten i muttern och i tätningen och är alltså beroende av hastigheten på rörelsen. Friktionen i växellådan och motorns förluster ska även adderas. Sålunda kommer effekten att minska tills överskottsenergin i fjädrarna är avgiven och spindeln intar en mod med konstant hastighet.

Detta sker i den första delen efter att kilen lossats.

Efterföljande operationsfas är transporten av kilen till ett helt öppet läge, vilket representeras av ts. Den nödvändiga effekten bestäms här av friktionen i tätningen, i växellådan och av motorförlusterna. Denna process svarar mot huvuddelen av den uppmätta tillförda effekten. Dessa processer 10 15 20 25 30 523 087 2 domineras av roterande delar i systemet. Därför kommer följande avsnitt att fokusera på de roterande delarna i systemet.

De roterande delarna i manöverdonet och ventilen utgörs av motorns rotor, växellådans axlar och hjul och spindelmuttern tillsammans med sina lager.

Vinkelhastigheterna bestäms enkelt från motorspecifikationen och växellådans utväxlingsförhållanden.

Konstruktionspraxis är att använda standardiserade kugghjul med evolventkuggar så att den utgående axelns vinkelhastighet är strikt proportionell mot den ingående. Detta betyder att det inte kommer att förekomma några oscillationer i det överförda momentet orsakat av acceleration och retardation av tröghetsmomenten. Det finns emellertid en glidande process mellan hjulens tänder och denna glidning orsakar en periodisk friktionsprocess orsakad av ändringar i de geometriska förhållandena då två tänder har kontakt med varandra. Om det belastande vridmomentet är Tout, då blir behovet av ingående vridmoment Tin till växeln: m» = z.,-(1+ u.. -(1+ fun) , där pgo är friktionskoefficienten i växellådan och f(t) representerar de periodiska variationerna. Funktionen f kan beräknas helt enkelt utifrån tändernas utformning. Följaktligen är det möjligt att bestämma friktionsvillkoren i växellådan i sin helhet genom att följa oscillationerna i momentet.

Förslitning i en växellåda relateras vanligen till en deformation av tänderna eller en ändring i avstånd mellan hjulens centra orsakat av förslitningar i lagren. Båda dessa fenomen resulterar i en ändring i de geometrisk förhållandena och även på karakteristiken för friktionsfunktionen f.

Det enklaste år att använda ett matematiskt verktyg såsom Fourier- transformen för att identifiera frekvensen för såväl funktionen f som dess o.. n» u n u. anno nu n. n. a. n n . a. o» a u q n u~ u - 1. -... .- . .. n. v n - u - - - - .f . _ , . ...n I n a u u n o.. n ... .- q _ .. .- n o q a - n. n - q . . , , , ~ u n u u .- .- ... .. .....,, 10 15 20 25 30 :f 52.3 087 26 effekt. Om inga rena harmoniska övertoner kan återfinnas i spektrat kommer det producerade spektrat emellertid att sakna information eftersom vinkelfrekvensen beror på motorbelastningen och proceduren kommer endast att ge medelvärdesinformation. Denna begränsning kan övervinnas genom att jämföra den uppmätta signalen med den förväntade i tids- domänen och det är möjligt att återskapa egenskaperna av den periodiska friktionsprocessen i detalj och till och med att följa den tand för tand.

Dessutom kan en brusten kugge identifieras.

I fig. 7 visas en förstorad del av den del av effektsignalen i fig. 6 som är associerad till snäckväxeln. Den heldragna linjen 50 är den faktiskt uppmätta signalen från snäckväxeln och den streckade linjen 51 visar den förväntade (modellerade) signalen för en felfri operation. Tidsintervallet som visas i ñg. 7 svarar mot ett helt varv för kugghjulet. Det syns att både amplitud och fas är förändrade såväl som att det finns skillnader i kurvornas form. Detta indikerar att hjulet är något ovalt.

Den analytiska processen för ett kul- eller rullager och för spindelmuttern är snarlik.

I figur 6 är det uppenbart att den lägsta effekten finns alldeles innan manövern stoppar, i stället för i den allra mest initiala delen då spelet hämtas in och ingen av utrustningens delar är i rörelse. Detta indikerar att friktionen i växellådan reduceras på grund av omröring och sj älvuppvärmning av smörjmedlet i växellådan.

