WO2011088935A1

WO2011088935A1 - Verfahren zur zustandsüberwachung einer maschine und überwachungseinrichtung hierfür

Info

Publication number: WO2011088935A1
Application number: PCT/EP2010/069910
Authority: WO
Inventors: Jens Wellhausen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-01-23
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: DE102010005525B4; DE102010005525A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine oder einer mehrere Maschinen umfassenden Anlage. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Erkennung und Bewertung der zeitlichen Entwicklung eines Schadens der Maschine. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Überwachungseinrichtung zur Zustandsüberwachung einer Maschine. Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet ein Schwingungssignal, welches aus einem Betrieb der Maschine resultiert. Das Schwingungssignal wird zumindest in N Messzeitpunkten erfasst, wodurch N Messwerte gemessen werden. In einem weiteren Schritt wird in Abhängigkeit von den Messwerten ein adaptiver Schwellenwert bestimmt. Weiterhin ist ein Konfigurationsfaktor zu bestimmen, um beispielsweise die gewünschte Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellen zu können. In einem weiteren Schritt werden die Messwerte bewertet, indem diejenigen der Messwerte des Schwingungssignals zu Null gesetzt werden, die kleiner als das Produkt aus dem adaptiven Schwellenwert und dem Konfigurationsfaktor sind. Nachfolgend wird ein Bewertungsmaß aus einer Summe der bewerteten N Messwerte gebildet. Das Bewertungsmaß wird zur quantitativen Bewertung des Zustandes der Maschine verwendet. Das Bewertungsmaß wird im Sinne der Erfindung auch als "Peak Count" bezeichnet.

Description

Bezeichnung der Erfindung

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine und Überwachungseinrichtung hierfür

Beschreibung Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine oder einer mehrere Maschinen umfassenden Anlage. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Erkennung und Bewertung der zeitlichen Entwicklung eines Schadens der Maschine. Im Weiteren betrifft die Erfin- dung eine Überwachungseinrichtung zur Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine.

Die DE 44 32 608 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Werkzeugbrucherkennung in Werkzeugmaschinen. Hierbei dient ein Fluidschall- sensor zur Aufnahme von Körperschallsignalen des Werkzeuges, die bei einem Bearbeitungsvorgang in einen Fluidstrahl induziert werden. Zur Auswertung des Fluidschallsignals werden die hochfrequenten Signalanteile für eine Brucherkennung verwendet, während die niederfrequenten Signalanteile unterdrückt werden.

Die DE 10 2004 044 185 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Fehlerzustandes eines rotierenden Verdichters. Mithilfe einer Messeinrichtung wird ein Betriebsparameter des Verdichters wiederholt er- fasst und es wird der Gradientenwert des Betriebsparameters wiederholt bestimmt. Es werden insbesondere das Unterschreiten eines negativen Gradientengrenzwertes und das Überschreiten eines positiven Gradientengrenzwertes überwacht. Aus der GB 2 051 362 A ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes eines angetriebenen Werkzeuges bekannt, bei welchem mehrere Frequenzanteile von Schwingungen des Werkzeuges während des Betriebs gemessen werden. Die Amplitudenwerte dieser Frequenzanteile werden mit vordefinierten Amplitudenwerten verglichen. Es wird ein Steuerungssignal in Abhängigkeit von Vergleichergebnis ausgegeben.

Die DE 35 37 216 A1 zeigt eine Anordnung und ein Verfahren zum Erkennen von Werkzeugbruch. Das Ausgangssignal eines Beschleunigungssen- sors wird vorverarbeitet, um Maschinengeräusche niedriger Frequenz zu dämpfen und um die Signalenergie in einem Band von unterhalb 100 kHz zu erfassen. Sobald eine abrupte Vergrößerung oder Verkleinerung des Signalpegels festgestellt ist, wird die Bestätigungsperiode zum Testen auf eine anhaltende Verschiebung im mittleren Pegel länger als die Werkstückum- drehungsperiode eingestellt.

