DE19902326A1 - Verfahren zur Schadensfrüherkennung von rotierenden Maschinen - Google Patents

Abstract

Die Schadensfrüherkennung von rotierenden Maschinen erfolgt durch Analyse des emittierten Schalls für akute Veränderungen der Maschine. Dabei werden die mit ihren reziproken Varianz gewichteten Ordnungspegel summiert, mit einem FIR-Filter geglättet und daraus ein Änderungsmaß berechnet. Sofern das somit bestimmte Änderungsmaß einen vorzugebenden Wert übersteigt, wird dies als Schaden erkannt. Das Verfahren arbeitet grundsätzlich maschinenunabhängig und kann bei Kenntnis von Maschinenparametern und Maschinenzuständen besonders sensitiv eingesetzt werden. Die Überwachungsaufgabe kann auf einzelne Maschinenkomponenten bezogen werden.

Description

Rotierende Maschinen im Sinne dieser Beschreibung sind Maschinen, die neben fest stehenden Teilen auch rotierende Teile wie z. B. Zahnräder, Lager und Wellen enthal­ ten. Besondere Bedeutung haben hierbei Fahrzeuggetriebe, Elektro- und Verbren­ nungsmotoren, Turbinen sowie Prüfstände für diese Aggregate.

Rotierende Teile emittieren Schwingungen und Geräusche. Die geeignete Auswertung dieser akustischen Meßgrößen liefert Informationen zum Zustand des Prüflings.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von signifikan­ ten, akut auftretenden Veränderungen im akustischen Verhalten des Prüfaufbaus be­ stehend aus Prüfstand und Prüfling, welche auf ein aufgetretenes Schadensereignis rückschließen lassen.

Es sind verschiedene Verfahren zur Maschinenüberwachung und Schadenserkennung wie Risse, Abnutzung, Materialermüdung in einem frühen Stadium bekannt. Hierzu werden maschinenspezifische Meßgrößen wie z. B. Schwingungen und Geräusche aus­ gewertet, sofern sich der entstehende Schaden in diesen Meßgrößen abbildet.

Aus DE 38 12 474 ist eine Einrichtung zur Überwachung von Wälzlagern bekannt, die durch eine fehlerspezifische Frequenzanalyse der akustische Signale des Wälzlagers und dem Vergleich mit einem korrespondierenden Referenzwert die Schadensbeurtei­ lung durchführt.

Ein Verfahren unter Verzicht auf eine Referenz wird in DE 32 45 505 vorgeschlagen. Hier werden Schallsignale im hoch- bzw. tieffrequenten Bereich mittels zwei entspre­ chend angeordneten Sensoren erfaßt und zu einer Größe verarbeitet, deren Anstieg zu überwachen ist. Gemäß DE ist dieses Verfahren zur Überwachung von Wälzlagern, Ge­ trieben und Turbinenanlagen vorgesehen.

Aus DE 195 45 008 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die eine Über­ wachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenver­ änderungen durch permanenten Vergleich aktueller statistischer Kennwerte mit Refe­ renzwerten ermöglichen. Die wesentlichen Unterschiede dieser DE mit dem hier vor­ geschlagenen Verfahren liegen in den eingesetzten mathematischen Analysemethoden, der Bildung eines gleitenden Referenzwertes (im vorgeschlagenen Verfahren) zur Elimi­ nierung des Einflusses zulässiger Zustandsänderungen und der fehlenden Möglichkeit (in der genannten DE) zur Erhöhung der Sensitivität des Verfahrens durch Ausnutzung der a-priori Kenntnissen über mögliche Betriebszustände.

