DE4032299A1 - Verfahren und einrichtung zum ueberwachen eines drehbaren bauteiles - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum ueberwachen eines drehbaren bauteiles

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines dreh­ baren Bauteiles, insbesondere einer Rotorwelle, wobei der Schwingweg des Bauteiles in radialer Richtung zum Bauteil und die Drehlage des Bauteils zeitabhängig gemessen werden und der Schwingweg in seine Drehzahlharmonischen zerlegt wird, wobei für mindestens eine Drehzahlharmonische die Phasenverschiebung zwischen dem Maximum der Drehzahlharmonischen und einer be­ stimmten Drehlage des Bauteiles und die Amplitude der Drehzahl­ harmonischen bestimmt werden, und aus Amplitude und Phasenver­ schiebung ein Vektor definiert wird, wobei ein Referenzvektor für das Bauteil im fehlerfreien Zustand und ein Vektor im aktu­ ellen Zustand des Bauteiles gebildet werden.
Ein Verfahren zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles ist aus dem Aufsatz von Bently Nevada "Shaft Crack Detection Methodology" bekannt. Dieses bekannte Verfahren sieht vor, daß ein Referenz­ vektor - gemessen am zu überwachenden Bauteil im fehlerfreien Zustand - in einem Amplituden-Phasen-Diagramm dargestellt wird. Im gleichen Diagramm werden dann Vektoren dargestellt, die am Bauteil im aktuellen Zustand bestimmt worden sind. Die Vektoren beschreiben Drehzahlharmonische der Schwingung des Bauteils. Drehzahlharmonische sind Frequenzkomponenten der Drehfrequenz oder vielfache davon. Ob das Bauteil fehlerhaft ist, wird da­ durch ermittelt, daß Referenzvektor und Vektor im aktuellen Zustand des zu überwachenden Bauteiles direkt miteinander ver­ glichen werden. Dazu ist um die Spitze des Referenzvektors eine Akzeptanzregion angeordnet. Diese ist begrenzt durch jeweils eine obere und eine untere Schranke für die Amplitude und für die Phase. Falls die Spitze des Vektors im aktuellen Zustand des zu überwachenden Bauteiles in dieser Akzeptanzregion liegt, wird angenommen, daß das Bauteil fehlerlos ist. Liegt jedoch die Spitze des Vektors außerhalb der Akzeptanzregion, ist von einem Fehler am Bauteil auszugehen und das Bauteil muß über­ prüft werden. Eine Überprüfung, ob die Spitze eines Vektors im aktuellen Zustand in einer bestimmten Region liegt, ist sehr aufwendig. Sie bedarf vieler Vergleichs- und Rechenschritte.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles anzugeben, das schnell und zuverlässig einen Vergleich zwischen Referenzvektor und Vektor im aktuellen Zustand des zu überwachenden Bauteiles ermöglicht und daher genauso schnell erkennen läßt, ob das Bauteil fehler­ haft ist. Darüber hinaus lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles anzu­ geben, die ebenfalls mit einfachen Mitteln schnell und zuver­ lässig arbeitet.
Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst, daß aus dem Vektor des Bauteiles im aktuellen Zustand und dem Referenzvektor ein Differenzvektor gebildet wird, daß der Betrag dieses Differenzvektors mit einem Schwellwert ver­ glichen wird, und daß bei Überschreitung des Schwellwertes ein Signal abgegeben wird.
Je nach Art der Schwingungsänderung kann der Vektor im aktuellen Zustand größer oder kleiner als der Referenzvektor sein. Seine Große ist daher kein Maß für eine aufgetretene Änderung im Schwingungsverhalten und damit im Zustand des Bauteiles.
Der gemäß der Erfindung gebildete Differenzvektor nimmt mit größer werdendem Riß zu. Sein Anfangswert (Referenzzustand) ist Null.
