DE3930689A1 - Analysator des schwingungsspektrums einer rotierenden maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Prüfungen von Maschinen- oder Baukonstruktionen auf Schwingungs- und Stoßbelastungen und betrifft insbesondere einen Analysator des Schwingungsspektrums rotierender Maschinen.

Die Erfindung kann in der Kraftfahrzeug-, Flugzeugindustrie und im Landmaschinenbau für eine Untersuchung und Diagnostik von Schwingungen bei Rotationsmaschinen und -motoren verwendet werden. Die Erfindung kann auch in der elektrotechnischen Industrie für eine Untersuchung von Elektroantrieben, im Werkzeugmaschinen- und Investitionsbau für eine Untersuchung des Einflusses der Arbeit von schweren Werkzeugmaschinen auf Baufundamente und -körper, im Schiffbau für ein Auswuchten von Triebwerken, für eine Verringerung des Geräusch- und Schwingungspegels verwendet werden.

Es ist ein Analysator eines Schwingungsspektrums (SU, A, 8 34 579) bekannt, der einen Schwingungsheber, einen Mischer, ein umstimmbares Filter, ein Registriergerät und eine Steuereinheit enthält. Der erste Eingang des Mischers ist mit dem Ausgang des Schwingungsgebers verbunden, während der Ausgang des Mischers an den Eingang des umstimmbaren Filters angeschlossen ist. Der Ausgang des umstimmbaren Filters ist mit dem Eingang des Registriergeräts gekoppelt. Der Spektralanalysator enthält auch einen Überlagerer, einen Drehzahlgeber, einen proportionalen und einen differentialen Frequenz-Spannung- Wandler, einen Summator. Der Ausgang des Überlagerers ist mit dem zweiten Eingang des Mischers verbunden und der Eingang des Überlagerers an den Ausgang des Drehzahlgebers und an die Eingänge des proportionalen und des differentialen Frequenz-Spannung-Wandlers gekoppelt. Die Ausgänge eines jeden der Frequenz-Spannung-Umformer sind mit den Eingängen des Summators verbunden. Der Ausgang des Summators ist mit dem zweiten Eingang des Registriergeräts und mit dem Eingang der Steuereinheit gekoppelt. Der Ausgang der Steuereinheit ist an den Steuereingang des umstimmbaren Filters angelegt.

Der bekannte Analysator des Schwingungsspektrums weist keine hohe Sicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums auf, weil der Vorgang der Analyse eine lange Zeit dauert und keine gleichzeitige schmalbandige Spektralanalyse einer breitbandigen Schwingung in der Echtzeit gewährleistet und also keine erschöpfende Information für einen eindeutigen Aufschluß über die Ergebnisse der Analyse des Schwingungsspektrums gibt.

Es ist ein Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine (S. M. Doroshko "Kontrol i diagnostirovanie tekhnicheskogo sostoyania gazoturbinnykh dvigatelei po vibratsionnym parametram"/"Kontrolle und Diagnose des technischen Zustandes von Gasturbinentriebwerken nach Schwingungsparametern"/, 1984, Verlag "Transport", Moskau, S. 75) bekannt, der einen Zerhackerumformer, der mit einem Tiefpaßfilter verbunden ist, das k hintereinandergeschaltete aktive Glieder aufweist, deren jedes Operationsverstärker und frequenzbestimmende RC- Kreise umfaßt, einen Analog-Digital-Wandler, dessen Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters gekoppelt ist, einen Rechner, ein Registriergerät, wobei der erste Eingang des Rechners mit dem Ausgang des Analog-Digital- Wandlers und sein Ausgang mit einem Eingang des Registriergeräts verbunden ist, eine Reihenschaltung von einem Drehzahlgeber und einem Frequenzvervielfacher, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Analog-Digital-Wandlers gekoppelt ist, eine Steuereinheit, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Rechners verbunden ist. Der genannte Analysator des Schwingungsspektrums weist auch einen an den Ausgang des Tiefpaßfilters und den Eingang des Analog- Digital-Wandlers angeschlossenen Maßstabsverstärker, einen an den Ausgang des Drehzahlgebers und den zweiten Eingang des Rechners gelegten Periodendauermesser auf. Der Eingang der Steuereinheit ist mit dem dritten Eingang des Rechners verbunden und deren Ausgang an den Steuereingang der rotierenden Maschine gelegt. Der Analysator besitzt einen an den vierten Eingang des Rechners angeschlossenen Speicher.

