Synchrones Mittelwertbilden verstehen
Synchrone Mittelwertbildung — auch als Zeitbereichsmittelwertbildung oder zeitsynchrone Mittelwertbildung (TSA) bezeichnet — ist ein Verfahren der Signalverarbeitung in Schwingungsanalyse die periodische, drehzahlsynchrone Vibration wobei zufälliges Rauschen und alle Schwingungen, die nicht mit der Drehung der Welle synchron sind, unterdrückt werden. Bei diesem Verfahren wird die Schwingung über viele Umdrehungen der Welle hinweg wiederholt abgetastet, wobei jeder Block durch ein einmal pro Umdrehung Drehzahlmesser Impuls, dann wird der Mittelwert der entsprechenden Punkte über jede Umdrehung gebildet. Komponenten, die sich bei jeder Umdrehung identisch wiederholen, verstärken sich gegenseitig, während zufälliges Rauschen und asynchronous Die Komponenten heben sich gegenseitig auf, was zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt. Dies ist besonders nützlich für die Getriebediagnostik – zur Isolierung des Eingriffsmusters eines einzelnen Zahnrads – und kann subtile periodische Muster aufdecken, die im Rauschen verborgen sind und bei einer gewöhnlichen Zeitwellenform oder FFT-Spektrum.
1. So funktioniert die synchrone Mittelwertbildung
Der Ablauf Schritt für Schritt
- Triggersignal: ein Impuls pro Umdrehung von einem Drehzahlmesser oder Schlüsselphasengeber markiert den Beginn jeder Umdrehung.
- Datensegmentierung: Das Vibrationssignal wird in gleich lange Segmente unterteilt, eines pro Umdrehung.
- Ausrichtung: Jedes Segment ist auf seinen Auslöseimpuls ausgerichtet, sodass sie einen gemeinsamen Winkelausgangspunkt haben.
- Punktweise Mittelwertbildung: Die entsprechenden Werte aller Segmente werden gemittelt.
- Ergebnis: eine einzige gemittelte Wellenform, die eine idealisierte Umdrehung darstellt.
- Rauschunterdrückung: Zufällige Komponenten heben sich statistisch gesehen gegenseitig auf, während sich die periodischen verstärken.
Die Mathematik dahinter
- Periodische, phasensynchrone Signale summieren sich coherently (sie addieren sich phasengleich und nehmen linear mit der Anzahl der Mittelungen zu).
- Zufälliges Rauschen summiert sich incoherently (statistisch gesehen hebt es sich auf und wächst nur mit der Quadratwurzel der Anzahl der Mittelungen).
- Die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist daher proportional zu √N, wobei N die Anzahl der Mittelungen ist.
- Beispielsweise verbessern 100 Mittelungen das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor 10 (20 dB); 400 Mittelungen um den Faktor 20 (26 dB).
Da der Trigger von der Welle selbst stammt, ist die synchrone Mittelwertbildung von Natur aus eine Form der Auftragsanalyse — Der gemittelte Messwert ist an den Wellenwinkel und nicht an die Uhrzeit gekoppelt, sodass er die geringen Geschwindigkeitsschwankungen ausgleicht, die bei einer gewöhnlichen FFT mit fester Abtastrate zu Unschärfen führen würden.
2. Anwendungen
Getriebediagnose – der Hauptanwendungsbereich
Dies ist die gängigste und leistungsstärkste Anwendung.
- Isolierung des Zahneingriffsignals: Eine synchrone Mittelwertbildung mit dem betreffenden Zahnrad verbessert dessen mesh pattern während andere Zahnräder und Lager ausgeblendet werden, was zur Bestätigung beiträgt Getriebedefekte.
- Zahn-für-Zahn-Analyse: Die gemittelte Wellenform zeigt jeden Zahneingriff deutlich; ein beschädigter Zahn erscheint als lokale Abweichung im ansonsten sich wiederholenden Muster, und anhand dieser Abweichung lässt sich erkennen, die welcher Zahn beschädigt ist, und dessen Schweregrad einzuschätzen.
Sonstige Anwendungen
- Verbesserung der Lageranalyse: Durch die Mittelwertbildung über eine Außenring-Periode werden die periodischen Stöße einer Lagerschaden, wodurch Störgeräusche anderer Quellen ausgeblendet werden – besonders nützlich in Umgebungen mit hohem Geräuschpegel.
- Torsionsschwingung: hebt die zur Drehbewegung synchronen Signalkomponenten hervor und unterdrückt dabei Querschwingungen und Rauschen, wodurch torsional Resonanzen und Anregung.
- Ausgleichen: verbessert die Genauigkeit von Amplitude und Phase Messungen unter rauschbehafteten Bedingungen, was zu zuverlässigeren Einflusskoeffizient determination.
3. Advantages
- Rauschunterdrückung: eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, wodurch Signale erfasst werden können, die 20 bis 30 dB unterhalb des Rauschpegels liegen, was Messungen in wirklich rauen Umgebungen ermöglicht.
- Fehlerlokalisierung: trennt das Signaturmuster einer Komponente von allen anderen – beispielsweise indem es das Eingriffsmuster des Ritzels vom Eingriffsmuster des Zahnrads in einem Getriebe isoliert – und ermittelt so, welche Komponente defekt ist.
- Verbesserte Auflösung: deckt subtile Muster und Fehler auf, macht Details sichtbar, die im Rohsignal verborgen sind, und ermöglicht eine wirklich frühzeitige Fehlererkennung.