Mit der Erfindung wird daher der Vorteil erzielt, daß ein ein­ facher Schwellwertvergleich mit einem konstanten Schwellwert ausreicht, um eindeutig bestimmen zu können, ob die Schwingungs­ änderung am Bauteil einen Toleranzbereich übersteigt und damit eine mechanische Veränderung wie z. B. ein Wellenriß vorliegen kann. Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß mit einfachen technischen Mitteln ein Signal erzeugt werden kann, falls ein Riß oder ein anderer Fehler ein zuvor bestimmtes Ausmaß übersteigt.
Beispielsweise werden für eine ausgewählte Drehzahlharmonische nacheinander bestimmte Differenzvektoren in einem Polarkoordi­ natensystem dargestellt und die Vektorspitzen werden mitein­ ander verbunden. Auf diese Weise erhält man eine Kurve im Polarkoordinatensystem. Diese Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Vektors im jeweils aktuellen Zustand bis hin zum Erreichen des Schwellwertes an. Damit wird der Vorteil erzielt, daß nicht nur das Erreichen des Schwellwertes festzustellen ist, sondern darüber hinaus ein Hinweis auf die Entwicklung hin zur Schwellwertüberschreitung gegeben werden kann, was Rückschlüsse auf die Schadensentwicklung zuläßt.
Beispielsweise werden für die ersten drei Drehzahlharmonischen jeweils die Differenzvektoren gebildet. Damit wird der Vorteil erzielt, daß die erkannten Fehler auch klassifiziert werden können. So ergibt eine Untersuchung gemäß der Erfindung mit der ersten Drehzahlharmonischen, d. h. mit dem drehfrequenten Anteil der Schwingung, einen Hinweis auf eine zu große Unwucht des dreh­ baren Bauteiles. Die zweite und dritte Drehzahlharmonische geben Hinweise auf einen Riß, eine Zwängung oder auf ein zu großes Spiel des drehbaren Bauteiles.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß ein drehbares Bauteil mit einfachen Mitteln schnell und zuverlässig überwacht werden kann.
Die zweite gestellte Aufgabe eine Einrichtung zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles, insbesondere einer Rotorwelle, anzu­ geben, wobei mit dem Bauteil eine erste Aufnahmevorrichtung für die Drehlage des Bauteiles und eine zweite Aufnahmevor­ richtung für den Schwingweg des Bauteils in radialer Richtung zum Bauteil verbunden sind, und wobei die zweite Aufnahmevor­ richtung mit einem FFT-Glied (Fast-Fouriertransformation-Glied) verbunden ist, mit dem die erste Aufnahmevorrichtung über eine Triggerleitung verbunden ist, so daß am Ausgang des FFT-Gliedes die Amplitude einer Drehzahlharmonischen und die Phasenverschie­ bung zwischen Drehlage und Maximum der Drehzahlharmonischen ansteht, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das FFT­ Glied über eine Steuereinheit mit einem Referenzspeicher zur Aufnahme eines Referenzvektors für das Bauteil im fehlerfreien Zustand verbunden ist, daß die Steuereinheit zum Überwachen des Bauteiles im aktuellen Zustand direkt mit einem Subtrahierglied verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Referenzspeicher verbunden ist, und daß der Ausgang des Subtrahiergliedes mit einem Komparator verbunden ist, an dessen zweitem Eingang ein Schwellwert anliegt und dessen Ausgang mit einer Anzeigeeinrich­ tung verbunden ist. Das FFT-Glied (Fast-Fourier-Transformations­ Glied) dient dazu, die radiale Schwingung des Bauteiles, die mit der zweiten Aufnahmevorrichtung registriert worden ist, einer Fourier-Analyse zu unterziehen. Dabei werden Drehzahl­ harmonische der Schwingung bereitgestellt. Mit der ersten Auf­ nahmevorrichtung wird die Drehlage, das heißt, die Position des drehbaren Bauteiles im Raum, bestimmt. Dazu kann eine Markierung auf dem drehbaren Bauteil dienen, die von der fest positionierten ersten Aufnahmevorrichtung erkannt wird. Über die Triggerleitung wird dem FFT-Glied die Drehlage des drehbaren Sauteiles mitgeteilt. Im FFT-Glied wird einerseits die Amplitude der Drehzahlharmo­ nischen der mit der zweiten Aufnahmevorrichtung registrierten Schwingung festgehalten und andererseits die Phasenverschiebung zwischen dem Impuls des Drehlagensignals der ersten Aufnahme­ vorrichtung und dem nächsten Maximum der Drehzahlharmonischen.