Der bekannte Analysator weist keine hohe Sicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums auf, weil in diesem Interferenzverzerrungen der Analysenergebnisse möglich sind, mit denen die Systeme der Digitalverarbeitung von Signalen bei einer Analyse des Schwingungsspektrums in einem weiten Änderungsbereich der Drehzahl der rotierenden Untersuchungsmaschine behaftet sind. Darüber hinaus ist beim vorliegenden Analysator eine Änderung der Auflösung einer synchronen Spektralanalyse nicht möglich, was keine Möglichkeit gibt, die interessierenden Abschnitte des Schwingungsspektrums mit einer erhöhten Auflösung zusätzlich zu bewerten, um die Sicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums und die Genauigkeit der nachfolgenden Diagnostizierung einer Störung der rotierenden Maschine zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine in solch einer schaltungstechnischen Ausführung zu schaffen, die es gestattet, durch Regelung der Auflösung der Spektralanalyse und durch eine automatische Regelung des Durchlaßbereichs, die die Interferenzverzerrungen der Ergebnisse der Analyse des Schwingungsspektrums zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine, der einen Zerhackerumformer, der mit einem Tiefpaßfilter verbunden ist, das k hintereinandergeschaltete aktive Glieder aufweist, deren jedes einen Operationsverstärker und frequenzbestimmende RC-Kreise umfaßt, einen Analog-Digital-Wandler, dessen Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters in Verbindung steht, einen Rechner, ein Registriergerät, wobei ein Eingang des Rechners mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers und sein Ausgang mit einem Eingang des Registriergeräts verbunden ist, eine Reihenschaltung von einem Drehzahlgeber und einem Frequenzvervielfacher, dessen Ausgang an den Steuereingang des Analog-Digital-Wandlers geführt ist, eine Steuereinheit, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Rechners verbunden ist, gemäß der Erfindung eine Reihenschaltung von einem Frequenz-Kode-Wandler und einem Schalter, wobei der Eingang des Frequenz-Kode-Wandlers mit dem Ausgang des Frequenzvervielfachers verbunden ist, der mit einem in Abhängigkeit von der Sollauflösung der Analyse des Schwingungsspektrums regelbaren Multiplikationsfaktor ausgeführt ist, eine Einheit von Umschaltern, die mit dem Steuereingang des Frequenzvervielfachers verbunden ist, enthalten sind, wobei das Tiefpaßfilter in Form eines einstellbaren Tiefpaßfilters ausgeführt ist, in dem jeder frequenzbestimmende RC-Kreis jedes aktiven Gliedes eine Einheit von Widerständen besitzt, die m Widerstände und m Umschalter umfaßt, wobei jeder Widerstand in Reihe mit dem zugeordneten Umschalter liegt, der Steuereingang des einstellbaren Tiefpaßfilters mit dem Ausgang des Schalters, der Ausgang der Steuereinheit mit dem Steuereingang des Registriergeräts verbunden ist.

Es ist zweckmäßig, daß der Frequenzvervielfacher eine Reihenschaltung aus einem Integrierverstärker und einem Impulsgenerator, einen Schalter, eine Koinzidenzeinheit, deren Ausgang mit dem Eingang des Integrierverstärkers und mit dem ersten Eingang des Schalters verbunden ist, während der zweite Eingang des Schalters mit dem Ausgang des Impulsgenerators gekoppelt ist, der als Ausgang des Frequenzvervielfachers dient, einen Impulszähler, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang der Koinzidenzeinheit verbunden ist, deren zweiter Eingang als Steuereingang des Frequenzvervielfachers fungiert, wobei der Zähleingang des Impulszählers mit dem Ausgang des Schalters verbunden ist und dessen Löscheingang als Eingang des Frequenzvervielfachers dient, enthält.

Es ist auch zweckmäßig, daß der Frequenzvervielfacher einen Summenzähler, eine erste Einheit von Schaltern, deren erster Eingang mit dem Ausgang des Summenzählers und deren Steuereingang mit dem als Eingang des Frequenzvervielfachers wirkenden Löscheingang des Summenzählers in Verbindung steht, eine Speichereinheit, eine zweite Einheit von Schaltern, deren erster Eingang mit dem Ausgang der Speichereinheit verbunden ist, deren Eingang an den Ausgang der ersten Einheit von Schaltern gelegt ist, einen Subtraktionszähler, einen Impulsgenerator, der mit einem Eingang des Subtraktionszählers verbunden ist, dessen Ausgang als Ausgang des Frequenzvervielfachers dient und an den Steuereingang der zweiten Einheit von Schaltern gelegt ist, deren Ausgang an einen Eingang des Subtraktionszählers angeschlossen ist, einen Frequenzteiler, dessen Eingang mit dem Impulsgenerator und dessen Ausgang mit dem Zähleingang des Summenzählers verbunden ist, während dessen Steuereingang als Steuereingang des Frequenzvervielfachers fungiert, enthält.

