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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles.
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Bei Maschinen und technischen Geräten hängt das Bereitstellen einer Funktionalität oftmals von einzelnen Bauelementen ab. Diese Bauelemente können jedoch Risse aufgrund von Verschleißerscheinungen, Materialermüdung sowie äußeren Krafteinwirkungen aufweisen. Ein Verschleiß der Bauelemente kann mittels mechanischer Beanspruchung des Bauelementes während einem regulären Betrieb der Maschine oder des technischen Gerätes hervorgerufen werden. Eine Materialermüdung bezeichnet einen typischer Weise langsam voranschreitenden Schädigungsprozess des Materials, aus dem das Bauelement geformt ist und/oder welches das Bauelement aufweist. Eine häufige Ursache für Materialermüdung eines Bauelementes ist z. B. eine Temperaturschwankung, welche auf das Bauelement einwirkt.
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Aufgrund einer auftretenden Rissbildung können Bauelemente funktionsuntüchtig sein oder geforderten Sicherheitsstandards nicht mehr entsprechen. Bezüglich einer sicherheitstechnischen Bewertung von Bauelementen, welche Risse aufweisen, ist eine Rissanalyse sowie eine Vorhersage eines Rissverhaltens notwendig. Typisch für ein Risswachstum ist ein langsames Wachstum des Risses zu Beginn des Risses und ein sehr schnelles Wachstum nach Überschreiten eines kritischen Rissparameters bzw. nach Überschreiten eines kritischen Rissparameterschwellwertes, was zu einem endgültigen Durchreißen des Bauelementes führt.
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Potentiell betroffene Bauteile werden während der Konstruktionsphase identifiziert. In der Betriebsphase werden regelmäßige Überprüfungen an diesen Bauteilen durchgeführt. Dazu werden die technischen Systeme oder Maschinen zerlegt und die betroffenen Teile freigelegt. Diese werden dann üblicherweise bekannten zerstörungsfreien Prüfungen unterzogen. Dazu gehören Ultraschallprüfung, Farbeindringprüfung, Durchstrahlung, Magnetpulverprüfung und Wirbelstromprüfung. So ist z. B. in der Europäischen Patentanmeldung
EP 2 103 932 A1 ein Ultraschallsystem zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung offenbart. Diese Überprüfungen finden in einem vorher festgelegten zeitlichen Raster statt und ermöglichen ggf. den rechtzeitigen Austausch eines gebrauchten Bauteils durch Neuteile.
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Die meisten Prüfverfahren haben den Nachteil, dass sie nicht während des Betriebs des Bauteils vorgenommen werden können. Dies bedeutet Maschinenruhezeiten oder sogar Stillstandszeiten für eine gesamte Anlage (z. B. Produktionsstraße). Stillstandszeiten für eine Maschine oder Anlage stellen aber Einbußen für den Betreiber dar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles, umfassend die folgenden Schritte:
- S1) Durchsetzen des zu prüfenden Bauteiles mit einem Magnetfeld, das von einer Induktionsspule erzeugt wird;
- S2) Erfassen von Magnetfeldern, die vom Bauteil durch darin induzierte Wirbelströme ausgehen, durch eine Sensorspule; und
- S3) Auswerten der erfassten Magnetfelder durch eine Auswerteeinheit. Das Bauteil wird während der Betriebsphase permanent überprüft, ohne dass der Betrieb unterbrochen oder eingeschränkt wird. Stillstandszeiten für eine Maschine oder eine Anlage werden vermieden. Der Wartungsaufwand technischer Systeme wird verringert. Bauteilversagen und -alterung können genauer und zuverlässiger prognostiziert werden, da die Datenerfassung und Datenauswertung permanent, systematisch und mit hoher zeitlicher Auflösung erfolgt. Bauteile können näher an ihre Alterungsgrenze heran genutzt werden und somit länger im Einsatz bleiben.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die durch die Sensorspule erfassten Magnetfelder durch einen Transientenrekorder in digitalisierter Form gespeichert werden. Dadurch ist es u. a. möglich auch über einen längeren Zeitraum (Überwachungs- oder Beobachtungszeitraum) Auswertungen vorzunehmen. Somit lassen sich z. B. auch erwartete Sollsignale zuverlässiger definieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Auswerteeinheit die erfassten Magnetfelder in Echtzeit auswertet. Dadurch kann sofort und situationsabhängig auf erkannte oder beginnende Risse oder Materialermüdungserscheinungen an einem Bauteil reagiert werden. Z. B. durch Einplanen eines Wartungsintervalls oder durch Änderung das Last an der betreffenden Maschine.