专利名称：用于探测机器损伤的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于探测机器损伤的设备和方法。
背景技术：
许多机器，尤其是诸如切缝机、地板切割研磨机、锤子、振动板、振动辊、打夯机等 的建筑设备在操作力的作用下经受它们结构的激励。这些机器通常具有驱动装置，这些驱 动装置产生强烈振动，然后这些振动产生应力作用于机器结构。尤其是在诸如振动板和振 动辊或打夯机的振动机器中，这些振动是所期望的并且符合机器的目的。由于多数情况下 伴随有振动的操作力的强度作用，在一定的操作时间之后，结构会产生损伤，该损伤会引起 显著的进一步损伤，或者至少会不期望地中断工作过程。因此，希望探测在机器操作过程中 已产生的部件损伤，并且将此损伤通知操作者。此种适时缺陷探测可防止小的初始缺陷或 损伤引起较大的损伤。
发明内容
相应的是，本发明的目标是提出一种设备和方法，通过该设备和方法可尽可能早 地探测部件的初始损伤并且将此损伤指示给使用者。根据本发明，此目标由权利要求1所述的设备以及权利要求18所述的方法所实 现。一种用作诊断损伤的设备，该设备用于探测由振动激励器所激励的机器的损伤， 该振动激励器具有预先已知的激励器频率，且该设备具有探测装置，该探测装置用于获得 机器的至少一个部件的至少一个机械量以及用于生成基于所获得的机械量的当前频谱；存 储装置，该存储装置用于存储预先已知频谱，该预先已知频谱为了预先已知的激励器频率 并且与机器部件的机械量相对应而事先形成；以及比较装置，该比较装置用于将当前频谱 与预先已知频谱进行比较，从而确定例如超过特定公差的、在当前频谱和预先已知频谱之 间的偏差，并产生与偏差相对应的信号。该设备相应地适合于获得至少一个特定机械量的频率特征，并且以当前频谱的形 式记录该频率特征。为此，为机器部件选择合适的机械量。部件可以是例如单个部件、一组 多个部件、结构或多个彼此刚性地或可动地联接的部件。该部件具有特定的频率特征，该频率特征响应于振动激励器的预先已知的激励振 动。此种预先已知的响应特征以预先已知频谱的形式存储在存储装置中。预先已知频谱 可以例如由机器的制造商通过计算或实验确定，并且代表在通常情形中观察到的相关部件 的、由振动激励器所产生的激励振动引起的响应特征。术语“频率特征”或“频谱”可各自与振幅谱有关。或者，可将它们理解成与相谱 或者振幅谱和相谱的组合有关。在此意义中，术语“频谱”是更上位的概念。频率激励器可以例如是锤子中的撞击机构、用于打夯机以进行土壤压实的驱动装 置、或者振动板或振动辊中的由一个或多个旋转不稳定轴所形成的振动激励器。由于驱动装置在操作过程中通常具有恒定的旋转速度，振动激励器的激励器频率或激励频率也是恒 定的且与预先已知的频率相对应。最后，该设备包括比较装置，通过该比较装置可将当前频谱与预先已知频谱进行 比较。如果比较装置确定的是两个频谱彼此偏离，则这可指示所监测的部件的频率特征已 改变。这还评估作这样的信号部件的结构已改变，此种改变具体地说由部件损伤所引起。如上所述，频谱可与振幅谱和/或相谱有关。相应的是，在评估在此描述的频谱 时，可二选一地或彼此补充地对于振幅谱或相谱进行评估。从技术角度可推荐对于相谱以 及振幅谱进行评估，从而能更好地且更稳固地探测共振频率或共振过增。为了分析诸如电动机或振动激励器的驱动元件，则对于它们的谱和振幅偏差以及 相对位移进行分析。这能够使待得到的结论考虑可能的损伤。可将由比较装置在此情形中所产生的偏差信号馈送至显示装置，从而例如为操作 者输出信号。然后给予操作者这样的信息在机器中已发生结构改变，该结构改变可能由缺 陷或损伤所引起。根据损伤诊断设备的设计，在本发明中可具体地告知操作者可能损伤的 部件以及应采取的措施，例如维修措施。