Die Einführung des Frequenzvervielfachers mit dem in Abhängigkeit von der Sollauflösung der Analyse des Schwingungsspektrums regelbaren Multiplikationsfaktor, der Einheit von Schaltern in den Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine gestattet es, die Auflösung der Analyse des Schwingungsspektrums der rotierenden Maschinen und den Bereich der zu analysierenden Frequenzen zu ändern. Dies ist bei einer Untersuchung von kinematisch komplizierten Mechanismen erforderlich, die verschiedenartige Untersetzungsgetriebe mit Zahnradübersetzungen aufweisen. Die Möglichkeit einer Variierung der Auflösung der Spektralanalyse erlaubt es, sowohl den gesamten Schwingungspegel des jeweiligen Mechanismus, beispielsweise des Untersetzungsgetriebes, zu bewerten als auch die Schwingungskomponenten der einzelnen Bauelemente der Untersetzungsgetriebe abzutrennen, was zu einer Erhöhung der Sicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums führt.

Die Einführung des Frequenz-Kode-Wandlers, des Schalters und des Tiefpaßfilters in Form eines einstellbaren Tiefpaßfilters, in dem jeder frequenzbestimmende RC-Kreis jedes aktiven Gliedes eine Einheit von Widerständen aufweist, die m Widerstände und m Umschalter enthält, in den Spektralanalysator gestattet es, Interferenzverzerrungen der Analysenergebnisse im Zusammenhang mit einer Änderung der oberen Frequenz der zu verarbeitenden Signale durch Geschwindigkeitsänderung bei den Untersuchungsobjekten und durch Änderung des Multiplikationsfaktors des Frequenzvervielfachers zu vermeiden und die Sicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums zu erhöhen.

Der Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine mit einer erhöhten Sicherheit gibt die Möglichkeit, konstruktive Besonderheiten der Maschine nach den Schwingungsparametern in den aussagekräftigsten dynamischen und nichtstationären Betrieben ihrer Arbeit zu untersuchen. Das spektrale Schwingungsverhalten trägt unter Berücksichtigung der bekannten kinematischen Verbindung zwischen den Teilen und Baugruppen der rotierenden Untersuchungsmaschinen zur Erkennung von Schwingungsquellen und des Grades ihrer Wechselwirkung bei. Die vorliegende Erfindung gestattet es auch, die Änderung des Schwingungsspektrums der rotierenden Maschinen im Vorgang ihrer Prüfungen und bei Betrieb zu verfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen Analysators des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine;

Fig. 2 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters mit k hintereinandergeschalteten aktiven Gliedern;

Fig. 3 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters mit k aktiven Gliedern und Rückkopplungsgliedern;

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild eines aktiven Gliedes des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters;

Fig. 5 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen breitbandigen Analog-Digital-Frequenzvervielfachers;

Fig. 6 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen Ziffernimpuls-Frequenzvervielfachers.

Der Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine enthält einen Zerhackerumformer 1 (Fig. 1), der mit einem Tiefpaßfilter 2 verbunden ist, das in Form eines einstellbaren Tiefpaßfilters 2 ausgeführt ist, sowie einen Analog-Digital-Wandler 3, einen Rechner 4. Ein Eingang des Analog-Digital-Wandlers 3 ist mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters 2 und dessen Ausgang mit einem Eingang des Rechners 4 verbunden. Der Analysator enthält auch ein Registriergerät 5, eine Steuereinheit 6, eine Reihenschaltung von einem Frequenzvervielfacher 7 und einem Drehzahlgeber 8. Der Ausgang des Rechners 4 ist mit einem Eingang des Registriergeräts 5 gekoppelt. Der Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 steht mit dem Steuereingang des Analog-Digital-Wandlers 3 in Verbindung. Der Ausgang der Steuereinheit 6 ist mit dem Steuereingang des Rechners 4 und dem Steuereingang des Registriergeräts 5 verbunden. Der Analysator des Schwingungsspektrums enthält eine Reihenschaltung aus einem Frequenz-Kode-Wandler 9 und einem Schalter 10 sowie eine Einheit 11 von Umschaltern. Der Eingang des Frequenz- Kode-Wandlers 9 ist mit dem Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 verbunden, der mit einem in Abhängigkeit von der Sollaufhängung der Analyse des Schwingungsspektrums einstellbaren Multiplikationsfaktor ausgeführt ist. Die Einheit 11 von Umschaltern ist mit dem Steuereingang des Frequenzvervielfachers 7 verbunden. Der Steuereingang des Tiefpaßfilters 2 ist an den Ausgang des Schalters 10 gelegt. Das Tiefpaßfilter 2 (Fig. 2) ist aus aktiven RC-Filtern n-ter Ordnung aufgebaut und enthält k hintereinandergeschaltete aktive Glieder zweiter Ordnung 12₁, 12₂, . . ., 12₁, 12 _i, . . ., 12 _k, die eine verallgemeinerte Übertragungsfunktion von der Art

aufweisen, worin
p die komplexe Frequenz,
a₂, a₁, a₀, b₁, b₀ die frequenzunabhängigen Koeffizienten sind.

