WO2015036021A1 - Verfahren und anordnung zur überwachung einer technischen einrichtung wie z.b. einer maschine oder einer anlage - Google Patents
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- WO2015036021A1 WO2015036021A1 PCT/EP2013/068873 EP2013068873W WO2015036021A1 WO 2015036021 A1 WO2015036021 A1 WO 2015036021A1 EP 2013068873 W EP2013068873 W EP 2013068873W WO 2015036021 A1 WO2015036021 A1 WO 2015036021A1
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Abstract
Bei der Überwachung einer technischen Einrichtung (2) wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage, wobei die Einrichtung (2) ein rotierendes Bauteil (3) und ein Lager (4) für dieses Bauteil aufweist, wobei im Betrieb der Einrichtung (2) akustische Emissionen der Einrichtung (2) in einem ersten Frequenzband (71) im Ultraschallbereich erfasst werden, akustische Emissionen der Einrichtung (2) in einem zweiten Frequenzband (72) im Ultraschallbereich erfasst werden, wobei sich das erste Frequenzband (71) und das zweite Frequenzband (72) nicht überdecken, wobei aus den akustischen Emissionen der Einrichtung (1) in dem ersten Frequenzband (71) zumindest ein Kennwert für den Zustand des Lagers (4) ermittelt wird, wird erfindungsgemäß aus den akustische Emissionen der Einrichtung (2) in dem zweiten Frequenzband (72) zumindest ein Kennwert für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung (2) ablaufenden Prozesses ermittelt. Hierdurch kann bei gleichbleibendem oder sogar reduziertem messtechnischem Aufwand die Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage noch weiter verbessert werden.
Description
Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 10.
In technischen Einrichtungen wie z.B. Maschinen oder Anlagen findet man in der Regel verschiedene messtechnische Vorrichtungen zur Größenerfassung für verschiedene Einsatzzwecke. Zum einen werden typische, den eigentlichen Prozess beschrei- bende Prozessgrößen wie Drücke oder Temperaturen erfasst. Beispielsweise ist der Fluss eines Schmiermittels in einem Schmiermittelkreislauf eine Prozessgröße, die für die Steuerung und/oder Regelung des Schmiermittelkreislaufes bzw. der gesamten technische Einrichtung gemessen und überwacht wird.
Zum anderen wird der Verschleiß von derartigen Einrichtungen durch eine Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) mit dem Ziel einer zustandsbasierten Wartung überwacht. Beispielsweise wird die Lagerreibung für die Zustandsüberwachung ermit- telt.
Insbesondere die Reibung in Lagern (Wälzlagern sowie Gleitlagern) sowie der Fluss von Schmiermittel (z.B. Öl) sind für den sicheren Betrieb von Maschinen und Anlagen im Auslegungs- zustand essentiell wichtig. Daher ist es sinnvoll und vorteilhaft beide Vorgänge messtechnisch zu überwachen.
Gemäß dem Stand der Technik werden für die einzelnen Überwachungen jeweils gesonderte Sensoren verbaut, insbesondere wenn sie für verschiedene Domänen wie die Zustandsüberwachung und die Prozessüberwachung relevant sind. Beispielsweise wird ein Olkreislauf durch eine Messung der Leistungsaufnahme der Pumpen oder mittels Durchfluss- oder Drucksensoren überwacht.
Die Reibung in den Lagern wird durch separate Temperatursensoren überwacht .
Oft sind der Ölkreislauf und dessen Messtechnik separat aus- gelegt und messtechnisch überhaupt nicht oder nur schwach mit dem Zustandsüberwachungssystem der Lagerdiagnose gekoppelt (da üblicherweise unterschiedliche Hersteller) . Der Betrieb des Ölkreislaufs hat aber direkten Einfluss auf die Laufeigenschaften von ölgeschmierten Lagern und Getrieben. Hierbei sind insbesondere die Durchflussmenge, Viskosität, Temperatur, Druck, Abrieb und Fremdpartikel im Ölkreislauf wichtige Einflussgrößen, welche die Lebensdauer der Lager und Getriebe mitbestimmen . Problematisch ist aber, dass die Erfassung der Lagerreibung mit Temperatursensoren nur stark verzögert und geglättet erfolgt. Kurze Reibungsereignisse durch Partikel im Lager sind nicht direkt erfassbar. Eine signifikante Temperaturerhöhung tritt oft erst kurz vor dem Totalausfall des Lagers auf.
Zur Verbesserung der Zustandsüberwachung ist es bereits bekannt, akustische Emissionen im Ultraschallbereich zu erfassen und daraus Kennwerte für den Zustand eines Lagers zu ermitteln (siehe z.B. EP 2 623 949 AI, WO 2009/037077 A2 , WO 2013/044973 AI sowie die noch unveröffentlichte Patentanmeldung PCT/EP2012/057177 der Anmelderin) . Sensoren zur Erfassung von akustische Emissionen im Ultraschallbereich, häufig auch als „Acoustic Emission Sensoren" bezeichnet, liefern Informationen über Schallwellen im Ultraschallbereich, die sich in Festkörpern ausbreiten. Die dabei betrachteten akustischen Emissionen treten bei den verschiedensten Vorgängen auf, wie z.B. bei Reibung, elektrischer Entladung, Leckage oder Korrosion. Dabei werden materialspezifische Frequenzen gemessen, die bei irreversibler plastischer Verformung ange- regt werden. Die ermittelten Kennwerte beziehen sich somit auf "irreversible" Material- oder Formveränderungen (z.B. Brüche, Risse, Erosion, Verformung) des Lagers selbst, d.h. eines Bauteiles der technischen Einrichtung. Im Unterschied
hierzu ist eine Prozessgröße eine Größe, die einen in der Einrichtung ablaufenden Prozess, wie z.B. einen Herstellungs- prozess oder Bearbeitungsprozess für ein Produkt, (mit) charakterisiert . In der Regel handelt es sich hierbei um eine „reversible" Größe, deren Wert sich abhängig vom Betriebszustand ändern kann, dabei aber (z.B. bei gleichen Betriebszu- ständen) auch wiederholt vorherige Werte annehmen kann.