附加的是或可选的是，该评估结果、具体地说该偏差信号可通过无线电传送至中 心位置。诸如在建筑场地处的该中心位置可以此方式接收、评估、存储并管理来自多个机器 的信号。这样，在中心位置可确定并记录特定的机器功能完整还是已受到损伤。通过使用比较器，可在当前频谱中以及在预先已知频谱中识别至少一个共振频 率。此外，比较装置可将当前频谱中的所识别的共振频率与预先已知频谱中所识别的共振 频率进行比较，从而确定当前频谱和预先已知频谱之间的偏差。这意味着，无需持续地彼此比较整个频谱。相反，监测特定的特征值就足以，称作 相关的共振频率。这样，可监测到的是，是否特定部件的预先已知的共振频率在操作过程中 发生改变。共振频率在操作过程中的此种改变作为相关的部件结构发生改变的证据，部件 结构改变可以是缺陷或损伤的推断。相应的是，共振频率可限定成这样的形式在当前频谱中以及预先已知的频谱中 共振过增。共振过增以及由此在某些频率下增加的振幅可相对精确地确定共振频率并且如 果允许可监测其变化。可以从尤其是机器制造商一面的经验中得到预先已知频谱，一定的共振频率对应 于一定的部件。可预先确定该经验值，例如通过实验或解析分析模式来确定。为此，可得到 的是，何种部件在共振频率变化时受特征变化所影响。机械部件或由多个部件构成的机器具有通常用于机械系统的共振频率。共振频率 的位置由机械性能(质量分布、阻尼性能、弹性性能)所表征。根据多个部件的机械联接， 可在模态共振频率(部件在受激励时自身展现出的固有振动形式)和系统共振频率之间进 行粗略区分。较低的共振频率趋于表征刚性本体运动，即根据通过弹簧/阻尼元件进行联 接的部件联接的共振频率，而较高的共振频率可归因于部件的结构模型。在机器中，由于过程的性质，交替的力伴随高振幅而作用。相应的是，即使是例如 通过振动激励器给予具有几乎恒定频率的激励，然而整个频谱仍受激励。使用损伤诊断设 备可在适合的点处测量典型的机械量，例如加速度，并且可在这些共振频率范围内，通过相 应的共振过增，从振幅谱中读取共振频率。
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如果机器的制造商具有待监测的部件的特征共振频率的经验，则可事先指定由比 较装置识别的共振频率。该共振频率可相应地分配给机器的特定部件。使用比较装置，可不仅用于探测共振频率的变化，还可用于确定当前频谱的共振 频率是否变得高于或低于预先已知频谱的指定共振频率。从共振频率的改变方向中，即共 振频率变得较高或较低中，可得到作为性能变化类型的信息。当然，比较装置还可用于监测多个指定共振频率。多个指定共振频率还可分配给机器的相应部件或至少一个部件的相应性能。这意 味着损伤诊断设备可监测多个部件，或者还可监测特定部件的多个性能(共振频率)。机械量可以是伴随有振动的机械量，具体地说，加速度、速度、行程或相对位置。此 外，机械量可以是相对于诸如地球坐标系的绝对坐标系的绝对量，或者是呈机器的两个或 两个以上部件之间的相对性能的形式的相对量。因此，例如可确定部件相对于周围环境 (绝对坐标系)的振动特性。还可监测两个部件相对彼此的振动或运动特性。如果机械量是加速度，则探测装置具有加速度传感器是有用的。频谱例如可由振幅谱来代表，该振幅谱表征部件的振动特性。因此，频谱可对应于 至少是这样的部件的振幅谱在部件上设有探测装置的对应的传感器。振幅谱代表部件的 在激励振动下的相应特性。相应的是，振幅谱可基于源自加速度传感器的加速度信号而产生。作为振幅谱的替代或附加，频谱还可由相谱所代表，或者由相谱和振幅谱的组合 所代表，从而表征部件的振动特性。这样，能可靠地探测共振过增或共振频率。