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Title:
DEVICE AND METHOD FOR THE EARLY RECOGNITION AND PREDICTION OF UNIT DAMAGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/023721
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a device and a method for the early recognition and prediction of unit damage in machine plants, in particular mobile machine plants. The structural noise of the machine plant is thus recorded by a sensor (1), transmitted as an acceleration signal and analysed in a digital signal processor (DSP). In order to inhibit negative influences from environmental vibrations or structural sound waves which are nothing to do with the status of the machine plant, the acceleration signal is firstly transformed into the frequency domain by means of a fast Fourier transformation and the data thus obtained is then transformed back into the time domain by means of a cepstrum analysis, such that resonance data from single shock impulses (a cepstrum) are obtained in the time domain. Said cepstrum is then compared with a comparative cepstrum, available in a memory unit corresponding to load and speed signals for the current operating status for a new machine plant. On exceeding threshold values the diagnostic signal, in particular information about the unit diagnosed as being damaged and the predicted remaining service life thereof is displayed for the user and an emergency operation initiated.

Inventors:
Mayer, Christian-michael c/o Daimlerchrysler, Distribution Indonesia Desa Wanaherang Gunung Putri Bogor 10002 Jakarta P. T. (16965, ID)
Schwarzhaupt, Andreas (Klingwiesenstrasse 24 Oberrot, 74420, DE)
Spiegelberg, Gernot (Blossenbergstrasse 44 Heimsheim, 71296, DE)
Application Number:
PCT/EP2002/007362
Publication Date:
March 20, 2003
Filing Date:
July 03, 2002
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLERCHRYSLER AG (Epplestrasse 225 Stuttgart, 70546, DE)
Mayer, Christian-michael c/o Daimlerchrysler, Distribution Indonesia Desa Wanaherang Gunung Putri Bogor 10002 Jakarta P. T. (16965, ID)
Schwarzhaupt, Andreas (Klingwiesenstrasse 24 Oberrot, 74420, DE)
Spiegelberg, Gernot (Blossenbergstrasse 44 Heimsheim, 71296, DE)
International Classes:
G01D21/00; B60T17/22; F16H61/12; G01H17/00; G01M17/007; G01M19/00; G07C3/00; G07C5/00; (IPC1-7): G07C5/00
Attorney, Agent or Firm:
Lindner-vogt, Karin (DaimlerChrysler AG Intellectual Property Management IPM - C106 Stuttgart, 70546, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregate schädigungen in einer Maschinenanlage, mit : mindestens einem Sensor (1) zur Erfassung von Körperschall von der zu überwachenden Maschinenanlage und Ausgabe eines Messsignals, einer AnalogDigitalWandlereinrichtung (7) zur Wandlung des Messsignals in ein digitales Messsignal, einem digitalen Signalprozessor (DSP) mit FastFourier Transformationseinrichtung zur Durchführung einer Transfor mation des digitalen Messsignals in den Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, dass in dem digitalen Signalprozessor (DSP) weiterhin eine CepstrumAnalyseeinrichtung zur Erzeugung von Resonanzdaten von Einzelstoßimpulsen im Zeitbereich aus dem FastFourier transformierten digitalen Messsignal ausgebildet ist, und in einer Speichereinrichtung (8) ein Muttercepstrum einer neuen Maschinenanlage für verschiedene Betriebszustände so wie eine Erfahrungswertematrix betreffend geschädigte Ag gregate bzw. Aggregatteile und voraussichtlich verbleibende Lebensdauern gespeichert sind, wobei der digitale Signalprozessor (DSP) einen Vergleich zwischen dem gegenwärtigen Cepstrum und einem ansprechend auf Drehzahlund Lastinformationen ausgewählten, zu diesem Betriebszustand zugeordneten, aus der Speichereinrichtung (8) ausgelesenen Muttercepstrum einer neuen Maschinenanlage durchführt, eine Überwachungseinrichtung (10) zur Überwachung des Ver gleichsergebnisses von gegenwärtigem Cepstrum und zugehöri gem Muttercepstrum auf Überschreitung von Grenzwerten und Information des digitalen Signalprozessors über diese Grenzwertüberschreitung ausgebildet ist, und der digitale Signalprozessor (DSP) ansprechend auf die In formation durch die Überwachungseinrichtung (10) aus dem gegenwärtigen Cepstrum anhand der Erfahrungswertematrix ein geschädigtes Aggregat bzw. Aggregateteil und dessen voraus sichtlich verbleibende Lebensdauer ermittelt und ein Diag nosesignal, in dem Informationen über geschädigte Aggregate und deren voraussichtliche Restlebensdauer enthalten sind, an eine Zentraleinheit (9) zur Weiterverarbeitung ausgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor (DSP) für die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Lebensdauer eines als geschä digt erkannten Aggreates bzw. Aggregateteils in einer Spei chereinrichtung (11) gespeicherte Informationen betreffend die Historie der Maschinenanlage mit berücksichtigt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (9) die im Diagnosesignal enthaltenen Informationen über geschädigte Aggregate und deren voraus sichtliche Restlebensdauer auf einer Anzeigeeinrichtung für den Benutzer anzeigt und/oder per Telemetrie an eine ent sprechende Werkstatt und/oder einen Maschinenanlagenbetrei ber überträgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Zentraleinheit (9) ansprechend auf das Diagnosesignal für die als geschädigt diagnostizierten Aggregate einen Notbetrieb generiert, um