專利名稱：用于探測機器損傷的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測機器損傷的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
許多機器，尤其是諸如切縫機、地板切割研磨機、錘子、振動板、振動輥、打夯機等 的建筑設(shè)備在操作力的作用下經(jīng)受它們結(jié)構(gòu)的激勵。這些機器通常具有驅(qū)動裝置，這些驅(qū) 動裝置產(chǎn)生強烈振動，然后這些振動產(chǎn)生應(yīng)力作用于機器結(jié)構(gòu)。尤其是在諸如振動板和振 動輥或打夯機的振動機器中，這些振動是所期望的并且符合機器的目的。由于多數(shù)情況下 伴隨有振動的操作力的強度作用，在一定的操作時間之后，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損傷，該損傷會引起 顯著的進一步損傷，或者至少會不期望地中斷工作過程。因此，希望探測在機器操作過程中 已產(chǎn)生的部件損傷，并且將此損傷通知操作者。此種適時缺陷探測可防止小的初始缺陷或 損傷引起較大的損傷。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)的是，本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種設(shè)備和方法，通過該設(shè)備和方法可盡可能早 地探測部件的初始損傷并且將此損傷指示給使用者。根據(jù)本發(fā)明，此目標(biāo)由權(quán)利要求1所述的設(shè)備以及權(quán)利要求18所述的方法所實 現(xiàn)。一種用作診斷損傷的設(shè)備，該設(shè)備用于探測由振動激勵器所激勵的機器的損傷， 該振動激勵器具有預(yù)先已知的激勵器頻率，且該設(shè)備具有探測裝置，該探測裝置用于獲得 機器的至少一個部件的至少一個機械量以及用于生成基于所獲得的機械量的當(dāng)前頻譜；存 儲裝置，該存儲裝置用于存儲預(yù)先已知頻譜，該預(yù)先已知頻譜為了預(yù)先已知的激勵器頻率 并且與機器部件的機械量相對應(yīng)而事先形成；以及比較裝置，該比較裝置用于將當(dāng)前頻譜 與預(yù)先已知頻譜進行比較，從而確定例如超過特定公差的、在當(dāng)前頻譜和預(yù)先已知頻譜之 間的偏差，并產(chǎn)生與偏差相對應(yīng)的信號。該設(shè)備相應(yīng)地適合于獲得至少一個特定機械量的頻率特征，并且以當(dāng)前頻譜的形 式記錄該頻率特征。為此，為機器部件選擇合適的機械量。部件可以是例如單個部件、一組 多個部件、結(jié)構(gòu)或多個彼此剛性地或可動地聯(lián)接的部件。該部件具有特定的頻率特征，該頻率特征響應(yīng)于振動激勵器的預(yù)先已知的激勵振 動。此種預(yù)先已知的響應(yīng)特征以預(yù)先已知頻譜的形式存儲在存儲裝置中。預(yù)先已知頻譜 可以例如由機器的制造商通過計算或?qū)嶒灤_定，并且代表在通常情形中觀察到的相關(guān)部件 的、由振動激勵器所產(chǎn)生的激勵振動引起的響應(yīng)特征。術(shù)語“頻率特征”或“頻譜”可各自與振幅譜有關(guān)?；蛘撸蓪⑺鼈兝斫獬膳c相譜 或者振幅譜和相譜的組合有關(guān)。在此意義中，術(shù)語“頻譜”是更上位的概念。頻率激勵器可以例如是錘子中的撞擊機構(gòu)、用于打夯機以進行土壤壓實的驅(qū)動裝 置、或者振動板或振動輥中的由一個或多個旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定軸所形成的振動激勵器。由于驅(qū)動裝置在操作過程中通常具有恒定的旋轉(zhuǎn)速度，振動激勵器的激勵器頻率或激勵頻率也是恒 定的且與預(yù)先已知的頻率相對應(yīng)。