探测装置可具有多个传感器，这些传感器位于机器上的各个位置处和/或机器的 部件上的各个位置处。这样，探测装置以及损伤诊断设备作为整体可监测机器中的所有基 本部件。熟悉本领域的人员可易于识别机器中的尤其适宜监测的合适位置。如上所述，传感器可以是加速度传感器。其它的传感器可包括行程传感器、声敏 传感器、传声器、扩张传感器或应变传感器。还可以是光学传感器、电容传感器或感应传感 器，通过这些传感器例如可探测各个部件之间的相对运动。显示装置可产生声信号和/或光学信号，从而告知操作者监测部件的损伤情形或 者至少是振动特征的变化。根据装置的复杂性，还可给予操作者建议对策。如果，例如损伤 诊断设备确定振动板中的橡胶缓冲器呈现其性能变化，这些性能变化可能由于诸如裂缝行 程的损伤所引起，则可建议操作者替换相应的橡胶缓冲器。为此，显示装置还可提供以下精 确信息考虑替换振动板中的(例如)四个橡胶缓冲器中的哪一个。一种用于探测机器损伤的方法，该机器由具有预先已知激励频率的振动激励器所 激励，该方法具有以下步骤-获取机器中的至少一个部件的、伴随有振动的至少一个机械量；-生成基于所获取机械量的当前频谱；_将当前频谱与事先确定并存储的预先已知频谱进行比较；以及-如果比较确定的在当前频谱和预先已知频谱之间的偏差例如超过指定公差，则
产生信号。没有必要整体比较频谱。在一些情形中，如果频谱相对彼此仅比较部分区域，则可
满足需要。
有用的是，无需考虑诸如振动激励器的不平衡力的激振力的计算，以及在结构损 伤中识别的谐波。当前频谱相对于预先已知频谱的比较还可通过确定在频谱内的相对彼此的共振 过增，以及之后将它们与那些比较频谱相比较来进行。通过共振过增中的偏差可得出考虑 结构中损伤的结论。
借助附图、基于示例在下文中对于本发明的这些以及附加优点和特征进行描述。图1示出具有加速度传感器的振动板的示意侧视图；图2示出损伤诊断设备的示意设计；以及图3示出通过加速度传感器探测的振幅谱的示例。
具体实施例方式图1示出呈建筑机器形式的机器，在此情形中是振动板。然而根据本发明的设备 可用在许多其它类型的机器中(包括建筑机器)，从而适时诊断对于机械部件的损伤。振动板具有上部块1，该上部块通过弹簧阻尼元件3联接于下部块2，从而这两个 部块能相对彼此运动。上部块1包括驱动电动机4和牵引杆5，操作者可通过该牵引杆人工 地引导该振动板。下部块2具有土壤接触板6和振动激励器7，该土壤接触板6用于压实土 壤，该振动激励器7撞击该土壤接触板6且由驱动电动机4所驱动。振动激励器7可例如 由两根不平衡轴构成，这两根轴有效配合地沿相反方向旋转并且产生定向振动。然而，还已 知其它的激振可能性。在许多振动板中，弹簧阻尼元件3由橡胶缓冲器形成，该橡胶缓冲器将上部块1连 接于下部块2。这样的橡胶缓冲器特别易受高度磨损的影响，并且具有形成裂缝的趋势，伴 随有之后的快速毁损。在很多特定实施例中已知此种振动板。因此，还存在这样的振动板，该振动板不具 有用于人工引导的牵引杆5，而是装备有远程控制单元。在根据本发明的振动板中，在上部块上设有加速度传感器8，该加速度传感器在振 动板操作过程中获取作用在上部块1上的加速度，并且对应地产生加速度信号9。图2示出损伤诊断设备的示意设计。在图2中也示出上部块1和加速度传感器8。将由加速度传感器8产生的加速度 信号9供至探测装置10，该探测装置10使用合适的数据传输以及记录方法存储加速度信 号9。加速度传感器8以及用于加速度信号9的线路被认为是探测装置10的一部分。基于 此，探测装置10产生当前频谱或振幅谱。此外，设有存储装置11，其中存储有上部块1的预先已知频谱或振幅谱。该振幅谱 例如在制造商处、通过实验或计算预先确定。并不绝对需要存储整个振幅谱。反而，仅仅存 储特征值可足以，这些特征值具体称为共振频率以及对应的共振过增。探测装置10和存储装置11联接于比较装置12，在比较装置12中比较来自探测装 置10和来自存储装置11中的频谱。如果仅须比较特征值(共振频率)，则可对比较装置进 行相应地设计。