Jedes aktive Glied 12₁, . . ., 12 _k stellt ein Hochpaßglied, ein Tiefpaßglied oder ein Sperrglied in Abhängigkeit von den Sollparametern des Tiefpaßfilters 2 dar. Die Parameter der aufgezählten Glieder werden durch eine entsprechende Wahl der Koeffizienten a₁, a₂, a₀, b₁, b₀ im Ausdruck (1) vorgegeben.

Die Steuereingänge der aktiven Glieder 12₁, 12₂, . . ., 12 _k sind zusammengeschaltet und stellen den Steuereingang des Tiefpaßfilters 2 dar. Der Ausgang des aktiven Gliedes 12 _k tritt als Ausgang des Tiefpaßfilters 2 auf. In Fig. 3 ist eine weitere Strukturschaltung des einstellbaren Tiefpaßfilters 2 wiedergegeben, das hintereinandergeschaltete aktive Glieder 12₁, . . ., 12 _l, 12 _i, . . ., 12₃, Rückkopplungsglieder 13₁, . . ., 13 _l, 13 _i, . . ., 13 _k und einen Summator 14 enthält. Der Ausgang jedes aktiven Gliedes 12₁, 12₂, . . ., 12 _k ist über das jeweilige Rückkopplungselement 13₁, 13₂, . . ., 13 _k mit dem jeweiligen Eingang des Summators 14 verbunden. Der Informationseingang des Summators 14 dient als Eingang des Tiefpaßfilters 2, während der Ausgang des Summators 14 an den Eingang des aktiven Gliedes 12₁, gelegt ist. Die Steuereingänge der aktiven Glieder 12₁, . . ., 12 _k sind zusammengeschaltet und dienen als Steuereingang des Tiefpaßfilters 2. Der Ausgang des aktiven Gliedes 12 _k tritt als Ausgang des Tiefpaßfilters 2 auf. In Fig. 4 ist eine elektrische Schaltung des aktiven Gliedes 12 _l dargestellt, das ein Tiefpaßglied darstellt. Mit Hilfe des vorliegenden aktiven Gliedes 12 _l wird die Schnittfrequenz des Tiefpaßfilters 2 umgestellt. Das aktive Glied 12 _l enthält einen gegengekoppelten Operationsverstärker 15, zwei frequenzbestimmende RC-Kreise. Der erste frequenzbestimmende RC-Kreis weist eine Einheit 16 von Widerständen und einen Kondensator 17 auf. Der zweite frequenzbestimmende RC-Kreis enthält eine Einheit 18 von Widerständen und einen Kondensator 19. Die Einheit 16 von Widerständen enthält m Widerstände 20, . . ., 20 _r, . . . 20 _m und m Umschalter 21₁, . . ., 21 _r, . . ., 21 _m, wobei die ersten Anschlüsse der Widerstände 20₁, . . ., 20 _m zusammengeschaltet sind und als Eingang des aktiven Gliedes 12 _l auftreten. Die zweiten Anschlüsse jedes Widerstandes 20₁, . . ., 20 _m sind mit den ersten Anschlüssen der jeweiligen Umschalter 21₁, . . ., 21 _m verbunden, deren zweite Anschlüsse zusammen- und an den ersten Anschluß des Kondensators 17 angeschaltet sind. Der zweite Anschluß des Kondensators 17 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 15 geführt, der als Ausgang des aktiven Gliedes 12 _l dient. Die Einheit 18 von Widerständen enthält m Widerstände 22₁, . . ., 22 _r, . . ., 22 _m und m Umschalter 23₁, . . ., 23 _r, . . ., 23 _m. Die ersten Anschlüsse der Widerstände 22₁, . . ., 22 _m sind zusammen- und an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 und an den ersten Anschluß des Kondensators 19 angeschaltet, dessen zweiter Anschluß an eine gemeinsame Leitung 24 angekoppelt ist. Die zweiten Anschlüsse jedes Widerstandes 22₁, . . ., 22 _m sind an die ersten Anschlüsse der jeweiligen Umschalter 23₁, . . ., 23 _m gelegt. Die zweiten Anschlüsse der Umschalter 23₁, . . ., 23 _m sind zusammengeschaltet und mit den zweiten Anschlüssen der Umschalter 21₁, . . ., 21 _m gekoppelt. Die Widerstände 20₁, 20 _m und 22₁, . . ., 22 _m werden durch die Umschalter 21₁, . . ., 21 _m und 23₁, . . ., 23 _m in Abhängigkeit von den Sollparametern des vorliegenden aktiven Gliedes 12 _l synchron geschaltet. Jedes Glied 12₁, . . ., 12 _k wird in ähnlicher Weise ausgeführt.

