Bezeichnung der Erfindung

Verfahren zur Wälzlagerdiagnose

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Untersuchen von Lagerschäden und insbesondere von Lagerschäden in Wälzlagern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf die unterschiedlichsten Wälzlagertypen, wie Kugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager anwendbar. Die zu untersuchenden Wälzlager können beispielsweise in E- lektromotoren, Eisenbahnradsätzen, Getrieben, Papiermaschinenprüfstän- den und dergleichen Anwendung finden.

An Wälzlagern kann es infolge Abnutzung zu diversen Schäden kommen. Ein Beispiel für derartige Schäden sind so genannte „Pittings", dass heißt Einkerbungen des Innen- beziehungsweise Außenrings oder der Wälzkörper. Daneben können auch flächige Schäden auftreten. Da derartige „Pittings" beziehungsweise Schäden in Folge weiterer Benutzung sehr schnell zu einer rapiden Verschlechterung des Wälzlagers führen können, besteht ein Bedürfnis, derartige Schäden mit geeignetem Messverfahren zu untersuchen.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Untersuchung von Zuständen eines Wälzlagers bekannt.

Ein derartiges Diagnoseverfahren ist beispielsweise die so genannte Hüllkur- ven-Analyse. Dabei wird ein so genanntes Hüllkurvendemodulationssignal (HKD-Signal) zur Beurteilung des Lagerzustandes ausgewertet. Die Aufnahme derartiger Signale ist beispielsweise mit piezoelektrischen Sensoreinrichtungen möglich, die an das Lagergehäuse geschraubt, geklebt oder per Magnethalter gehalten werden können.

Mit Hilfe der Hüllkurven-Analyse können beispielsweise periodische Stoßwiederholungen, wie sie von „Pittings" in Wälzlagern erzeugt werden, bereits in einem frühen Stadium detektiert und überwacht werden und damit kann auf einem Schaden rückgeschlossen werden.

Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, zur Maschinendiagnose auf die Bildung bzw. Auswertung von statistischen Kenngrößen, wie der Kurtosis (d. h. des vierten Moments) zurückzugreifen.

Bei der Kurtosis handelt es sich um einen aus einer Vielzahl von üblicherweise verwendeten statistischen Parameter für die Wälzlagerdiagnose. Die Kurtosis hängt dabei sehr stark von Auftreten einzelner Störeinflüsse ab. Genauer führt das Auftreten vereinzelter Störungen zu einer höheren Kurtosis wie eine Vielzahl von Störungen, da die Kurtosis eines Signals mit einer einzigen deutlichen Spitze sehr hoch ist. Bei dem Betrieb von Wälzlagern treten jedoch auch äußere Störungen wie beispielsweise Schläge und dergleichen auf, wodurch insbesondere die Kurtosis als Kenngröße erheblich verfälscht wird.

Daher gilt die Kurtosis bisher als nicht oder nur eingeschränkt verwertbare Kenngröße bei der Wälzlagerdiagnose.

Zur Frequenzanalyse ist die genaue Kenntnis der Drehzahl erforderlich.

Bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Diagnoseverfahren ist eine sehr hohe Rechenleistung erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Diagnoseverfahren zur Verfügung zu stellen, welches auch bei Auftreten externer Störungen, das heißt solcher Störungen, die nicht im Zusammenhang mit einem Lagerschaden stehen, eine Beurteilung des Lagerzustandes erlaubt. Damit soll eine Schadensdiagnose an Wälzlagern vereinfacht werden, bei denen andere als durch Lagerschäden verursachte Schwingungen überlagert sind. Daneben soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welches ohne Kenntnis der genauen Drehzahl Schäden an einem Wälzlager bzw. Radsatzlager anzeigt.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Untersuchen von Lagerschäden mit Hilfe eines Hüllkurvendemodulations- (HKD) Signals wird wenigstens eine für das Auftreten von Lagerschäden charakteristische stochastische Kenngröße aus dem Hüllkurvendemodulationssignal ermittelt. Erfindungs- gemäß wird die charakteristische Kenngröße wiederholt in mehreren vorgegebenen zeitlichen Intervallen ermittelt und diese zeitlichen Intervalle sind kürzer als der zeitliche Abstand zwischen externen Störungen.

