Papiermaschinen werden in der Industrie eingesetzt, um mit hoher Geschwindigkeit große Mengen an Papier zu produzieren. Dabei wird ein Zellstoff aus Pflanzenfasern, die sich unter Beifügung von Wasser miteinander verbinden, in einem System rotierender Walzen verarbeitet.

Zellstoff- und Papiererzeuger können in ihren Fabriken mit folgenschweren und teuren Lagerschäden konfrontiert werden. Solche Störungen wirken sich auf die Papierqualität aus und erhöhen die Wartungs- und Betriebskosten, können aber durch eine angemessene Maschinenzustandsüberwachung verhindert werden.

Moderne Papiermaschinen basieren auf den Prinzipien der Langsiebmaschine, die mithilfe eines bewegten Gewebesiebs eine endlose Papierbahn erzeugt, indem sie die in einem Papierstoff enthaltenen Fasern herausfiltert und ein sich kontinuierlich bewegendes nasses Faservlies erzeugt. Dieses Vlies wird in der Maschine zu einer festen Papierbahn getrocknet.

Paper mill machine architectureAbb. 1: Schematische Darstellung einer Papiermaschine

Ein wichtiger Abschnitt der Papiermaschine ist die Pressenpartie, die mittels eines Systems von Walzenspalten, die durch gegeneinander drückende Walzen gebildet werden, einen Großteil des Restwassers entfernt, Unterstützt wird dieser Prozess durch Pressfilze, die das Blatt stützen und das herausgepresste Wasser absorbieren.

Die Pressenpartie umfasst mehrere Walzen, die gegeneinander gedrückt werden und das Wasser aus dem Papierblatt pressen. Der Filz stützt das Blatt und nimmt das Wasser auf. Die Pressenpartie hat einen starken Einfluss auf die Papiereigenschaften wie Rauheit und Absorptionsverhalten sowie auf die Herstellungskosten.

Ineffizienzen bei der Entwässerung in dieser Partie führen zu einer Zunahme des Dampfverbrauchs in der Trockenpartie – wo die Energiekosten höher sind – und einer verringerten Produktion aufgrund der geringeren Maschinengeschwindigkeit.

Lagerschäden in der Pressenpartie

Zu den Problemen, die in Pressenpartien in Papierfabriken am häufigsten auftreten, gehören folgenschwere und teure Lagerschäden an den Presswalzen, die die Papierqualität beeinträchtigen und Produktionsausfälle verursachen. Oft führen solche Lagerschäden dazu, dass ein ganzes Lager zum vollständigen Stillstand kommt, was zu schweren Schäden an der Walzenwelle führt.

Defekte an Wälzlagern können aus einer Reihe verschiedener Gründe auftreten:

  • unsachgemäße Auslegung, Herstellung oder Montage des Lagers
  • Lagerringversatz
  • unterschiedliche Durchmesser der Wälzkörper
  • unsachgemäße Schmierung
  • Überlastung
  • Ermüdung
  • ungleichmäßiger Verschleiß

Alle Dinge gehen irgendwann kaputt, aber durch regelmäßige Vorbeugungsmaßnahmen kann gewährleistet werden, dass die Lager dauerhaft Spitzenleistungen bringen. Die Wartung läuft normalerweise folgendermaßen ab:

  • Die Papiermaschine wird heruntergefahren.
  • Die beschädigte Walze muss ausgebaut und gegen eine neue ausgetauscht werden.
  • Die defekte Walze wird in die Werkstatt geschickt, wo das beschädigte Lager durch ein neues ersetzt wird.

Der Austausch und die Wiederaufnahme der Produktion können – über die mit dem Produktionsstillstand verbundenen wirtschaftlichen Folgen hinaus –  leicht um die 80 Mannstunden kosten.

Solche Zwischenfälle sind in der Regel ein klares Signal an das Betriebsteam, dass die Implementierung eines vorausschauenden Maschinenzustandsüberwachungssystems in jeder Produktionsphase der Papierfabrik erforderlich ist, um zukünftige teure Ausfälle zu vermeiden.

Vorausschauende Wartungs- und Zustandsüberwachungsverfahren helfen, den Zustand der in Betrieb befindlichen Anlagen festzustellen, um abzuschätzen, wann eine Wartung stattfinden sollte. Dies ermöglicht eine bessere Planung der korrektiven Wartung und die Vermeidung unerwarteter Betriebsstörungen.

Lösung für die Maschinenzustandsüberwachung

Die Maschinenzustandsüberwachung (Machine Condition Monitoring, MCM) ist eine vorausschauende Wartungsmethode, bei der verschiedene Parameter des Maschinenzustands permanent überwacht werden, um z. B. Vibrations- oder Temperaturdaten schon während des laufenden Betriebs zu analysieren. Die permanente Überwachung ist die einzige Möglichkeit, den Zustand der rotierenden Maschine im Detail zu erfassen und angemessene Wartungsmaßnahmen durchführen zu können.