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass von der Auswerteeinheit ein Alarm ausgelöst wird, wenn in den erfassten Magnetfeldern eine Abnormalität erkannt wird. Durch Information an das Bedienpersonal (z. B. Anlagenfahrer) kann dieses sofort und situationsabhängig auf erkannte oder beginnende Risse oder Materialermüdungserscheinungen an einem Bauteil reagieren und entsprechende Maßnahmen einleiten. Es kann z. B. ein Instandhaltungseinsatz zur näheren Untersuchung oder zum Austausch des Bauteils vorgenommen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt S3) „Auswerten der erfassten Magnetfelder durch eine Auswerteeinheit” folgende Schritte umfasst:
- c1) Erkennung von Umdrehungszyklen;
- c2) Auftragen der Sensorsignale über den Umdrehungszyklus und Abspeichern jeder einzelnen Umdrehung oder einer Auswahl davon zur Erzeugung von Umdrehungssignalen;
- c3) Vergleichen der Umdrehungssignale;
- c4) Erstellen und Aktualisieren von durchschnittlichen bzw. typischen Umdrehungssignalen. Durch einen computerunterstützten Merkmals- oder Mustervergleich (z. B. durch Methoden der statistischen und/oder strukturellen Mustererkennung) des erwarteten Sollsignals (Gutfall) mit dem erhaltenen Istsignal werden Veränderungen oder Abnormalitäten am Istsignal erkannt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt S3) „Auswerten der erfassten Magnetfelder durch eine Auswerteeinheit” folgende Schritte umfasst:
- c1) Fortlaufende Umwandlung des Zeitsignals in ein Frequenzspektrum, z. B. mittels eines FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transformation),
- c2) Vergleichen der Signalspektren,
- c3) Erstellen und Aktualisieren von durchschnittlichen bzw. typischen Signalspektren. Durch einen computerunterstützten Merkmals- oder Mustervergleich (z. B. durch Methoden der statistischen und/oder strukturellen Mustererkennung) des erwarteten Sollspektrums (Gutfall) mit dem erhaltenen Istspektrum werden Veränderungen oder Abnormalitäten am Istspektrum erkannt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt im Auslösen von Alarmen über eine Datenschnittstelle und/oder eine Bedienschnittstelle im Falle kurzfristiger Abweichungen des aktuellen Umdrehungssignal von einem typischen Umdrehungssignal oder des aktuellen Signalspektrums von einem typischen Signalspektrum. Alarmmeldungen können dadurch maschinell aufgezeichnet und/oder weitergeleitet werden, um z. B. an einem Leitstand eine entsprechende Meldung (z. B. Text- oder Bildnachricht) auf einem Monitor für das Bedienpersonal anzuzeigen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt im Auslösen von Meldungen über die Datenschnittstelle und/oder die Bedienschnittstelle im Falle der Annäherung des aktuellen Umdrehungssignals an zuvor festgelegte Referenzsignale bzw. Signalspektren, die auf ein Erreichen der Bauteillebensdauer bzw. auf eine kritische Bauteilalterung hindeuten. Dadurch kann bereits vor Eintreten eines Schadensfalles (z. B. Bauteilbruch) reagiert werden, z. B. durch Austauschen des betroffenen Bauteils, bevor der Bruch tatsächlich eintritt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass eine Sensorspule auch als Induktionsspule bzw. eine Induktionsspule auch als Sensorspule verwendet wird. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität, denn mehrere Spulen können sowohl als Induktionsspule als auch als Sensorspule verwendet werden. Zudem kann so die Anzahl der verwendeten Spulen minimiert werden. Im Extremfall enthält die Vorrichtung nur eine einzige Spule.