最后，該設(shè)備包括比較裝置，通過該比較裝置可將當(dāng)前頻譜與預(yù)先已知頻譜進行 比較。如果比較裝置確定的是兩個頻譜彼此偏離，則這可指示所監(jiān)測的部件的頻率特征已 改變。這還評估作這樣的信號部件的結(jié)構(gòu)已改變，此種改變具體地說由部件損傷所引起。如上所述，頻譜可與振幅譜和/或相譜有關(guān)。相應(yīng)的是，在評估在此描述的頻譜 時，可二選一地或彼此補充地對于振幅譜或相譜進行評估。從技術(shù)角度可推薦對于相譜以 及振幅譜進行評估，從而能更好地且更穩(wěn)固地探測共振頻率或共振過增。為了分析諸如電動機或振動激勵器的驅(qū)動元件，則對于它們的譜和振幅偏差以及 相對位移進行分析。這能夠使待得到的結(jié)論考慮可能的損傷。可將由比較裝置在此情形中所產(chǎn)生的偏差信號饋送至顯示裝置，從而例如為操作 者輸出信號。然后給予操作者這樣的信息在機器中已發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，該結(jié)構(gòu)改變可能由缺 陷或損傷所引起。根據(jù)損傷診斷設(shè)備的設(shè)計，在本發(fā)明中可具體地告知操作者可能損傷的 部件以及應(yīng)采取的措施，例如維修措施。附加的是或可選的是，該評估結(jié)果、具體地說該偏差信號可通過無線電傳送至中 心位置。諸如在建筑場地處的該中心位置可以此方式接收、評估、存儲并管理來自多個機器 的信號。這樣，在中心位置可確定并記錄特定的機器功能完整還是已受到損傷。通過使用比較器，可在當(dāng)前頻譜中以及在預(yù)先已知頻譜中識別至少一個共振頻 率。此外，比較裝置可將當(dāng)前頻譜中的所識別的共振頻率與預(yù)先已知頻譜中所識別的共振 頻率進行比較，從而確定當(dāng)前頻譜和預(yù)先已知頻譜之間的偏差。這意味著，無需持續(xù)地彼此比較整個頻譜。相反，監(jiān)測特定的特征值就足以，稱作 相關(guān)的共振頻率。這樣，可監(jiān)測到的是，是否特定部件的預(yù)先已知的共振頻率在操作過程中 發(fā)生改變。共振頻率在操作過程中的此種改變作為相關(guān)的部件結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的證據(jù)，部件 結(jié)構(gòu)改變可以是缺陷或損傷的推斷。相應(yīng)的是，共振頻率可限定成這樣的形式在當(dāng)前頻譜中以及預(yù)先已知的頻譜中 共振過增。共振過增以及由此在某些頻率下增加的振幅可相對精確地確定共振頻率并且如 果允許可監(jiān)測其變化。可以從尤其是機器制造商一面的經(jīng)驗中得到預(yù)先已知頻譜，一定的共振頻率對應(yīng) 于一定的部件?？深A(yù)先確定該經(jīng)驗值，例如通過實驗或解析分析模式來確定。為此，可得到 的是，何種部件在共振頻率變化時受特征變化所影響。機械部件或由多個部件構(gòu)成的機器具有通常用于機械系統(tǒng)的共振頻率。共振頻率 的位置由機械性能(質(zhì)量分布、阻尼性能、彈性性能)所表征。根據(jù)多個部件的機械聯(lián)接， 可在模態(tài)共振頻率(部件在受激勵時自身展現(xiàn)出的固有振動形式)和系統(tǒng)共振頻率之間進 行粗略區(qū)分。較低的共振頻率趨于表征剛性本體運動，即根據(jù)通過彈簧/阻尼元件進行聯(lián) 接的部件聯(lián)接的共振頻率，而較高的共振頻率可歸因于部件的結(jié)構(gòu)模型。在機器中，由于過程的性質(zhì)，交替的力伴隨高振幅而作用。相應(yīng)的是，即使是例如 通過振動激勵器給予具有幾乎恒定頻率的激勵，然而整個頻譜仍受激勵。使用損傷診斷設(shè) 備可在適合的點處測量典型的機械量，例如加速度，并且可在這些共振頻率范圍內(nèi)，通過相 應(yīng)的共振過增，從振幅譜中讀取共振頻率。