4. Anforderungen und Einschränkungen
Was dafür erforderlich ist
- Tachometer: Ein zuverlässiger Auslöser, der einmal pro Umdrehung anspricht, ist unerlässlich – ohne ihn kann das Verfahren die Segmente nicht ausrichten.
- Konstantdrehzahl: Die Geschwindigkeit muss relativ konstant bleiben, in der Regel innerhalb von ±1–2 %.
- Ausreichende Mittelungen: in der Regel 50 bis 200 Umdrehungen für ein gutes Ergebnis.
- Periodisches Signal: Es werden nur wirklich periodische, phasenverriegelte Komponenten verstärkt.
Wo es Mängel aufweist
- Es unterdrückt nicht-synchrone Fehler: zufällige Fehler und die meisten Lagerfehlerfrequenzen are reduced, daher ist diese Technik das falsche Mittel, wenn Sie danach suchen (verwenden Sie Hüllkurvenanalyse instead).
- Drehzahlschwankung: Eine sich ändernde Drehzahl während des Mittelungsfensters verwischt das Ergebnis.
- Benötigte Zeit: Die Daten müssen über viele Umdrehungen hinweg erfasst werden.
- Nicht in Echtzeit: Es ist eine gewisse Nachbearbeitung erforderlich.
5. Vergleich mit anderen Verfahren
Synchrone Mittelwertbildung vs. lineare Mittelwertbildung
- Synchron: mittelt im Zeitbereich, an die Drehung gekoppelt, und verstärkt periodische Komponenten.
- Linear: mittelt die FFT-Spektren und reduziert wahllos zufällige Schwankungen über alle Frequenzen hinweg.
- Use cases: synchron für Zahnräder und bestimmte Komponenten; linear für die allgemeine Spektrumglättung.
Synchrone Mittelwertbildung vs. Hüllkurvenanalyse
- Synchrone Mittelwertbildung: Zeitbereich, verstärkt periodische Muster.
- Hüllkurvenanalyse: Frequenzbereich, erkennt wiederkehrende Stöße, wie sie beispielsweise von einer abgesplitterten Laufbahn ausgehen.
- Komplementär: Beide Verfahren lassen sich für eine umfassende Analyse kombinieren – man mittelt zunächst den Zahneingriff heraus und führt anschließend eine Hüllkurvenanalyse des verbleibenden Teils durch, um einen Lagerschaden festzustellen.
6. Praktische Umsetzung
Einrichtung, Erhebung und Auswertung
- Einrichten: Installieren Sie einen Drehzahlmesser mit einem eindeutigen Impuls pro Umdrehung – einen Streifen aus reflektierendes Band mit einem optischen Aufnehmer die übliche Wahl im Feldeinsatz ist – legen Sie die Anzahl der Mittelungen fest (50–200), definieren Sie die Signallänge (eine Umdrehung, zehn Umdrehungen usw.) und überprüfen Sie die Drehzahlstabilität.
- Datenerfassung: Daten über den Mittelungszeitraum erfassen; das Gerät segmentiert und mittelt die Daten automatisch, zeigt die gemittelte Wellenform an und berechnet häufig die FFT dieses gemittelten Signals, um ein verbessertes Spektrum zu liefern.
- Übersetzung: die gemittelte Wellenform auf periodische Muster untersuchen, nach Abweichungen suchen, die auf Fehler hindeuten, mit bekanntermaßen fehlerfreien Werten vergleichen Basislinie Signaturen und den Schweregrad anhand der Abweichungsamplitude zu quantifizieren.
In der Praxis hängt dieser gesamte Arbeitsablauf von einer sauberen Phasenreferenz ab. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A bietet genau das: Sein optischer Laserdrehzahlmesser wird durch ein kleines Stück reflektierendes Klebeband auf der Welle ausgelöst und liefert den Impuls pro Umdrehung, der jedes Mittelungsfenster festlegt – denselben Impuls, den das Gerät bereits für Feldauswuchten. Bei einem stabilen Trigger und einer konstanten Drehzahl kann eine gemittelte Wellenform, deren Erfassung Sekunden dauerte, einen einzelnen angeschlagenen Zahnradzahn aufdecken, der im Rohspektrum vollständig verborgen war.
7. Fortgeschrittene Varianten
- Zahnradsynchrone Mittelwertbildung: Die Erfassung über das betreffende Zahnrad statt über die Welle zeigt das Eingriffsmuster für dieses bestimmte Zahnrad, erfordert jedoch einen Encoder oder einen Mehrimpuls-Drehzahlmesser.
- Mehrordnungs-Mittelwertbildung: berechnet gleichzeitig mehrere Ordnungen, um die 1×-, 2×- und 3×-Komponenten zu trennen und einen umfassenden Überblick über den Ordnungsinhalt zu geben.
- Differenzsignal: Zieht man das gemittelte Signal vom Rohsignal ab, verbleibt ein Rest, der genau das enthält, was entfernt wurde – nämlich die asynchronen Anteile –, was eine nützliche Methode ist, um Lagerschäden aufzudecken, sobald der Zahneingriff herausgefiltert wurde.
Die synchrone Mittelwertbildung ist eine ausgefeilte Technik, die die Sichtbarkeit periodischer, geschwindigkeitssynchroner Muster deutlich verbessert und gleichzeitig Störsignale und asynchrone Komponenten unterdrückt. Ihre Beherrschung ermöglicht eine erweiterte Getriebediagnostik, die frühzeitige Erkennung von Defekten in lauten Umgebungen sowie die klare Isolierung der Signaturen einzelner Komponenten in Maschinen, die sonst kaum zu durchschauen sind.