Aus der DE 33 31 793 C2 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Feststellen einer Werkzeugabnutzung bekannt. Schwingungen des Werkzeuges werden laufend gemessen, wobei das gemessene Signal hinsichtlich seiner mittleren Amplitude laufend auf einen festen Pegel normiert wird. Der normierte Signalverlauf wird auf das Auftreten von Impulsen, deren Amplituden den normierten Pegel übersteigen, überwacht. Bei Feststellung einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen innerhalb einer der Drehungsperiode des Werkzeugs proportionalen Zeit wird ein Warnsignal erzeugt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen Ausschnitte eines zeitlichen Verlaufes eines Signals eines Körperschallsensors an einem Wälzlager, deren Messung zur Zu- standsbeurteilung aus dem Stand der Technik bekannt ist. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt des Signals des Körperschallsensors, wenn sich ein Schaden des Wälzlagers in einem ersten Stadium befindet. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Signals des Körperschallsensors, wenn sich der Schaden des Wälzlagers in einem fortgeschrittenen Stadium befindet. Fig. 3 zeigt einen Aus- schnitt des Signals des Körperschallsensors, wenn sich der Schaden des Wälzlagers in einem Endstadium befindet. Zur Beurteilung des Zustandes der Maschine anhand des Signals des Körperschallsensors ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Scheitelfaktor, welcher auch als Crest- Faktor bezeichnet wird, des gemessenen Signals zu berechnen. Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein quadratisches Mittel, welches auch als Root Mean Square (RMS) bezeichnet wird, des gemessenen Signals zu berechnen. Der Scheitelfaktor und das quadratische Mittel dienen als Kenngrößen zur Beurteilung des Zustandes des Wälzlagers, insbeson- dere zur Analyse der zeitlichen Entwicklung des Schadens des Wälzlagers. Der Scheitelfaktor ist dabei ein im Verlauf der Entwicklung des Schadens besonders frühzeitiger Indikator, da bereits das Vorhandensein einer einzigen Spitze im Signalpegel zu einem hohen Wert des Scheitelfaktors führt. Hingegen verändert eine Zunahme der Anzahl der Spitzen im Signalverlauf den Scheitelfaktor kaum. Das quadratische Mittel ist hingegen ein im Verlauf der Entwicklung des Schadens später Indikator, da nur eine Zunahme des Pegels des gemessenen Signals zu einem höheren Wert des quadratischen Mittels führt. Der Scheitelfaktor ist für das in Fig. 1 gezeigte Signal hoch, während das quadratische Mittel noch niedrig ist. Hingegen sind für das in Fig. 3 gezeigte Signal sowohl der Scheitelfaktor als auch das quadratische Mittel hoch, wenn sich der Schaden im Endstadium befindet. Jedoch lässt sich der Schaden in einem fortgeschrittenen Zustand, wie er durch das in Fig. 2 gezeigte Signal repräsentiert ist, mithilfe des Scheitelfaktors und des quadratischen Mittels nicht erkennen. Der Scheitelfaktor ist in diesem Stadi- um nahezu unverändert gegenüber dem ersten Stadium, während das quadratische Mittel einen nur minimalen Anstieg zeigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen Zustand einer Maschine, insbesondere einen Ver- schleiß der Maschine genauer überwachen zu können. Insbesondere soll der Verschleiß quantitativ bewertbar sein, um den Verschleiß in seinem zeitlichen Verlauf genauer erfassen zu können, wodurch ein Ausfall der Maschi- ne besser prognostizierbar ist.

Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Überwachungseinrichtung zur Zustandsüberwachung einer Maschine gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 1 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere der Überwachung eines Verschleißes der Maschine, wobei die Überwachung auf ein Teil der Maschine beschränkt sein kann. Selbstverständlich kann auch eine Anlage mit mehreren Maschinen überwacht werden. Die Zustandsüberwachung der Maschine ermöglicht es, Schäden der Maschine frühzeitig quantitativ erfassen zu können. Derartige Schäden sind zumeist die Folge von Verschleiß, wobei aber auch andere Umstände, wie beispielsweise ein längerer Stillstand der Maschine ursächlich sein können. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Überwachung von rotierenden Maschinen bzw. rotierenden Maschinenteilen, beispielsweise von Wälzlagern. Ausgangspunkt des erfindungs- gemäßen Verfahrens bildet ein Schwingungssignal, welches aus einem Betrieb der Maschine resultiert. Bei diesem Schwingungssignal kann es sich beispielsweise um ein mechanisches oder ein elektrisches Signal handeln, welches an der Maschine gemessen wird. Das Schwingungssignal wird zumindest in N Messzeitpunkten erfasst, wodurch N Messwerte s(0), s(l), ... s(N-l) gemessen werden. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Abhängigkeit von den Messwerten ein adaptiver Schwellenwert th bestimmt. Es handelt sich somit nicht um einen Schwellenwert, der fest vordefiniert ist. Der adaptive Schwellenwert wird der sich ggf. ändernden Charakteristik des Schwingungssignals angepasst. Weiterhin ist ein Konfi- gurationsfaktor f zu bestimmen, um beispielsweise die gewünschte Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellen zu können. Der Konfigurationsfaktor kann empirisch ermittelt werden und in besonderen Fällen auch gleich 1 sein. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messwerte bewertet, indem diejenigen der Messwerte des Schwingungssignals zu Null gesetzt werden, die kleiner als das Produkt aus dem adaptiven Schwellenwert und dem Konfigurationsfaktor sind. Die übrigen Messwerte bleiben durch das Bewerten unverändert. Hierdurch werden im Weiteren nur diejenigen Messwerte quantitativ berücksichtigt, deren erhöhte Amplitude insbesondere vom Schaden der Maschine abhängt. Bei diesem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich um eine nichtlineare Operation, welche durch die folgende Formel beschrieben wer- den kann:

Nachfolgend wird ein Bewertungsmaß aus einer Summe der bewerteten N Messwerte gebildet. Im einfachsten Fall ist das Bewertungsmaß gleich der Summe der bewerteten N Messwerte, beispielsweise wenn N als Bezugs- große festgelegt ist. Das Bewertungsmaß wird erfindungsgemäß zur quantitativen Bewertung des Zustandes der Maschine verwendet, beispielsweise dadurch, dass es ausgegeben wird oder zur Erkennung eines Schadens genutzt wird. Das Bewertungsmaß, welches im Sinne der Erfindung auch als „Peak Count" bezeichnet wird, steigt mit der Zunahme von Spitzenwerten im Signal an, unabhängig davon, ob die zeitliche Verteilung dieser Spitzenwerte stochastisch oder periodisch ist. Dabei ist die Dynamik dieses Bewertungsmaßes, welche durch den Wertebereich zwischen den Zuständen zur Kennzeichnung einer schadensfreien Maschine und einer schadenbehafteten Maschine festgelegt ist, wesentlich größer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kennwerten, wie dem Scheitelfaktor und dem quadratischen Mittel. Diese Dynamik ist mindestens um einen Faktor zwischen 5 und 10 größer als die Dynamik der aus dem Stand der Technik bekannten Kennwerte. Das erfindungsgemäß ermittelte Bewertungsmaß schließt eine zeitliche Diagnoselücke zwischen dem Scheitelfaktor und dem quadratischen Mittel. Es lässt sich im einfachsten Fall durch die nachfolgende Formel beschreiben: Peak Count = y (n)

«=0

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt fortlaufend ausgeführt. Hierfür werden die Schritte des Erfassens des Schwingungssignals, des Bestimmens des adaptiven Schwellenwertes, des Bewertens der Messwerte und des Bildens des Bewertungsmaßes fortlaufend durchgeführt, sodass das Bewertungsmaß permanent den aktuellen Zustand, insbesondere den Verschleiß der Maschine beschreibt. Der adaptive Schwellenwert ändert sich dabei gleitend mit einer Veränderung des Schwingungssignals.

