Freitag, 14. Juni 2024 · 0 min read
Interpretation von Daten aus der Maschinenzustandsüberwachung
Alle Maschinen erzeugen während ihres Betriebs Schwingungen, und manchmal sind diese als Geräusch wahrzunehmen. Schall oder Geräusche sind im Grunde eine Funktion der Schwingungen.
Wir verwenden Technologien zur Maschinenzustandsüberwachung, um gewissermaßen in die Maschinen „hineinzulauschen“. Auf dem Markt stehen verschiedene solcher Technologien zur Verfügung.
Die Schwingungsüberwachung ist jedoch nach wie vor die am häufigsten verwendete Methode zur Beurteilung des Maschinenzustands. Bei der Schwingungsüberwachung werden die Signale zur weiteren Datenanalyse und -auswertung in eine Zustandsüberwachungssoftware übertragen.
Die Auswertung kann manuell durch einen qualifizierten Predictive Maintenance Engineer (PdM-Techniker) oder automatisch mit Hilfe von Software für die prädiktive Instandhaltung erfolgen. Die Daten werden in der Regel auf zwei Arten dargestellt:
Zeitbereich: eine Darstellung physikalischer Werte durch Anzeige der Amplitude auf der y-Achse und der Zeit auf der x-Achse
Frequenzbereich oder Spektrum: eine andere Weise, die gleichen Daten zu betrachten. Bei der Frequenzanalyse werden die Zeitdaten in eine Reihe von Sinuswellen zerlegt. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) ist eine mathematische Methode zur Umwandlung einer Zeitfunktion in eine Frequenzfunktion. Physikalische Werte werden durch Anzeige der Amplitude auf der y-Achse und der Frequenz auf der x-Achse dargestellt.
Das Frequenzspektrum ist die in der Schwingungsanalyse am häufigsten verwendete Signaldarstellung.
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Die Amplitude ist wichtig, noch wichtiger für das Verständnis der Schwere des Problems ist aber die Veränderung der Amplitude über die Zeit. Aus diesem Grund ist die Verfügbarkeit historischer Daten (Trendmonitoring) im Schwingungsüberwachungssystem von entscheidender Bedeutung.
Zudem gibt die Frequenz Aufschluss über die Art des entstehenden Fehlers. Eine stark vereinfachte Form der Darstellung ist die Einteilung der Frequenzen in zwei Hauptkategorien:
Niederfrequente Schwingungen (Gleichstrom bis 1 kHz), die mit der Maschinendrehzahl zusammenhängen, werden in Geschwindigkeit (mm/s) gemessen. In diese Kategorie fallen Fehlausrichtungen, mechanische Lockerheiten und Unwuchten.
Hochfrequente Schwingungen (1 kHz bis 10 kHz) beziehen sich auf die Eigenfrequenz der Komponente und werden in Beschleunigung (g) gemessen. Zu dieser Kategorie gehören Lagerschäden und Zahnradfehler.
Werfen wir nun einen Blick auf den theoretischen Aspekt von Unwuchten und Fehlausrichtungen und vergleichen ihn mit Beispielen aus der Praxis. Zu diesem Zweck bauten wir die folgende Vorführeinrichtung:
Beim in der Vorführeinrichtung verwendeten Motor handelt es sich um einen 750-W-Elektromotor, der mit einer konstanten Drehzahl von 3000 U/min (50 Hz) läuft. Er ist mit einem externen Getriebe verbunden, das mit einer Klauenkupplung gekoppelt ist.
Zur Überwachung des Maschinenzustands sind auf der Motorantriebsseite zwei ASI-1xVIB-50g-Beschleunigungssensoren montiert. Beide sind horizontal ausgerichtet, einer in axialer, der andere in radialer Richtung.
Wir schlossen die Sensoren an das Datenerfassungsgerät IOLITEd-2xASI an und erfassten die Daten mit der Dewesoft-Software für die Maschinenzustandsüberwachung. Zur Darstellung der Maschinenzustände legten wir Schwellenwerte für Beschleunigung und Geschwindigkeit fest und verwendeten drei verschiedene Farben:
Grün: Normalzustand
Gelb: Warnung
Rot: Alarm – die Maschine muss unverzüglich gewartet werden
Die FFT-Diagramme im unteren linken Bildschirmbereich zeigen die gemessene Schwinggeschwindigkeit im Frequenzbereich der beiden Sensoren.
