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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Untersuchen
von Lagerschäden und
insbesondere von Lagerschäden
in Wälzlagern. Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auf die unterschiedlichsten Wälzlagertypen, wie Kugellager,
Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager anwendbar.
Die zu untersuchenden Wälzlager können beispielsweise
in Elektromotoren, Eisenbahnradsätzen,
Getrieben, Papiermaschinenprüfständen und
dergleichen Anwendung finden.
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An
Wälzlagern
kann es infolge Abnutzung zu diversen Schäden kommen. Ein Beispiel für derartige Schäden sind
so genannte „Pittings", dass heißt Einkerbungen
des Innen- beziehungsweise Außenrings oder
der Wälzkörper. Daneben
können
auch flächige Schäden auftreten.
Da derartige „Pittings" beziehungsweise
Schäden
in Folge weiterer Benutzung sehr schnell zu einer rapiden Verschlechterung
des Wälzlagers
führen
können,
besteht ein Bedürfnis, derartige
Schäden
mit geeignetem Messverfahren zu untersuchen.
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Aus
dem Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Untersuchung von
Zuständen
eines Wälzlagers
bekannt.
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Ein
derartiges Diagnoseverfahren ist beispielsweise die so genannte
Hüllkurven-Analyse.
Dabei wird ein so genanntes Hüllkurvendemodulationssignal
(HKD-Signal) zur Beurteilung des Lagerzustandes ausgewertet. Die
Aufnahme derartiger Signale ist beispielsweise mit piezoelektrischen
Sensoreinrichtungen möglich,
die an das Lagergehäuse
geschraubt, geklebt oder per Magnethalter gehalten werden können.
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Mit
Hilfe der Hüllkurven-Analyse
können
beispielsweise periodische Stoßwiederholungen,
wie sie von „Pittings" in Wälzlagern
erzeugt werden, bereits in einem frühen Stadium detektiert und überwacht
werden und damit kann auf einem Schaden rückgeschlossen werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, zur Maschinendiagnose
auf die Bildung bzw. Auswertung von statistischen Kenngrößen, wie der
Kurtosis (d. h. des vierten Moments) zurückzugreifen.
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Bei
der Kurtosis handelt es sich um einen aus einer Vielzahl von üblicherweise
verwendeten statistischen Parameter für die Wälzlagerdiagnose. Die Kurtosis
hängt dabei
sehr stark von Auftreten einzelner Störeinflüsse ab. Genauer führt das
Auftreten vereinzelter Störungen
zu einer höheren
Kurtosis wie eine Vielzahl von Störungen, da die Kurtosis eines
Signals mit einer einzigen deutlichen Spitze sehr hoch ist. Bei
dem Betrieb von Wälzlagern
treten jedoch auch äußere Störungen wie
beispielsweise Schläge und
dergleichen auf, wodurch insbesondere die Kurtosis als Kenngröße erheblich
verfälscht
wird.
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Daher
gilt die Kurtosis bisher als nicht oder nur eingeschränkt verwertbare
Kenngröße bei der Wälzlagerdiagnose.
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Zur
Frequenzanalyse ist die genaue Kenntnis der Drehzahl erforderlich.
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Bei
anderen aus dem Stand der Technik bekannten Diagnoseverfahren ist
eine sehr hohe Rechenleistung erforderlich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Diagnoseverfahren
zur Verfügung
zu stellen, welches auch bei Auftreten externer Störungen,
das heißt
solcher Störungen,
die nicht im Zusammenhang mit einem Lagerschaden stehen, eine Beurteilung
des Lagerzustandes erlaubt. Damit soll eine Schadensdiagnose an
Wälzlagern
vereinfacht werden, bei denen andere als durch Lagerschäden verursachte
Schwingungen überlagert
sind. Daneben soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welches
ohne Kenntnis der genauen Drehzahl Schäden an einem Wälzlager
bzw. Radsatzlager anzeigt.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Untersuchen von Lagerschäden
mit Hilfe eines Hüllkurvendemodulations-(HKD)Signals
wird wenigstens eine für
das Auftreten von Lagerschäden charakteristische
stochastische Kenngröße aus dem Hüllkurvendemodulationssignal
ermittelt. Erfindungsgemäß wird die
charakteristische Kenngröße wiederholt
in mehreren vorgegebenen zeitlichen Intervallen ermittelt und diese
zeitlichen Intervalle sind kürzer
als der zeitliche Abstand zwischen externen Störungen.