Speziell aus der WO 2009/037077 A2 ist es dabei bereits be- kannt im Betrieb einer Einrichtung akustische Emissionen der Einrichtung im Ultraschallbereich in unterschiedlichen Frequenzbändern zu erfassen, die sich nicht überdecken. Dabei wird aus den akustischen Emissionen der Einrichtung in einem ersten höheren Frequenzband zumindest ein Kennwert für eine gerade erfolgende Schädigung eines Lagers und aus den akustischen Emissionen der Einrichtung in einem zweiten tieferen Frequenzband zumindest ein Kennwert für eine bereits erfolgte Schädigung des Lagers ermittelt. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen bei gleichbleibendem oder sogar reduziertem messtechnischem Aufwand die Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage noch weiter verbessert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Anordnung gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage, wobei die Einrichtung ein rotierendes Bauteil und ein Lager für dieses Bauteil aufweist, werden im Betrieb der Ein- richtung akustische Emissionen der Einrichtung in einem ersten Frequenzband im Ultraschallbereich und in einem zweiten Frequenzband im Ultraschallbereich erfasst, wobei sich das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband nicht überde-
cken. Aus den akustischen Emissionen der Einrichtung in dem ersten Frequenzband wird zumindest ein Kennwert für den Zustand des Lagers und aus den akustische Emissionen der Einrichtung in dem zweiten Frequenzband wird zumindest ein Kenn- wert für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung ablaufenden Prozesses ermittelt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, zusätzlich zur Überwachung des Zustandes des Lagers mit Hilfe akustischer Emissionen auch eine Prozessgröße anhand ihrer akustischen Emissionen zu überwachen. Wie sich herausgestellt hat, erzeugen viele Prozessgrößen in Frequenzbändern, die unterschiedlich zu den Frequenzbändern sind, die für die Zustands- überwachung genutzt werden, akustische Emissionen im Ultra- schallbereich. Dies erfolgt in einem Frequenzbereich, in dem übliche akustische Sensoren im Ultraschallbereich für die Zu- standsüberwachung noch empfindlich sind. Beispielsweise tritt im Fall eines Ölkreislaufes im Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 80 kHz eine breitbandige „rauschförmige" Anregung durch den Ölkreislauf auf. Diese Anregung wird durch die Reibung im Öl selbst sowie die Reibung des Öls direkt an den Grenzflächen erzeugt und breitet sich im Gehäuse einer Maschine aus. Diese Schwingungen sind typischerweise auch direkt am Lager messbar und damit durch einen am Lager montier- ten Sensor erfassbar.
Aus dem Kennwert für die Prozessgröße kann beispielsweise auf einen Betriebszustand des der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses geschlossen werden. Durch Ermittlung der Prozess- große kann somit die Überwachung der technischen Einrichtung verbessert und somit die Sicherheit des Betriebs der technischen Einrichtung erhöht werden.
Es ist somit möglich, mit Hilfe der bereits für die Zustands- Überwachung benutzten Sensorik und Auswertetechnik, vorzugsweise mit dem gleichen Sensor, beide Überwachungsaufgaben durchzuführen, wodurch messtechnischer Aufwand reduziert werden kann. Die Trennung der Frequenzbereiche aus einem Schwin-
gungssignal kann mittels analogen und/oder digitalen Filtern erfolgen. Alternativ können natürlich aber auch jeweils gesonderte Sensoren für die beiden Frequenzbänder verwendet werden, wobei einer der Sensoren seine Resonanzfrequenz im Bereich des ersten Frequenzbandes und der andere Sensors seine Resonanzfrequenz im Bereich des zweiten Frequenzband hat, und wobei beide Sensoren beispielsweise gemeinsam in einer einzigen Sensoreinrichtung wie z.B. einem Sensorkopf untergebracht sind. Die Erfassung der akustischen Emissionen in den beiden Frequenzbändern erfolgt vorzugsweise gleichzeitig, wodurch eine besonders genaue Überwachung erzielt werden kann. Es ist mit Einschränkungen in der Genauigkeit grundsätzlich aber auch möglich, die akustischen Emissionen zeitlich hintereinander, z.B. in regelmäßigen zeitlichen Abständen, ab- wechselnd in jeweils nur einem der Frequenzbänder zu erfassen .
Bei dem zumindest einen Kennwert für die Prozessgröße kann es sich beispielsweise um eine Hüllkurve eines Sensorsignales, einen Root-Mean-Square-Wert oder einen Maximalwert handeln. Der Kennwert kann auch durch eine weitergehende Frequenzanalyse auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Sensorsignals und dessen Hüllkurve ermittelt werden. Hierdurch können beispielsweise auch noch Störsignale durch bekannte Lagerfre- quenzen oder elektrische Einstreuungen fester Frequenz herausgefiltert werden. Vorzugsweise werden dabei nicht nur einer, sondern mehrere Kennwerte ermittelt.
