DE2610551A1

DE2610551A1 - Elektronisches ueberwachungsgeraet

Info

Publication number: DE2610551A1
Application number: DE19762610551
Authority: DE
Inventors: David Dyer; Trevor Hedley Wilmshurst
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-12
Publication date: 1976-09-23
Also published as: IT1057732B; SE418228B; AU499720B2; FR2331097B1; JPS51117089A; FR2331097A1; DE2610551C2; US4089055A; CA1079390A; BE839555A; NL7602652A; SE7602948L; ZA761274B; AU1170676A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2610551 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 12. MäTZ I976

Unser Zeichen: I5 448 -

British Steel Corporation

35 Grosvenor Place, London, S.W.I., England

Elektronisches Überwachungsgerät

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Überwachungsgeräte, Insbesondere, aber nicht ausschließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät und auf Verfahren zur elektronischen Überwachung des Zustande von Maschinenanlagen und anderen Gegenständen, die normalerweise stationäre statistische Signale aussenden. Die elektronische Überwachung des Zustandes der Maschine macht es möglich zu verhindern, daß solche Maschinen mit unentdeckten Fehlern weiterarbeiten, so daß diese Fehler schließlich zu einem Ausfall der Maschine führen. So können beispielsweise durch Überwachung und Analyse des mechanischen Vibrationsmusters während des Betriebes Fehler beispielsweise in Lagern festgestellt werden und es kann relativ frühzeitig eine Reparatur erfolgen und es kann eine weitere Beschädigung der Maschinenanlage verhindert werden, wodurch auch die Wartungskosten verringert werden können.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist die Vorrichtung zur elektronischen Überwachung des Zustandes eines Gegenstandes, der normalerweise stationäre statistische Signale aussendet, Mittel auf, um elektrische Signale zu erzeugen, die den

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emittierten Signalen entsprechen und Mittel vorgesehen sind, die die elektrischen Signale empfangen und aus diesen ihren Kurtosis-Koeffizienten berechnen, wobei Mittel vorgesehen sind, um vorbestimmte Änderungen dieses Koeffizienten festzustellen und eine Anzeige des Zustandes des Objektes zu liefern.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Gerät zur automatischen Berechnung des Kurtosis-Koeffizienten eines Analogsignales Mittel auf, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, daß proportional dem Analogsignal ist, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, um dieses Signal gegenüber seinem Effektivwert zu normalisieren und Mittel vorhanden sind, um das normalisierte Signal zu quadrieren und das normalisierte quadrierte Signal nochmals zu quadrieren, wobei ein Integrator zeitlich dieses quadrierte normalisierte quadrierte Signal integriert, um ein Ausgangssignal zu liefern, das dem Kurtosis-Wert des ursprünglichen Analogsignals proportional ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Verfahren der elektronischen Überwachung des Zustandes eines Gegenstandes, der normalerweise stationäre statistische Signale aussendet in der Weise durchgeführt, daß elektrische Signale in einem oder mehreren Frequenzbändern erzeugt werden, die den ausgesandten Signalen entsprechen, daß über eine Zeitdauer die Kurtosis-Koeffizienten dieser Signale bestimmt werden, und daß Änderungen in diesem Koeffizienten festgestellt werden, um eine Anzeige des Zustandes des Gegenstandes zu liefern.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Verfahren zur automatischen Berechnung des Kurtosis-Koeffizienten eines Analogssignals in der Weise durchgeführt, daß ein elektrisches Signal proportional zu dem Analogsignal erzeugt wird, daß dieses Signal gegenüber dem Effektivwert normalisiert wird, daß das quadrierte und normalisierte Signal nochmiLLs quadriert

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wird und daß dieses Signal dann nach der Zeit integriert wird, um ein Ausgangssignal zu liefern, das proportional dem Kurtosis-Wert des ursprünglichen Analogsignals ist.