Damit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Hüllkur- vendemodulation vorgenommen.

Unter externen Störgrößen werden solche Störungen verstanden, die nicht durch Lagerschäden hervorgerufen, sondern beispielsweise durch den Betrieb des Wälzlagers von außen verursacht werden. Wie oben erwähnt, ist die Kurtosis eines Signals mit einer einzigen deutlichen Spitze sehr hoch. Diese externen Stöße erscheinen jedoch wesentlich seltener als diejenigen Stöße, die durch eine überrollung von „Pittings" durch Wälzkörper hervorgerufen werden. Durch die Wahl eines entsprechend kleineren Intervalls können insbesondere durch eine Mittelung über eine Vielzahl in derartigen Intervallen ermittelter Kenngrößen einzelne falsche Werte faktisch unterdrückt werden. Anstelle einer Mittelung könnten jedoch auch in einem weiteren Verfahrensschritt Intervalle mit extrem hoher Kurtosis ausgesondert werden.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Untersuchen von Lagerschäden mit Hilfe eines Hüllkurvendemodulations-Signals wird wenigs- tens eine für das Auftreten von Lagerschäden charakteristische stochasti- sche Kenngröße des Hüllkurvendemodulations-Signals ermittelt. Dabei wird erfindungsgemäß die charakteristische Kenngröße wiederholt in mehreren vorgegebenen zeitlichen Intervallen ermittelt, und in einem weiteren Verfahrensschritt eine Mittelung über die Vielzahl von den in der unterschiedlichen Intervallen ermittelten Kenngrößen durchgeführt. Durch diese Mittelung können, wie oben erwähnt, externe Störungen, die wesentlich seltener auftreten als durch Lagerschäden hervorgerufene Störungen bei der Berücksichtigung insbesondere der Kurtosis besser unterdrückt werden. Auch durch dieses Verfahren wird die Verwertbarkeit der Kurtosis als den Zustand des Lagers beschreibende Kenngröße verbessert.

Vorzugsweise werden die zeitlichen Intervalle länger gewählt als die überrollzeit der einzelnen Wälzkörper, d. h. der überrollzeit der einzelnen Wälzkörper über etwa vorhandene Schäden wie „Pittings". Diese überrollzeit der einzelnen Wälzkörper ergibt sich aus der Umlaufzeit der einzelnen Wälzkörper dividiert durch die Anzahl der Wälzkörper. Diese überrollzeit ist erheblich kürzer als der mittlere zeitliche Abstand zwischen zwei externen Störungen.

Für eine Aufnahme der Lagerschäden liegt, wie dargestellt, die Intervallgröße über der betreffenden überrollzeit.

Die genannten externen Störungen treten jedoch überall üblicherweise nicht regulär sondern statistisch auf. Daher wird vorzugsweise ein Zeitintervall gewählt, welches erheblich geringer ist als der Mittelwert der zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen externen Störungen. Für diese Mittelwerte können auch Erfahrungswerte zugrunde gelegt werden die beispielsweise das verwendete Lager, dessen Einsatzgebiet und dergleichen berücksichti- gen.

Vorzugsweise sind die zeitlichen Intervalle geringer als die Hälfte des zeitlichen Abstandes zwischen den externen Störungen, wobei hier als zeitlicher Abstand wiederum der Mittelwert oder Erwartungswert für diesen zeitlichen Abstand zugrunde gelegt werden kann. Vorzugsweise übertreffen die zeitlichen Intervalle die überrollzeit der einzelnen Wälzkörper um mehr als das Dreifache und bevorzugt um mehr als das Vierfache. Durch eine derartige Wahl der zeitlichen Intervalle ist eine besonders günstige Auswertung des Hüllkurvendemodulationssignals möglich, da innerhalb des Intervalls wenigs- tens drei beziehungsweise vier durch Lagerschäden hervorgerufene Signaländerungen auftreten.