Falls in der Einrichtung mehrere Teilprozesse mit jeweils ei- ner diesem Teilprozess zugeordneten Prozessgröße aktiv sind und akustisch gut an den einen Sensor bzw. an die zwei Sensoren gekoppelt sind, ist es grundsätzlich natürlich auch möglich, aus dem zweiten Frequenzband oder weiteren Frequenzbändern im Ultraschallbereich noch Kennwerte für weitere Pro- zessgrößen zu ermitteln. Diese können miteinander verglichen werden und somit auf besonders einfache Weise Rückschlüsse auf deren Betriebszustand geschlossen werden. Handelt es sich bei den Teilprozessen z.B. um verschiedene Schmiermittel-
kreisläufe, so kann durch einen Vergleich der Kennwerte beispielsweise der Ausfall eines oder mehrerer der Kreisläufe erkannt oder auf Veränderungen (z.B. in Bezug auf Durchfluss, Druck, Viskosität) in einem oder mehreren der Kreisläufe ge- schlössen werden.
Vorzugsweise liegt das erste Frequenzband für die Zustands- überwachung höher als das zweite Frequenzband für die Überwachung der Prozessgröße. Wie sich herausgestellt hat, kann Im Frequenzbereich über 80 kHz (vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich des sich zwischen 90 kHz und 160 kHz erstreckenden Frequenzbandes) direkt die Reibung im Lager sowie mechanische Schädigung im Lager detektiert werden, indem material- spezifische Frequenzen gemessen werden, die bei irreversibler plastischer Materialverformung angeregt werden. Umgekehrt liegt das zweite Frequenzband vorzugsweise unter 80 kHz (vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich des sich zwischen 30 kHz und 80 kHz erstreckenden Frequenzbandes) , da dort besonders häufig breitbandige „rauschförmige" Anregungen von Pro- zessgrößen erfolgen.
Durch einen Vergleich des zumindest einen Kennwerts für die Prozessgröße mit Referenzwerten für unterschiedliche Be- triebszustände (häufig auch als „Fingerprints" bezeichnet) kann dann auf einen Betriebszustand eines der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses geschlossen werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der zumindest eine Kennwert für die Prozessgröße bei der Ermitt- lung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers berücksichtigt. Im einfachsten Fall wird der zumindest eine Kennwert für die Prozessgröße zur Plausibilisierung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers verwendet. Hierdurch kann die Genauigkeit der Zustandsüberwachung verbessert werden bzw. fehlerhafte Ergebnisse können erkannt und ausgeschlossen oder korrigiert werden. Außerdem kann ein Defekt des Sensors in dem ersten Frequenzband oder eine nachfolgenden Auswerteeinheit erkannt werden und der Sensor oder
die Auswerteeinheit kann ausgetauscht werden, bevor es zu Fehlern in der zustandsbasierten Wartung kommt.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich eine Temperatur des Lagers erfasst und zumindest ein Kennwert für die Temperatur ermittelt. Hierdurch kann die Aussagekraft eines Sensors für die Erfassung der akustischen Emissionen weiter verbessert werden. Ein Sensor für die Erfassung der Temperatur kann auch in einer Sensor- einrichtung untergebracht sein, in der bereits der eine oder die zwei Sensoren für die Erfassung der akustischen Emissionen untergebracht sind.
Der Kennwert für die Temperatur kann beispielsweise zur Prü- fung der Qualität der Ankopplung des oder der Sensoren für die Erfassung der akustischen Emissionen genutzt werden. So ist bei schlechter Sensorankopplung typischerweise auch die Temperaturankopplung schlecht, d.h. die Temperaturwerte sind dann niedriger als erwartet.
Oftmals ist die Temperatur eine wichtige Größe für die Aussage, ob der der Prozessgröße zugeordnete Teilprozess korrekt arbeitet. Die Temperatur kann dann zur Plausibilisierung des zumindest einen Kennwertes für die Prozessgröße herangezogen werden. Im Falle eines Ölkreislaufes gibt die Temperatur beispielsweise einen Anhaltspunkt, ob der Ölkreislauf bei gewünschter Temperatur bzw. Viskosität arbeitet. Weiterhin können zu hohe Temperaturen erkannt und somit die Betriebssicherheit weiter erhöht werden, ohne dass eine gesonderte messtechnische Einrichtung für die Temperaturmessung notwendig wäre .
Die Temperatur kann auch bei der Ermittlung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers berücksichtigt wer- den und beispielsweise zur Plausibilisierung oder Korrektur des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers verwendet werden, wodurch die Genauigkeit der zustandsbasierten Wartung verbessert werden kann. Wie sich beispielsweise
herausgestellt hat, steigt bei dem unerwünschten Zustand der Mischreibung im Lager zeitlich verzögert nach dem Auftreten von erhöhten akustischen Emissionen im Ultraschallbereich auch die Temperatur im Lager. Die Zeitkonstante hierfür ist von der thermischen Kapazität sowie Geometrie des Lagers abhängig und bewegt sich im Bereich von Minuten. Bevor von er- fassten erhöhten akustischen Emissionen auf eine Mischreibung geschlossen wird, kann somit beispielsweise noch die damit verbundene Temperaturerhöhung abgewartet werden.