Die Kurtosis-Koeffizienten können gleichzeitig oder aufeinanderfolgend aus Signalen bestimmt werden, die den Schwingungen zweier oder mehrerer Frequenzbänder entsprechen, um eine Anzeige des Ausmaßes irgendeiner Beschädigung zu liefern, die bei der Maschine aufgetreten ist. Die Erfindung ist insbesondere nützlich zur Überwachung des Zustandes der Rollberührungslager unter Benutzung elektrischer Signale, die den mechanischen Vibrationen entsprechen, welche durch diese Lager in Betrieb erzeugt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes einer Maschine in der Weise ausgebildet, daß Mittel vorgesehen sind, um elektrische Signale in einem oder mehreren Frequenzbändern zu erzeugen, die den mechanischen Vibrationen entsprechen, die bei der Maschine auftreten, wenn diese läuft, daß Mittel vorgesehen sind, um jedes Signal gegenüber dem Effektivwert zu normalisieren und daß Mittel vorgesehen sind, um die Zeitdauer festzustellen, in der das normalisierte Signal über einem vorbestimmten Wert liegt um eine Anzeige des Zustandes der Maschine zu liefern.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die elektronische Überwachungseinrichtung in der Weise ausgebildet, daß Mittel vorgesehen sind um Signale von einer äußeren Quelle zu empfänger^ daß Mittel vorgesehen sind, um elektrische Signale zu erzeugen, die diesen empfangenen Signalen entsprechen und daß Mittel vorgesehen sind, um daraus ihre Kurtosis-Koeffizienten zu berechnen.

Der Kurtosis-Koeffizient ist ein statistischer Parameter, der

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definiert ist als das normalisierte vierte Moment, und wie folgt ausgedrückt werden kann:

- 4 (x(t) - χ ) dt

- 2 \2 (x(t) - x) dt

Dabei ist χ (t) eine Vibration oder eine andere analoge Zeitfunktion

χ ist der Mittelwert von x(t)

T ist die Versuchszeit

t ist der Augenblickswert.

Bei einem unbeschädigten Lager haben die Kurtosis-Koeffizienten der mechanischen Schwingungen,die am Lagergehäuse beobachtet werden, über ein breites Frequenzband den Wert 5, unabhängig von der Belastung der Drehzahl und von außen her eingeführten Schwingungen, unter der Annahme diese entsprechend einer Gaus'sehen Verteilung.

Wenn ein Lagerschaden auftritt, ändert sich der Charakter der mechanischen Schwingungen und dies wird durch Erhöhung des Kurtosis-Koeffizienten im Niederfrequenzbereich angezeigt. Eine erhöhte Beschädigung des Lagers führt zu einem Ansteigen der Kurtosis-Koeffizienten bei höheren Frequenzen, während bei niedriger Frequenz der Wert auf j5 zurückfällt, d.h. auf den Wert des unbeschädigten Lagers. Auf diese Weise kann durch Überprüfung des jeweiligen Kurtosis-Koeffizienten in verschiedenen Frequenzbändern nicht nur das Auftreten einer Beschädigung erkannt werden, sondern es kann auch das Ausmaß abgeschätzt

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werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild von Einzelheiten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Analog-Überwachungsgerätesj

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dig-^ital-Überwachungsgerätes.

Figur 1 zeigt einen elektronischen Wandler mit Signalaufbereitungseinrichtung 1, z.B. einen Beschleunigungsmesser, der am Gehäuse eines zu überwachenden Lagers angeordnet und mit einem Ladungsverstärker und Bandpaßfiltern gekuppelt ist, um ein Ausgangssignal χ zu erzeugen, welches die mechanischen Schwingungen repräsentiert, die in den verschiedenen Frequenzbändern am Lagergehäuse auftreten. Die den Schwingungen in diesen verschiedenen Frequenzbändern entsprechenden Signale durchlaufen nacheinander eine Multiplizierstufe 2, die ein Produktsignal Ax liefert, wobei A ein Verstärkungsfaktor ist, der umgekehrt proportional dem quadratischen Mittelwert von χ ist.