Das Bilden des Bewertungsmaßes aus der Summe der bewerteten N Messwerte erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein arithmetisches Mittel der bewerteten N Messwerte berechnet wird. Hierfür sind die bewerteten N Messwerte zu einer Summe aufzusummieren und die Summe ist durch N zu teilen. Das auf dieser Weise erfindungsgemäß ermittelte Bewertungsmaß lässt sich durch die nachfolgende Formel beschreiben:

Peak Count =— ^^" (n)

N «=0 Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiterhin einen Schritt zur Erkennung eines Schadens der Maschine, bei welchem ein Alarm ausgegeben wird, wenn das Bewertungsmaß eine vordefinierte Alarmschwelle überschreitet. Aufgrund der größeren Dynamik des erfindungsgemäß ermittelten Bewertungsmaßes kann die A- larmschwelle wesentlich genauer vordefiniert werden. Folglich lassen sich Fehlalarme weitgehend vermeiden. Schadensentwicklungen können zuverlässiger erkannt werden.

Für das Erfassen des Schwingungssignals in den N Messzeitpunkten wird bevorzugt zunächst eine Hüllkurve des Schwingungssignals bestimmt, an welcher die N Messwerte gemessen werden. Es erfolgt somit eine Vorverarbeitung des unmittelbar gemessenen Schwingungssignals, um daraus die N Messwerte zu bestimmen. Die Hüllkurve kann auf analogen oder digitalen Wege bestimmt werden. Zur Bestimmung der N Messwerte können aber auch andere und weitere Vorverarbeitungsschritte des gemessenen Schwingungssignals durchgeführt werden.

Insofern die N Messwerte mittelwertfrei sind, insbesondere wenn das aus dem Betrieb der Maschine resultierende Schwingungssignal mittelwertfrei ist, ist für den adaptiven Schwellenwert bevorzugt die Standardabweichung der N Messwerte zu verwenden. Die Standardabweichung hat sich als besonders praxistauglich erwiesen. Folglich lässt sich der adaptive Schwellenwert th der mittelwertfreien Messwerte s(n) nach der folgenden Formel bestimmen:

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der adaptive Schwellenwert durch einen Median der absoluten Beträge der N Messwerte gebildet. Es sind jedoch weitere Vorschriften zur Bestim- mung des adaptiven Schwellenwertes anwendbar, beispielsweise für adaptive Schwellenwerte, die auf der Basis einer Hüllkurve des Schwingungssignals ermittelt werden.

Als das aus dem Betrieb der Maschine resultierende Schwingungssignal ist bevorzugt ein Beschleunigungssignal und/oder ein Körperschallsignal der Maschine zu verwenden. Es ist insbesondere vorteilhaft, sowohl Beschleunigungssignale als auch Körperschallsignale als Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden. Dabei sind die Beschleunigungssignale bevorzugt in niedrigen Frequenzbereichen bis 20 kHz zu verarbei- ten. Die Körperschallsignale sind bevorzugt einerseits in mittleren Frequenzbereichen zwischen 20 kHz und 100 kHz und andererseits in einem hohen Frequenzbereich von mehr als 100 kHz zu verwenden. Die erfindungsgemäße Auswertung dieser Schwingungssignale führt zu einer Zustandsuberwachung der zu überwachenden Maschine, bei welcher Schäden bereits während ihres Entstehens früh und genau erkannt werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden neben dem erfindungsgemäß ermittelten Bewertungsmaß auch ein Scheitelfaktor und/oder ein quadratisches Mittel der N Messwerte als Bewertungsmaß zur quantitativen Bewertung des Zustandes bzw. des Verschleißes der Maschine verwendet. Die gleichzeitige Verwendung dieser drei Kennwerte zur Zustandsüberwachung der zu überwachenden Maschine erlaubt es, die zeitliche Entwicklung eines Schadens genau erkennen und klassifizieren zu können. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung dient zur Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine. Die Überwachung kann auf einen Teil der Maschine, beispielsweise auf ein Wälzlager beschränkt sein. Die erfindungsgemäße Ü- berwachungseinrichtung umfasst zunächst einen Messsignaleingang zum Anschluss an einen Sensor zur Messung eines durch einen Betrieb der Maschine resultierenden Schwingungssignals. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung zum Anschluss an einen Beschleunigungs- oder Körperschallsensor vorgesehen sein. Die Überwachungseinrichtung umfasst weiterhin eine Messsignalverarbeitungs- Schaltung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Ein Datenausgang der Überwachungseinrichtung dient zur Ausgabe des erfindungsgemäß ermittelten Bewertungsmaßes. Auch kann der Datenausgang zur Ausgabe eines Alarms dienen, wenn das Bewertungsmaß eine vordefinierte Alarmschwelle überschreitet.