Die erfasste Temperatur kann zusätzlich auch für eine Analyse der Temperaturverteilung genutzt werden. Im Falle eines
Schmiermittelkreislaufes kann die Temperaturerfassung bei sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden, um zu erkennen, wie weit ein Vorheizprozess des Schmiermittels in der Nähe des Lagers vorangeschritten ist. Die Temperaturerfassung kann für eine Regelung der Vorheizung sogar als eine Führungsgröße genutzt werden. Wird ein deutlicher Temperaturgradient gemessen, so befindet sich die Anlage nicht im thermischen Gleichgewicht. Für diesen Zustand ist mit erhöhten akustischen Emissionen im Ultraschallbereich zu rechnen, die nur temporär durch unterschiedliche Ausdehnungen von Komponenten entstehen und keinen Rück- schluss auf dauerhafte Schädigung erlauben. Solche Zeitabschnitte können durch zusätzliche Auswertung der Temperaturinformation bei der Ermittlung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers ausgeblendet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zumindest eine Kennwert für die Prozessgröße zur Plausibilisierung von Kennwerten aus einem Zustandsüberwachungssystems des der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses verwendet. Gerade im Fall eines Schmiermittelkreislaufes ist ein Vergleich mit den Daten eines Zustandsüberwachungssystems für den Schmiermittelkreislauf sinnvoll, beispielsweise ein Vergleich mit der vom Zustandsüberwachungssystem ermittelten Durchflussmenge, der Temperatur des Schmiermittels, einer Pumpen-Leis-
tungsaufnähme , Druck des Schmiermittels etc. Hierdurch ergibt sich eine Erhöhung der Robustheit der Aussagen des Zustands- überwachungssystems durch eine zusätzliche Messmethode (Redundanz) und damit die Möglichkeit eines Plausibilitäts- Querchecks .
Wie bereits vorstehend erläutert, handelt es sich bei der Prozessgröße bevorzugt um einen Fluss eines Schmiermittels durch die Einrichtung, insbesondere durch das Lager.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die technische Einrichtung in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Kennwerte gesteuert und/oder geregelt. Wird als Kennwert für die Prozessgröße beispielsweise ein Fluss eines Schmiermittels wie z.B. Öl betrachtet, so wird die technische Einrichtung beispielsweise erst gestartet, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist und durch einen Ölfluss resultierende akustische Emissionen und somit der Kennwert für diese Prozessgröße einen vorgegebenen Bereich erreicht hat. Bei zu niedrigen oder zu hohen Werten der durch den Ölfluss resultierenden akustischen Emissionen kann die Maschine in einen anderen, sicheren Betriebszustand versetzt werden. Es ist auch ein Betrieb der technischen Einrichtung mit definierter, kontrollierter Überlast in einem vorgegebenen Zeitfenster durch Kontrolle der akustischen Emissionen im zweiten Frequenzband bzw. des daraus ermittelten zumindest einen Kennwertes für die Prozessgröße und unter Berücksichtigung des Kennwertes für die Temperatur des Lagers und somit eine Optimierung des Ausstoßes oder Ertrages des technischen Einrich- tung möglich.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Überwachung einer technischen Einrichtung wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage, wobei die Einrichtung ein rotierendes Bauteil und ein Lager für dieses Bauteil aufweist, weist eine Sensorvorrichtung auf, die ausgebildet ist zur, vorzugsweise gleichzeitigen, Erfassung von akustischen Emissionen der Einrichtung in einem ersten Frequenzband und einem zweiten Frequenzband im Ultra-
schallbereich, wobei sich das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband nicht überdecken. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Anordnung eine Auswertevorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Auswerteeinheit auf, wobei die erste Auswerteeinheit ausgebildet ist zur Ermittlung eines Kennwertes für den Zustand des Lagers aus einem Sensorsignal der Sensorvorrichtung in dem ersten Frequenzband, und wobei die zweite Auswerteeinheit ausgebildet ist zur Ermittlung eines Kennwertes für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung ab- laufenden Prozesses aus einem Sensorsignal der Sensorvorrichtung in dem zweiten Frequenzband.
Von Vorteil liegt das erste Frequenzband höher als das zweite Frequenzband, wobei vorzugsweise das erste Frequenzband über 80 kHz liegt, insbesondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 90 kHz und 160 kHz erstreckt, und wobei das zweite Frequenzband vorzugsweise unter 80 kHz liegt, insbesondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 30 kHz und 80 kHz er- streckt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäße Anordnung sind in der zweiten Auswerteeinheit Referenzwerte für unterschiedliche Betriebszustände für den zu- mindest einen Kennwert für die Prozessgröße gespeichert und die zweite Auswerteeinheit ist derart ausgebildet, dass sie den zumindest einen ermittelten Kennwert mit diesen Referenz - werten vergleicht, um auf einen Betriebszustand eines der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses zu schließen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäße Anordnung ist die Auswertevorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie den zumindest einen Kennwert für die Prozessgröße bei der Ermittlung des zumindest einen Kennwer- tes für den Zustand des Lagers berücksichtigt, insbesondere den Kennwert auf Plausibilität überprüft.
Bevorzugt weist die Sensorvorrichtung einen einzigen Sensor sowohl für die Erfassung der akustischen Emissionen im ersten Frequenzband als auch für die Erfassung der akustischen Emissionen im zweiten Frequenzband, vorzugsweise auch einen Sen- sor für die Erfassung einer Temperatur, auf.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Prozessgröße der Fluss eines Schmiermittels durch die Einrichtung, insbesondere durch das Lager.