Mit dem Ausgang des FFT-Gliedes ist eine Steuereinheit ver­ bunden, die die Wertepaare aus Amplitude und Phasenverschie­ bung aufnimmt. Dort wird aus den Wertepaaren ein Vektor gebil­ det. Falls sich das Bauteil in einem fehlerfreien Zustand be­ findet, der beispielsweise beim Betriebsbeginn vorliegt, wird der dann bestimmte Vektor als Referenzvektor einem Referenz­ speicher zugeführt. Von einem später im aktuellen Zustand be­ stimmten Vektor wird dieser Referenzvektor subtrahiert. Dazu dient das Subtrahierglied. Die Differenz wird mit einem Schwell­ wert in einem Komparator verglichen, dem eine Anzeigeeinrichtung nachgeschaltet sein kann.
Mit dieser Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß ein Fehler am drehbaren Bauteil, beispielsweise ein Riß, eine Zwängung, eine Spielvergrößerung oder eine Un­ wuchtänderung, mit einfachen Mitteln schnell und zuverlässig zu erkennen ist.
Mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß man nicht ein Umfeld um die Spitze eines Referenzvektors überwachen muß, was nur schwer möglich ist. Vielmehr wird vorteilhafterweise mit einfachen Mitteln nur ein Betrag eines Vektors mit einem Schwellwert verglichen. Es müssen also keine Vektoren miteinander verglichen werden. Trotzdem erzielt man schnell und zuverlässig eine Aussage über den Zustand des zu überwachenden Bauteiles.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein drehbares Bauteil mit zugeordneten Auf­ nahmevorrichtungen.
Fig. 2 zeigt aufgenommene und umgeformte Signale, sowie Am­ plitude und Phasenverschiebung.
Fig. 3 zeigt Vektoren in einem Amplituden-Phasen-Polardia­ gramm.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Abfolge von Differenzvektoren.
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zum Überwachen des drehbaren Bauteiles.
Ein drehbares Bauteil 1 nach Fig. 1, das um eine Drehachse 2 mit der Drehzahl n drehbar ist, weist am Rand eine Bezugsmarke 3 auf. Diese Bezugsmarke 3 kann beispielsweise ein Stahlplättchen sein. Der Bezugsmarke 3 zugeordnet befindet sich neben dem dreh­ baren Bauteil 1 eine erste Aufnahmevorrichtung 4 für die Dreh­ lage des Bauteiles 1. Dem drehbaren Bauteil 1 ist außerdem eine zweite Aufnahmevorrichtung 5 für den Schwingweg des Bauteiles 1 in radialer Richtung zugeordnet.
Die zweite Aufnahmevorrichtung 5 liefert ein Gesamtsignal 6 nach Fig. 2. A steht für Amplitude und t für Zeit. Dieses Gesamtsig­ nal 6 wird einer Fourier-Analyse unterzogen. Dadurch erhält man Drehzahlharmonische 7, 8. wenn n die Drehzahl und fn die Dreh­ frequenz ist, dann wird die i-te Drehzahlharmonische mit ixfn bezeichnet. Die erste Drehzahlharmonische 7 entsprechend 1xfn und die zweite Drehzahlharmonische 8 entsprechend 2xfn sind in Fig. 2 bei gleicher Zeitachse dargestellt. Die erste Aufnahmevorrichtung 4 gibt nach jeder Umdrehung des drehbaren Bauteiles 1 ein Signal ab. Man erhält so eine Signalfolge 9 gemäß Fig. 2, die dort auf der gleichen Zeitachse wie die Drehzahlharmonischen 7 und 8 dargestellt ist. Zur Überwachung des drehbaren Bauteiles 1 wird beispielsweise für die erste Drehzahlharmonische 7 die Amplitude 10 (Höhe des Maximums) bestimmt. Außerdem wird die Phasenverschiebung 11 zwischen dem ersten Signal der Signalfolge 9 und dem darauf folgenden Maximum der ersten Drehzahlharmonischen 7 bestimmt. Die Amplitude 10 und die Phasenverschiebung 11 bilden einen Vektor V, R. Ent­ sprechend kann ein Vektor V, R auch mit der zweiten Drehzahl­ harmonischen 8 aus einer Amplitude 12 und einer Phasenverschie­ bung 13 bestimmt werden.