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles. Die Vorrichtung enthält eine oder mehrere Spulen, die das Bauteil mit einem Magnetfeld durchsetzen sowie eine Wechselstromquelle zur Ansteuerung dieser Spulen. Weiterhin enthält sie eine oder mehrere Sensorspulen zur Erfassung der Magnetfelder, die vom Bauteil durch darin induzierte Wirbelströme ausgehen. Ein Transientenrekorder speichert die Signale der Sensorpulen in digitalisierter Form. Weiterhin ist eine Auswertungseinheit vorhanden, die die im Speicher abgelegten Signale unter Anwendung von Echtzeitalgorithmen auswertet. Optional beinhaltet die Vorrichtung eine Datenschnittstelle zu einem externen Datennetz und/oder eine Bedienschnittstelle für Bedienpersonal. Die Vorrichtung wird durch einen Computer (z. B. PC, Laptop) gesteuert mit Eingabe- (z. B. Tastatur, Maus) und Ausgabemittel (z. B. Drucker, Bildschirm) und entsprechender Software zur Steuerung der Vorrichtung und zur Auswertung der Signale.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Vorrichtung eine Signalweiche umfasst, die die im Bauteil induzierten Wirbelströme von einem Erregersignal trennt und an den Transientenrekorder weiterleitet. Eine Variante der Vorrichtung ergibt sich durch die gleichzeitige Nutzung einer oder mehrerer Spulen sowohl als Induktions- als auch als Sensorspule. Dazu enthält die Vorrichtung eine Signalweiche, die die im Bauteil induzierten Wirbelströme vom Erregersignal trennt und an den Transientenrekorder weiterleitet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung, und
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3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur In-Use-Überprüfung rotierender Bauteile vorgeschlagen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung V1. Das Bauteil BT1 wird während der Betriebsphase permanent überprüft, ohne dass der Betrieb unterbrochen oder eingeschränkt wird. Die Vorrichtung V1 enthält eine oder mehrere Induktionsspulen IS, die das Bauteil BT1 mit einem Magnetfeld durchsetzen sowie eine oder mehrere Wechselstromquellen WSQ zur Ansteuerung dieser Induktionsspulen IS. Weiterhin enthält die Vorrichtung V1 eine oder mehrere Sensorspulen SS zur Erfassung der Magnetfelder, die vom Bauteil BT1 durch darin induzierte Wirbelströme ausgehen. Ein Transientenrekorder TR speichert die Signale der Sensorpulen SS in digitalisierter Form. Weiterhin ist eine Auswertungseinheit AE vorhanden, die die im Speicher M1 (für erfasste Umdrehungssignale) abgelegten Signale unter Anwendung von Echtzeitalgorithmen (z. B. Algorithmen zur Muster- oder Merkmalserkennung) auswertet. Die Auswertung erfolgt durch einen Vergleich der erfassten Umdrehungssignale mit im Speicher M2 hinterlegten Referenzsignalen. Schließlich beinhaltet die Vorrichtung V1 eine Datenschnittstelle DS zu einem externen Datennetz (z. B. Internet, Intranet oder LAN) und/oder eine Bedienschnittstelle BE (z. B. ein Leitstand) für Bedienpersonal.
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Der permanent ablaufende Algorithmus der Auswerteeinheit AE umfasst folgende Funktionen:
- 1. Erkennung von Umdrehungszyklen.
- 2. Auftragen der Sensorsignale über den Umdrehungszyklus und Abspeichern jeder einzelnen Umdrehung oder einer Auswahl davon (”Umdrehungssignal”).
- 3. Vergleich von Umdrehungssignalen.
- 4. Erstellung und Aktualisierung von durchschnittlichen bzw. typischen Umdrehungssignalen.
- 5. Auslösen von Alarmen über die Datenschnittstelle DS und/oder die Bedienschnittstelle BE im Falle kurzfristiger Abweichungen des aktuellen Umdrehungssignals vom typischen Signal (Referenzsignal).
- 6. Auslösen von Meldungen über die Datenschnittstelle DS und/oder die Bedienschnittstelle BE im Falle der Annäherung des aktuellen Umdrehungssignals an zuvor festgelegte Referenzsignale, die auf ein Erreichen der Bauteillebensdauer bzw. auf eine kritische Bauteilalterung hindeuten. Es kann dann ein Instandhaltungseinsatz zur näheren Untersuchung oder zum Austausch des Bauteils BT1 vorgenommen werden. Eine Variante der Vorrichtung V1 ergibt sich durch die gleichzeitige Nutzung einer oder mehrerer Spulen sowohl als Induktions- als auch als Sensorspule. Dazu enthält die Vorrichtung V1 eine Signalweiche, die die im Bauteil BT1 induzierten Wirbelströme vom Erregersignal trennt und an den Transientenrekorder TR weiterleitet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können z. B. für Zahnräder in Großgetrieben oder für Räder in Bahnfahrzeugen verwendet werden.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens:
- – Der Wartungsaufwand technischer Systeme wird verringert, da Wartungseinsätze und die damit verbundenen Stillstände vermieden werden.