Von Vorteil weist die Anordnung eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung der technischen Einrichtung, vorzugsweise auch eine Schnitt- stelle zur Kommunikation mit einem Zustandsüberwachungssystem für einen der Prozessgröße zugeordneten Teilprozess der technischen Einrichtung auf.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine vorteilhaf- ten Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Anordnung und die jeweils korrespondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 eine Anordnung zur Überwachung einer techni- sehen Einrichtung mit einem Wälzlager und
Schmiermittelanlage ,
FIG 2 eine Anordnung zur Überwachung einer technischen Einrichtung mit einem Gleitlager und einer Schmiermittelanlage,
FIG 3 eine Anordnung zur Überwachung einer technischen Einrichtung mit einem Gleitlager und
einer Schmiermittelanlage sowie einer benachbarten Schmiermittelanlage und
FIG 4 - FIG 6 Messdaten eines am Getriebelager einer Ge- Steinsmühle montierten Sensors für akustische Emissionen für drei unterschiedliche Betriebsfälle .
Die FIG 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung 1 zur Überwachung einer technischen Einrichtung 2 wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage. Die Einrichtung 2 weist ein rotierendes Bauteil 3, z.B. eine Getriebewelle, und ein Lager 4 für dieses Bauteil 3 auf. Das Lager 4 ist in an sich bekannter Weise als ein Wälzlager mit einem Innenring 5, einem Außenring 6 und dazwischen angeordneten Lagerkugeln 7 ausgebildet .
Eine Sensorvorrichtung 10 ist mit guter akustischer Kopplung am Lager 4 befestigt und ist ausgebildet zur (vorzugsweise gleichzeitigen) Erfassung von akustischen Emissionen der Einrichtung 1 in einem ersten Frequenzband und einem zweiten Frequenzband im Ultraschallbereich, wobei sich das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband nicht überdecken. Die Sensorvorrichtung 10 weist dabei einen einzigen Körperschall - Sensor 11 in Form eines „Acoustic Emission Sensor" sowohl für die Erfassung der akustischen Emissionen im ersten Frequenzband als auch für die Erfassung der akustischen Emissionen im zweiten Frequenzband. Der Sensor 11 kann beispielsweise als ein piezoelektrischer, piezoresistiver, kapazitiver oder in- duktiver Sensor ausgeführt sein. Weiterhin weist die Sensorvorrichtung 10 einen Sensor 12 für die Erfassung einer Temperatur des Lagers 4 auf.
Eine Auswertevorrichtung 20 weist eine erste Auswerteeinheit 21, eine zweite Auswerteeinheit 22 und eine dritte Auswerteeinheit 23 auf. Die erste Auswerteeinheit 21 ist ausgebildet zur Ermittlung eines Kennwertes für den Zustand des Lagers 4 aus einem Signal des Sensors 11 in dem ersten Frequenzband.
Die zweite Auswerteeinheit 22 ist ausgebildet zur Ermittlung eines Kennwertes für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung ablaufenden Prozesses aus einem Signal des Sensors 11 in dem zweiten Frequenzband. Die dritte Auswerteeinheit 23 ist ausgebildet zur Ermittlung eines Kennwertes der Temperatur des Lagers 4 aus einem Signal des Temperatursensors 12.
Die Prozessgröße ist der Fluss eines Schmiermittels einer Schmiermittelanlage 30 durch das Lager 4. Bei dem Schmiermit- tel handelt es sich beispielsweise um Öl. Die Schmiermittel - anläge 30 umfasst einen Schmiermittelkreislauf 31 mit einer Zuleitung 32 für das Schmiermittel zu dem Lager 4 und einer Ableitung 33 für das Schmiermittel von dem Lager 4. Die
Schmiermittelanlage 30 umfasst dabei noch weitere nicht näher dargestellte Komponenten wie z.B. eine Pumpe, einen Behälter, Filter, Sensoren, eine Heizung, Ventile etc.
Der Sensor 11 ist ein breitbandiger Körperschall-Sensor, der sowohl im Frequenzbereich unter 80 kHz als auch im Frequenz - bereich über 80 kHz empfindlich ist. Im Frequenzbereich über 80 kHz, vorzugsweise in einem ersten Frequenzband zwischen 90 kHz und 160 kHz, wird hierbei direkt die Reibung im Lager sowie mechanische Schädigung im Lager detektiert, indem materialspezifische Frequenzen gemessen werden, die bei irreversib- 1er plastischer Materialverformung angeregt werden. Im Frequenzbereich unter 80 kHz ist dieser Sensor 11 ebenfalls empfindlich. Hier tritt in einem zweiten Frequenzband zwischen 30 kHz und 80 kHz eine breitbandige „rauschförmige" Anregung durch den Schmiermittelkreislauf 31 auf. Die Reibung im
Schmiermittel selbst sowie die Reibung des Schmiermittels direkt an den Grenzflächen erzeugen hierbei eine Ultraschall- Anregung, die sich in der technischen Einrichtung 2, z.B. einem Gehäuse einer Maschine, ausbreitet. Diese Schwingungen sind typischerweise auch direkt am Lager 4 messbar und damit durch den am Lager 4 montierten Sensor 11 erfassbar. Die
Trennung der Frequenzbänder aus einem Schwingungssignal des Sensors 11 kann in der ersten Auswerteeinheit 21 und/oder
zweiten Auswerteeinheit 22 mittels analogen und/oder digitalen Filtern erfolgen.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung 10 mindestens zwei Körperschall - Sensoren auf, die gemeinsam in einem Sensorkopf der Sensorvorrichtung 10 untergebracht sind. Hierbei liegt die Resonanzfrequenz eines Sensors zwischen 90 kHz und 160 kHz für die Überwachung des Zustands des Lagers 4 und die eines wei- teren Sensors zwischen 30 kHz und 80 kHz für die Überwachung des Schmiermittelkreislaufes 31.