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Damit
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zunächst
eine Hüllkurvendemodulation
vorgenommen.
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Unter
externen Störgrößen werden
solche Störungen
verstanden, die nicht durch Lagerschäden hervorgerufen, sondern
beispielsweise durch den Betrieb des Wälzlagers von außen verursacht
werden. Wie oben erwähnt,
ist die Kurtosis eines Signals mit einer einzigen deutlichen Spitze
sehr hoch. Diese externen Stöße erscheinen
jedoch wesentlich seltener als diejenigen Stöße, die durch eine Überrollung von „Pittings" durch Wälzkörper hervorgerufen
werden. Durch die Wahl eines entsprechend kleineren Intervalls können insbesondere
durch eine Mittelung über
eine Vielzahl in derartigen Intervallen ermittelter Kenngrößen einzelne
falsche Werte faktisch unterdrückt
werden. Anstelle einer Mittelung könnten jedoch auch in einem
weiteren Verfahrensschritt Intervalle mit extrem hoher Kurtosis
ausgesondert werden.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren
zum Untersuchen von Lagerschäden
mit Hilfe eines Hüllkurvendemodulations-Signals
wird wenigstens eine für
das Auftreten von Lagerschäden
charakteristische stochastische Kenngröße des Hüllkurvendemodulations-Signals
ermittelt. Dabei wird erfindungsgemäß die charakteristische Kenngröße wiederholt
in mehreren vorgegebenen zeitlichen Intervallen ermittelt, und in
einem weiteren Verfahrensschritt eine Mittelung über die Vielzahl von den in
der unterschiedlichen Intervallen ermittelten Kenngrößen durchgeführt. Durch
diese Mittelung können,
wie oben erwähnt,
externe Störungen,
die wesentlich seltener auftreten als durch Lagerschäden hervorgerufene
Störungen
bei der Berücksichtigung
insbesondere der Kurtosis besser unterdrückt werden. Auch durch dieses
Verfahren wird die Verwertbarkeit der Kurtosis als den Zustand des
Lagers beschreibende Kenngröße verbessert.
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Vorzugsweise
werden die zeitlichen Intervalle länger gewählt als die Überrollzeit
der einzelnen Wälzkörper, d.
h. der Überrollzeit
der einzelnen Wälzkörper über etwa
vorhandene Schäden
wie „Pittings". Diese Überrollzeit
der einzelnen Wälzkörper ergibt sich
aus der Umlaufzeit der einzelnen Wälzkörper dividiert durch die Anzahl
der Wälzkörper. Diese Überrollzeit
ist erheblich kürzer
als der mittlere zeitliche Abstand zwischen zwei externen Störungen.
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Für eine Aufnahme
der Lagerschäden
liegt, wie dargestellt, die Intervallgröße über der betreffenden Überrollzeit.
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Die
genannten externen Störungen
treten jedoch überall üblicherweise
nicht regulär
sondern statistisch auf. Daher wird vorzugsweise ein Zeitintervall gewählt, welches
erheblich geringer ist als der Mittelwert der zeitlichen Abstände zwischen
den einzelnen externen Störungen.
Für diese
Mittelwerte können auch
Erfahrungswerte zugrunde gelegt werden die beispielsweise das verwendete
Lager, dessen Einsatzgebiet und dergleichen berücksichtigen.
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Vorzugsweise
sind die zeitlichen Intervalle geringer als die Hälfte des
zeitlichen Abstandes zwischen den externen Störungen, wobei hier als zeitlicher
Abstand wiederum der Mittelwert oder Erwartungswert für diesen
zeitlichen Abstand zugrunde gelegt werden kann. Vorzugsweise übertreffen
die zeitlichen Intervalle die Überrollzeit
der einzelnen Wälzkörper um
mehr als das Dreifache und bevorzugt um mehr als das Vierfache.