Bei Messungen an einem Bauteil 1 im fehlerfreien Zustand er­ hält man einen Referenzvektor R nach Fig. 3. Spätere Messungen im aktuellen Zustand des Bauteiles 1 ergeben Vektoren V. Diese Vektoren R, V sind in Fig. 3 in einem Polarkoordinatensystem dargestellt. Dabei ist die Phasenverschiebung 11, 13 als Winkel und die Amplitude 10, 12 als Länge aufgetragen. Bei einem be­ kannten Verfahren zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles 1 wird untersucht, ob der Vektor V in einem Umfeld (Akzeptanzregion) U endet, das so festgelegt ist, daß es die Spitze des Referenz­ vektors R mit Fehlerbreiten für Amplitude und Phasenverschie­ bung umgibt. Diese Untersuchung entfällt beim Verfahren gemäß der Erfindung. Danach wird nämlich ein Differenzvektor D aus dem Vektor V und dem Referenzvektor R gebildet. Die Größe dieses Differenzvektors D, bzw. sein Betrag, können mit einfachen Mitteln mit einem Schwellwert S verglichen werden.
Dazu können nacheinander ermittelte Differenzvektoren D gemäß Fig. 4 in einem weiteren Polarkoordinatensystem dargestellt werden. Der Schwellwert S ist dabei als Schwellwert-Kreis 14 dargestellt. Der Schwellwert S wird überschritten, wenn ein Differenzvektor D den Kreis mit Radius S überschreitet. Eine Verbindungslinie 15 der Spitzen mehrerer Differenzvektoren D ist geeignet, einen Hinweis auf Veränderungen des drehbaren Bauteiles 1 zu geben.
Eine Einrichtung zum Überwachen des drehbaren Bauteiles 1 nach Fig. 1 sieht gemäß Fig. 5 beispielsweise vor, daß die zweite Aufnahmevorrichtung 5 für das Gesamtsignal 6 mit einem FFT (Fast-Fourier-Transformation-Glied) 16 verbunden ist. Dort werden Drehzahlharmonische 7, 8 des Gesamtsignales 6 gebildet.