In Fig. 5 ist ein Strukturschaltbild eines breitbandigen Analog-Digital-Frequenzvervielfachers 7 enthält eine Reihenschaltung von einem Integrierverstärker 25 und einem Impulsgenerator 26. Der Frequenzvervielfacher 7 weist eine Koinzidenzeinheit 27, einen Impulszähler 28 und einen Schalter 29 auf. Der erste Eingang der Koinzidenzeinheit 27 ist mit dem Ausgang des Impulszählers 28 verbunden, der zweite Eingang der Koinzidenzeinheit 27 wirkt als Steuereingang des Frequenzvervielfachers 7 und ihr Ausgang ist mit dem Eingang des Integrierverstärkers 25 und mit dem ersten Eingang des Schalters 29 verbunden. Der zweite Eingang des Schalters 29 ist mit dem Ausgang des gesteuerten Impulsgenerators 26 verbunden und dessen Ausgang an den Zähleingang des Zählers 28 geschaltet, dessen Löscheingang als Eingang des Frequenzvervielfachers 7 fungiert. Der Ausgang des Impulsgenerators 26 wird als Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 benutzt.

Fig. 6 zeigt ein Strukturschaltbild eines Ziffernimpuls- Frequenzvervielfachers 7. Der Frequenzvervielfacher 7 enthält einen Summenzähler 30, eine Einheit 31 von Schaltern, eine Speichereinheit 32. Der erste Eingang der Einheit 31 von Schaltern ist mit dem Ausgang des Summenzählers 30 und deren Steuereingang mit dem Löscheingang des Summenzählers 30 verbunden, welcher als Eingang des Frequenzvervielfachers 7 dient. Der Frequenzvervielfacher 7 weist auch eine Einheit 33 von Schaltern, einen Subtraktionszähler 34 auf, dessen Ausgang als Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 dient und an den Steuereingang der Einheit 33 von Schaltern geführt ist. Der Frequenzvervielfacher 7 enthält einen Impulsgenerator 35, einen Frequenzteiler 36, dessen Eingang mit einem Ausgang des Impulsgenerators 35 und mit einem Eingang des Impulszählers 34 und dessen Ausgang mit dem Zähleingang des Summenzählers 30 verbunden ist. Der Ausgang der Einheit 33 von Schaltern ist an einen Eingang des Subtraktionszählers 34 und deren Eingang an den Ausgang der Speichereinheit 32 angeschlossen, deren Eingang mit dem Ausgang der Einheit 31 von Schaltern verbunden ist. Der Steuereingang des Frequenzteilers 36 dient als Steuereingang des Frequenzvervielfachers 7.

Der Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine arbeitet wie folgt.

Das Schwingungssignal von der rotierenden Maschine (in Fig. ist die Maschine nicht angedeutet), das durch den Zerhackerumformer 1 (Fig. 1) empfangen wird, gelangt auf einen Eingang des Tiefpaßfilters 2. Im Tiefpaßfilter 2 wird mit Hilfe der aktiven Glieder 12₁, . . ., 12 _k (Fig. 2) und der Rückkopplungsglieder 13₁, . . ., 13 _k ein Durchlaßband gebildet. Das Tiefpaßfilter 2 (Fig. 1) beschränkt die obere Grenze des Signalspektrums. Dann wird das Signal auf einen Eingang des Analog-Digital- Wandlers 3 gegeben. Im Analog-Digital-Wandler 3 wird es nach der Amplitude und Zeit mit einer Abtastfrequenz f₁ gequantelt, die der Rotationsfrequenz f₂ der Maschine proportional ist. Die Rotationsfrequenz f₂ der Maschine wird durch den Drehzahlgeber 8 erfaßt und gelangt auf einen Eingang des Frequenzvervielfachers 7.

Die Abtastfrequenz f₁ des Schwingungssignals am Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 lautet also

f₁ = k₁ f₂, (2)

worin k₁ der Frequenzmultiplikationsfaktor ist.

Da die Abtastfrequenz f₁ des Schwingungssignals mit der Maximalfrequenz f₃ des Spektrums des zu analysierenden Schwingungssignals durch eine Beziehung

f₁ < 2 f₃ (3)

verbunden ist, so geht aus den Beziehungen (2) und (3) hervor, daß sich bei einer Änderung der Rotationsfrequenz f₂ der Maschine die Maximalfrequenz f₃ des Spektrums des zu analysierenden Schwingungssignals ändert.