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如果機器的制造商具有待監(jiān)測的部件的特征共振頻率的經(jīng)驗，則可事先指定由比 較裝置識別的共振頻率。該共振頻率可相應(yīng)地分配給機器的特定部件。使用比較裝置，可不僅用于探測共振頻率的變化，還可用于確定當(dāng)前頻譜的共振 頻率是否變得高于或低于預(yù)先已知頻譜的指定共振頻率。從共振頻率的改變方向中，即共 振頻率變得較高或較低中，可得到作為性能變化類型的信息。當(dāng)然，比較裝置還可用于監(jiān)測多個指定共振頻率。多個指定共振頻率還可分配給機器的相應(yīng)部件或至少一個部件的相應(yīng)性能。這意 味著損傷診斷設(shè)備可監(jiān)測多個部件，或者還可監(jiān)測特定部件的多個性能(共振頻率)。機械量可以是伴隨有振動的機械量，具體地說，加速度、速度、行程或相對位置。此 外，機械量可以是相對于諸如地球坐標(biāo)系的絕對坐標(biāo)系的絕對量，或者是呈機器的兩個或 兩個以上部件之間的相對性能的形式的相對量。因此，例如可確定部件相對于周圍環(huán)境 (絕對坐標(biāo)系)的振動特性。還可監(jiān)測兩個部件相對彼此的振動或運動特性。如果機械量是加速度，則探測裝置具有加速度傳感器是有用的。頻譜例如可由振幅譜來代表，該振幅譜表征部件的振動特性。因此，頻譜可對應(yīng)于 至少是這樣的部件的振幅譜在部件上設(shè)有探測裝置的對應(yīng)的傳感器。振幅譜代表部件的 在激勵振動下的相應(yīng)特性。相應(yīng)的是，振幅譜可基于源自加速度傳感器的加速度信號而產(chǎn)生。作為振幅譜的替代或附加，頻譜還可由相譜所代表，或者由相譜和振幅譜的組合 所代表，從而表征部件的振動特性。這樣，能可靠地探測共振過增或共振頻率。探測裝置可具有多個傳感器，這些傳感器位于機器上的各個位置處和/或機器的 部件上的各個位置處。這樣，探測裝置以及損傷診斷設(shè)備作為整體可監(jiān)測機器中的所有基 本部件。熟悉本領(lǐng)域的人員可易于識別機器中的尤其適宜監(jiān)測的合適位置。如上所述，傳感器可以是加速度傳感器。其它的傳感器可包括行程傳感器、聲敏 傳感器、傳聲器、擴張傳感器或應(yīng)變傳感器。還可以是光學(xué)傳感器、電容傳感器或感應(yīng)傳感 器，通過這些傳感器例如可探測各個部件之間的相對運動。顯示裝置可產(chǎn)生聲信號和/或光學(xué)信號，從而告知操作者監(jiān)測部件的損傷情形或 者至少是振動特征的變化。根據(jù)裝置的復(fù)雜性，還可給予操作者建議對策。如果，例如損傷 診斷設(shè)備確定振動板中的橡膠緩沖器呈現(xiàn)其性能變化，這些性能變化可能由于諸如裂縫行 程的損傷所引起，則可建議操作者替換相應(yīng)的橡膠緩沖器。為此，顯示裝置還可提供以下精 確信息考慮替換振動板中的(例如)四個橡膠緩沖器中的哪一個。一種用于探測機器損傷的方法，該機器由具有預(yù)先已知激勵頻率的振動激勵器所 激勵，該方法具有以下步驟-獲取機器中的至少一個部件的、伴隨有振動的至少一個機械量；-生成基于所獲取機械量的當(dāng)前頻譜；_將當(dāng)前頻譜與事先確定并存儲的預(yù)先已知頻譜進行比較；以及-如果比較確定的在當(dāng)前頻譜和預(yù)先已知頻譜之間的偏差例如超過指定公差，則
產(chǎn)生信號。沒有必要整體比較頻譜。在一些情形中，如果頻譜相對彼此僅比較部分區(qū)域，則可
滿足需要。
有用的是，無需考慮諸如振動激勵器的不平衡力的激振力的計算，以及在結(jié)構(gòu)損 傷中識別的諧波。當(dāng)前頻譜相對于預(yù)先已知頻譜的比較還可通過確定在頻譜內(nèi)的相對彼此的共振 過增，以及之后將它們與那些比較頻譜相比較來進行。通過共振過增中的偏差可得出考慮 結(jié)構(gòu)中損傷的結(jié)論。