Für die Überwachung des Schmiermittelkreislaufes 31 und somit der Schmiermittelanlage 30 werden in der zweiten Auswerteein- heit 22 aus dem Ultraschallsignal im zweiten Frequenzband zwischen 30 kHz und 80 kHz die Hüllkurve sowie RMS- und Maximalwerte gebildet. Diese Kennwerte charakterisieren direkt die Reibung im Lager 4 aufgrund des Schmiermittelflusses. Verändert sich dieser, so verändern sich auch diese Kennwer- te .
In der zweiten Auswerteeinheit 22 sind Referenzwerte („Fin- gerprints") für unterschiedliche Betriebszustände für den Schmiermittelfluss gespeichert und die zweite Auswerteeinheit 22 ist derart ausgebildet, dass sie den ermittelten Wert für den Schmiermittelfluss mit diesen Referenzwerten vergleicht, um auf einen Betriebszustand des Schmiermittelkreislaufes 31 und somit der Schmiermittelanlage 30 zu schließen. Für eine detailliertere Analyse können auch Frequenzanalysen auf der Basis der Signale des Sensors 11 und deren Hüllkurve durchgeführt werden, z.B. um Störsignale durch bekannte Lagerfrequenzen oder elektrische Einstreuungen fester Frequenz herauszufiltern .
Die Auswertevorrichtung 20 kann derart ausgebildet sein, dass sie den ermittelten Schmiermittelfluss bei der Ermittlung des
Kennwertes für die Reibung des Lagers 4 berücksichtigt, insbesondere auf Plausibilität überprüft.
Die Auswertevorrichtung 20 weist eine Schnittstelle 8 zu ei- nem Netzwerk 40 zur Kommunikation mit einer Steuerungsund/oder Regelungsvorrichtung 41 der technischen Einrichtung 2 und zur Kommunikation mit einem gesonderten Zustandsüberwa- chungssystem 42 der Schmiermittelanlage 30 auf. Insbesondere die Anbindung direkt an das Netzwerk 40 (vorzugsweise ein in- dustrielles Netzwerk auf der Basis von z.B. Ethernet, Profinet, Profibus, OPC-UA, etc.) ist hierbei vorteilhaft, da somit die Kennwerte im Netzwerk 40 für verschiedene andere Systeme zur Verfügung gestellt werden können. Der in die Sensorvorrichtung 10 integrierter Temperatursensor 12 erhöht die Aussagekraft des Sensors 11. Bei schlechter An- kopplung des Sensors 11 an das Lager 4 ist typischerweise auch die Temperaturankopplung schlecht, d.h. die von dem Temperatursensor 12 gemessenen Temperaturwerte sind dann norma- lerweise niedriger als erwartet. Die Temperatur gibt ebenfalls einen Anhaltspunkt, ob der Schmiermittelkreislauf 31 bei gewünschter Temperatur bzw. Viskosität arbeitet. Zu hohe Temperaturen können somit erkannt werden. Bei Mischreibung im Lager 4 steigt zeitlich verzögert nach dem Auftreten von er- höhten akustischen Emissionen auch die Temperatur. Die Zeitkonstante hierfür ist von der thermischen Kapazität sowie Geometrie des Lagers 4 abhängig. Der Temperatursensor 12 kann zusätzlich für eine Analyse der Temperaturverteilung genutzt werden und bei sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden, um zu erkennen, wie weit der Vorheizprozess des Schmiermittels in der Nähe des Lagers 4 vorangeschritten ist. Der Sensor 12 kann für diese Regelung auch als eine Führungsgröße genutzt werden. Wird ein deutlicher Temperaturgradient gemessen, so befindet sich die Schmiermittelanlage 30 nicht im thermischen Gleichgewicht. Für diesen Zustand ist mit akustischen Emissionen zu rechnen, die nur temporär durch unterschiedliche Ausdehnungen von Komponenten entstehen und keinen Rückschluss auf dauerhafte Schädigung erlauben. Solche Zeitabschnitte
können durch zusätzliche Auswertung der Temperaturinformation ausgeblendet werden.
Über die Schnittstelle 8 und das Netzwerk 40 ist eine Nutzung der Sensorkennwerte zur Steuerung und/oder Regelung der technischen Einrichtung 2 möglich. Die Einrichtung 2 wird beispielsweise erst gestartet, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist und der den Schmiermittelfluss repräsentierende Kennwert der akustischen Emissionen einen notwendigen Bereich erreicht hat. Bei zu niedrigen Werten des Kennwertes kann die Einrichtung 2 in einen anderen, sicheren Betriebszustand versetzt werden. Bei zu hohen Temperaturwerten kann die Einrichtung 2 in einen anderen, sicheren Betriebszustand versetzt werden. Ein Betrieb der Einrichtung 2 mit definierter, kon- trollierter Überlast in einem vorgegebenen Zeitfenster durch Kontrolle der Kennwerte der akustischen Emissionen und der Temperatur beispielsweise zur Ertragsoptimierung ist hierdurch möglich. Insgesamt können somit Fehlzustände der Einrichtung 2 vermeiden oder beendet werden.