Vorzugsweise sind die zeitlichen Intervalle kürzer als die hundertfache überrollzeit und bevorzugt kürzer als die vierzigfache überrollzeit und besonders bevorzugt kürzer als die dreißigfache überrollzeit. Auf diese Weise kann die Auswertung des HKD-Signals verbessert werden, da durch eine Aufnahme mehrerer überrollzeiten eine genauere Auswertung der Lagerschäden erfolgen kann. Damit ist eine Aussage über das Vorhandensein von Schäden und ggf. auch die Höhe der Schäden möglich.

Vorzugsweise wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Mittelung über eine Vielzahl von in unterschiedlichen Intervallen ermittelte Kenngrößen durchgeführt. Durch diese Mittelung können, wie oben erwähnt, einzelne falsche d. h. nicht auf Schäden beruhende Werte unterdrückt werden. Diese falschen Werte können beispielsweise auf externen Stößen beruhen. Wenn sich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Wahl eines entsprechend längeren Intervalls derartige externe Stöße stark auf das Gesamtsignal auswirken, wirken sie sich bei der Wahl kurzer Intervalle lediglich auf einzelne Intervalle aus und werden daher bei der Mittelung unterdrückt. Die- ses Verfahren liefert bei einem Lager ohne mechanische Veränderungen (beispielsweise Veränderungen durch „Pittings") in etwa den zu erwartenden Wert für die Kurtosis von drei, das heißt den Wert, der für gleichverteiltes Rauschen zu erwarten ist. Ein Außenringpitting kann zu Werten bis zu 60 für die Kurtosis führen.

Bevorzugt ist die Mittelung aus einer Gruppe von Mittelungen ausgewählt, welche arithmetische Mittelungen, geometrische Mittelungen, Integrale, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält. Bevorzugt werden arithmetische Mittelungen verwendet.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist die Kenngröße die Kurtosis. Wie eingangs erwähnt, ist die Kurtosis einer der üblicherweise bei den genannten Verfahren verwendeten statistischen Parameter. Anstelle der Kurtosis könnte jedoch beispielsweise auch der so genannte Crestfaktor ausge- wertet werden. Auch wäre es möglich, den so genannten Impulsfaktor (im- pulse factor) oder den Formfaktor (shape factor) zu ermitteln.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden wenigstens zwei Intervalle unterschiedlich gewichtet. So ist es beispielsweise möglich, Intervalle, in denen besonders hohe Kenngrößenwerte in Folge externer Stöße auftreten, schwächer oder im Extremfall mit einem Faktor null zu gewichten, also aus der Bewertung herausnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, Intervalle, in

denen externe Stöße aufgetreten sind, zu unterdrücken, um auf diese Weise das Messergebnis weiter zu verbessern.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist die Länge der zeitlichen Inter- valle veränderbar. So kann die Länge der zeitlichen Intervalle beispielsweise einheitlich auf die vorgegebene Umlauffrequenz der Wälzkörper angepasst werden. Die Länge der Zeitintervalle muss jedoch bei der vorliegenden Erfindung nicht sehr genau bestimmt werden, dass heißt, für diese Bestimmung des Zeitintervalls können drei Stufen der Wälzkörperumdrehung wie „langsam", „mittel" und „schnell" ausreichen.

Im Gegensatz zur Frequenzanalyse ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch nicht die genaue Kenntnis der Drehzahl erforderlich, da die Auswertung durch Mittelwertbildung unempfindlich gegenüber geringen Dreh- Zahlschwankungen ist. Unabhängig von der jeweils aktuellen Drehzahl kann damit eine Aussage über den jeweiligen Lagerzustand d. h. insbesondere das Vorhandensein von Lagerschäden wie Außenring - oder Innenring - Pit- tings erfolgen.