借助附圖、基于示例在下文中對于本發(fā)明的這些以及附加優(yōu)點和特征進行描述。圖1示出具有加速度傳感器的振動板的示意側(cè)視圖；圖2示出損傷診斷設(shè)備的示意設(shè)計；以及圖3示出通過加速度傳感器探測的振幅譜的示例。
具體實施例方式圖1示出呈建筑機器形式的機器，在此情形中是振動板。然而根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備 可用在許多其它類型的機器中(包括建筑機器)，從而適時診斷對于機械部件的損傷。振動板具有上部塊1，該上部塊通過彈簧阻尼元件3聯(lián)接于下部塊2，從而這兩個 部塊能相對彼此運動。上部塊1包括驅(qū)動電動機4和牽引桿5，操作者可通過該牽引桿人工 地引導(dǎo)該振動板。下部塊2具有土壤接觸板6和振動激勵器7，該土壤接觸板6用于壓實土 壤，該振動激勵器7撞擊該土壤接觸板6且由驅(qū)動電動機4所驅(qū)動。振動激勵器7可例如 由兩根不平衡軸構(gòu)成，這兩根軸有效配合地沿相反方向旋轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生定向振動。然而，還已 知其它的激振可能性。在許多振動板中，彈簧阻尼元件3由橡膠緩沖器形成，該橡膠緩沖器將上部塊1連 接于下部塊2。這樣的橡膠緩沖器特別易受高度磨損的影響，并且具有形成裂縫的趨勢，伴 隨有之后的快速毀損。在很多特定實施例中已知此種振動板。因此，還存在這樣的振動板，該振動板不具 有用于人工引導(dǎo)的牽引桿5，而是裝備有遠程控制單元。在根據(jù)本發(fā)明的振動板中，在上部塊上設(shè)有加速度傳感器8，該加速度傳感器在振 動板操作過程中獲取作用在上部塊1上的加速度，并且對應(yīng)地產(chǎn)生加速度信號9。圖2示出損傷診斷設(shè)備的示意設(shè)計。在圖2中也示出上部塊1和加速度傳感器8。將由加速度傳感器8產(chǎn)生的加速度 信號9供至探測裝置10，該探測裝置10使用合適的數(shù)據(jù)傳輸以及記錄方法存儲加速度信 號9。加速度傳感器8以及用于加速度信號9的線路被認為是探測裝置10的一部分?；?此，探測裝置10產(chǎn)生當(dāng)前頻譜或振幅譜。此外，設(shè)有存儲裝置11，其中存儲有上部塊1的預(yù)先已知頻譜或振幅譜。該振幅譜 例如在制造商處、通過實驗或計算預(yù)先確定。并不絕對需要存儲整個振幅譜。反而，僅僅存 儲特征值可足以，這些特征值具體稱為共振頻率以及對應(yīng)的共振過增。探測裝置10和存儲裝置11聯(lián)接于比較裝置12，在比較裝置12中比較來自探測裝 置10和來自存儲裝置11中的頻譜。如果僅須比較特征值(共振頻率)，則可對比較裝置進 行相應(yīng)地設(shè)計。
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如果比較裝置12確定由探測裝置10所測得的實際頻譜(或各個共振頻率)偏離 存儲在存儲裝置11中的預(yù)先已知頻譜，則可通過顯示裝置13將對應(yīng)的一條信息輸出至操 作者。圖3示出作為示例，在比較過程中，由在振動板的上部塊1上的加速傳感器8確定 的加速度信號9的振幅譜。在該振幅譜中，已標(biāo)示在約6Hz的頻率處的共振頻率f”其它未標(biāo)示的共振過增 可在9Hz、12Hz、28Hz和55Hz處讀取。此外，還得到更高頻率的共振過增。共振頻率表征正常模態(tài)，上部塊1在正常模態(tài)相對于下部塊2振動。如果，現(xiàn) 在緩沖器例如由于不可逆連結(jié)變形而使其剛度發(fā)生增加，則如圖3中所畫的線所示，共振 頻率將變成共振頻率f2，該不可逆連結(jié)變形由于對于彈簧阻尼元件3的彈性緩沖器進行 熱處理和冷處理而引起。相應(yīng)的是，如果例如彈簧阻尼元件3中的緩沖器由于裂縫而變得較軟，則共振頻 率還可向下變成較低的共振頻率。