Das Produktsignal Ax wird einer Quadrierstufe 3 zugeführt, und das quadrierte Signal AX durchläuft sowohl eine Integrierstufe 4, als auch eine zweite Quadrierstufe 5. Im Integrator 4 wird das mittlere quadratische Signal Ax gleich K gesetzt, wobei eine Spannungseinstellung über einen Stellwiderstand 6 erfolgt, um einen Ausgang zu liefern, der die Verstärkung der Multiplizierstufe 2 gemäß dem Wert

^A- f

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steuert. Dieser Wert ist selbst invers proportional zu dem Effektivwert von x. Durch dieses Verfahren wird demgemäß der Wert des Signales χ gegenüber dem eigenen Effektivwert normalisiert.

Wie erwähnt, repräsentieren die von der Quadrierstufe 3 ausgehenden Signale den normalisierten Effektivwert von x, i.e.

A χ gelangt nach der Quadrierstufe 5 und dann an einen Integrator 7, um ein Ausgangssignal zu liefern, das dem normalisierten fünften Moment oder dem Kurtosis-Koeffizienten des Eingangssignales χ entspricht.

Der dynamische Bereich und die Genauigkeit des beschriebenen Gerätes wird durch die Spannung K bestimmt, die über den Stellwiderstand 6 eingestellt wird. Wenn das Verhältnis zwischen Maximalwert und Effektivwert des Signals χ groß wird, dann kann eine augenblickliche Sättigung der Quadrierstufen

3 und 5 auftreten. Wenn die Zeitdauer,während der eine solche Sättigung auftritt, übermäßig groß wird, dann wird die Genauigkeit der Messung des Kurtosis-Koeffizienten schwerwiegend beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, ist eine Schwellwertstufe 8 vorgesehen, die wie in der Zeichnung voll ausgezogen dargestellt ist, Ausgangssignale von der Quadrierstufe 3 erhält, und diese mit einer vorbestimmten Schwellwertspannung P vergleicht, die durch einen zweiten Stellwiderstand 9 geliefert wird. Normalerweise wird diese Schwellwertspannung auf einen Wert eingestellt, der knapp unter dem Sättigungswert der Quadrierstufe 3 liegt. Der Ausgang der Stufe 8 entspricht dann der Zeitdauer, mit der das normalisierte quadrierte Signal den Sättigungspegel der Quadrierstufe 3 übersteigt, und demgemäß eine Anzeige der Genauigkeit der laufenden Messung des Kurtosis-Koeffizienten liefert. Wie durch den strichlierten Pfeil in Figur 1 angegeben, kann die Schwellwertstufe 8 stattdessen auch Signale von der Quadrierstufe 5 empfangen, und

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einen Ausgang liefern, der der Zeit entspricht, mit der das Signal den Sättigungswert der Quadrierstufe 5 überschreitet, was wiederum eine Anzeige der Genauigkeit des gemessenen Kurtosis-Koeffizienten bewirkt. Der Wert der Schwellwertspannung kann durch Einstellung des Widerstandes 9 geändert werden.

Die Ausgangssignale des Integrators 7 und der Schwellwertstufe 8 werden einem Monitor 10, z.B. einem proportional geeichten Voltmeter zugeführt, um eine visuelle Anzeige des Strom-Kurtosis-Koeffizienten für mechanische Schwingungen zu liefern, die am Lagergehäuse in verschiedenen Frequenzbändern gemessen werden, und um die Zeit anzuzeigen, während der das Gerät bei Überlast betrieben wurde.

Im folgenden wird auf Figur 2 der Zeichnung Bezug genommen, wobei einander entsprechende Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen wurden. Ein Beschleunigungsmesser 1, der am Gehäuse des zu überwachenden Lagers angeordnet ist, ist mit einem Ladungsverstärker 12 gekuppelt, um ein Spannungsausgangssignal χ zu erzeugen, das den mechanischen Vibrationen entspricht, die am Lagergehäuse abgenommen werden. Die Signale χ gelangen nach einem multiplizierenden Dig^ital-Analogwandler 13* der ein Ausgangssignal x/E liefert, wobei E ein Verstärkungsfaktor ist, der proportional dem Effektivwert von χ ist.

