(openPR) Risse und Brüche kündigen sich an: Vorausschauende Wartung kann Ausfälle und Stillstände verhindern. Dazu müssen die wichtigsten Funktionselemente von Maschinen permanent überwacht werden. Wälzlager sind zentrale Bauteile von Rotationsmaschinen und damit wichtige Elemente in der Maschinenzustandserfassung. Zur frühzeitigen Identifizierung von Wälzlagerschäden dient die Schallemissionsprüfung, deren Basis die Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung ist.
Exzellente Verarbeitung zielt darauf, den Marktanforderungen an hochqualitative und kosteneffiziente Produkte zu genügen. Vor dem Hintergrund der Just-In-Time-Produktion stehen moderne Hersteller unzweifelhaft unter großem Druck. Der Schlüssel zum Erfolg liegt für die Hersteller darin, jederzeit die beste Leistung ihrer Maschinen sicherzustellen, denn aus Mängeln resultieren häufig schwere Schäden.
Das Ziel der vorausschauenden Wartung von Wälzlagern ist es, ihre stabile und verlässliche Funktion dauerhaft zu gewährleisten. Oberflächenfehler sind die häufigsten Mängel an Wälzlagern. Infolge von Kontaktermüdung treten im Oberflächenmaterial der Laufbahnen oder Wälzkörper Brüche auf. In der Frühphase der Entstehung von Ermüdungsschäden sind die Vibrationssignale der Wälzlager sehr schwach. Sie mischen sich mit den Vibrationssignalen anderer Maschinenkomponenten und sind Störgeräuschen ausgesetzt, was die Identifizierung von Schäden erschwert. Erfreulicherweise kann die Messung akustischer Emissionen Risswachstum identifizieren, das durch Ermüdungsschäden verursacht wird. Dies bietet einen großen Vorteil für die frühzeitige Vorhersage und Diagnose von Wälzlager-Schäden.
Vollständige Wellen-Erfassung von akustischen Emissionssignalen
Die Analyse von Schallemissionen ist eine wichtige Methode der dynamischen Überwachung von Material- oder Struktur-Zuständen. Diese Methode hat sich von der anfänglichen bloßen Prüfgrößenerfassung stufenweise zur heutigen vollständigen Wellenform-Analyse weiterentwickelt. Ein System zur Analyse von Schallemissionen besteht aus einem Schallsensor, einem Vorverstärker und einer Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung. Schallemissionssignale haben breite Spektren und weisen Frequenzen von wenigen kHz bis in den 10-MHz-Bereich auf. Deshalb ist zur Datenerfassung ein Digitizer erforderlich, der eine Abtastrate von 20 MS/s oder höher aufweist. Darüber hinaus sind Schallemissionssignale sehr schwach. Originäre Schallemissionssignale sind meistens auf dem µVolt-Niveau und erreichen auch nach der Vorverstärkung nur einige mVolt. Außerdem haben sie einen großen Wellenform-Amplitudenbereich. Daraus resultieren hohe Ansprüche an die Abtast-Genauigkeit und den Dynamikbereich der Messinstrumente.
Erfassung von Schallemissionen realisieren
Adlink stattet den Hochgeschwindigkeits-Digitizer PCI-9846 mit einem Treiber für LabVIEW aus. Nach der Installation des DAQPilot-Treibers ist die Werkzeugsammlung DAQPilot in der LabVIEW Datenbank verfügbar. Dieses Werkzeug bietet Kontrollfunktionen für die Datenerfassung. Die Kontrollfunktionen und Aufrufmethoden entsprechen der Treibersoftware DAQmax von National Instruments und sind daher komfortabel zu verwenden. Zum Beispiel bilden die vier Elemente in der nachfolgenden Abbildung (PLT Create Virtual Channel, PLT Timing, PLT Read und PLT Clear Task) eine komplette Funktion zur kontinuierlichen Datenerfassung. Darüber hinaus versieht die Werkzeugsammlung DAQPilot auch Beispielprogramme von LabVIEW mit Funktionen wie Ein- und Ausgängen von analogen und digitalen Signalen. Anhand dieser Beispiele können sich Entwickler schnell die erforderlichen Kompetenzen aneignen.
Das Signalerfassungsmodul, das die Grundlage für das in diesem Dokument entwickelte Testsystem zur Schallemissionsprüfung bildet, basiert auf der Abtastprozedur. Nachdem sowohl der Eingangskanal, die Verstärkung des Vorverstärkers, der Filter sowie weitere Parameter festgelegt worden sind, kann der Anwender die kontinuierliche Datenerfassung starten. Nachdem das Original-Signal dem Vergrößerungsfaktor entsprechend reduziert worden ist und die digitale Filterung durchlaufen hat, werden Rauschen und überflüssige Frequenzbänder entfernt. Das gefilterte kontinuierliche Signal kann im Binärformat oder als Text gespeichert werden.