Im Gegensatz zu DE 195 45 008 werden im hier beschriebenen Verfahren statisti­ sche Kenngrößen, welche aus dem Ordnungsspektrum berechnet werden, nicht direkt zur Klassifikation herangezogen. Vielmehr werden die spektralen Signalanteile mit Hilfe von statistischen Kenngrößen konditioniert. Diese Konditionierung hat zur Folge, daß das Verfahren selektiv gegenüber sehr kleinen Änderungen des Prüfobjekts wird, wel­ che nicht dem normalen Verhalten entsprechen. Änderungen des Prüfobjekts, die für das normale Verhalten des Prüflings charakteristisch sind, werden hingegen unter­ drückt. Die normalen Änderungen dürfen dabei wesentlich größere Werte annehmen als die zu detektierenden Änderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das universell einsetzbar ist und ohne die Bereitstellung von Referenzwer­ ten arbeiten kann. Das Verfahren kann somit zur Überwachung von Prüflingen heran­ gezogen werden, über deren normales Verhalten zum Beginn der Überwachung noch keine gesicherten Kenntnisse vorliegen. Weiterhin können Fehlerzustände detektiert werden, die vormals noch nie aufgetreten waren, sofern diese eine Änderung der ver­ wendeten Meßgrößen bewirken.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Un­ teransprüchen 2 bis 7 angegeben. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Erfindungsgemäß werden akustische Signale der rotierenden Maschine sowie die Dreh­ zahl einer Bezugskomponente der Maschine, z. B. die Drehzahl der Antriebswelle, auf­ gezeichnet, digitalisiert und nach der im folgenden beschriebenen Signalverarbei­ tungsmethode analysiert.

Die Bestimmung der spektralen Komponenten der akustischen Signale erfolgt lücken­ los durch Verwendung der bekannten Ordnungsanalyse. Ein Verfahren zur Ordnungs­ analyse, das auf digitalem Resampling aufsetzt, ist in Groppe, Jonuscheit, Strama, Thomä: "Ordnungsanalyse", Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung, MESSCOMP 1996, expert Verlag, 1996, beschrieben. Zur Bereitstellung einer erwartungswerttreuen Schätzung des Ordnungsspektrums werden geeignete Algorithmen verwendet. Aus den Ordnungsspektren werden die Ordnungspegel C(µ, nt_a) als Verlauf der einzelnen Ordnungen über der Zeit nt_a bestimmt. Dabei entspricht t_a der Analysezeitdauer, über die ein Ordnungsspektrum berechnet wird. Die Variable n beschreibt den Zeit­ punkt der Analyse in diskreten Schritten von t_a. Der Index µ bezeichnet die betrach­ tete Linie des Ordnungsspektrums. Fig. 1 zeigt fünf ausgewählte Ordnungspegelver­ läufe, wie sie sich vor einem realen Schadensereignis dargestellt haben.

Die statistischen Kenngrößen linearer Mittelwert m_l(µ,nt_a), quadratischer Mittelwert m_q(µ, nt_a) und Varianz ν(µ, nt_a) jedes einzelnen Ordnungspegels C(µ, nt_a) werden ent­ sprechend Formel (I) gleitend ermittelt.

m_l(µ, nt_a) = k₁m_l(µ,(n-1)t_a) + k₂C(µ, nt_a),k₀ +k₂ = 1 (1a)

m_q(µ, nt_a) = k₁m_q(µ,(n-1)t_a) + k₂C(µ, nt_a)² ,k₁ + k₂ = 1 (Ib)

ν(µ, nt_a) = m_q(µ, nt_a) - m_l(µ, nt_a)² (Ic)

Der betreffende Ordnungspegel wird zentriert und mit einem aus der aktuellen Varianz ermittelten Faktor in der Form entsprechend Formel (II) gewichtet, daß Ordnungspe­ gelverläufe mit hoher Varianz wenig und solche mit niedriger Varianz stark in das Klas­ sifikationsergebnis eingehen.

C_ν(µ, nt_a) = (C(µ, nt_a) - m_l(µ,(n-1)t_a))/(ν(µ(n-1)t_a)+k), k = 0 . . . 1 (II)

Einerseits werden durch diese Wichtung Änderungen der Ordnungspegel, welche für den normalen Zustand des Prüfobjekts charakteristisch sind, unterdrückt. Anderer­ seits werden selbst minimale Pegeländerungen, welche für den normalen Lauf unty­ pisch sind, "verstärkt" und können das Klassifikationsergebnis signifikant beeinflussen.

Aus den zentrierten und gewichteten Ordnungspegeln C_ν ( µ, nt_a) wird mit Hilfe der Vorschrift nach Gleichung (III) eine Kenngrößen A(nt_a) berechnet, welche das Verhalten des Prüfobjekts über der Zeit repräsentieren.

M₁, M₂ repräsentieren den Ordnungsspektralbereich, der für die Analyse herangezo­ gen wird.