Durch eine derartige Wahl der zeitlichen Intervalle ist eine besonders
günstige Auswertung
des Hüllkurvendemodulationssignals möglich, da
innerhalb des Intervalls wenigstens drei beziehungsweise vier durch
Lagerschäden
hervorgerufene Signaländerungen
auftreten.
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Vorzugsweise
sind die zeitlichen Intervalle kürzer
als die hundertfache Überrollzeit
und bevorzugt kürzer
als die vierzigfache Überrollzeit
und besonders bevorzugt kürzer
als die dreißigfache Überrollzeit.
Auf diese Weise kann die Auswertung des HKD-Signals verbessert werden,
da durch eine Aufnahme mehrerer Überrollzeiten
eine genauere Auswertung der Lagerschäden erfolgen kann. Damit ist eine
Aussage über
das Vorhandensein von Schäden und
ggf. auch die Höhe
der Schäden
möglich.
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Vorzugsweise
wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Mittelung über eine
Vielzahl von in unterschiedlichen Intervallen ermittelte Kenngrößen durchgeführt. Durch
diese Mittelung können,
wie oben erwähnt,
einzelne falsche d. h. nicht auf Schäden beruhende Werte unterdrückt werden.
Diese falschen Werte können
beispielsweise auf externen Stößen beruhen.
Wenn sich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Wahl eines
entsprechend längeren
Intervalls derartige externe Stöße stark
auf das Gesamtsignal auswirken, wirken sie sich bei der Wahl kurzer
Intervalle lediglich auf einzelne Intervalle aus und werden daher
bei der Mittelung unterdrückt. Dieses
Verfahren liefert bei einem Lager ohne mechanische Veränderungen
(beispielsweise Veränderungen
durch „Pittings") in etwa den zu
erwartenden Wert für
die Kurtosis von drei, das heißt
den Wert, der für
gleichverteiltes Rauschen zu erwarten ist. Ein Außenringpitting
kann zu Werten bis zu 60 für
die Kurtosis führen.
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Bevorzugt
ist die Mittelung aus einer Gruppe von Mittelungen ausgewählt, welche
arithmetische Mittelungen, geometrische Mittelungen, Integrale, Kombinationen
hieraus und dergleichen enthält.
Bevorzugt werden arithmetische Mittelungen verwendet.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren ist die Kenngröße die Kurtosis.
Wie eingangs erwähnt,
ist die Kurtosis einer der üblicherweise
bei den genannten Verfahren verwendeten statistischen Parameter.
Anstelle der Kurtosis könnte
jedoch beispielsweise auch der so genannte Crestfaktor ausgewertet
werden. Auch wäre
es möglich,
den so genannten Impulsfaktor (impulse factor) oder den Formfaktor
(shape factor) zu ermitteln.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren werden wenigstens zwei Intervalle
unterschiedlich gewichtet. So ist es beispielsweise möglich, Intervalle,
in denen besonders hohe Kenngrößenwerte
in Folge externer Stöße auftreten,
schwacher oder im Extremfall mit einem Faktor null zu gewichten,
also aus der Bewertung herausnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, Intervalle,
in denen externe Stöße aufgetreten
sind, zu unterdrücken,
um auf diese Weise das Messergebnis weiter zu verbessern.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren ist die Länge der zeitlichen Intervalle
veränderbar.
So kann die Länge
der zeitlichen Intervalle beispielsweise einheitlich auf die vorgegebene
Umlauffrequenz der Wälzkörper angepasst
werden. Die Länge
der Zeitintervalle muss jedoch bei der vorliegenden Erfindung nicht
sehr genau bestimmt werden, dass heißt, für diese Bestimmung des Zeitintervalls
können
drei Stufen der Wälzkörperumdrehung
wie „langsam", „mittel" und „schnell" ausreichen.
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Im
Gegensatz zur Frequenzanalyse ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch nicht die genaue Kenntnis der Drehzahl erforderlich, da die Auswertung
durch Mittelwertbildung unempfindlich gegenüber geringen Drehzahlschwankungen
ist. Unabhängig
von der jeweils aktuellen Drehzahl kann damit eine Aussage über den
jeweiligen Lagerzustand d. h. insbesondere das Vorhandensein von
Lagerschäden
wie Außenring – oder Innenring – Pittings
erfolgen.