Vom Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 3 gelangt die Information im Digitalkode auf einen Eingang des Rechners 4, der den Algorithmus einer schnellen Fourier- Transformation realisiert. Hierbei ergibt sich das Auflösungsvermögen Δf der Analyse nach den Frequenzen zu

worin
Δf das Auflösungsvermögen,
N die Zahl der Ablesungen des Schwingungssignals nach der Umwandlung des Schwingungssignals in eine diskrete Form sind.

Eine beliebige Frequenz f_g = g · Δf im Schwingungsspektrum kann also wie folgt

geschrieben werden, worin g die Ordnungszahl der Frequenz im Schwingungsspektrum (g = 1, 2, 3, . . ., N-1) ist.

Aus der Beziehung (5) folgt, daß das Verhältnis einer beliebigen Frequenzkomponente einer erzwungenen Schwingung zur Rotationsfrequenz f₂ der Maschine bei einer beliebigen Geschwindigkeit dank der sich synchron zur Frequenz f₂ ändernden Frequenz f_g konstant bleibt und nur von den Vervielfachungsfaktoren g und k₁ abhängig ist, also

Um die Spektralverzerrungen infolge von durch die Änderung der Abtastfrequenz f₁ verursachten, am Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 nach der Digitalverarbeitung der Signale auftretenden Interferenzüberlagerungen zu vermeiden, ist im Analysator die Möglichkeit einer automatischen Änderung der Durchlaßbandbreite des Tiefpaßfilters 2 vorgesehen, was zu einer Erhöhung der Aussagesicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums führt.

Die Steuerung der Durchlaßbandbreite oder der Schnittfrequenz des Tiefpaßfilters 2 geschieht wie folgt. Mit Hilfe des Frequenz-Kode-Wandlers 9 wird die Abtastfrequenz f₁ vom Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 in einen Kode umgesetzt, der in den Schalter 10 gelangt. Der Schalter 10 läßt die frequenzabhängigen Glieder im Tiefpaßfilter 2 umschalten, wodurch dessen Schnittfrequenz oder Durchlaßbandbreite umgestellt werden. Der angemeldete Analysator realisiert also, ohne die Drehzahl der Maschine zu messen, eine Abtrennung nicht nur der Grundschwingung des Maschinenläufers, die der Rotationsfrequenz f₂ entspricht, und deren anderer Oberschwingungen, sondern auch der Komponenten der Zwangsschwingung anderer rotierender Teile der Maschine, die mit der Hauptwelle derselben kinematisch gekoppelt sind. Die Rotationsfrequenz dieser Maschinenteile kann sowohl kleiner als auch größer als die Rotationsfrequenz f₂ der Maschine sein.

Aus der Beziehung (6) folgt, daß bei den vorgesehenen N und g die Änderung der relativen Auflösung einer synchronen Spektralanalyse durch eine entsprechende Wahl des Multiplikationsfaktors k₁ erreicht wird. Die Wahl des Faktors k kann durch den Operateur von Hand mit Hilfe der Einheit 11 von Umschaltern vorgenommen werden. Ist k₁ = 10, z. B. bei N = 512 und g = 1, 2. . . 150 vorgegeben, so erhält man die relative Auflösung der Analyse gleich 0,0195 und den Analysenbereich von 0,0195 bis 2,93 der Grundschwingung. Derartiger Sachverhalt ist für die Untersuchungen von Maschinen mit untersetzenden Getrieben kennzeichnend.

Bei k₁ = 100 beträgt die Auflösung 0,0195 und der Bereich der synchronen Analyse dementsprechend von 0,195 bis 29,3, d. h. in diesem Fall unterliegen der Analyse Oberschwingungsfrequenzen.

Die Registrierung des resultierenden Schwingungsspektrums der rotierenden Maschinen erfolgt mit Hilfe des Registriergeräts 5 an einer relativen Frequenzskala, die beispielsweise auf die Rotationsfrequenz des Motors der zu untersuchenden Maschine bezogen ist. Bei beliebigen Änderungen der Geschwindigkeit der Maschine und des Multiplikationsfaktors k₁ des Frequenzvervielfachers 7 werden Verzerrungen des resultierenden Schwingungsspektrums eliminiert, denn jedesmal wird eine optimale Durchlaßbandbreite des Tiefpaßfilters 2 eingestellt. Der Arbeitsbeginn des Registriergeräts 5 ist stets mit dem Vorgang der Informationsausgabe vom Rechner 4 synchronisiert. Diese Synchronisierung erfolgt mit Hilfe der Steuereinheit 6. Auf dem Registriergerät 5 wird ein Ergebnis der Analyse des Schwingungsspektrums registriert, nach dem auf den technischen Zustand der zu untersuchenden Maschine geschlossen wird.