eine weitere Schädigung des als geschädigt diagnostizierten Aggregates zu verhindern oder zu vermindern und gleichzeitig eine weitere Verfügbarkeit der Maschinenanlage sicherzustellen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit (9), sofern mehrere Möglichkeiten für einen Notbetrieb vorhanden sind, diese dem Benutzer zur Auswahl anzeigt, damit dieser einen Notmodus entsprechend der für ihn am besten passenden Alternative auswählen kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Maschinenanlage ein Antriebsstrang oder eine Antriebs strangkomponente oder eine Lenkung ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnostizierung einer Getriebeschädigung im Notbetrieb der der Schädigung entsprechende Gang übersprungen wird o der die Motorleistung bzw. Motordrehzahl vermindert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnostizierung eines Defekts des Retarders als An triebsstrangkomponente im Notbetrieb der Retarder abge schaltet wird und die Bremsanlage seine Funktion mit über nimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnostizierung eines Defekts der Bremse als Antriebs strangkomponente im Notbetrieb die Funktion der Bremse durch den Retarder mit übernommen wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass anstelle der CepstrumAnalyseeinrichtung eine Wavelet Analyseeinrichtung zur Erkennung eines geschädigten Aggre gates verwendet wird.
11. Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregate schädigungen in einer Maschinenanlage, mit den Schritten : Erfassen von Körperschall von der zu überwachenden Maschi nenanlage und Ausgeben eines Messsignals (Sl), Wandeln des Messsignals in ein digitales Messsignal (S2), Anwenden einer FastFourierTransformation auf das digitale Messsignal und dadurch Transformieren in den Frequenzbe reich (S3), gekennzeichnet durch die Schritte Erzeugen von Resonanzdaten von Einzelstoßimpulsen im Zeit bereich mittels CepstrumAnalyse (S4), Vergleichen des gegenwärtigen Cepstrums mit einem anspre chend auf Drehzahlund Lastinformationen ausgewählten, zu diesem Betriebszustand zugeordneten, aus einer Speicherein richtung (8) ausgelesenen Vergleichscepstrum einer neuen Maschinenanlage (S5) durch einen digitalen Signalprozessor (DSP), Überwachen des Vergleichsergebnisses von gegenwärtigem Cepstrum und zugehörigem Muttercepstrum auf Überschreitung von Grenzwerten und Informieren des digitalen Signalprozes sors (DSP) über diese Grenzwertüberschreitung (S6) und In formieren des digitalen Signalprozessors (DSP) über diese Grenzwertüberschreitung, und ansprechend auf die Information Ermitteln eines geschädig ten Aggregats bzw. Aggregateteils und dessen voraussicht lich verbleibender Lebensdauer aus dem gegenwärtigen Cepstrum anhand einer Erfahrung. swertematrix (S7) und Ausge ben eines Diagnosesignals, in dem Informationen über ge schädigte Aggregate und deren voraussichtliche Restlebens dauer enthalten sind (S8) an eine Zentraleinheit zur Wei terverarbeitung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln der voraussichtlich verbleibenden Restle bensdauer (S7) eines als geschädigt erkannten Aggregats bzw. Aggregateteils in einer Speichereinrichtung (11) gespei cherte Informationen betreffend die Historie der Maschinen anlage mit berücksichtigt werden.
13. Verfahren nach Anspruch nach Anspruch 11 oder 12, mit dem weiteren Schritt : Anzeigen der imDiagnosesignal enthaltenen Informationen ü ber geschädigte Aggregate und deren voraussichtliche Rest lebensdauer für einen Benutzer (S9) und/oder Übertragen dieser Informationen per Telemetrie an eine entsprechende Werkstatt und/oder einen Maschinenanlagenbetreiber (S10).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit dem wei teren Schritt ansprechend auf das Diagnosesignal für die als geschädigt diagnostizierten Aggregate Generieren eines Notbetriebs (S13), um eine weitere Schädigung des als geschädigt diag nostizierten Aggregates zu verhindern oder zu vermindern und gleichzeitig eine weitere Verfügbarkeit der Maschinen anlage sicherzustellen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, mit dem weiteren Schritt, sofern mehrere Möglichkeiten für einen Notbetrieb vorhanden sind (Sll), Anzeigen dieser Auswahl für den Benutzer, damit dieser einen Notmodus entsprechend der für ihn am besten passenden Alternative auswählen kann (S12).
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Maschinenanlage ein Antriebsstrang ist als Notbe trieb bei einer diagnostizierten Getriebeschädigung der der Schädigung entsprechende Gang übersprungen wird oder die Motorleistung bzw. Motordrehzahl vermindert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Maschinenanlage ein Antriebsstrang ist, bei Diag nostizierung eines Defekts des Retarders als Notbetrieb der Retarder abgeschaltet wird und die Bremsanlage seine Funk tion mit übernimmt.
18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Maschinenanlage ein Antriebsstrang ist, bei Diag nostizierung eines Defekts der Bremse als Antriebsstrang komponente im Notbetrieb die Funktion der Bremse durch den Retarder mit übernommen wird.
Description:
Vorrichtung und Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigungen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 11.

Zur Bestimmung von Wartungs-bzw. Servicezeitpunkten für Kraft- fahrzeuge sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.

