Signalverarbeitungsverfahren und virtuelle Instrumente zur Messung von elektrischen Signalen und zur Fehlerdiagnose an Maschinen

Abstract

Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich die Chirp-z-Transformation (CZT) und das Zeropadding-Verfahren (ZP), kombiniert mit der Anwendung geeigneter Fensterfunktionen, zur Bestimmung der Größen von Spannungs- und Stromsignalen bezüglich der Zuverlässigkeit bei kurzen Messzeiten eignen. Die allgemeinen Bedingungen für die Anwendung der CZT bzw. des ZP bei reellen Multifrequenz-Signalen unter dem Einsatz der Fensterfunktionen dargestellt. Der Einfluß eines reellen weißen Rauschsignals auf die geschätzten Größen eines reellen Multifrequenz-Signals wurde untersucht. Das TDA-Verfahren wird zur Verarbeitung der harmonischen Komponenten der Ausgangssignale eines Frequenzumformers untersucht. Zur Detektion und Messung der interharmonischen Komponenten wird ein digitales Differenz-Filter vorgestellt. Die Anwendbarkeit des TDA-Verfahrens und des digitalen Differenz-Filters wird durch die Ergebnisse aus Simulationen und praktischen Anwendungen gezeigt. Virtuelle Instrumente wurden zur Fehldiagnose und Schwingungsanalyse an Planetengetrieben entwickelt. Die praktischen Anwendungen zeigen, dass das Spektrum der demodulierten hochfrequenten mechanischen Schwingungen – Hüllkurvenspektrum – eine spektrale Struktur bei den Frequenzen enthält, die mit den Fehlern auf Innenring- oder Außenringlaufbahn in Verbindung stehen.

It will be shown that the chirp-z-transform and zero-padding, combined with a appropriate window, are suitable for the estimation of the parameters of the voltage and current signals with moderate computational complexity. Through the analysis of the spectral interference in the discrete time Fourier transform the conditions for the simultaneous use of the windows and the chirp-z-transform or zero-padding will be presented. The statistical errors of the estimations will be discussed. The time domain averaging will be here investigated to process harmonic components in the output signals of frequency converters. For the detection and measurement of interharmonics a digital difference-filter will be proposed. Simulations and field test results are provided to illustrate the utility of the time domain averaging and the difference-filter. Based on the analysis of the faults of gears and rolling bearings the virtual instruments for the fault diagnosis and vibration analysis in epicyclic gearboxes are developed. The practical applications show that the spectrum of the demodulated high-frequency vibration – envelope spectrum – contains a pattern of spectral lines at frequencies which can be related to the faults on the inner or outer race of rolling bearings.