Es sei auf die Arbeit des breitbandigen Analog- Digital-Frequenzvervielfachers 7 (Fig. 5) näher eingegangen. Nach der Nullstellung des Impulszählers 28 treffen an seinem Zähleingang über den Schalter 29 Impulse vom Impulsgenerator 26 ein. Vom Impulszähler 28 gelangt die Impulszahl im Binärkode auf den ersten Eingang der Koinzidenzeinheit 27, deren zweiter Eingang mit einem Signal von der Einheit 11 von Umschaltern belegt wird, das einer Zahl im Binärkode entspricht, welche den Frequenzmultiplikationsfaktor k₁ bestimmt. Bei einer Koinzidenz der Kodes erscheint am Ausgang der Koinzidenzeinheit 27 ein Impuls, dessen Bildung beim Eintreffen des nächsten Impulses mit der Frequenz f₂ endet. Dieser Impuls trifft auf den Integrierverstärker 25 und den Eingang des Schalters 29, wodurch für die Dauer dieses Impulses das Eintreffen der Impulse am Zähler 28 vom Generator 26 gesperrt wird. Das Signal vom Integrierverstärker 26 wird auf den Generator 26 gegeben, der auf die Frequenz f₁ eingestellt ist.

Indem also der Kode am Eingang der Koinzidenzeinheit 27 mit Hilfe der Einheit 11 von Umschaltern geändert wird, wird der Multiplikationsfaktor k₁ des Frequenzvervielfachers 7 (Fig. 1) geregelt, von dessen Ausgang das Signal auf den Frequenz-Kode-Wandler 9 gelangt, um die Schnittfrequenz des Tiefpaßfilters 2 zu steuern.

Es soll auf die Arbeit des Frequenzvervielfachers 7 eingegangen werden, dessen Strukturschaltbild in Fig. 6 dargestellt ist.

In der Zeitperiode zwischen Impulsen, die mit der Frequenz f₂ am Löscheingang des Summenzählers 30 ankommen, wird in diesem eine Impulszahl Q gespeichert, die sich zu

ergibt; hierbei bedeuten:
f₄ die Frequenz des Generators 35,
k₂ das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 36,
T die Folgeperiode der Eingangsimpulse.

Vor jeder Nullung des Zählers 30 wird die gespeicherte Impulszahl Q über die Einheit 31 von Schaltern in die Speichereinheit 32 eingetragen. Aus der Speichereinheit 32 wird das der Impulszahl Q zugeordnete Signal periodisch mit der Frequenz der Erscheinung der Impulse am Ausgang des Zählers 34 über die Einheit 33 von Schaltern in den Zähler 34 eingetragen. Im Zähler 34 wird die Impulszahl Q mit der Frequenz f₄ des Generators 35 abgelesen. Hierbei wird die Impulsfrequenz am Ausgang des Zählers 34 gleich der Abtastfrequenz f₁ sein und errechnet sich aus der Beziehung

Der Frequenzmultiplikationsfaktor k₁ des Frequenzvervielfachers 7 wird also zahlenmäßig dem Teilungsverhältnis k₂ des Frequenzteilers 36 sein, dessen Steuerung mit Hilfe der Einheit 11 von Umschaltern 11 vorgenommen wird. Indem also der Kode am Eingang des Frequenzteilers 36 mit Hilfe der Einheit 11 von Umschaltern geändert wird, wird der Multiplikationsfaktor k₁ des Frequenzvervielfachers 7 geregelt. Das Signal vom Ausgang des Frequenzvervielfachers 7 gelangt zum Frequenz-Kode-Wandler 9, um die Schnittfrequenz des Tiefpaßfilters 2 (Fig. 1) in Abhängigkeit von der Sollauflösung der Analyse des Schwingungsspektrums zu steuern.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, durch Regelung der Auflösung der Spektralanalyse und durch eine automatische Regelung der Durchlaßbandbreite, die die Interferenzverzerrungen der Ergebnisse der Analyse des Schwingungsspektrums eliminiert, die Aussagesicherheit der Analyse des Schwingungsspektrums zu erhöhen.