- – Bauteilversagen und -alterung können genauer und zuverlässiger prognostiziert werden, da die Datenerfassung und Datenauswertung permanent, systematisch und mit hoher zeitlicher Auflösung erfolgt.
- – Bauteile können näher an ihre Alterungsgrenze heran genutzt werden und somit länger im Einsatz bleiben.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung. In 2 ist dargestellt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung V2 vorteilhafter weise computerunterstützt verwendet wird. Die Vorrichtung V2 überwacht ein Bauteil BT2. Insbesondere die Analyse- und Auswertealgorithmen (Algorithmen zur Muster- und Merkmalserkennung) werden auf einem Computer C durch entsprechende Softwareprogramme ausgeführt. Der Computer C kann auch als Teil eines Leitstandes dienen und auf dem Bildschirm M können Alarmmeldungen für das Bedienpersonal ausgegeben werden. Die Vorrichtung V2 ist z. B. über eine Datenschnittstelle (kabelgebunden oder drahtlos (wireless)) mit dem Leitstand verbunden. Der Computer C kann z. B. ein Personal Computer (PC), eine Workstation, eine industrielle Steuerung (SPS) oder ein Laptop sein.
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3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles, umfassend die folgenden Schritte:
- – S1) Durchsetzen des zu prüfenden Bauteiles mit einem Magnetfeld, das von einer Induktionsspule erzeugt wird;
- – S2) Erfassen von Magnetfeldern, die vom Bauteil durch darin induzierte Wirbelströme ausgehen, durch eine Sensorspule; und
- – S3) Auswerten der erfassten Magnetfelder durch eine Auswerteeinheit. Der Schritt S3 umfasst folgende Unterschritte:
- – c1) Erkennung von Umdrehungszyklen;
- – c2) Auftragen der Sensorsignale über den Umdrehungszyklus und Abspeichern jeder einzelnen Umdrehung oder einer Auswahl davon zur Erzeugung von Umdrehungssignalen;
- – c3) Vergleichen der Umdrehungssignale;
- – c4) Erstellen und Aktualisieren von durchschnittlichen bzw. typischen Umdrehungssignalen.
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Optional kann das erfindungsgemäße Verfahren folgende weiteren Schritte umfassen:
- – c51) Auslösen von Alarmen über eine Datenschnittstelle und/oder eine Bedienschnittstelle im Falle kurzfristiger Abweichungen des aktuellen Umdrehungssignal von einem typischen Umdrehungssignal.
- – C52) Auslösen von Meldungen über die Datenschnittstelle und/oder die Bedienschnittstelle im Falle der Annäherung des aktuellen Umdrehungssignals an zuvor festgelegte Referenzsignale, die auf ein Erreichen der Bauteillebensdauer bzw. auf eine kritische Bauteilalterung hindeuten.
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Diese Schritte werden vorteilhafter weise computerunterstützt (z. B. auf einem PC oder einer industriellen Steuerung) ausgeführt. Die Auswerteeinheit AE ist vorteilhafter weise als Softwareprogramm implementiert.
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Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines sich im Betrieb befindlichen rotierenden Bauteiles Die Vorrichtung enthält u. a. eine oder mehrere Spulen, die das Bauteil mit einem Magnetfeld durchsetzen sowie eine Wechselstromquelle zur Ansteuerung dieser Spulen. Weiterhin enthält sie eine oder mehrere Sensorspulen zur Erfassung der Magnetfelder, die vom Bauteil durch darin induzierte Wirbelströme ausgehen. Ein Transientenrekorder speichert die Signale der Sensorpulen in digitalisierter Form. Weiterhin ist eine Auswertungseinheit vorhanden, die die im Speicher abgelegten Signale unter Anwendung von Echtzeitalgorithmen auswertet. Optional beinhaltet die Vorrichtung eine Datenschnittstelle zu einem externen Datennetz und/oder eine Bedienschnittstelle für Bedienpersonal.
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Bezugszeichen
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- BT1, BT2
- Bauteil
- SS
- Sensorspule
- IS
- Induktionsspule
- WSQ
- Wechselstromquelle
- TR
- Transientenrekorder
- M1, M2
- Speicher
- AE
- Auswerteeinheit
- DS
- Datenschnittstelle
- BE
- Bedieneinheit
- V1, V2
- Vorrichtung
- M
- Monitor
- C
- Computer
- S1–S3
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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