Fig. 2 gibt einen varianzgewichteten Ordnungssummenpegel A(nt_a) wieder, wie er sich vor einem realen Schadensereignis dargestellt hat.

Diese Kenngrößen ermöglichen die Detektion verschiedener Fehlerzustände. Plötzliche Änderungen der Kenngrößen lassen auf akute Änderungen des Prüflings schließen. Un­ ter Verwendung von Gleichung (IV) wird aus der Kenngröße A(nt_a) ein Merkmal λ(nt_a) berechnet, welches die sprunghaften Änderungen des Prüfobjekts anzeigt.

λ(nt_a) = A_s(nt_a)/A_s((n-1)t_a) (IV)

Zur Reduzierung des Einflusses aus Alterung und natürlichem Verschleiß des Prüfob­ jekts wird der varianzgewichtete Ordnungssummenpegel vor Anwendung der Vorschrift nach Gleichung (IV) mittels digitalem FIR-Filter gemäß Gleichung (IV) geglättet.

Fig. 3 zeigt das somit ermittelte Änderungsmaß λ für den varianzgewichteten Ord­ nungssummenpegel, wie er sich vor einem realen Schadensereignis dargestellt hat.

Das vorgeschlagene Verfahren kann für beliebige rotierende Maschinen ohne jegliche konstruktiven Vorkenntnisse eingesetzt werden. Wird die Überwachung einer Maschi­ ne eingerichtet, so sind Akustik-Sensoren, z. B. Körperschallaufnehmer und Mikropho­ ne, an den Maschinen geeignet anzubringen.

Zu Beginn einer Überwachungsaufgabe werden die akustischen Signale in oben be­ schriebener Weise analysiert. Das Adaptionsmaß Θ, welches gemäß (VIa) und (VIb) berechnet wird, stellt sich dabei automatisch in einer "Adaptionsphase" auf einen Be­ zugswert ein.

Die Dauer der Adaptionsphase ist grundsätzlich abhängig vom zu überwachenden Ma­ schinentyp, da das Anlaufverhalten der Maschine, bis stationäre Betriebsbedingungen erreicht sind, großen Einfluß auf die Varianz der Ordnungen haben kann. Das vorge­ schlagene Verfahren überwacht die Entwicklung des Adaptionsmaßes Θ, und sobald Θ über eine Zeitdauer T = lt_a unter einer festzulegenden Schwelle liegt, gilt die Adap­ tionsphase als beendet und die Überwachungsphase beginnt automatisch.

Überschreitet das Änderungsmaß λ in der Überwachungsphase einen extern vorzuge­ benden, auf Erfahrung beruhenden Schwellwert, so ist ein Schadensfall erkannt wor­ den.

Überschreitet das Adaptionsmaß Θ in der Überwachungsphase einen vorzugebenden, auf Erfahrung beruhenden Schwellwert, so wird λ als nicht aussagekräftig bewertet, da das System sich auf das veränderte Verhalten des Prüflings adaptieren muß.

Konstruktive Kenntnisse über die Maschine können genutzt werden, um z. B. Signal­ bandbreite und Ordnungsauflösung für eine vorteilhafte meßtechnische Umsetzung des Verfahrens festzusetzen.

Eine mehrkanalige Realisierung des Verfahrens kann durch die konstruktive Beschaf­ fenheit des Prüfobjekts sinnvoll sein, um auftretende Fehler im Sensorsignal besser zu erfassen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens berücksichtigt die endliche Zahl von Betriebszuständen, in denen die Überwachung erfolgt. Das Prinzip dabei ist, daß für jeden Betriebszustand B_i der Maschine ein Änderungsmaß λ_i bestimmt wird, das beim Erstanlauf des Betriebszustandes B_i in einer Adaptionsphase eingestellt wird.

Eine spezielle Ausführung ist, daß die zu unterscheidenden Betriebszustände an feste Drehzahlbereiche gekoppelt sind. Der maximale Drehzahlbereich d_max der zu überwa­ chenden Maschine wird dabei in I festzulegende Drehzahlintervalle aufgeteilt, wobei die Drehzahlintervalle sich auch überlappen oder auch lückenhaft aneinandergereiht sein dürfen. Das vorgeschlagene Verfahren ermittelt für jedes Drehzahlintervall D_i ein Änderungsmaß λ_i , das beim Erstanlauf des Drehzahlintervalls in einer Adaptionsphase eingestellt wird.