Claims (3)

1. Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine, der
einen Zerhackerumformer (1), der mit einem Tiefpaßfilter (2) verbunden ist, das k hintereinandergeschaltete aktive Glieder (12₁, . . ., 12 _l, 12 _i, . . ., 12 _k) aufweist, deren jedes einen Operationsverstärker (15) und frequenzbestimmende RC-Kreise umfaßt,
einen Analog-Digital-Wandler (3), dessen Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters (2) gekoppelt ist,
einen Rechner (4),
ein Registriergerät (5), wobei ein Eingang des Rechners (4) mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (3) und sein Ausgang mit einem Eingang des Registriergeräts (5) verbunden ist,
eine Reihenschaltung von einem Drehzahlgeber (8) und einem Frequenzvervielfacher (7), dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Analog-Digital-Wandlers (3) gekoppelt ist,
eine Steuereinheit (6), deren Ausgang mit dem Steuereingang des Rechners (4) in Verbindung steht,
enthält,
gekennzeichnet durch
eine Reihenschaltung von einem Frequenz-Kode-Wandler (9) und
einem Schalter (10), wobei der Eingang des Frequenz- Kode-Wandlers (9) mit dem Ausgang des Frequenzvervielfachers (7) verbunden ist, der mit einem in Abhängigkeit von der Sollauflösung der Analyse des Schwingungsspektrums regelbaren Multiplikationsfaktor ausgeführt ist,
eine Einheit (11) von Umschaltern, die mit dem Steuereingang des Frequenzvervielfachers (7) verbunden ist,
wobei das Tiefpaßfilter (2) in Form eines einstellbaren Tiefpaßfilters (2) ausgeführt ist, in dem jeder frequenzbestimmende RC-Kreis jedes aktiven Gliedes (12₁, . . ., 12 _l, 12 _i, . . ., 12 _k) eine Einheit (16, 18) von Widerständen besitzt, die m Widerstände (20₁, . . ., 20 _r, . . ., 20 _m, 22₁, . . ., 22 _r, . . ., 22 _m) und m Umschalter (21₁, . . ., 21 _m, . . ., 21 _m, 23₁, . . ., 23 _r, . . ., 23 _m) umfaßt, wobei jeder Widerstand (20₁, . . ., 20 _r, . . ., 20 _m, 22₁, . . ., 22 _r, . . ., 22 _m) in Reihe mit dem zugeordneten Umschalter (21₁, . . ., 21 _r, . . ., 21 _m, 23 _l, . . ., 23 _r, . . ., 23 _m) liegt,
der Steuereingang des einstellbaren Tiefpaßfilters (2) mit dem Ausgang des Schalters (10), der Ausgang der Steuereinheit (6) mit dem Steuereingang des Registriergeräts (5) verbunden ist.

2. Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher (7)
eine Reihenschaltung aus einem Integrierverstärker (25) und einem Impulsgenerator (26),
einen Schalter (29),
eine Koinzidenzeinheit (27), deren Ausgang mit dem Eingang des Integrierverstärkers (25) und mit dem ersten Eingang des Schalters (29) verbunden ist, während der zweite Eingang des Schalters (29) mit dem Ausgang des Impulsgenerators (26) gekoppelt ist, der als Ausgang des Frequenzvervielfachers (7) dient,
einen Impulszähler (28), dessen Ausgang mit dem ersten Eingang der Koinzidenzeinheit (27) verbunden ist, deren zweiter Eingang als Steuereingang des Frequenzvervielfachers (7) dient, wobei der Zähleingang des Impulszählers (28) mit dem Ausgang des Schalters (29) verbunden ist und dessen Löscheingang den Eingang des Frequenzvervielfachers (7) bildet,
enthält.

3. Analysator des Schwingungsspektrums einer rotierenden Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher (7)
einen Summenzähler (30),
eine Einheit (31) von Schaltern, deren ersten Eingang mit dem Ausgang des Summenzählers (30) und deren Steuereingang mit dem als Eingang des Frequenzvervielfachers (7) wirkenden Löscheingang des Summenzählers (30) in Verbindung steht,
eine Speichereinheit (32),
eine Einheit (33) von Schaltern, deren Eingang mit dem Ausgang der Speichereinheit (32) verbunden ist, deren Eingang an den Ausgang der Einheit (31) von Schaltern angeschlossen ist,
einen Subtraktionsfaktor (34),
einen Impulsgenerator (35), der mit einem Eingang des Subtraktionszählers (34) verbunden ist, dessen Ausgang als Ausgang des Frequenzvervielfachers (7) dient und an den Steuereingang der Einheit (33) von Schaltern gelegt ist, deren Ausgang an einen Eingang des Subtraktionszählers (34) angeschlossen ist,
einen Frequenzteiler (36), dessen Eingang mit dem Impulsgenerator (35) und dessen Ausgang mit dem Zähleingang des Summenzählers (30) verbunden ist, während dessen Steuereingang als Steuereingang des Frequenzvervielfachers (7) fungiert,
enthält.