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如果比较装置12确定由探测装置10所测得的实际频谱(或各个共振频率)偏离 存储在存储装置11中的预先已知频谱，则可通过显示装置13将对应的一条信息输出至操 作者。图3示出作为示例，在比较过程中，由在振动板的上部块1上的加速传感器8确定 的加速度信号9的振幅谱。在该振幅谱中，已标示在约6Hz的频率处的共振频率f”其它未标示的共振过增 可在9Hz、12Hz、28Hz和55Hz处读取。此外，还得到更高频率的共振过增。共振频率表征正常模态，上部块1在正常模态相对于下部块2振动。如果，现 在缓冲器例如由于不可逆连结变形而使其刚度发生增加，则如图3中所画的线所示，共振 频率将变成共振频率f2，该不可逆连结变形由于对于弹簧阻尼元件3的弹性缓冲器进行 热处理和冷处理而引起。相应的是，如果例如弹簧阻尼元件3中的缓冲器由于裂缝而变得较软，则共振频 率还可向下变成较低的共振频率。当在共振频率中存在变化且藉此探测得出性能变化时，例如通过显示装置13由 声信号或光学信号可将此缺陷告知机器的操作者。此外，给定性能变化的相应的评估，还可 显示缺陷类型或性能变化的类型。还可将考虑缺陷或损伤的信息存储在显示装置13中，且直到之后的例如定期检 查过程中显示或输出。当然，为了提高诊断质量，还可使用多个测量值传感器来作为加速度传感器8的 替代或附加。高频最大值(共振过增)的变化提供这样的信息考虑附连有传感器的部件在正 常模态中的变化。因此，它们指示结构中的裂缝或变化。在振动板中经常发生的问题是例如在上部块1中的防护框架中产生裂缝，以此 方式可及早探测这些裂缝，从而防止进一步损伤。因此，假定可及早探测这些裂缝，则可例 如通过焊缝对这些裂缝进行密封，而无需更昂贵的恢复措施。较低的共振频率与此相反标志着刚性本体运动，即根据通过弹簧阻尼元件联接的 部件联接的共振频率。因此，由于在操作过程中联接质量(例如，上部块1和下部块2)未 改变，则这些较低共振频率的变化代表弹簧阻尼元件已损坏。除了加速度传感器8以外，还可使用其它的传感器或测量方法以确定或测量结构 或部件组件的特征振幅谱，这些传感器或测量方法直接或间接地获取机械运动和加速度的 影响。这些传感器或测量方法包括例如传声器、DMS传感器、行程传感器等。
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权利要求
1.一种用于探测机器损伤的设备，所述机器由振动激励器(6)以预先已知激励频率激 励，所述设备具有-探测装置(10)，所述探测装置用于获取所述机器的至少一个部件(1、2)的至少一个 机械量，并且用于根据所获取的机械量产生当前频谱；-存储装置(11)，所述存储装置用于存储预先已知频谱，所述预先已知频谱为了预先 已知激励器频率而事先产生，并且与所述机器的所述部件的所述机械量相对应；以及具有-比较装置(12)，所述比较装置用于将所述当前频谱与所述预先已知频谱进行比较， 确定在所述当前频谱和所述预先已知频谱之间的偏差，并产生相对应的偏差信号。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，当由所述比较装置(12)产生所述偏差信号 时，显示装置(13)用于输出信号。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述机器的所述部件是单个部件、结构 (1、2)，或多个彼此刚性地或可动地连接的部件。