Der Vorteil dieses Vorgehens liegt in der erhöhten Sensitivität des Verfahrens, da bei der Bestimmung des Änderungsmaßes λ verschiedene Betriebszustände (und damit unterstellterweise unterschiedliches akustisches Verhalten) unterschieden werden, die nicht mit einer Schädigung der Maschine im Bezug stehen; λ_i wird insgesamt "glatteren" Verlauf haben. Die Adaptionsphasen für wiederholt auftretende Betriebs­ zustände bzw. Drehzahlintervalle können verkürzt werden, wenn das letztmalige Auf­ treten des betreffenden Betriebszustandes B_i bzw. Drehzahlintervalls D_i nicht länger als die Zeitdauer T_Bi bzw. T_Di zurückliegt und der "alte" varianzgewichtete Ordnungs­ summenpegel A_si((n-1)t_a) noch als Referenz zur Berechnung von λ_i angenommen werden kann. Die Zeitdauer T_Bi für die I Betriebszustände sind durch Erfahrungswer­ te festzusetzen. Fig. 4 verdeutlicht das Prinzip zur Einteilung des maximalen Dreh­ zahlbereichs in Drehzahlintervalle und den zugehörigen Adaptions- und Überwachungs­ phasen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens berücksichtigt, daß von bestimmten zu überwachenden Komponenten des Prüfobjekts determinierte, a-priori bekannte Ord­ nungsspektralanteile emittiert werden. Zur sensitiven Überwachung der einzelnen Komponenten einer rotierenden Maschine unabhängig voneinander können für mehrere Sätze von Ordnungslinien M_j jeweils ein Änderungsmaß λ_j ermittelt werden. Unter Berücksichtigung verschiedener Betriebszustände B_i bzw. Drehzahlbereiche D_i be­ deutet dies, daß in allen Betriebszuständen B_i bzw. Drehzahlbereichen D_i für jedes M_j ein Änderungsmaß λ_ij berechnet wird, das beim Erstanlauf des Betriebszustandes B_i bzw. Drehzahlintervalls D_i in einer Adaptionsphase eingestellt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Schadensfrüherkennung von rotierenden Maschinen durch Aus­ wertung ihres emittierten Schalls und Bearbeitung des Schallsignals mittels Ord­ nungsanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Änderungsmaß λ ermittelt und gegen einen vorzugebenden Schwellwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur sensitiven Über­ wachung einzelner Maschinenkomponenten unabhängig voneinander für mehrere Sätze von Ordnungslinien M_j jeweils ein Änderungsmaß λ ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine mehrkanalige Anordnung die konstruktiven Eigenschaften der zu überwachenden Ma­ schine insofern besser berücksichtigt werden, als daß die Sensoren näher am mögli­ chen Fehlerort sind und damit der akustische Einfluß des Fehlers im Schallsignal ver­ stärkt enthalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Be­ triebszustand B_i der Maschine ein Änderungsmaß λ_ij bestimmt und ein zugehöriger Schwellwert vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptionsphase für wiederholt erreichte Betriebszustände B_i entfällt, indem der "alten" betriebszu­ standspezifische, varianzgewichtete Ordnungssummenpegel A_si((n-1)t_a) als Referenz zur Berechnung von λ_ij weiterverwendet wird. Dies gilt, sofern das wiederholte An­ laufen des Betriebszustands B_i nicht später als eine vorzugebende Zeitdauer T_Bi er­ folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Drehzahlbereich der Maschine in Drehzahlintervalle unterteilt wird, und für jedes Drehzahlintervall D_i ein Änderungsmaß λ_ij bestimmt und ein zugehöriger Referenz­ wert vorgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptionsphase für wiederholt erreichte Drehzahlintervalle D_i entfällt, indem der "alten" betriebszu­ standspezifische, varianzgewichtete Ordnungssummenpegel A_si((n-1)t_a) als Referenz zur Berechnung von weiterverwendet wird. Dies gilt, sofern das wiederholte An­ laufen des Drehzahlintervalls D_i nicht später als eine vorzugebende Zeitdauer T_Di er­ folgt.