Über die Schnittstelle 8 und das Netzwerk 40 ist eine Nutzung der Sensorkennwerte zur Plausibilisierung von Kennwerten des Zustandsüberwachungssystems 42 der Schmiermittelanlage 30 möglich. So ist beispielsweise ein Vergleich mit der durch das Zustandsüberwachungssystem 42 ermittelten Durchflussmenge, Temperatur des Schmiermittels, Pumpen-Leistungsaufnähme , Druck des Schmiermittels etc. möglich. Hierdurch ergibt sich eine Erhöhung der Robustheit der Zustandsüberwachung der Schmiermittelanlage 30 durch eine zusätzliche Messmethode (d.h. Redundanz) und damit die Möglichkeit eines Plausibili- täts-Querchecks .
Die Auswertevorrichtung 20 für die Bildung der Kennwerte kann hierbei - wie in FIG 1 dargestellt- als gesonderte Elektro- nikbaugruppe direkt an die Sensorvorrichtung 10 angekoppelt sein, sie kann aber - wie in FIG 2 dargestellt - auch in die Sensorvorrichtung 10 integriert sein.
Eine in FIG 2 in schematischer Darstellung gezeigte Anordnung 51 zur Überwachung einer technischen Einrichtung 52 wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage unterscheidet sich von der in FIG 1 gezeigten Anordnung 1 dadurch, dass die Einrichtung 52 ein Gleitlager 54 anstatt eines Wälzlagers 4 aufweist und dass die Auswertevorrichtung 20 in die Sensorvorrichtung 10 integriert ist. Da somit die dritte Auswerteeinheit 23 direkt in die Sensorvorrichtung 10 integriert ist, kann es sich bei dem Temperatursensor 12 beispielsweise um einen in einen Mik- rocontroller der dritten Auswerteeinheit 23 integrierten Temperatur-Sensor handeln.
FIG 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Überwachung eines Schmiermittelkreislaufes 61 einer Schmiermittelanlage 60 eines benachbarten Aggregates 65 durch die Sensorvorrichtung 10. Auch hier handelt es sich bei dem Schmiermittel beispielsweise um Öl. Die Überwachung des Schmiermittelkreislaufes 61 zusätzlich zu dem Schmiermittelkreislauf 31 (siehe FIG 1, in FIG 3 nicht dargestellt) ist möglich bei guter akusti- scher Kopplung mit dem benachbarten Schmiermittelkreislauf
61, z.B. über ein Stahl- oder Aluminiumgehäuse 64, durch das die Zuleitung 32 und die Ableitung 33 des Schmiermittelkreislaufes 31 sowie eine Zuleitung 62 und eine Ableitung 63 des benachbarten Schmiermittelkreislaufes 61 geführt sind und an dem auch die Sensorvorrichtung 10 befestigt ist. Die Aktivität der beiden Schmiermittelkreisläufe 31, 61 kann dann separat betrachtet und verglichen werden. Dies kann genutzt werden, um einen Ausfall eines oder mehrerer der Schmiermittelkreisläufe 31, 61 zu detektieren oder um Veränderung im
Kreislauf (z.B. Veränderung von Durchfluss, Druck, Viskosität) zu detektieren.
FIG 4 - FIG 6 zeigen beispielhaft Messdaten eines am Getriebelager einer Gesteinsmühle montierten Sensors für akustische Emissionen, der in dem eingezeichneten Frequenzband 71 um
60kHz und in dem eingezeichneten Frequenzband 72 um 120 kHz empfindlich ist, für drei unterschiedliche Betriebsfälle. Da-
bei ist jeweils die Amplitude Y über der Frequenz f dargestellt .
FIG 4 zeigt dabei einen ersten Betriebsfall, bei dem sich die Welle nicht dreht (d.h. mit einer Drehzahl von 0 U/min) . Ein erster Schmiermittelkreislauf in Form eines Hochdruck-Öl - kreislauf ist ausgeschaltet, ein zweiter Schmiermittelkreislauf in Form eines Niederdruck-Olkreislaufes ist ebenfalls ausgeschaltet. Wie aus FIG 4 ersichtlich ist, sind in keinem der zwei Frequenzbänder 71, 72 nennenswerte akustische Emissionen feststellbar.
FIG 5 zeigt einen zweiten Betriebsfall, bei dem sich die Welle nicht dreht (d.h. mit einer Drehzahl von 0 U/min) . Sowohl der erste Schmiermittelkreislauf in Form des Hochdruck-Öl - kreislauf als auch der zweite Schmiermittelkreislauf in Form des Niederdruck-Olkreislaufes sind eingeschaltet. Wie aus FIG
5 ersichtlich ist, sind in dem unteren Frequenzband 72 um 60 kHz deutliche akustische Emissionen erkennbar.
FIG 6 zeigt einen dritten Betriebsfall, bei dem sich die Welle nun mit konstanter Drehzahl von 1000 U/min dreht. Sowohl der erste Schmiermittelkreislauf in Form des Hochdruck-Öl - kreislauf als auch der zweite Schmiermittelkreislauf in Form des Niederdruck-Olkreislaufes sind eingeschaltet. Wie aus FIG
6 ersichtlich ist, sind in dem höheren Frequenzband 71 um 120 kHz nun ebenfalls deutliche akustische Emissionen erkennbar.
Es ist somit deutlich ersichtlich, dass der oder die Ölkreis- laufe und die Lagerreibung Signale in verschiedenen Frequenzbereichen erzeugen, die einzeln ausgewertet und überwacht werden können.