Dieses Produktsignal x/E wird einer Reihe von Bandpaßfiltern

14 zugeführt, in denen das erforderliche Frequenzband für das Signal ausgewählt wird. Das Ausgangssignal der Filter 14 wird einem Analog-Dig-^ital-Wandler 15 zugeführt, in dem es in einen Zahlenwert umgewandelt wird. Der Wandler 15 weist eine Sampling-Steuerlogik auf. Das Dig-rLtalsignal vom Wandler

15 wird einer Dig-rital-Verarbeitungsstufe 16 zugeführt, die den Verstärkungsfaktor E proportional zum Effektivwert des

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Signals χ berechnet, und den Verstärkungsfaktor dem Wandler 13 liefert. Außerdem steuert die Verarbeitungsstufe 16 die Wahl des Frequenzbandes für das Signal innerhalb der Filtergruppe 14 und liefert ein Ausgangssignal B, welches dem normalisierten vierten Moment oder dem Kurtosis-Koeffizienten des Eingangssignales entspricht. Dieser Ausgang kann auf einem Monitor 10 dargestellt werden. Die Behandlungsstufe 16 kann außerdem Ausgangssignale liefern, die anderen statistischen Momenten, z.B. dem Spitzenwert und der Standardabweichung entsprechen.

Bei einem Versuch, der mit einem Überwachungsgerät durchgeführt wurde, das dem oben beschriebenen Gerät glich und welches durchgeführt wurde, um die Bedingung rollender Berührungslager in einer Prüfmaschine zu überwachen, wurden elektrische Signale in zwei oder mehreren Frequenzbändern aufeinanderfolgend von einem Beschleunigungsmesser, der am Lagergehäuse angebracht war, einem Überwachungsgerät zugeführt, um eine Messung des Kurtosis-Koeffizienten der Signale in jedem Frequenzband zu liefern. Bei unbeschädigten Lagern ergab sich der Kurtosis-Koeffizient für die Signale in jedem Frequenzband mit einem Wert von etwa 3· Beim Auftreten einer Beschädigung im Lager stieg der Kurtosis-Koeffizient für die Signale in den unteren Frequenzbändern der Größe nach an, während der Koeffizient für die Signale in den höheren Frequenzbändern etwa gleich blieb. Mit dem Anwachsen der Beschädigung in den Lagern verminderte sich der Wert des Koeffizienten für die Signale in den unteren Frequenzbändern auf etwa 3, während der Wert für Signale in den höheren Frequenzbändern anstieg.

Ein typisches Überwachungsgerät, welches für Werkzeugmaschinen Anwendung finden kann, weist einen Wandler und eine zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung auf, und dieser Wandler ist auf der zu überwachenden Maschine angeordnet und über geeignete

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Verstärker mit einer Reihe von Bandpaßfiltern verbunden, von denen der Ausgang der in den Zeichnungen dargestellten Schaltung zugeführt wird. Das System kann mit einer geeigneten Quelle für statistisches Rauschen geeicht werden.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform wird das Ausgangssignal der Schwellwertstufe 8 allein als Anzeige der Bedingung der Maschine benutzt. Wenn das System auf diese V/eise benutzt wird, dann kann die Signalquelle für die Stufe 8 von einer Quadrierstufe 3 oder einer Quadrierstufe 5 oder einer Multiplizierstufe 2 herrühren.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Überwachung der Bedingungen bei Rollberührungslagern beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch auf anderen Gebieten Anwendung finden, wo es erforderlich ist, Signale statistisch zu klassifizieren, die einer Gaus'sehen Verteilerbedingung entsprechen oder auch einer Nicht-Gaus¹sehen Bedingung.

So könnte beispielsweise das vorgeschriebene Gerät benutzt werden, um den Kurtosis-Koeffizienten von Signalen zu bestimmen, die aus Hydrophonen Einrichtungen oder von Wandlern, die auf Bohrplattformen oder in Rohrleitungen angeordnet sind. Außerdem kann das Gerät benutzt werden, um eine Kavitationsbildung in einer hydraulischen Anlage anzuzeigen, und um den Beginn einer Beschädigung der Räder einer Maschinenanlage zu kennzeichnen.