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Vorzugsweise
werden alle Zeitintervalle im Wesentlichen gleich lang gewählt. Auf
diese Weise wird die Mittelung über
die einzelnen Intervalle vereinfacht. Es ist jedoch auch möglich, Intervalle
mit unterschiedlichen Längen
zu wählen
und insbesondere an Stellen des Signals, welche das Auftreten von
ersten Störungen
anzeigen, eine kürzere
Intervalllänge
zu wählen.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Computerprogramm zur
Durchführung
eines Verfahrens der oben beschriebenen Art gerichtet.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 einen
Verlauf der Kurtosis bei einer Intervallgröße von 4 Sekunden; und
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2 einen
Verlauf der Kurtosis bei einer Intervallgröße von 0,2 Sekunden.
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Die 1 und 2 zeigen
die Kurtosis K, die über
einen Zeitraum von 50 Sekunden aus dem HKD-Signal ermittelt wurde.
Dabei liegen sowohl 1 als auch 2 die
gleichen Mess- bzw. Rohdaten zugrunde.
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Im
Falle von 1 wurden jeweils zeitliche Intervalle
von 4 Sekunden und in 2 zeitliche Intervalle von 0,2
Sekunden zugrunde gelegt. In beiden Darstellungen wurde je Sekunde
ein Messwert ausgegeben, wobei jeweils (gleitende) arithmetische
Mittelwerte gebildet wurden.
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Die
Bezugszeichen 3a, 3b und 3c kennzeichnen
die Kurtosis an solchen Stellen, an denen jeweils externe Störungen auftreten.
Man erkennt, dass im Fall von 1 in diesem
Bereich Maximalwerte der Kurtosis von 27 auftreten. In 2,
d. h. der Darstellung, die die Verwendung größerer Zeitintervalle von 4
Sekunden zeigt, treten Werte der Kurtosis im Bereich von 140 auf.
Der sehr hohe Spitzenwert 4 sowohl in 1 als
auch in 2 ist auf Messungsartefakte
zurückzuführen, die
bei sehr geringen Wälzlagerumdrehungen
auftreten können.
Bei diesen sehr langsamen Drehungen können keine vernünftigen
Werte mehr ausgegeben werden.
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Der
zeitliche Abstand zwischen den durch externe Störungen bzw. Stöße hervorgerufenen
Spitzen liegt, wie Eingangs erwähnt,
im Bereich von etwa 4 Sekunden. Durch die in 2 gezeigte
Wahl von 4 Sekunden als Intervalllänge können derartige Spitzen nicht
zufrieden stellend unterdrückt
werden und liefern daher für
die Kurtosis sehr hohe Werte bis 140. Dagegen wird durch die Wahl
kurzer Intervalle von hier 0,2 Sekunden erreicht, dass durch eine
Mittelung über
eine Vielzahl solcher Werte – im
folgenden Falle wird jeweils über
50 Werte gemittelt – die Werte
für die
Kurtosis gemindert werden können. Gleichzeitig
werden jedoch die durch Schäden
des Lagers verursachten Veränderungen
der Kurtosis erfasst, da deren zeitlicher Abstand deutlich unter
0,2 Sekunden liegt. Im Falle einer Überrollfrequenz von 70Hz würde sich
ein zeitlicher Abstand von 0,014 Sekunden zwischen den durch Schäden verursachten Stößen ergeben.
Mit einem zeitlichen Intervall von 0,2 Sekunden könnten daher
14 Stöße pro Intervall aufgenommen
werden.
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Daher
sind Werte von 0,2 Sekunden für
die Intervallgrößen noch
groß genug,
um eine Vielzahl von Überrollungen
einzelner Wälzkörper über einen Schaden
aufnehmen zu können.
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Damit
wird aus den 1 und 2 sehr deutlich,
dass durch die erfindungsgemäße Wahl
kurzer Intervalle und die entsprechende Mittelwertbildung die gemessenen
Signale auch besonders günstig
im Hinblick auf die Kurtosis ausgewertet werden können.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- K
- Kurtosis
- t
- Zeit
- 3a,
3b, 3c
- Kurtosis
K an Stellen mit externer Störung
- 4
- Spitzenwert