Die Datenerfassung, Datenaufbereitung und Datenqualität sind die wichtigsten Inputs für alle Vorhersagemodelle und Qualitätskontrollen. Um die vorausschauende Wartung zu ermöglichen, statten wir die Anlage zunächst mit Sensoren aus, die Daten zu ihrem Betrieb erfassen und sammeln. Bei den Daten für die vorausschauende Wartung handelt es sich um Zeitreihendaten. Sie umfassen Zeitstempel, Sensormesswerte, die gleichzeitig mit den Zeitstempeln gesammelt werden, und Gerätekennungen.

Die beste und kostengünstigste Lösung besteht in der Installation von Beschleunigungsmessern mit eingebetteten Temperatursensoren und einer Bandbreite von 0–10 kHz auf jeder Walze. Diese Sensoren sollten mit Gewindestiften montiert werden, um sicherzustellen, dass die Schwingung akkurat auf die Beschleunigungssensoren übertragen wird. Die gewählten Montagepositionen sollten so nahe wie möglich an den Walzenlagern liegen und, wenn möglich, direkt am Lagergehäuse.

Die Beschleunigungssensoren müssen sowohl auf der Trieb- als auch auf der Führerseite in vertikaler und horizontaler Position angebracht werden. Da die Arbeitsgeschwindigkeit der Presse variiert, sind auch Tachometer für eine Drehzahlreferenz zu montieren.

Wegen der sehr hohen Luftfeuchtigkeit in der Pressenpartie empfehlen wir die Verwendung von KRYPTON-Datenerfassungsgeräten mit Schutzart IP67, wie z. B. das KRYPTON 4xACC-Modul (4-kanaliger IEPE-Sensorverstärker), und KRYPTON-xCNT für die Tacho-Eingangssignale.

Diese Module sind so konzipiert, dass sie mit einem einzigen Kabel für Stromversorgung, Synchronisation und Datenübertragung in Reihenschaltung verbunden werden können. Die Daten werden an den (als Messeinheit bezeichneten) Systemcomputer gesendet, auf dem die Dewesoft X3 Professional MCM-Lizenz installiert ist und der die zeitbezogenen Schwingungsrohdaten in MCM-Daten umwandelt.

Paper mill condition monitoring data acquisition configurationAbb. 2: Konfiguration der Datenerfassungshardware

Die Messeinheit sendet die berechneten Daten an den lokalen Server, auf dem die Dewesoft Historian-Zeitreihendatenbank installiert ist. Verfügt der Kunde nicht über ausreichende Ressourcen und die erforderliche Erfahrung für eine angemessene Interpretation der Daten für die prädiktive Analyse, dann kann er für die Erstellung korrekter Vorhersageanalyseberichte unsere zusätzlichen Dienstleistungen in Anspruch nehmen.

Dazu installieren wir unsere webbasierte Anwendung mit Dewesoft Grafana für High-Level-Darstellungen und die Entscheidungsfindung sowie für den Fernzugriff und die Online-Zustandsüberwachung. So kann unser technisches Team eng mit den Mitarbeitern des Kunden zusammenarbeiten, rund um die Uhr Fern-Support leisten und Echtzeit-Feedback über den Zustand ihrer Maschinen geben.


Abb. 3: Beispiel einer High-Level-Schnittstelle für jede Walze

Da Lagerschäden an Walzen zu erwarten sind, empfiehlt sich der Einsatz des Datenerfassungs-Softwarepakets Dewesoft X3 Professional Machine Condition Monitoring, einschließlich der Hüllkurvenerfassungs- und Ordnungsanalysefunktionen.

Viele Presswalzen verwenden Pendelrollenlager, und ihre Laufgeschwindigkeit liegt in der Regel zwischen 70 und 110 U/min. Zur Simulation des realen Szenarios evaluierten wir zwei Lager: Lager A mit einem Riss im Außenring (siehe Abb. 4) und Lager B, ein einwandfreies Lager des Typs SKF 2232E.

Für den Test wurden beide Lager auf einen betriebseigenen Prüfstand montiert. Unter Verwendung eines Frequenzumrichters mit einem Getriebemotor zum Antrieb der Walze erreichten wir sehr ähnliche Bedingungen, wie sie in der Pressenpartie der Papierfabrik zu erwarten waren.

Bearing with outer ring crackAbb. 4: Riss in Lageraußenring

Das Dewesoft-System identifizierte den Lagerschaden, indem es zunächst die nieder- und höherfrequenten Komponenten des Signals herausfilterte und dann einen Hüllkurvenerfassungs-Algorithmus zur Anwendung brachte, der das Signal in ein niedrigeres Frequenzspektrum verschob (Demodulation). Dabei zeigte sich, dass das Problem im Außenring des Lagers A lag.