Beispielsweise offenbart die DE 3110774 Al ein Verfahren zur Ermittlung von Wartungs-und Pflegedienstintervallen, bei dem in Abhängigkeit von Verschleißzuständen der zu wartenden Be- triebsgrößen der Wartungszeitpunkt fortlaufend ermittelt wird.

Hierzu wird entweder nur eine Führungsgröße, wie beispielsweise die Schmierfähigkeit des Motoröls oder der Zustand der Bremse- läge, herangezogen, oder es werden weitere Verschleißzustände anderer Betriebsgrößen, wie z. B. Kupplung, Vergasereinstellung, Zündkerzen, Zündzeitpunkt, usw. erfasst und bei der Berechnung des Wartungszeitpunkts mit berücksichtigt. Der extrapolierte Wartungszeitpunkt wird dem Fahrer über eine Anzeige mitgeteilt.

Darüber hinaus ist aus der DE 43 06 270 Cl ein Verfahren zur Ermittlung und Verlängerung eines Wechselintervalls eines Ag- gregates anhand mindestens eines direkt oder indirekt erfass- ten, den Qualitätszustand des Betriebsstoffes repräsentierenden Betriebswertes bekannt. Die Auswertung des mindestens einen Be- triebswertes und die kontinuierliche Berechnung des Wechseln- tervalls erfolgt zudem unter Berücksichtigung von weiteren Sen- sordaten, die Betriebswerte wie Anzahl der Starts, Anzahl der Kurbelwellenumdrehungen, Motortemperatur, Motoröldruck, usw. darstellen, mittels einer Rechen-und Steuereinheit und wird in Bezug zu einem vorgegebenen Aggregate-Wartungsintervall ge- setzt.

Schließlich ist aus EP 0 489 261 A2 eine Vorrichtung zur Be- rechnung eines Kraftfahrzeug-Wartungsintervalls anhand ver- schiedener erfasster bzw. ermittelter Betriebswerte wie Start- anzahl, Kurbelwellenumdrehungen, Fahr-und Standzeiten, Motor- temperatur, Motoröldruck, Ladeluftdruck, Ölverbrauch, Kraft- stoffverbrauch und dergleichen bekannt. Das Berechnungsergebnis wird akustisch und/oder optisch als Wartungsanzeige/-anweisung ausgegeben. Ein Motoröl-Nachfüllvorgang wird mengenmäßig er- fasst und daraufhin wird das Wartungsintervall einmalig um ei- nen definierten Zeitraum bzw. eine definierte Kilometerleistung verlängert.

Darüber hinaus offenbart die EP 0 601 365 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Service-Zeitpunktes für ein Kraftfahrzeugbremssystem. Hierbei wird für jedes Rad die Dreh- zahl und die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt und daraus der Radschlupf berechnet und gespeichert. Wenn eine Differenz zwi- schen dem Radschlupf verschiedener Räder größer als ein vorge- gebener Wert wird, dann wird ein Bremsproblemsignal erzeugt, auf das ansprechend das Wartungserfordernis angezeigt wird.

Bei diesen herkömmlichen Verfahren werden somit maximal auf ei- ner elektronischen Überwachungsseite durch Auswertung von Sen- sorik erhaltene Daten ausgewertet und in der Funktionalität der Ursache zugeordnet, wobei der Servicezeitpunkt entsprechend be- stimmt wird.

Jedoch ist bei diesen herkömmlichen Verfahren keine prädiktive, d. h. vorausschauende Diagnose möglich. Ein Servicezeitpunkt wird lediglich anhand von bereits vorliegenden Fehlern aus Sen- sordaten bestimmt, d. h. wenn bereits ein Fehler vorliegt. Somit erfolgt nur eine Fehlerdiagnose.

Jedoch sind auch Verfahren bekannt, bei denen ein Serviceinter- vall vorausschauend und flexibel bestimmt wird.

Aus der WO 99/24699 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und/oder Ermitteln von Motorölquali- tät bekannt, bei dem Änderungen in der Viskosität des Öls in Abhängigkeit von Temperatur und Motorreibmoment ermittelt und ausgewertet werden. Dazu ist eine Steuereinheit zum Bearbeiten und Umformen aufgenommener Daten sowie mindestens eine Spei- chereinheit ausgebildet, wobei in der oder jeder Speicherein- heit zur Bestimmung der Viskosität notwendige Kennlinien abge- legt sind. Abhängig von diesen Viskositätsdaten wird der Wech- selzeitpunkt des Motoröls derart bestimmt, dass keine Schädi- gungen des Motors aufgrund von unzureichender Schmierung und Kühlung auftreten.

Weiterhin offenbart die EP 1101971 AI eine Diagnose des Zu- stands von Bauteilen, die einem kontinuierlichen Verschleiß un- terliegen, wie z. B. beispielsweise Bremsbelägen. Hierbei wird der Verschleißzustand mit Sensoren erfasst und ein Alarm ausge- geben, wenn ein vorbestimmter Wert unterschritten wird.