當(dāng)在共振頻率中存在變化且藉此探測得出性能變化時，例如通過顯示裝置13由 聲信號或光學(xué)信號可將此缺陷告知機器的操作者。此外，給定性能變化的相應(yīng)的評估，還可 顯示缺陷類型或性能變化的類型。還可將考慮缺陷或損傷的信息存儲在顯示裝置13中，且直到之后的例如定期檢 查過程中顯示或輸出。當(dāng)然，為了提高診斷質(zhì)量，還可使用多個測量值傳感器來作為加速度傳感器8的 替代或附加。高頻最大值(共振過增)的變化提供這樣的信息考慮附連有傳感器的部件在正 常模態(tài)中的變化。因此，它們指示結(jié)構(gòu)中的裂縫或變化。在振動板中經(jīng)常發(fā)生的問題是例如在上部塊1中的防護框架中產(chǎn)生裂縫，以此 方式可及早探測這些裂縫，從而防止進一步損傷。因此，假定可及早探測這些裂縫，則可例 如通過焊縫對這些裂縫進行密封，而無需更昂貴的恢復(fù)措施。較低的共振頻率與此相反標(biāo)志著剛性本體運動，即根據(jù)通過彈簧阻尼元件聯(lián)接的 部件聯(lián)接的共振頻率。因此，由于在操作過程中聯(lián)接質(zhì)量(例如，上部塊1和下部塊2)未 改變，則這些較低共振頻率的變化代表彈簧阻尼元件已損壞。除了加速度傳感器8以外，還可使用其它的傳感器或測量方法以確定或測量結(jié)構(gòu) 或部件組件的特征振幅譜，這些傳感器或測量方法直接或間接地獲取機械運動和加速度的 影響。這些傳感器或測量方法包括例如傳聲器、DMS傳感器、行程傳感器等。
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權(quán)利要求
1.一種用于探測機器損傷的設(shè)備，所述機器由振動激勵器(6)以預(yù)先已知激勵頻率激 勵，所述設(shè)備具有-探測裝置(10)，所述探測裝置用于獲取所述機器的至少一個部件(1、2)的至少一個 機械量，并且用于根據(jù)所獲取的機械量產(chǎn)生當(dāng)前頻譜；-存儲裝置(11)，所述存儲裝置用于存儲預(yù)先已知頻譜，所述預(yù)先已知頻譜為了預(yù)先 已知激勵器頻率而事先產(chǎn)生，并且與所述機器的所述部件的所述機械量相對應(yīng)；以及具有-比較裝置(12)，所述比較裝置用于將所述當(dāng)前頻譜與所述預(yù)先已知頻譜進行比較， 確定在所述當(dāng)前頻譜和所述預(yù)先已知頻譜之間的偏差，并產(chǎn)生相對應(yīng)的偏差信號。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，當(dāng)由所述比較裝置(12)產(chǎn)生所述偏差信號 時，顯示裝置(13)用于輸出信號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述機器的所述部件是單個部件、結(jié)構(gòu) (1、2)，或多個彼此剛性地或可動地連接的部件。
4.如權(quán)利要求1到3中一項所述的設(shè)備，其特征在于，-通過使用所述比較裝置(12)可識別在所述當(dāng)前頻譜和所述預(yù)先已知頻譜中的至少 一個共振頻率；以及_可使用所述比較裝置(12)將所述當(dāng)前頻譜中識別的共振頻率與在所述預(yù)先已知頻 譜中識別的共振頻率進行比較，從而確定在所述當(dāng)前頻譜和所述預(yù)先已知頻譜之間的偏差。
5.如權(quán)利要求1到4中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述共振頻率能限定成在所述當(dāng) 前頻譜和所述預(yù)先已知頻譜中的共振過增的形式。
6.如權(quán)利要求1到5中一項所述的設(shè)備，其特征在于，-由所述比較裝置(12)待識別的所述共振頻率是預(yù)先指定的；以及-所述共振頻率可分配給所述機器的特定部件。
7.如權(quán)利要求1到6中一項所述的設(shè)備，其特征在于，通過使用所述比較裝置(12)可 確定所述當(dāng)前頻譜的所述共振頻率變得高于還是低于所述預(yù)先已知頻譜的預(yù)先指定的共 振頻率。