Som nämnts ovan är det inte enbart elektriskt drivna apparater som kan använda den föreliggande uppfinningen. Den uppmätta tillförda effekten kan t.ex. vara en mekanisk effekt varvid effektmätaren utgörs av en mekanisk effektmätare. Effekten överförs genom roterande axlar, varvid anbringat vridmoment och vinkelhastighet mäts momentant, eller via kvantiteter som direkt kan härledas till dessa. Lämpliga hjälpmedel för att mäta vridmoment och vinkelhastighet måste tillhandahållas. Den tillförda effekten beräknas 10 15 20 523 087 27 so: an o n . u ~ q .. Q som produkten mellan momentant bestämt vridmomentet och vinkelhastighet. Effekten kan alternativt överföras via en linjär rörelse och i detta fall mäts påförd kraft och hastighet i varje ögonblick, eller kvantiteter som kan härledas till dessa. Lämplig utrustning för att mäta kraft och hastighet måste tillhandahållas. Den tillförda effekten beräknas som produkten mellan kraft och hastighet.

Den tillförda effekten kan i andra fall vara hydraulisk eller pneumatisk effekt, varvid effektmätaren är en hydraulisk eller pneumatisk effektmätare.

Effekten kan överföras med vätskor, varvid påfört tryck och massflöde mäts i varje ögonblick, eller kvantiteter som kan härledas till dessa. Lämplig utrustning för att mäta tryck och flöde måste tillhandahållas. Den tillförda effekten beräknas som produkten mellan tryck och flöde.

Fackmannen kommer att inse att olika modifieríngar och ändringar kan göras i den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfång, vilket definieras av de bifogade kraven.

REFERENSER U.S. patent 4,965,513.

Internationell patentansökan WO 99 /05501.

Claims (38)

10 15 20 25 30 523 087 aö-z-fia-ff-fv--æ _~¿y .- .=..= - NYA PATENTKRAV

1. Diagnosmetod för apparat (10) som har åtminstone en första och en andra rörlig mekanisk del (14a-d), vilka båda nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d) påverkar ett effektflöde i apparaten (10), innefattande steget: mätning av en total effekt som tillförs apparaten (10) för att erhålla en effektsignal som representerar tillförd effekt som en funktion av tid, kännetecknar! av de ytterligare stegen skapande av en dynamisk fysikalisk effektflödesmodell för apparaten (10) grundat på konstruktionsöverväganden om dynamisk växelverkan mellan nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d); vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell representerar en följd av händelser, vilken åtminstone till en del är ickeperiodisk; vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell fullständigt beskrivs av modellparametrar som är direkt kopplade till individuella mekaniska och/ eller elektromekaniska kvantiteter för nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d); anpassning av värden för nämnda modellparametrar för att anpassa den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen till signaturer för effektsignalen; samt diagnosticering av apparatens (10) drift grundat på de anpassade parametervärdena.

2. Diagnosmetod enligt patentkrav 1, kännetecknad av de ytterligare stegen: bestämning av ett antal delhändelser för den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen; samt identifiering av tidsområden i effektsignalen som motsvarar delhändelserna; varvid anpassningssteget utförs på effektsignalens signaturer inom ett tidsområde i taget. 10 15 20 25 30 ~s2s os? 2?

3. Diagnosmetod enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen vidare innefattar komponenter som är periodiskt tidsberoende och/ eller statiska.

4. Diagnosmetod enligt patentkrav 1, 2 eller 3, kännetecknad av att anpassningssteget utförs för åtminstone en aspekt för signaturerna vald från listan: händelsetid; momentan amplitud; momentan fas; momentan effektnivå; position; tidsutveckling; och varaktighet.

5. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 4, kännetecknad av att anpassningssteget i sin tur innefattar steget att tilldela initialvärden för modellparametrarna enligt en ideal drift för apparaten, varvid initialvärdena blir startvärden för anpassningen.

6. Diagnosmetod enligt något av patentkraven l till 5, kännetecknad av att den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen innefattar såväl följder av händelser för ideal drift som kända möjliga icke-ídeala följder av händelser orsakade av fel, varvid en modellpararneter är knuten till förekomsten och/ eller storleken av felet.

7. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 6, kännetecknad av att diagnosticeringssteget i sin tur innefattar steget att uppmärksamma en operatör om någon anpassat modellparametervårde faller utanför ett förutbestämt intervall, beslutat från konstruktionsöverväganden. "* . 2"; =IIs% 10 15 20 25 30 ~ 523 087 3 o

8. Diagnosmetod enligt patentkrav 7, kännetecknad av att uppmärksammandesteget i sin tur innefattar förevisning av åtminstone en av posterna i listan: identifiering av defekt komponent; typ av defekt; storleken på defekten; skattning av återstående tid till haveri; nödvändiga reservdelar för reparation; beräknad reparationskostnad; reparationsinstruktioner; samt beräknad reparationstid.

9. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 8, kännetecknad av det ytterligare steget: tillhandahållande av information om externa driftsvillkor, varvid den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen innefattar de externa driftsvillkoren.

10. Diagnosmetod enligt patentkrav 9, kännetecknad av att de extema driftsvillkoren är valda från listan: belastning; temperatur; fuktighet; flöde; friktion; samt elektriska parametrar och egenskaper.

11. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 10, kännetecknad av att diagnosticeringssteget vidare innefattar jämförelse med modellparametrar bestämda vid drift av apparaten (10) vid olika villkor, interna och/ eller externa. 10 15 20 25 30 l 523 087 :ll

12. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 11, kännetecknad av att diagnosticeringssteget vidare innefattar utvärdering av trender i sekvenser av effektsignaler mätta vid liknande villkor.

13. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 12, kännetecknad av att den uppmätta tillförda effekten är en elektrisk effekt.

14. Diagnosmetod enligt patentkrav 13, kännetecknad av att mätningssteget i sin tur innefattar stegen: mätning av momentan ström som tillförs apparaten (10); mätning av momentan spänning som tillförs apparaten (10) ; beräkning av den tillförda effekten såsom produkten av momentan ström och momentan spänning.

15. Diagnosmetod enligt patentkrav 14, kännetecknad av att mätningssteget i sin tur innefattar stegen att mäta momentan ström och spänning i alla tre faser i en trefasdriven elektromekanisk apparat.

16. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 12, kännetecknad av att den uppmätta tillförda effekten är en mekanisk effekt.

17. Diagnosmetod enligt patentkrav 16, kännetecknad av att mätningssteget i sin tur innefattar stegen: mätning av momentant vridmoment som påförs apparaten (10); mätning av momentan vinkelhastighet som påförs apparaten (10); beräkning av den tillförda effekten såsom produkten av momentant vridmoment och momentan vinkelhastighet.

18. Diagnosmetod enligt patentkrav 16, kännetecknad av att mätningssteget i sin tur innefattar stegen: mätning av momentan kraft som påförs apparaten (10); mätning av momentan hastighet som påförs apparaten (10); 10 15 20 25 30 f 523 087 “EQ beräkning av den tillförda effekten såsom produkten av momentan kraft och momentan hastighet.

19. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 12, kännetecknad av att den uppmätta tillförda effekten är en hydraulisk eller pneumatisk effekt.

20. Diagnosmetod enligt patentkrav 19, kännetecknad av att mätningssteget i sin tur innefattar stegen: mätning av momentant tryck som tillförs apparaten (10) ; mätning av momentant flöde som tillförs apparaten (lO); beräkning av den tillförda effekten såsom produkten av momentant tryck och momentant flöde.

21. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 20, kännetecknad av det ytterligare steget: identifiering av effektsignaturer som inte kan reproduceras av anpassningssteget.

22. Diagnosmetod enligt patentkrav 21, kännetecknad av det ytterligare steget: uppmärksammande av en operatör om någon icke-reproducerbar effektsignatur av väsentlig storlek identifieras.

23. Diagnosmetod enligt något av patentkraven 1 till 22, kännetecknad av det ytterligare steget: introducering av ett mindre avsiktligt fel i en komponent; varvid en motsvarande felsignal i effektsignalen används för att upplösa bidrag från komponenter som har liknande signaturer.

24. Diagnostieeringsanordning för apparat (10) som har åtminstone en första och en andra rörlig mekanisk del (l4a-d), vilka båda nämnda första och andra rörliga mekaniska delar (l4a-d) påverkar ett effektflöde i apparaten (10), vilken diagnosticeringsanordning innefattar: - iöPßäïärfiÅi= 10 15 20 25 30 -523 037 .S3 effektmätare (22) som mäter effekt som tillförs apparaten (10); och processor (20) ansluten till en utgång av effektmätaren (22); vilken processor (20) i sin tur innefattar organ för erhållande (24) av en effektsignal som representerar tillförd effekt som en funktion av tid, kännetecknad av: organ för tillhandahållande (26) av en dynamisk fysikalisk effektflödesmodell för apparaten (10) grundad pä konstruktionsöverväganden om dynamisk växelverkan mellan nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d), vilket organ för tillhandahållande (26) är anslutet till processorn (20); vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell representerar en följd av händelser, vilken åtminstone till en del är ickeperiodisk; vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell fullständigt beskrivs av modellparametrar som är direkt kopplade till individuella mekaniska och /eller elektromekaniska kvantiteter för nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (l4a-d); vilken processor (20) vidare innefattar: organ för anpassning (28) av värden för nämnda modellparametrar för att anpassa den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen till signaturer för effektsignalen; samt organ för diagnosticering (29) av apparatens (10) drift grundat på de anpassade parametervärdena.

25. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 24, kännetecknad av att vidare innefatta organ (30) för att uppmärksamma en operatör anslutet till processorn (20), för att presentera information associerad med diagnosen för apparaten ( l0).

26. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 24 eller 25, kännetecknad av att vidare innefatta åtminstone en sensor för ett externt driftsvillkor, en utgång från vilken är ansluten till processorn (20). “frvaeeaif 10 15 20 25 30 1523 087 :w

27. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 26, kännetecknas! av att det externa driftsvillkoret är valt från listan: belastning; temperatur; fuktighet; flöde; friktion; samt elektriska parametrar och egenskaper.

28. Diagnosticeringsanordning enligt något av patentkraven 24 till 27, kännetecknad av datalagringsorgan (26) innefattande den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen lagrad däri, varvid den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen är återfinnbar genom processorn (20).

29. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 28, kännetecknad av att datalagringsorganet (26) vidare innefattar tidigare effektsignaler och associerade anpassade parametrar.

30. Diagnosticeringsanordning enligt något av patentkraven 24 till 29, kännetecknad av att effektmätaren är en mätare av elektrisk effekt (22).

31. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 30, kännetecknad av att effektmätaren (22) i sin tur innefattar åtminstone en sensor för momentan ström och åtminstone en sensor för momentan spänning.

32. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 31, kännetecknad av att effektmätaren (22) i sin tur innefattar en sensor för momentan fasström och en sensor för momentan fasspänning för alla faser till en trefas elektromagnetisk apparat.

33. Diagnosticeringsanordning enligt något av patentkraven 24 till 29, kännetecknad av att effektmätaren är en mätare av mekanisk effekt. 10 15 20 25 30 5 2 5 0 8 7 36"'

34. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 33, kännetecknar! av att effektrnätaren i sin tur innefattar en sensor för momentant påfört vridmoment och en sensor för momentan påförd vinkelhastighet.

35. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 33, kännetecknad av att effektmätaren i sin tur innefattar en sensor för momentan påförd kraft och en sensor för momentan påförd hastighet.

36. Diagnosticeringsanordning enligt något av patentkraven 24 till 29, kännetecknad av att effektmätaren är en mätare av hydraulisk eller pneumatisk effekt.

37. Diagnosticeringsanordning enligt patentkrav 36, kännetecknad av att effektrnätaren i sin tur innefattar en sensor för momentant tillfört tryck och en sensor för momentant tillfört flöde.

38. Apparat (10) innefattande: åtminstone en första och en andra rörlig mekanisk del (l4a-d); vilka båda nämnda första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d) påverkar ett effektflöde i apparaten (10); och diagnosticeringsanordning; vilken diagnosticeringsanordning i sin tur innefattar: effektmätare (22) som mäter effekt som tillförs apparaten (10); och processor (20) ansluten till en utgång av effektmätaren (22); vilken processor (20) i sin tur innefattar organ för erhållande (24) av en effektsignal som representerar tillförd effekt som en funktion av tid, kännetecknad av att diagnosticeringsanordning vidare innefattar: organ för tillhandahållande (26) av en dynamisk fysikalisk effektflödesmodell för apparaten (10) grundad på konstruktionsöverväganden om dynamisk växelverkan mellan nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (l4a-d), vilket organ för tillhandahållande (26) är anslutet till processorn (20); 10 15 i 523 087 fx, vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell representerar en följd av händelser, vilken åtminstone till en del är ickeperiodisk; vilken dynamisk fysikalisk effektflödesmodell fullständigt beskrivs av modellparametrar som är direkt kopplade till individuella mekaniska och /eller elektromekaniska kvantiteter för nämnda åtminstone första och andra rörliga mekaniska delar (14a-d) ; vilken processor (20) vidare innefattar: organ för anpassning (28) av värden för nämnda modellparametrar för att anpassa den dynamiska fysikaliska effektflödesmodellen till signaturer för effektsignalen; samt organ för diagnosticering (29) av apparatens (10) drift grundat på de anpassade parametervärdena. f fr: . f;