Patentansprüche; 609839/0775

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. \ Verfahren zur elektronischen Überwachung des

~ ' Zustandes eines Gegenstandes,der normalerweise statistische,stationäre Signale emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Signale in einem oder mehreren Frequenzbändern erzeugt werden, die die emittierten Signale repräsentieren, daß über eine Zeitdauer der Kurtosis-Koeffizient bestimmt wird, um eine Anzeige des Zustandes des Gegenstandes zu liefern.

2. Verfahren zur automatischen Berechnung des Kurtosis-Koeffizienten aus einem Analog-Signal nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches dem Analog-Signal proportional ist, daß dieses Signal gegenüber seinem Effektivwert normalisiert wird, daß das normalisierte quadrierte Signal quadriert wird, und daß dieses Signal zeitlich integriert wird,, um einen Ausgang zu liefern, der proportional dem Kurtosis-Wert des ursprünglichen Analog-Signals ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurtosis-Koeffizienten gleichzeitig oder aufeinanderfolgend aus elektrischen Signalen bestimmt werden, die den elektrischen Signalen in zwei oder mehreren Frequenzbändern entsprechen.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen a bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale Schwingungen anzeigen, die während des Betriebs der Maschine auftreten.

5. Verfahren nach Anspruch 5*
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale mechanische Schwingungen repräsentieren, die durch RoIlberührungslager der Maschine erzeugt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler(1)elektrische Signale erzeugt, die den emittierten Signalen entsprechen, daß ein Computer (3··7) die elektrischen Signale empfängt und aus diesen ihren Kurtosis-Koeffizienten berechnet, und daß ein Detektor (10) vorgesehen ist, der vorbestimmte Abweichungen dieses Koeffizienten feststellt, um eine Anzeige des Zustandes eines Gegenstandes zu liefern.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Berechnung des Kurtosis-Koeffizienten aus einem Analog-Signal nach den Ansprüchen 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (1) ein elektrisches Signal (x) erzeugt, welches dem Analog-Signal proportional ist, daß. eine Stufe · (4) vorgesehen ist, um dieses Signal gegenüber seinem Effektivwert zu normalisieren, daß eine Einrichtung (3) das normalisierte Signal quadriert, daß eine Einrichtung (5) das normalisierte

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quadrierte Signal nochmals quadriert, und daß ein Integrator (7) dieses Signal zeitlich integriert, um ein Ausgangssignal zu liefern, das dem Kurtosis-Wert des ursprünglichen Analog-Signals proportional ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (16) vorgesehen sind, um das elektrische Signal, das dem Analog-Signal proportional ist, in ein Digital-Signal umzuwandeln.

9· Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichne ti daß Mittel (8) vorgesehen sind, um den Zeitanteil zu bestimmen, in dem der Wert des normalisierten quadrierten Signales oder der Wert des quadrierten normalisierten Quadratsignals über dem Sättigungspegel der betreffenden Quadrierstufe liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9*
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (6) vorgesehen sind, um den dynamischen Bereich zu ändern und das Austreten von Sättigungserscheinungen in der Quadrierstufe zu vermindern.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Normalisierung des proportionalen elektronischen Signals gegenüber seinem Effektivwert, die Mittel zur Quadrierung dieses normalisierten Signals, die Mittel zur Quadrierung des normalisierten Quadratsignals und die Mittel zur Integration dieses Signales eine Schaltung in einem Mikroprozessor (16) aufweisen.

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12. Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes einer Maschine,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um elektrische Signale in einem oder mehreren Frequenzbändern zu erzeugen, die den mechanischen Schwingungen entsprechen, die im Betrieb bei der Maschine auftreten, daß Mittel vorgesehen sind, um jedes Signal gegenüber dem Effektivwert zu normalisieren, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Zeitdauer festzustellen, während der das normalisierte Signal über einem vorbestimmten Wert liegt, um eine Anzeige der Bedirgmg der Maschine zu liefern.

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