Aus der EP 0764244 B1 ist ein Bremsbelagverschleiß-Meßsystem bekannt, bei dem mittels eines Verschiebungssensors der Ver- schleiß erfasst wird. In diesem System wird erfasst, wenn ein neuer unbenutzter Bremsbelag verwendet wird, und dann wird ent- sprechend ein neuer Referenzwert für Verschleißmessungen gene- riert. Anschließend wird ansprechend auf den neuen Referenzwert eine Verschleißgrenze generiert und gespeichert, die eine ak- zeptable Mindestbremsbelagsdicke repräsentiert und durch Sub- trahieren der bekannten Dicke neuer, unbenutzter Beläge von dem neuen Referenzwert erhalten wurde. Auf diese Weise berücksich- tigt das System bei der Ermittlung der Verschleißgrenze die ab- nehmende Scheiben-oder Trommeldicke mit fortschreitender Le- bensdauer der Bremse. Durch den Verschleißverlauf der Vergan- genheit und der Restbelagdicke wird die zu erwartende Rest- laufstrecke prognostiziert und über ein Servicediagnosesystem ausgegeben.

Diese Verfahren ermöglichen jedoch ebenfalls nur eine Voraussa- ge über den Alterungszustand der zu wechselnden Schmierstoffe sowie dem Verschleiß unterliegender Teile wie Bremsbeläge und Kupplungsbelag.

Der Zustand der rein mechanischen Bauteile eines Aggregates ist durch diese herkömmlichen Verfahren jedoch nur ansatzweise und ungenügend bestimmbar.

Dahingegen sind Verfahren zur Schadensfrüherkennung beispiels- weise auf dem Gebiet der Kraftwerkstechnik bzw. für die Maschi- nenüberwachung großer Anlagen bekannt.

Aus der Notwendigkeit, außerplanmäßige Stillstandzeiten von großen Kraftwerksanlagen aufgrund plötzlich ausfallender Bau- teile vermeiden zu müssen, wurden Verfahren entwickelt, die ei- ne Schadensfrüherkennung von Aggregatebauteilen zulassen, ohne dass das Bauteil hierfür schon eine auffallende Funktionsstö- rung zeigen muss. Aufgrund der durch diese Verfahren ermittel- ten Ergebnisse lässt sich dann die Entscheidung ableiten, ob ein bestimmtes Bauteil im nächsten geplanten Maschinenstill- stand zur Wartungsdurchführung ersetzt werden muss oder noch weiter im Einsatz bleiben kann.

Die DE 195 45 008 C2 offenbart ein Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Ma- schinenveränderungen. Dazu werden mittels eines Überwachungs- sensors maschinenspezifische Messsignale erfasst, die in einer Auswerteeinheit mit einer Referenz, d. h. Messsignalen, die das Ausgangsverhalten einer neuen Maschine darstellen, verarbeitet werden. Insbesondere wird aus den vom Sensor gelieferten Zeit- signalen mittels Fourier-Transformation für den Maschinenzyklus ein Frequenzspektrum erstellt und aus den Frequenzsignalen von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens zehn Frequenzspektren Mittelwerte der einzelnen Frequenzordnungen errechnet, die die Grundlage des Verfahrens für die Überwachung bilden. Eine er- fasste Änderung kann ein Signal für eine Unregelmäßigkeit in einem Fertigungsprozess, das eine Verhaltensänderung der Ma- schine zur Folge hat, und/oder für das Eintreten eines Maschi- nenschadens sein. Diese Maschinenänderung wird angezeigt.

Aus der EP 0413845 B1 ist ein Verfahren zur Schadensfrüherken- nung an Maschinenteilen, insbesondere an Wälzlagern bekannt.

Bei diesem Verfahren werden erzwungene Schwingungen einer Ma- schine aufgrund eines Wälzlagerschadens mit Hilfe eines Schwin- gungsaufnehmers erfasst. Aus diesem gemessenen Signal, bei- spielsweise der gemessenen Beschleunigung, wird ein digitali- siertes Signal erzeugt und in periodisch determinierte Signal- anteile, in periodisch wiederkehrende Anteile mit stochasti- scher Amplitude und in allgemein stochastische Anteile zerlegt.

Anschließend werden diese Signalanteile zur Ermittlung von Kenngrößen für die Beanspruchung des Maschinenteils frequenzab- hängig analysiert. Dazu wird das Frequenzspektrum, vorzugsweise als spektrale Leistungsdichte ermittelt. Mittels Häufigkeits- analysen werden schadenbestimmende Intensitäten für die be- stimmten Frequenzbereiche bestimmt, wobei Größe, Umfang und Form der Häufigkeitsverteilung ermittelt werden. Eine Verknüp- fung von Frequenzbereich und Häufigkeitsverteilung ergibt einen Beanspruchungsfaktor für das Wälzlager. Die ermittelten Beanspruchungs-Kenngrößen werden zur Feststellung der Schadens- art herangezogen und/oder zur Feststellung eines Schädigungs- grades mit Kennwerten für eine ertragbare Beanspruchung des Ma- schinenteils verglichen.

Jedoch ist bisher keine Vorrichtung und kein Verfahren bekannt, mittels derer eine Früherkennung und Vorhersage bei instationä- ren, d. h. mobilen Aggregaten verwirklicht werden kann. Insbe- sondere sind die vorstehend erläuterten herkömmmlichen Vorrich- tungen und Verfahren nicht zur Verwendung bei Aggregaten ausge- bildet, die dynamischen Belastungsverläufen unterliegen und mo- bil betrieben sind.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich- tung und ein Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Ag- gregateschädigungen zu schaffen, das auch bei Aggregate anwend- bar ist, die mobil betrieben werden und dynamischen Belastungs- verläufen unterliegen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 11 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. erfindungsgemäße Verfahren wird eine Früherkennung und Vorhersage von Aggregate- schädigungen auch bei mobil betriebenen und dynamischen Belas- tungsverläufen unterliegenden Aggregaten möglich.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung ersicht- lich.

Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Früherkennung und Vorhersage von Maschinenschädigungen für stationäre und mobil betriebene Maschinenanlagen, Fig. 2a und 2b ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Ver- fahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigun- gen und Fig. 3a und 3b Darstellungen von Spektrum und Cepstrum eines Rädergetriebes bei eingelegtem l. Gang ohne bzw. mit Aggregate- schädigungen.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Vorrich- tung zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigun- gen, die insbesondere auch bei mobil betriebenen Maschinenanla- gen, wie beispielsweise Antriebssträngen, verwendet werden kann, beschrieben. Es können Schädigungen des Antriebsstrang bzw. von Antriebsstrangkomponenten, wie beispielsweise Lenkung, Motor, Getriebe, Kurbelwelle, Bremsanlage, Retarder, usw. er- kannt werden.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Früherkennung und Vor- hersage von Aggregateschädigungen ist ein Sensor 1, beispiels- weise ein Beschleunigungsaufnehmer, an der zu überwachenden Ma- schinenanlage angeordnet. Dieser Sensor 1 dient zur Erfassung von Körperschall der zur überwachenden Maschinenanlage und ist an seinem Ausgang mit einer Verstärkungseinrichtung 2 verbun- den. Der Ausgang der Verstärkungseinrichtung 2 wiederum ist so- wohl mit einer Hüllkurvenbildungseinrichtung 3 als auch über eine Tiefpassfiltereinrichtung 3. Der Ausgang der Hüllkurven- bildungseinrichtung 3 ist mit einer ersten Schaltposition einer Umschalteinrichtung 6 verbunden. Während der Ausgang der Tief- passfiltereinrichtung 3 mit einer zweiten Schaltposition der Umschalteinrichtung verbunden ist. Der Ausgang der Umschaltein- richtung 6 ist wiederum mit einem Eingang einer Wandler-und Treibereinrichtung 7 verbunden, die unter anderem eine IO (Eingabe-Ausgabe) -Management-A/D (Analog/Digital)- Wandlereinrichtung und Treiberstufen für eine Aggregatesteue- rung umfasst. Weitere Eingänge der Wandler-und Treibereinrich- tung 7 sind mit nicht gezeigten Aggregatesensoren und Aktuato- ren der Maschinenanlage verbunden. Ein Ausgang der Wandler-und Treibereinrichtung 7 ist mit einem digitalen Signalprozessor DSP zur Zufuhr eines durch IO-Management-A/D-Wandlereinrichtung der Wandler-und Treibereinrichtung 7 digitalisierten Sensor- signals verbunden. Der digitale Signalprozessor DSP weist eine Fast-Fourier-Transformationseinrichtung (FFT-Einrichtung) und eine Cepstrum-Analyseeinrichtung zur Erzeugung von Resonanzda- ten von Einzelstoßimpulsen im Zeitbereich auf. Hierfür umfasst die Cepstrum-Analyseeinrichtung eine Logarithmierungseinrich- tung zur Logarithmierung der von Einzeldaten und eine inverse Fast-Fourier-Transformationseinrichtung (IFFT-Einrichtung). Ein Anschluss des digitalen Signalprozessors DSP ist mit einer Speichereinrichtung 8 verbunden. In dieser Speichereinrichtung 8, die beispielsweise ein EEPROM aufweist, sind Referenzdaten gespeichert, die ein Muttercepstrum sowie Informationen, welche Amplitudenüberhöhungen im Cepstrum eine Schädigung welches Ag- gregates bzw. Aggregatteils darstellen, umfassen, und kann in eine Speichereinrichtung 11 für eine Aggregatesteuerung integ- riert sein. An einem weiteren Eingang ist der digitale Signal- prozessor DSP mit einer Zentraleinheit 9 bzw. CPU der Aggrega- teelektronik zur Zuführung von gegenwärtigen Drehzahl-und Lastinformationen verbunden.

Der digitale Signalprozessor DSP sowie die Zentraleinheit 9 sind beide mit einer Überwachungseinrichtung bzw. Watchdog- Einrichtung 10 zum Auslesen von Daten aus dem digitalen Signal- prozessor und/oder der Zentraleinheit 9 zur Beurteilung, ob kritische Werte überschritten werden, d. h. Signale auftreten, die außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegen, und zur Ausgabe eines Beurteilungsergebnisses verbunden. Darüber hinaus ist ein weiterer Ausgang des digitalen Signalprozessors mit der Zentraleinheit 9 zur Ausgabe von Diagnosedaten, d. h.

Daten betreffend bevorstehende Aggregateschädigungen, ausgebil- det.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der vorstehend be- schriebenen Vorrichtung zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigungen an Hand des in Fig. 2 gezeigten Ablauf- diagramm veranschaulicht.