Vorzugsweise werden alle Zeitintervalle im Wesentlichen gleich lang gewählt. Auf diese Weise wird die Mittelung über die einzelnen Intervalle vereinfacht. Es ist jedoch auch möglich, Intervalle mit unterschiedlichen Längen zu wählen und insbesondere an Stellen des Signals, welche das Auftreten von ersten Störungen anzeigen, eine kürzere Intervalllänge zu wählen.

Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens der oben beschriebenen Art gerichtet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Verlauf der Kurtosis bei einer Intervallgröße von 4 Sekunden; und

Fig. 2 einen Verlauf der Kurtosis bei einer Intervallgröße von 0,2 Se- künden.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Kurtosis K, die über einen Zeitraum von 50 Sekunden aus dem HKD-Signal ermittelt wurde. Dabei liegen sowohl Figur 1 als auch Figur 2 die gleichen Mess- bzw. Rohdaten zugrunde.

Im Falle von Figur 1 wurden jeweils zeitliche Intervalle von 4 Sekunden und in Figur 2 zeitliche Intervalle von 0,2 Sekunden zugrunde gelegt. In beiden Darstellungen wurde je Sekunde ein Messwert ausgegeben, wobei jeweils (gleitende) arithmetische Mittelwerte gebildet wurden.

Die Bezugszeichen 3a, 3b und 3c kennzeichnen die Kurtosis an solchen Stellen, an denen jeweils externe Störungen auftreten. Man erkennt, dass im Fall von Figur 1 in diesem Bereich Maximalwerte der Kurtosis von 27 auftreten. In Figur 2, d. h. der Darstellung, die die Verwendung größerer Zeitinter- valle von 4 Sekunden zeigt, treten Werte der Kurtosis im Bereich von 140 auf. Der sehr hohe Spitzenwert 4 sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 ist auf Messungsartefakte zurückzuführen, die bei sehr geringen Wälzlagerumdrehungen auftreten können. Bei diesen sehr langsamen Drehungen können keine vernünftigen Werte mehr ausgegeben werden.

Der zeitliche Abstand zwischen den durch externe Störungen bzw. Stöße hervorgerufenen Spitzen liegt, wie Eingangs erwähnt, im Bereich von etwa 4 Sekunden. Durch die in Figur 2 gezeigte Wahl von 4 Sekunden als Intervalllänge können derartige Spitzen nicht zufrieden stellend unterdrückt werden und liefern daher für die Kurtosis sehr hohe Werte bis 140. Dagegen wird durch die Wahl kurzer Intervalle von hier 0,2 Sekunden erreicht, dass durch eine Mittelung über eine Vielzahl solcher Werte - im folgenden Falle wird

jeweils über 50 Werte gemittelt - die Werte für die Kurtosis gemindert werden können. Gleichzeitig werden jedoch die durch Schäden des Lagers verursachten Veränderungen der Kurtosis erfasst, da deren zeitlicher Abstand deutlich unter 0,2 Sekunden liegt. Im Falle einer überrollfrequenz von 70Hz würde sich ein zeitlicher Abstand von 0,014 Sekunden zwischen den durch Schäden verursachten Stößen ergeben. Mit einem zeitlichen Intervall von 0,2 Sekunden könnten daher 14 Stöße pro Intervall aufgenommen werden.

Daher sind Werte von 0,2 Sekunden für die Intervallgrößen noch groß ge- nug, um eine Vielzahl von überrollungen einzelner Wälzkörper über einen Schaden aufnehmen zu können.

Damit wird aus den Figuren 1 und 2 sehr deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Wahl kurzer Intervalle und die entsprechende Mittelwertbil- düng die gemessenen Signale auch besonders günstig im Hinblick auf die Kurtosis ausgewertet werden können.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

K Kurtosis t Zeit 3a, 3b, 3c Kurtosis K an Stellen mit externer Störung

4 Spitzenwert