Claims
1. Verfahren zur Überwachung einer technischen Einrichtung (2) wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage, wobei die Ein- richtung (2) ein rotierendes Bauteil (3) und ein Lager (4) für dieses Bauteil aufweist,
wobei im Betrieb der Einrichtung (2)
akustische Emissionen der Einrichtung (2) in einem ersten Frequenzband (71) im Ultraschallbereich erfasst werden, - akustische Emissionen der Einrichtung (2) in einem zweiten Frequenzband (72) im Ultraschallbereich erfasst werden, wobei sich das erste Frequenzband (71) und das zweite Frequenzband (72) nicht überdecken,
wobei aus den akustischen Emissionen der Einrichtung (1) in dem ersten Frequenzband (71) zumindest ein Kennwert für den Zustand des Lagers (4) ermittelt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass aus den akustische Emissionen der Einrichtung (2) in dem zweiten Frequenzband (72) zumindest ein Kennwert für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung (2) ablaufenden Prozesses ermittelt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste Frequenzband (71) höher als das zweite Frequenzband (72) liegt, wobei vorzugsweise das erste Frequenzband (71) über 80 kHz liegt, insbesondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 90 kHz und 160 kHz erstreckt, und das zweite Frequenzband (72) vorzugsweise unter 80 kHz liegt, insbesondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 30 kHz und 80 kHz erstreckt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch einen Vergleich des zumindest einen Kennwerts für die Prozessgröße mit Referenzwerten für unterschiedliche Betriebszustände auf einen Betriebszustand eines der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zumindest eine Kennwert für die Prozessgröße bei der Ermittlung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers (4) berücksichtigt wird, insbesondere der Kennwert für den Zustand des Lagers (4) auf Plausibilität überprüft wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zusätzlich eine Temperatur des Lagers (4) erfasst und zumindest ein Kennwert für die Temperatur ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zumin- dest eine Kennwert für die Prozessgröße zur Plausibilisierung von Kennwerten aus einem Zustandsüberwachungssystems (42) des der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Prozessgröße der Fluss eines Schmiermittels durch die Einrichtung (2), insbesondere durch das Lager (4), ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein einziger
Sensor (11) sowohl für die Erfassung der akustischen Emissionen in dem ersten Frequenzband (71) als auch für die Erfassung der akustischen Emissionen in dem zweiten Frequenzband (72) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung (2) in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Kennwerte gesteuert und/oder geregelt wird.
10. Anordnung (1) zur Überwachung einer technischen Einrichtung (2) wie z.B. einer Maschine oder einer Anlage, wobei die
Einrichtung (2) ein rotierendes Bauteil (3) und ein Lager (4) für dieses Bauteil (3) aufweist, mit
einer Sensorvorrichtung (11) , die ausgebildet ist zur Erfassung von akustischen Emissionen der Einrichtung (2) in einem ersten Frequenzband und einem zweiten Frequenzband
(72) im Ultraschallbereich, wobei sich das erste Frequenzband (71) und das zweite Frequenzband (/2) nicht überdecken,
einer Auswertevorrichtung (20) mit einer ersten und einer zweiten Auswerteeinheit (21, 22), wobei die erste Auswerteeinheit (21) ausgebildet ist zur Ermittlung eines Kennwertes für den Zustand des Lagers (4) aus einem Sensorsignal der Sensorvorrichtung (10) in dem ersten Frequenzband (71) ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Auswerteeinheit (22) ausgebildet ist zur Ermittlung eines Kennwertes für eine Prozessgröße eines in der Einrichtung ablaufenden Prozesses aus einem Sensorsignal der Sensorvorrichtung (10) in dem zweiten Frequenzband (72) .
11. Anordnung (1) nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste Frequenzband (71) höher als das zweite Frequenzband (72) liegt, wobei vorzugsweise das erste Frequenzband (71) über 80 kHz liegt, insbe- sondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 90 kHz und 160 kHz erstreckt, und das zweite Frequenzband (72) vorzugsweise unter 80 kHz liegt, insbesondere sich über zumindest einen Teilbereich des Frequenzbandes zwischen 30 kHz und 80 kHz erstreckt.
12. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der zweiten Auswerteeinheit (22) Referenzwerte für unterschiedliche Betriebszustände für den zumindest einen Kennwert für die Prozessgröße gespeichert sind und dass die zweite Auswerteeinheit (22) derart ausgebildet ist, dass sie den zumindest einen ermittelten Kennwert mit diesen Referenzwerten ver-
gleicht, um auf einen Betriebszustand eines der Prozessgröße zugeordneten Teilprozesses zu schließen.
13. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auswertevorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass sie den zumindest einen Kennwert für die Prozessgröße bei der Ermittlung des zumindest einen Kennwertes für den Zustand des Lagers (4) berücksichtigt, insbesondere den Kennwert auf Plau- sibilität überprüft.
14. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sensorvorrichtung (10) einen einzigen Sensor (11) sowohl für die Erfassung der akustischen Emissionen im ersten Frequenzband
(71) als auch für die Erfassung der akustischen Emissionen im zweiten Frequenzband (72) , vorzugsweise auch einen Sensor (12) für die Erfassung einer Temperatur des Lagers (4), aufweist .
15. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Prozessgröße der Fluss eines Schmiermittels durch die Einrichtung (2), insbesondere durch das Lager (4), ist.
16. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auswertevorrichtung (20) eine Schnittstelle (8) zur Kommunikation mit einer Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung (41) der technischen Einrichtung (2), vorzugsweise auch zur Kommunikation mit einem Zustandsüberwachungssystem (42) für einen der Prozessgröße zugeordneten Teilprozess der technischen Einrichtung (2) aufweist.
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