Zunächst erfasst zumindest ein Sensor 1 den Köperschall einer zu überwachenden Maschinenanlage und gibt ein Messsignal, bei- spielsweise ein Beschleunigungssignal aus (S1). Das Messsignal von der Sensoreinrichtung 1 wird dann der Verstärkungseinrich- tung 2 zugeführt und dort derart verstärkt, dass eine problem- lose Weiterverarbeitung in den noch folgenden Verarbeitungsein- richtungen erfolgen kann. Im Rahmen dieser Verstärkung werden jedoch sowohl das gewünschte Signal der zu überwachenden Ma- schinenanlage als auch Rauschsignale, die sich u. a. bedingt durch die Bewegung der Maschinenanlage bei mobilen Maschinenan- lagen entstehen, beispielsweise durch Bodenunebenheiten, Beschleunigungs-und Bremsvorgänge, usw. eines Fahrzeugs im An- triebsstrang entstehende Schwingungssignale verstärkt und wür- den bei direkter Auswertung die Auswertungsergebnisse des digi- talen Signalprozessors DSP negativ beeinflussen.

Daher wird anschließend das von der Verstärkungseinrichtung 2 ausgegebene verstärkte Messsignal einer Hüllkurvenbildungsein- richtung 3 zugeführt, die eine Hüllkurve über das Messsignal erzeugt, um das hochfrequente Messsignal für die Weiterverar- beitung zu glätten. Hierbei verläuft die Hüllkurve entlang der Maximal-Amplitudenwerte des Messsignals. Das Ausgangssignal der Hüllkurvenbildungseinrichtung 3 wird dann der Wandler-und Treibereinrichtung 7 zugeführt.

Alternativ kann ansprechend auf ein Signal von dem digitalen Signalprozessor DSP das Messsignal auch einer Tiefpassfilter- einrichtung 3 zugeführt werden, in der hochfrequente Anteile des Sensorsignals, beispielsweise auch unerwünschte, hochfre- quente Rauschanteile herausgefiltert werden. Im Unterschied zum durch die Hüllkurvenbildungseinrichtung 3 erzeugten geglätteten Sensorsignal ist das'tiefpassgefilterte Messsignal ein geglät- teter Mittelwert des hochfrequenten Messsignals.

Dieses tiefpass-gefilterte Ausgangssignal oder geglättete Mess- signal wird dann in der IO-Management-A/D-Wandlereinrichtung der Wandler-und Treibereinrichtung 7 zusammen mit durch nicht gezeigte Aggregatesensoren erfasste, einem anderen Eingang der Wandler-und Treibereinrichtung 7 zugeführten Drehzahl-und Lastsignalen einer ebenfalls in der Wandler-und Treiberein- richtung 7 ausgebildeten Analog/Digitalwandlereinrichtung zuge- führt und darin in ein digitales Signal umgewandelt (S2).

Die digitalen Ausgangssignale der Analog/Digitalwandlerein- richtung der Wandler-und Treibereinrichtung 7 werden anschlie- ßend dem digitalen Signalprozessor DSP zugeführt. Der digitale Signalprozessor DSP führt eine Signalanalyse durch, bei der Merkmale oder Ereignisse des Maschinenzustands anhand von Schwingungsbändern vorhergesagt werden. Dies kann für alle Ma- schinenbestandteile erfolgen, deren Körperschall sich über die Maschinenstruktur bis zum Sensor 1 überträgt.

Die dem digitalen Signalprozessor DSP zugeführten digitalen Ausgangssignale der Analog/Digitalwandlereinrichtung der Wand- ler-und Treibereinrichtung 7 werden zunächst in einer Fast- Fourier-Transformationseinrichtung mittels der schnellen bzw.

Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transfor- miert (S3). Dadurch wird ein Datensatz erzeugt, mit dem graphi- sche Analysen hergestellt werden können. Einzelne Frequenzli- nien und die Art der Ausprägung der Harmonischen können bei ge- nau definierten Messbedingungen ursachenbezogene Aussagen für Aggregate bedingen. Schädigungsbedingt steigen Frequenzlinien immer höher an. Bedingt durch den mobilen Einsatz der Maschi- nenanlage existiert jedoch eine Vielzahl von Störfrequenzli- nien, die eine weitere Auswertung verkomplizieren.

Daher wird durch die im digitalen Signalprozessor DSP ausgebil- dete Cepstrum-Analysevorrichtung eine drehzahlunabhängige, ur- sachenbezogene Frequenzanalyse durchgeführt (S4). Zu diesem Zweck führt die in der Cepstrum-Analysevorrichtung ausgebildete Logarithmiereinrichtung nach Durchführung der Fast-Fourier- Transformation in der Fast-Fourier-Transformationseinrichtung eine Logartihmierung der Einzeldaten im Frequenzbereich durch.

Diese logartihmierten Einzeldaten werden anschließend mittels der Inversen-FFT (Fast-Fourier-Transformations) -Einrichtung wie- der in den Zeitbereich transformiert und stehen dort dann als Resonanzdaten der Einzelstoßimpulse auf der Quefrenzachse, d. h.

Umkehr-Frequenzachse, in der Einheit ms zur Verfügung. In Fig.

