Vibrationsbasierte In-situ-Schadenserkennung mit Mehrkanalvibrometer

Cao, Xiaodong

In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Zustandsüberwachung technischer Systeme, Structural-Health-Monitoring (SHM), und die damit gebundenen Techniken immer weiter gestiegen. Schädigungen sollen dabei bereits in der Anfangsphase erkannt werden, lange bevor die Funktionsfähigkeit des Systems gefährdet wird. Berührungslose Schadenserkennungsverfahren werden heutzutage immer gefragter, weil sie flexibel einsetzbar sind. Außerdem stellt die Schadenserkennung während des Maschinenbetriebs weiterhin eine der größten Herausforderungen dar. Die vibrationsbasierten Schadenserkennungsmethoden sind besonders gut für SHM geeignet, weil sie prinzipiell keine Betriebsunterbrechung fordern und direkt an laufenden Maschinen während des normalen Maschinenbetriebs eingesetzt werden können. Um Schädigungsursachen erkennen zu können, müssen strukturelle Schädigungen frühzeitig festgestellt werden, denn die weiteren Schädigungen zerstören auch die Hinweise auf die Ursachen für den Schädigungsbeginn. Für eine frühzeitige Schadenserkennung während des Maschinenbetriebs ist eine breitbandige Schwingungserfassung parallel an mehreren Messpunkten notwendig, weil kleinste lokale Schädigungen nur durch Schwingformänderungen im höheren Frequenzbereich erkannt werden können. Bisher werden breitbandige Schwingungsmessungen mit dem Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer (SLDV) durchgeführt. Das SLDV kann Schwingungen jedoch nur sequenziell an mehreren Punkten erfassen. Da eine parallele Messung erforderlich ist, werden für die Schadenserkennung während des Maschinenbetriebs bisher ausschließlich Beschleunigungssensoren eingesetzt. Der Frequenzbereich der Erfassung liegt jedoch bei Beschleunigungssensoren nur im Bereich von wenigen 10 kHz, und bei hohen Frequenzen stellen die Kopplung des Sensors an das schwingende Objekt sowie der Masseneintrag durch den Sensor ein Problem dar. Daher wurde in dieser Arbeit das Mehrkanalvibrometer MPV-800 zur parallelen breitbandigen Schwingungserfassung an mehreren Messpunkten eingesetzt. Damit die dem MPV-System zur Verfügung gestellte Bandbreite für die Schadenserkennung ausgenutzt werden kann, müssen die Eigenschwingungen der Struktur in diesem Frequenzbereich dementsprechend möglichst vollständig angeregt werden. Der typische Anregungsfrequenzbereich der bisherigen elektromagnetischen Anregungstechnik (Shaker) liegt unterhalb von 30 kHz. Außerdem ist diese Technik kontaktbehaftet. In dieser Arbeit wurde hingegen ein Pulslaser als Anregungsquelle verwendet, um Testobjekte durch Laserablation breitbandig und berührungslos anregen zu können. Damit die Schadenserkennung robust gegenüber Störeinflüssen während des Maschinenbetriebs bleibt, wurden die störenden Anteile in den gemessenen Schwingformdaten durch das auf der Singulärwertzerlegung basierende Frequency-Domain-Decomposition Verfahren entfernt. Als geeignete Gütekriterien wurden in dieser Arbeit die schwingformbasierten Schadenserkennungskriterien Response-Vector-Assurance-Criterion (RVAC) und Detection-and-Relative-damage-Quantification-indicator (DRQ) identifiziert. Das erarbeitete Verfahren wurde zunächst anhand eines Modells aus mehreren in Reihe geschalteten Einmassenschwingern numerisch untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass sich lokale Strukturänderungen nur in einem höheren Frequenzbereich durch das RVAC-Kriterium eindeutig erkennen lassen. Anschließend wurde das erarbeitete Erkennungsverfahren experimentell an einem Kragbalken und zwei Wälzlagerprüfständen validiert. Die Schädigung an dem Kragbalken wurde durch ein lokales Sackloch eingebracht. Die Experimente an Wälzlagerprüfständen wurden für drei Schadensarten: (1) lokale Erhitzung, (2) Verschmutzung und (3) White-Etching-Crack (WEC), durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Schädigung bei dem Kragbalken durch das DRQ-Kriterium aus Schwingformen oberhalb von 17 kHz deutlich erkennen lässt. Bei dem lokal erhitzten und dem verschmutzten Lager liegt der empfindliche Frequenzbereich bei etwas oberhalb von 30 kHz. Die Wirksamkeit zu einer frühzeitigen Erkennung bei dem WEC-beschädigten Wälzlager an einem massiven Wälzlagerprüfstand, konnte wegen der fehlenden Laseranregung durch die Dämpfung bei der Übertragung auf das Gehäuse insbesondere bei hohen Frequenzen nicht eindeutig bestätigt werden. Schwingformen oberhalb von 15 kHz konnten nicht in ausreichendem Maße angeregt werden und somit auch keinen Beitrag zur Schadenserkennung leisten. Bei ausreichender Anregung z.B. durch Laserpulsanregung direkt auf der zu untersuchenden Struktur konnte die Wirksamkeit des erarbeiteten Verfahrens bestätigt werden. Insbesondere konnte erstmals gezeigt werden, dass Erfassung und Anregung breitbandig sein müssen, damit eine frühzeitige Schadenserkennung während des Maschinenbetriebs möglich ist, wenn die hochfrequenten Moden ausreichend angeregt werden können.