8.如權(quán)利要求1到7中一項所述的設(shè)備，其特征在于，通過使用所述比較裝置(12)可 監(jiān)測多個指定共振頻率中的每個共振頻率。
9.如權(quán)利要求1到8中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個指定共振頻率各自分配 給所述機器中的對應(yīng)的部件或分配給至少一個部件的性能。
10.如權(quán)利要求1到9中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述機械量是伴隨有振動的量， 具體地說是加速度、速度、行程或相對位置。
11.如權(quán)利要求1到10中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述機械量是相對于絕對坐標(biāo) 系的絕對量，或呈所述機器中的兩個或兩個以上部件之間的相對性能的形式的相對量。
12.如權(quán)利要求1到11中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述機械量是加速度，而所述 探測裝置(10)具有加速度傳感器(8)。
13.如權(quán)利要求1到12中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述頻譜是至少一個部件的振 幅譜和/或相譜，在所述部件上設(shè)有所述探測裝置(10)的傳感器(8)。
14.如權(quán)利要求1到13中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述頻譜是由所述加速度傳感器(8)所產(chǎn)生的加速度信號的振幅譜和/或相譜。
15.如權(quán)利要求1到14中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述探測裝置(10)具有多個 傳感器，這些傳感器位于所述機器的各個位置和/或所述機器中的部件的各個位置。
16.如權(quán)利要求1到15中一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器是加速度傳感器 (8)、行程傳感器、聲敏傳感器、傳聲器、擴張傳感器或應(yīng)變傳感器。
17.如權(quán)利要求1到16中一項所述的設(shè)備，其特征在于，通過使用所述顯示裝置(13) 可產(chǎn)生聲信號和/或光學(xué)信號，從而告知操作者損傷情況。
18.一種用于探測機器損傷的方法，所述機器由振動激勵器(7)以預(yù)先已知頻率激勵， 所述方法具有以下步驟-獲取所述機器的至少一個部件(1、2)用的伴隨有振動的至少一個機械量； _根據(jù)所獲取的機械量生成當(dāng)前頻譜；-將所述當(dāng)前頻譜與預(yù)先已知頻譜進行比較，所述預(yù)先已知頻譜是事先確定并存儲的；-如果所述比較確定在所述當(dāng)前頻譜和所述預(yù)先已知頻譜之間存在偏差，則產(chǎn)生信號。
全文摘要
一種用于探測機器損傷的設(shè)備，該機器由振動激勵器(7)以預(yù)先已知頻率激勵，該設(shè)備包括用于記錄上部塊(1)的當(dāng)前振幅譜的加速度傳感器(8)。該上部塊(1)的預(yù)先已知頻譜存儲在存儲裝置(11)中。在比較裝置(12)中將當(dāng)前頻譜與預(yù)先已知頻譜進行比較。如果比較裝置確定頻譜彼此偏離，則產(chǎn)生相應(yīng)的偏差信號，且通過顯示裝置(13)輸出以告知操作者，從而告知操作者可能的損傷。
文檔編號G01M99/00GK102007393SQ200980113717
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者S·瓦格納 申請人:威克紐森歐洲公司