3a und 3b sind Darstellungen von Spektrum und Cepstrum eines Rädergetriebes bei eingelegtem l. Gang mit (Fig. 3a) bzw. ohne (Fig. 3b) Aggregateschädigungen gezeigt. Auf der rechten Seite von Fig. 3a bzw. Fig. 3b ist jeweils das ermittelte Spektrum gezeigt, während auf der rechten Seite das Cepstrum dargestellt ist. Hieraus ist ersichtlich, dass aus dem Cepstrum Schädigun- gen, hier beispielsweise durch Einzelstoßimpulse bei 28,1 ms (35,6 Hz) und 95,9 ms (10,4 Hz) auf einfache Weise eindeutig bestimmt werden können. Mittels der hinterlegten Referenzdaten ist nun aus der Lage der Einzelstoßimpulse ein Rückschluss auf den geschädigten Aggregatebestandteil möglich.

Der Vorteil der Cepstrum-Analyse besteht darin, dass Wiederho- lungen im Spektrum, beispielsweise durch Harmonische oder Sei- tenbänder, nur eine Linie im Cepstrum ergeben, wenn nur ein Seitenbandabstand vorliegt. Daher werden sehr viele Linien im Spektrum, die nur wenige Ursachen haben, wesentlich reduziert.

Insbesondere ist dies bei Spektren beispielsweise eine defekten Wälzlagers, Zahnschäden an Getrieben, usw. sinnvoll, da in die- sen Fällen sehr viele Spektrallinien auftreten, deren einzelne Abstände nicht mehr einfach zu erkennen und aufwendig auszuwer- ten sind ; durch die Cepstrum-Analyse werden die Informationen auf das Wesentliche reduziert.

Der digitale Signalprozessor DSP greift in Abhängigkeit von den durch die Zentraleinheit 9 zugeführten Drehzahl-und Lastinfor- mationen auf in der Speichereinrichtung 8 gespeicherte Refe- renzdaten für den gegenwärtigen Betriebszustand zu und liest sie aus und führt einen Vergleich zwischen den gespeicherten Referenzdaten, d. h. dem Muttercepstrum, das für eine unbeschä- digte Maschinenanlage für verschiedene Betriebszustände ermit- telt wurde, und dem derzeitigen Cepstrum durch (S5). Eine mit dem digitalen Signalprozessor DSP verbundene Watchdog- Einrichtung 10, die ebenfalls mit der Zentraleinheit 9 verbun- den ist, ermittelt, ob beim Vergleichsergebnis kritische Werte überschritten werden, d. h. Signale auftreten, die im gegenwär- tigen Betriebszustand außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbe- reichs liegen, und gibt im Falle einer Überschreitung ein ent- sprechendes Signal an den digitalen Signalprozessor DSP aus (S6). Zu diesem Zeitpunkt, an dem ein Überschreiten eines Tole- ranzbereichs erkannt wurde, ist jedoch ein Austausch des be- troffenen Teils meist noch nicht erforderlich, ein beginnender Schädigungsgrad kann jedoch bereits festgestellt werden.

Anschließend wird aus in der Speichereinrichtung 8 hinterlegten Erfahrungswerten, die durch die Ermittlung von Cepstren über die gesamte Lebensdauer einer Maschinenanlage und Zuordnung von Veränderungen im Cepstrum zu bestimmten, aufgetretenen Schädi- gungen eines Aggregats oder Aggregateteils sowie der danach noch verbliebenen Lebensdauer bis zum Totalausfall erhalten wurden, wird nun aus dem im Cepstrum auftretenden Überschrei- tungen des Toleranzbereichs und der Höhe der Überschreitung so- wohl das geschädigte Aggregat bzw. Aggregateteil und dessen Schädigungsgrad als auch dessen voraussichtlich noch verblei- bende Lebensdauer durch den digitalen Signalprozessor DSP be- stimmt. Zur Bestimmung der voraussichtlich noch verbleibenden Lebensdauer wird zusätzlich zu den bekannten Erfahrungswerten auch die Historie der zu überwachenden Maschinenanlage, bei- spielsweise Extrembelastung während erst kurzer Lebensdauer, moderate Belastung über einen langen Zeitraum, u. ä., berück- sichtigt, da sich dann die voraussichtlich noch verbleibende Lebensdauer verkürzen bzw. verlängern kann. Daraufhin wird vom digitalen Signalprozessor DSP ein Diagnosesignal an die Zent- raleinheit 9 ausgegeben, das Informationen enthält, welche Ag- gregate welche Schädigung und mit welchem Schädigungsgrad, bei- spielsweise Angabe des Schädigungsgrads eines bestimmtes Zahn- rades im Getriebe, aufweisen und wann spätestens ein Wechsel erfolgen muss, um einen Ausfall zu vermeiden (S7).

Die Zentraleinheit 9 generiert ansprechend auf das Diagnosesig- nal (die Diagnosedaten) einen Notbetrieb (S12) und es werden Meldungen auf einer nicht gezeigten Anzeige-und Bedieneinrich- tung ausgegeben (S8). Insbesondere wird ansprechend auf die Di- agnosedaten eine Meldung an den Fahrer des Fahrzeugs (S8) und/oder per Telemetrie an die entsprechende Werkstatt und das Fuhrunternehmen abgegeben (S9). Diese Meldung beinhaltet eine für den Fahrer verständliche Darstellung des erkannten bzw. vorhergesagten Fehlers und eine Vorhersage der Zeit bis zum Ausfall oder einer stärkeren Schädigung des entsprechenden Ag- gregates.