In recent years, the requirements for the condition monitoring of technical systems, structural health monitoring (SHM), and the techniques associated with it have continuously increased. Damage should be detected in the early stages, long before the functionality of the system is endangered. Non-contact damage detection techniques are becoming more and more in demand these days because they are flexible in use. In addition, damage detection during machine operation remains one of the biggest challenges. Vibration-based damage detection methods are particularly well suited for SHM because they basically do not require any interruption of operation and can be used directly on running machines during normal machine operation. In order to identify causes of damage, structural damage should be detected early, because further damage also destroys the clues to the causes of the onset of damage. For early damage detection during machine operation, broadband vibration measurement in parallel at several measuring points is necessary because the smallest local damage can only be detected by vibration shape changes in the higher frequency range. Until now, broadband vibration measurements are performed by using the scanning laser Doppler vibrometer (SLDV). However, the SLDV can only detect vibrations sequentially at multiple points. Since parallel measurement is required, only accelerometers are used for damage detection during machine operation. However, the frequency range of detection for accelerometers is only in the range of a few 10 kHz, and at high frequencies, the coupling of the sensor to the vibrating object and the mass input through the sensor pose a problem. Therefore, in this work, the MPV-800 multipoint vibrometer was applied for parallel broadband vibration detection at multiple measurement points. In order for the bandwidth available to the MPV system to be utilized for damage detection, the structure's natural vibration shapes in this frequency range must accordingly be excited as completely as possible. The typical excitation frequency range of the existing electromagnetic excitation technique (shaker) is below 30 kHz. In addition, this technique is contact-based. In this work, on the other hand, a pulsed laser was applied as an excitation source in order to be able to excite test objects by laser ablation in a broadband and contact-free manner. To ensure that the damage detection remains robust to perturbations during machine operation, the perturbing components in the measured vibration data were removed by the singular value decomposition-based frequency-domain decomposition method. The vibration shape-based damage detection criteria Response-Vector-Assurance-Criterion (RVAC) and Detection-and-Relative-damage-Quantification-indicator (DRQ) were identified as suitable goodness-of-fit criteria in this work. The developed method was first numerically investigated using a model consisting of several series-connected single degree of freedom systems. The results showed that local structural changes can only be clearly detected in a higher frequency range by the RVAC criterion. Subsequently, the developed detection method was experimentally validated on a cantilever beam and two rolling bearing test rigs. The damage on the cantilever beam was introduced through a local blind hole. The experiments on rolling bearing test rigs were performed for three types of damage: (1) local heating, (2) contamination, and (3) white-etching crack (WEC). It was shown that for the cantilever beam, the damage can be clearly identified by the DRQ criterion from vibration modes above 17 kHz. For the locally heated bearing and the dirty bearing, the sensitive frequency range is slightly above 30 kHz. The effectiveness for early detection of the WEC-damaged bearing on a massive bearing test rig could not be clearly confirmed, especially at high frequencies, due to the lack of laser excitation caused by damping during transmission to the housing. Vibration modes above 15 kHz could not be excited to a sufficient extent and thus could not contribute to damage detection. With sufficient excitation, e.g. by laser pulse excitation directly on the structure to be measured, the effectiveness of the developed method could be confirmed. In particular, it could be shown for the first time that detection and excitation must be broadband so that early damage detection during machine operation is possible if the high-frequency modes can be sufficiently excited.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Cao, Xiaodong: Vibrationsbasierte In-situ-Schadenserkennung mit Mehrkanalvibrometer. Clausthal-Zellerfeld 2022.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export