Parameteranalyse einer Schallemission
Nach der Filterung wird das kontinuierlich erfasste Signal an einen Amplituden-Detektor übertragen. Abhängig von der definierten Schwelle der Amplitude und der festgelegten Zeitdauer werden aus dem kontinuierlich erfassten Signal die Wellenform-Daten der plötzlich einsetzenden Schallemission abgefangen. Danach werden für jeden Wellenform-Wert charakteristische Parameter wie Ring-Down Count, Amplitude, Frequenz, Energie, Anstiegszeit und Dauer berechnet und in eine Schallemissions-Parametertabelle gespeichert, so dass sie direkt betrachtet werden können und für die weitergehende Systemanalyse zur Verfügung stehen. Die erfassten Daten der wellenförmigen Schallemission können als Text gespeichert werden. Dabei ist die Speicherung dieser Wellenform-Daten unabhängig von der kontinuierlichen Daten-Speicherung.
Die PCI-9846-Karte bietet reichlich Trigger-Abtast-Modi, für steigende oder fallende Flanken, Window, Referenz und andere analoge Trigger-Modi. Wellenförmige Schallemissionssignale können direkt von der Hardware abgetastet werden. Dies senkt die Rechenlast und spart Ressourcen, die damit für die Extraktionsalgorithmen der Software zur Verfügung stehen. Durch Versuchsanordnungen ist herausgefunden worden, dass Schallemissionen leicht durch Faktoren wie externe elektromagnetische Felder gestört werden können. Deshalb müssen die Signale vor dem Erfassen der Wellenform gefiltert werden. Allerdings verfügt der Digitizer PCI-9846 nicht über programmierbare Filter. Diese könnten in zukünftigen Systemerweiterungen in das Frontend des PCI-9846 integriert werden, so dass die Trigger-Möglichkeiten der Hardware voll ausgeschöpft werden können.
Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Testsystems
Um die Leistungsfähigkeit des Testsystems zur Schallemissionsprüfung zu ermitteln, wurde ein Vergleichstest durchgeführt. Dazu wurden mit einem Rotationsmaschinen-Testsystem QPZZ-II die Schallemissionen und Vibrationen eines Wälzlagers mit mangelhaften Wälzkörpern simuliert. Testobjekt war ein Wälzlager vom Typ NU205 mit einem Teilkreisdurchmesser von 39 mm, 12 Wälzkörpern mit einem Wälzkörper-Durchmesser von 7,5 mm und einem Kontaktwinkel von 0°. Auf der Oberfläche der Wälzkörper wurden durch geradlinige Schnitte kleine Spalten eingefügt, um die Schäden zu simulieren, die durch Abschälen der Oberfläche infolge von Ermüdung auftreten. Die Rotationsgeschwindigkeit betrug 570 U/min, mit einer spezifischen Rotationsfrequenz von 9,5 Hz. Der Berechnung zufolge betrug die Durchlauffrequenz der Wälzkörper 18,3 Hz.
An der Wälzlageraufnahme war in vertikaler Position der Achse entsprechend ein Beschleunigungssensor angebracht. Neben diesem Sensor bestand das Vibrations-Testsystem aus einem Schwingungsmessgerät zur Erfassung dynamischer Signale. Die Vibrationsdaten wurden zur Analyse in eine Matlab-Umgebung importiert. Bei unveränderter Rotationsgeschwindigkeit wurde der Beschleunigungssensor gegen einen akustischen Sensor getauscht. Das hier beschriebene Testsystem zur Schallemissionsprüfung wurde für die Datenerfassung verwendet. Die Datenanalyse erfolgte über die Matlab-Umgebung.
Das Testsystem zur Schallemissionsprüfung vereint das herausragende Preis-Leistungs-Verhältnis des Hochgeschwindigkeits-Digitizers PCI-9846 und die einfache Handhabung durch die Software. Damit resultieren geringe Kosten, eine komfortable Entwicklungsumgebung und ein großes Ausbau-Potential. Das Testsystem wurde verwendet, um das Schallemissions-Signal auszuwerten, das ein Wälzlager mit Oberflächenschaden am Wälzkörper im Betrieb erzeugt. Die Ergebnisse dieses Tests wurden mit den Ergebnissen eines konventionellen Vibrationstests verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die Schallemission ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis hat. Dadurch wird das große Potential der Schallemissionsprüfung für die Früherkennung und Diagnose von Wälzlager-Schäden deutlich.