Es kann jedoch auch der Fall auftreten, dass keine Meldung er- folgt und auch keine Wahlmöglichkeit für einen Notbetrieb be- steht, dann werden diese Daten nur einer Fehlerspeichereinrich- tung, die beispielsweise in der Speichereinrichtung 11 für die Aggregatesteuerung ausgebildet sein kann, zum Auslesen während eines nachfolgenden Kundendiensttermins abgespeichert.

Der durch die Zentraleinheit 9 ansprechend auf die ermittelten Diagnoseinformationen generierte Notbetrieb wird eingesetzt, um die weitere Schädigung des als geschädigt diagnostizierten Ag- gregates zu verhindern oder vermindern und dennoch gleichzeitig eine weitere Verfügbarkeit des Fahrzeugs zu gewährleisten. Ein solcher Notbetrieb ist beispielsweise das Überspringen des ent- sprechenden Gangs bei einer Getriebeschädigung oder die Vermin- derung der Motorleistung/Motordrehzahl. Hierfür sind Notlauf- algorithmen beispielsweise in der Speicheeinrichtung 11 für die Aggregatesteuerung abgelegt, die dann entsprechend von der Zentraleinheit 9 gestartet werden.

Stehen verschiedene Möglichkeiten zum Notbetrieb mit verschie- denen Auswirkungen, z. B. längere oder kürzere Verfügbarkeit des Fahrzeugs, zur Verfügung (S10), werden diese durch die Zentral- einheit 9 auf der nicht gezeigten Anzeige-und Bedieneinrich- tung zur Auswahl angezeigt (Sll). Der Fahrer kann dann je nach Situation, beispielsweise Entfernung zur Werkstatt oder Zeit- raum/Strecke, in dem/der das Fahrzeug noch benötigt wird, einen Notmodus auswählen.

Beispielsweise kann bei einem erkannten Ausfall des Retarders dieser abgeschaltet werden und die Bremsanlage derart angesteu- ert werden, dass sie die Funktion des Retarders mit übernimmt.

Umgekehrt kann bei einem Ausfall der Brems, durch geänderte An- steuerung die Funktion der Bremse durch den Retarder mit über- nommen werden.

Außerdem werden die aufbereiteten Diagnosedaten des Antriebs- strangs über eine Antriebsstrangschnittstelle zur weiteren Ver- wendung/Verarbeitung zur Verfügung gestellt.

Durch Kommunikation mit bereits bisher vorhandenen Einrichtun- gen der Maschinenanlage, wie beispielsweise der Zentraleinheit 9 und damit verbundener Nutzung Maschinenanlagen-spezifischer Kommunikationsstrukturen, wie beispielsweise beim Fahrzeug von CAN (= car area network) -Bausteinen wird der Aufwand der Vor- richtung erheblich reduziert.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsge- mäße Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregate- schädigungen wird die Verfügbarkeit von Maschinenanlagen auf- grund von zustandsabhängiger Wartung erhöht. Es werden nur noch Bauteile ausgetauscht, die Schädigungen aufweisen. Ein vorbeu- gender Austausch mit dem Risiko, etwas kaputt zu reparieren, entfällt. Die meisten Reparaturzeiten können in die normalen Stillstandzeiten gelegt werden.

Alternativ zur Cepstrum-Analyseeinrichtung kann erfindungsgemäß auch eine Wavelet-Analyseeinrichtung verwendet werden. Hierfür wird ein zu vergleichende Signal mit einem Wavelet, d. h. einer mit einer Gauß-Funktion überlagerten Sinusfunktion, überlagert und anschließend eine Fast-Fourier-Transformation dieser über- lagerten Wavelet-Verläufe durchgeführt. Aus diesem Fourier- transformierten Signal können Kennzahlen erhalten werden, die eine gute Zerlegung in Einzelkomponenten und damit eine direkte Zuordnung zu einem Fehler ermöglichen.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Vor- richtung und ein Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Aggregateschädigungen in Maschinenanlagen, insbesondere auch mobilen Maschinenanlagen. Zu diesem Zweck wird der Körperschall der Maschinenanlage durch einen Sensor erfasst und als Be- schleunigungssignal ausgegeben und in einem digitalen Signal- prozessor analysiert. Hierbei wird, um negative Einflüsse von Umgebungsschwingungen bzw. nicht mit dem Zustand der Maschinen- anlage zusammenhängende Körperschallwellen zu vermeiden, zu- nächst das Beschleunigungssignal mittels einer Fast-Fourier- Transformation in den Frequenzbereich transformiert und an- schließend die dadurch erhaltenen Daten mittels Cepstrum- Analyse wieder in den Zeitbereich transformiert, so dass Reso- nanz-Daten von Einzelstoßimpulsen (ein Cepstrum) im Zeitbereich erhalten werden. Dieses Cepstrum wird dann mit einem Vergleichscepstrum verglichen, das entsprechend Last-und Dreh- zahlsignalen für den gegenwärtigen Betriebszustand bei einer neuen Maschinenanlage in einer Speichereinrichtung verfügbar ist. Bei Überschreitung von Grenzwerten wird das Diagnosesig- nal, insbesondere Informationen über das als geschädigt diag- nostizierte Aggregate und seine voraussichtliche Restlebensdau- er für den Benutzer angezeigt und ein Notbetrieb eingeleitet.