4.如权利要求1到3中一项所述的设备，其特征在于，-通过使用所述比较装置(12)可识别在所述当前频谱和所述预先已知频谱中的至少 一个共振频率；以及_可使用所述比较装置(12)将所述当前频谱中识别的共振频率与在所述预先已知频 谱中识别的共振频率进行比较，从而确定在所述当前频谱和所述预先已知频谱之间的偏差。
5.如权利要求1到4中一项所述的设备，其特征在于，所述共振频率能限定成在所述当 前频谱和所述预先已知频谱中的共振过增的形式。
6.如权利要求1到5中一项所述的设备，其特征在于，-由所述比较装置(12)待识别的所述共振频率是预先指定的；以及-所述共振频率可分配给所述机器的特定部件。
7.如权利要求1到6中一项所述的设备，其特征在于，通过使用所述比较装置(12)可 确定所述当前频谱的所述共振频率变得高于还是低于所述预先已知频谱的预先指定的共 振频率。
8.如权利要求1到7中一项所述的设备，其特征在于，通过使用所述比较装置(12)可 监测多个指定共振频率中的每个共振频率。
9.如权利要求1到8中一项所述的设备，其特征在于，所述多个指定共振频率各自分配 给所述机器中的对应的部件或分配给至少一个部件的性能。
10.如权利要求1到9中一项所述的设备，其特征在于，所述机械量是伴随有振动的量， 具体地说是加速度、速度、行程或相对位置。
11.如权利要求1到10中一项所述的设备，其特征在于，所述机械量是相对于绝对坐标 系的绝对量，或呈所述机器中的两个或两个以上部件之间的相对性能的形式的相对量。
12.如权利要求1到11中一项所述的设备，其特征在于，所述机械量是加速度，而所述 探测装置(10)具有加速度传感器(8)。
13.如权利要求1到12中一项所述的设备，其特征在于，所述频谱是至少一个部件的振 幅谱和/或相谱，在所述部件上设有所述探测装置(10)的传感器(8)。
14.如权利要求1到13中一项所述的设备，其特征在于，所述频谱是由所述加速度传感器(8)所产生的加速度信号的振幅谱和/或相谱。
15.如权利要求1到14中一项所述的设备，其特征在于，所述探测装置(10)具有多个 传感器，这些传感器位于所述机器的各个位置和/或所述机器中的部件的各个位置。
16.如权利要求1到15中一项所述的设备，其特征在于，所述传感器是加速度传感器 (8)、行程传感器、声敏传感器、传声器、扩张传感器或应变传感器。
17.如权利要求1到16中一项所述的设备，其特征在于，通过使用所述显示装置(13) 可产生声信号和/或光学信号，从而告知操作者损伤情况。
18.一种用于探测机器损伤的方法，所述机器由振动激励器(7)以预先已知频率激励， 所述方法具有以下步骤-获取所述机器的至少一个部件(1、2)用的伴随有振动的至少一个机械量； _根据所获取的机械量生成当前频谱；-将所述当前频谱与预先已知频谱进行比较，所述预先已知频谱是事先确定并存储的；-如果所述比较确定在所述当前频谱和所述预先已知频谱之间存在偏差，则产生信号。
全文摘要
一种用于探测机器损伤的设备，该机器由振动激励器(7)以预先已知频率激励，该设备包括用于记录上部块(1)的当前振幅谱的加速度传感器(8)。该上部块(1)的预先已知频谱存储在存储装置(11)中。在比较装置(12)中将当前频谱与预先已知频谱进行比较。如果比较装置确定频谱彼此偏离，则产生相应的偏差信号，且通过显示装置(13)输出以告知操作者，从而告知操作者可能的损伤。
文档编号G01M99/00GK102007393SQ200980113717
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年4月18日
发明者S·瓦格纳 申请人:威克纽森欧洲公司