Die Messsignalverarbeitungsschaltung kann beispielsweise durch eine digi- tale elektronische Schaltung oder durch einen progrannnnierbaren Rechner gebildet sein. Die Messsignalverarbeitungsschaltung kann auch durch eine analoge elektronische Schaltung gebildet sein, da sich das erfindungs- gemäße Verfahren auch mit analogen elektronischen Bauelementen realisie- ren lässt.

Mit Bezug auf die Zeichnung, welche Ausschnitte eines Signals eines Körperschallsensors gemäß dem Stand der Technik zeigt, wird nachfolgend die Erfindung ergänzend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : ein Ausschnitt eines Signals eines Körperschallsensors in einem ersten Stadium eines entstehenden Schadens;

Fig. 2: ein Ausschnitt des Signals des Körperschallsensors in einem fortgeschrittenen Stadium des Schadens; und

Fig. 3: ein Ausschnitt des Signals des Körperschallsensors in einem

Endstadium des Schadens. Fig. 1 bis 3 sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung zur Würdigung des Standes der Technik im Detail erläutert. Ergänzend wird dazu ausgeführt, dass es das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr erlaubt, auch einen Schaden im fortgeschrittenen Stadium, der zu dem in Fig. 2 gezeigten Signal führt, zu erkennen und quantitativ zu erfassen.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine, folgende Schritte umfassend:

- Erfassen eines durch einen Betrieb der Maschine resultierenden Schwingungssignals zumindest in N Messzeitpunkten, wodurch N Messwerte vorliegen;

- Bestimmen eines adaptiven Schwellenwertes in Abhängigkeit von den Messwerten;

- Bestimmen eines Konfigurationsfaktors;

- Bewerten der Messwerte, indem diejenigen der Messwerte des Schwingungssignals zu Null gesetzt werden, die kleiner als das Produkt aus dem adaptivem Schwellenwert und dem Konfigurationsfaktor sind;

- Bilden eines Bewertungsmaßes aus einer Summe der bewerteten N Messwerte; und

- Verwenden des Bewertungsmaßes zur quantitativen Bewertung des Zustandes der Maschine.

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bil den des Bewertungsmaßes aus der Summe der bewerteten N Mess werte die folgenden Teilschritte umfasst:

- Aufsummieren der bewerteten N Messwerte zu einer Summe; und

- Teilen der Summe durch N.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt zur Erkennung eines Schadens der Maschine umfasst, bei welchem ein Alarm ausgegeben wird, wenn das Bewertungsmaß eine vordefinierte Alarmschwelle überschreitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Erfassen des Schwingungssignals in den N Messzeitpunkten zunächst eine Hüllkurve des Schwingungssignals bestinnnnt wird, an welcher die N Messwerte gemessen werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Mittelwertfreiheit der N Messwerte der adaptive Schwellenwert durch die Standardabweichung der N Messwerte gebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der adaptive Schwellenwert durch einen Median der absoluten

Beträge der N Messwerte gebildet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssignal durch ein Beschleunigungssignal und/oder ein Körperschallsignal der Maschine gebildet ist. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigungssignal bis zu einer Frequenz von 20 kHz aufgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal in einem Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz sowie in einem Frequenzbereich ab 100 kHz aufgenommen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Scheitelfaktor und/oder ein quadratisches Mittel der N Messwerte als Bewertungsmaß zur quantitativen Bewertung des Zustandes der Maschine verwendet werden. Uberwachungseinrichtung zur Zustandsuberwachung einer Maschine, insbesondere zur Überwachung eines Verschleißes der Maschine, umfassend:

einen Messsignaleingang zum Anschluss an einen Sensor zur Messung eines durch einen Betrieb der Maschine resultierenden Schwingungssignals;

eine Messsignalverarbeitungsschaltung, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 konfiguriert ist; und

einen Datenausgang zur Ausgabe des Bewertungsmaßes.