Die erste Aufnahmevorrichtung 4 steht mit dem FFT-Glied 16 über eine Triggerleitung 17 in Verbindung. Dadurch ist es möglich, im FFT-Glied 16 Amplitude 10, 12 und Phasenverschiebung 11, 13 einer Drehzahlharmonischen 7, 8 zu bestimmen. Eine dem FFT-Glied 16 nachgeschaltete Steuereinheit 18 bildet aus den Wertepaaren für Amplitude und Phasenverschiebung 10, 11; 12, 13 Vektoren R, V. Sie führt einen im fehlerfreien Zustand des drehbaren Bauteiles 1 bestimmten Referenzvektor R einem Referenzspeicher 19 zu. Ein später im aktuellen Zustand des drehbaren Bauteiles 1 bestimmter Vektor V wird von der Steuereinheit 18 direkt einem nachgeschal­ teten Subtrahierglied 20 zugeleitet, dessen zweiter Eingang mit dem Referenzspeicher 19 verbunden ist. Am Ausgang des Subtrahier­ gliedes 20 steht also die Differenz von Vektor V und Referenz­ vektor R als Differenzvektor D an. Der Ausgang des Subtrahier­ gliedes 20 ist mit einem Komparator 21 verbunden, dessen anderer Eingang mit einem Schwellwert S belegt ist. Falls der Differenz­ vektor D, bzw. sein Betrag, den Schwellwert S überschreitet, steht am Ausgang des Komparators 21 ein Signal an, das einer An­ zeigeeinrichtung 22 Zugeleitet wird. Mit dem Verfahren und der Einrichtung zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles 1 nach der Erfindung können Fehler am Bauteil 1 schnell und zuverlässig erkannt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles (11), insbesondere einer Rotorwelle, wobei der Schwingweg des Bau­ teiles (1) in radialer Richtung zum Bauteil (1) und die Dreh­ lage des Bauteils (1) zeitabhängig gemessen werden und der Schwingweg in seine Drehzahlharmonischen (7, 8) zerlegt wird, wobei für mindestens eine Drehzahlharmonische (7, 8) die Phasen­ verschiebung (11, 13) zwischen dem Maximum der Drehzahlharmo­ nischen (7, 8) und einer bestimmten Drehlage des Bauteiles (1) und die Amplitude (10, 12) der Drehzahlharmonischen (7, 8) be­ stimmt werden und aus Amplitude (10, 12) und Phasenverschiebung (11, 13) ein Vektor (V, R) definiert wird, wobei ein Referenz­ vektor (R) für das Bauteil (1) im fehlerfreien Zustand und ein Vektor (V) im aktuellen Zustand des Bauteiles (1) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Vektor (V) des Bauteiles (1) im aktuellen Zustand und dem Referenzvektor (R) ein Differenzvektor (D) gebildet wird, daß der Betrag dieses Differenzvektors (D) mit einem Schwellwert (S) verglichen wird, und daß bei Überschreitung des Schwell­ wertes (S) ein Signal abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine aus­ gewählte Drehzahlharmonische (7, 8) nacheinander bestimmte Differenzvektoren (D) in einem Polarkoordinatensystem darge­ stellt und die Vektorspitzen verbunden werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die ersten drei Drehzahlharmonischen die Phasenverschiebungen (11, 13) und die Amplituden (10, 12) bestimmt werden.
4. Einrichtung zum Überwachen eines drehbaren Bauteiles (1), insbesondere einer Rotorwelle, wobei mit dem Bauteil (1) eine erste Aufnahmevorrichtung (4) für die Drehlage des Bauteiles (1) und eine zweite Aufnahmevorrichtung (5) für den Schwingweg des Bauteiles (1) in radialer Richtung zum Bauteil (1) verbunden sind, und wobei die zweite Aufnahmevorrichtung (5) mit einem FFT-Glied (16) verbunden ist, mit dem die erste Aufnahmevor­ richtung (4) über eine Triggerleitung (17) verbunden ist, so daß am Ausgang des FFT-Gliedes (16) die Amplitude (10, 12) einer Drehzahlharmonischen (7, 8) und die Phasenverschiebung (11, 13) zwischen Drehlage des Bauteiles (1) und Maximum der Drehzahlharmonischen (7, 8) als Vektor (V, R) ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß das FFT-Glied (16) über eine Steuereinheit (18) mit einem Referenzspeicher (19) zur Aufnahme eines Referenzvektors (R) für das Bauteil (1) im fehlerfreien Zustand verbunden ist, daß die Steuereinheit (18) zum Überwachen des Bauteiles (1) im aktuellen Zustand direkt mit einem Subtrahierglied (20) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Referenzspeicher (19) verbunden ist, und daß der Ausgang des Subtrahiergliedes (20) mit einem Komparator (21) verbunden ist, an dessen zweitem Eingang ein Schwellwert (S) anliegt, und dessen Ausgang mit einer Anzeigeeinrichtung (22) verbunden ist.
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