Envelope detection showing the Ball Pass Frequency Outer (BPFO) failure on the bearing AAbb. 5: Die Hüllkurvenerfassung zeigt den BPFO-Fehler (Kugelpassierfrequenz am Außenring) in Lager A

Aber wie funktioniert das „hinter den Kulissen“? Der Algorithmus zur Berechnung der Hüllkurve verwendet zwei Frequenzbereiche (Abb. 6):

  • das durch die Filterung der niederfrequenten Anteile des Rohsignals auf einen hochfrequenten Bereich (in unserem Beispiel 2500–8000 Hz) reduzierte Frequenzband, das die für die Lagerschadenerkennung relevanten Frequenzen der defekten Lagerteile enthält, und
  • die Bandbreite des resultierenden Hüllkurvensignals, das die gesuchten charakteristischen Frequenzen der Lagerkomponenten enthalten muss.

Die folgende Abbildung zeigt die Konfiguration des Hüllkurvenerfassungs-Algorithmus in der recht einfach zu konfigurierenden und zu bedienenden Dewesoft-Software, die auch eine umfassende, auf Herstellerdaten basierende Lagerdatenbank enthält. Wir wählten hier den Lagertyp SKF 22320E aus, und die Software berechnete automatisch die entsprechenden Kugelpassierfrequenzen am Innen- und am Außenring (BPFI und BPFO), die Käfig- und die Wälzkörperfrequenzen.

Dewesoft envelope detection setup example with bearing database featureAbb. 6: Konfigurationsbeispiel der Hüllkurvenerfassung mit Lagerdatenbankfunktion bei Dewesoft

Warum erkennen andere Systeme den Schaden nicht unbedingt? Weil sie möglicherweise Low-Speed-Beschleunigungssensoren verwenden und/oder nicht über die Hüllkurvenerfassungsfunktion verfügen.

Das von beschädigten Lagern erzeugte charakteristische Frequenzereignis ist sehr niederenergetisch. Um sie mathematisch zu analysieren, mussten wir zunächst die niedrigeren und höheren Frequenzen des Signals herausfiltern und es dann in ein niedrigeres Frequenzspektrum verschieben (Demodulation).

Wie in Abb. 7 zu sehen, wurde ein hochfrequentes Ereignis im Zeitrohsignal festgestellt, dessen Ursache jedoch nicht ohne Weiteres nachvollziehbar war.

Raw time-domain signal and high-frequency spikesAbb. 7: Zeitrohsignal und Hochfrequenzspitzen

Um einen besseren Einblick zu erhalten, berechneten wir auch die FFT (Fouriertransformation) des Rohsignals (siehe Abb. 8), die sehr niederenergetische Spitzen bei 1 x Drehzahl, 2 x Drehzahl und insbesondere bei 1 x BPFO-Frequenz zeigte.

Vibration analysis - FFT representation of the raw signalAbb. 8: Schwingungsanalyse – Darstellung der FFT des Rohsignals

Dass bei 1 x BPFO des Beschleunigungsrohsignals keine große Amplitude vorhanden ist, lässt sich wie folgt erklären.

Wenn eine Kugel auf den Riss im Außenring trifft, hat die tatsächliche Schwingung, die durch den Aufprall entsteht, eine viel höhere Frequenz als die BPFO. Der Außenring und die Kugel erzeugen im Grunde für einen kurzen Moment ein charakteristisches hochfrequentes Schwingungssignal (das auch als Ton wahrnehmbar ist). Da dieses Signalmuster jedes Mal wiederkehrt, wenn eine Kugel auf den Riss trifft, wiederholt es sich im Einklang mit der BPFO-Frequenz, liegt jedoch selbst in einem viel höheren Frequenzbereich.

Fazit

Durch die Implementierung der Dewesoft-Lösung zur Maschinenzustandsüberwachung erhalten Papierfabriken eine zuverlässige Lösung zur Erkennung von Walzenlagerproblemen in der Pressenpartie. Die Effizienz der Dewesoft-Lösung bei der frühzeitigen Erkennung von Lagerfehlern ist auch auf andere Arten von Anlagen in der Branche (wie Gebläse, Förderbänder, Hacker, Hackschnitzelklassierer, Refiner, Drucksortierer, Förderschnecken, Rührwerke, Spaltüberwachung, Filzwalzen usw.) übertragbar.

Die Dewesoft-Lösung zur Maschinenzustandsüberwachung ermöglicht die Erkennung von Lagerschäden, Überhitzung, Wellenunwuchten, gelösten Verbindungen, Zahnradfehlern, Lastversatz und Statorexzentrizität.

Die Lösung reduziert die Wartungskosten und -zeiten erheblich und eliminiert Ausfallzeiten durch Lagerschäden in der Pressenpartie. Die zahlreichen Softwarefunktionen erlauben zudem nicht nur eine einfache Überwachung durch den Bediener, sondern auch eine eingehende Maschinenzustandsanalyse durch PdM-Experten.

Von Rok Mesar, Business Developer
Dewesoft Monitoring Group