Der axiale Sensor ist durch die rote Kurve dargestellt.
Der radiale Sensor ist durch die gelbe Kurve dargestellt.
Was ist eine Unwucht und wie sieht sie im Frequenzbereich aus?
Unwuchten zählen zu den Hauptursachen für Vibrationen an Maschinen. Eine Unwucht ist eine ungleiche Verteilung der Masse um eine Drehachse, die zur Entstehung einer Zentrifugalkraft führt, die starke Schwingungen verursacht und die Lebensdauer der Maschine verringert.
Eine Unwucht kann verschiedene Ursachen haben, darunter Korrosion oder Verschleiß (die zur Zunahme oder zum Verlust von Gewicht führen), Spieltoleranzen, lose Rotorteile, ungleichmäßige Gewichtsverteilungen im Rotor, Porosität von Gussteilen, Fehlausrichtungen des Antriebsstrangs zur Rotorachse und viele andere. Wenn eine Maschine eine Unwucht aufweist, sollte dies vom Maschinenzustandsüberwachungssystem erkannt und durch eine höhere Amplitude der ersten Ordnung und in einigen Fällen auch der zweiten und dritten Ordnung der Maschinendrehzahl angezeigt werden.
In unserem Beispiel simulieren wir eine Unwucht durch Hinzufügen einer Masse von 5 Gramm an der Außenseite der Kupplung, indem wir die Kupplungsschraube durch eine längere und schwerere ersetzen. Dadurch wird der Massenschwerpunkt vom Wellenmittelpunkt weg verlagert und verursacht stärkere Schwingungen bei der Frequenz der Motordrehzahl (50 Hz, erste Ordnung in radialer Richtung).
Was ist eine parallele Fehlausrichtung (Versatz) und wie sieht sie im Frequenzbereich aus?
Es gibt verschiedene Arten von Fehlausrichtungen:
Winkelversatz
Lager-Fehlausrichtung
Riemenscheiben-Fehlausrichtung
Parallelversatz
Von einem Parallelversatz spricht man, wenn zwei Wellen parallel, aber in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.
Parallelversatz ist eine sehr häufige Ursache von Schwingungen in Maschinen. Wenn eine Maschine eine parallele Fehlausrichtung aufweist, sollte dies vom Maschinenzustandsüberwachungssystem erkannt und durch eine höhere Amplitude der ersten und zweiten und in einigen Fällen auch der dritten Ordnung der Maschinendrehzahl angezeigt werden.
Um einen Parallelversatz zwischen Motor und Getriebe zu simulieren, wurde der Motor auf dem Prüfstand in senkrechter Richtung zur Welle bewegt.
Die Motorposition wurde dabei horizontal um 3 mm verschoben. Wie zu erkennen, stellte das System eine erhöhte Amplitude der ersten Ordnung (Frequenz der Motordrehzahl, 50 Hz) und der zweiten Ordnung in radialer Richtung fest.
Während das Verständnis niederfrequenter Schwingungen grundsätzlich nicht so schwierig ist, ist bei hochfrequenten Schwingungen weitaus mehr Fachwissen erforderlich.
Kennen Sie sich mit Lagern und möglichen Defekten aus?
Lagerschäden gehören zu den häufigsten Fehlern, die bei rotierenden Maschinen auftreten. Um sie zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie Lager aufgebaut sind. Ein typisches Wälzlager besteht aus den folgenden Komponenten:
Wälzkörper - Kugeln / Rollen
Käfig
Innenring
Außenring
Typische Lagerschäden
Die üblichsten Lagerschäden sind:
Außenringschäden
Innenringschäden
Wälzkörperschäden
Käfigschäden
Defekte mehrerer Komponenten
Lagerschmierprobleme
Fehlausrichtungen
Lockerheiten
Schauen wir uns genauer an, wie die typischen Lagerschäden im Frequenzspektrum zu erkennen sind.
Außenringschäden
Außenringschäden sind im Frequenzspektrum normalerweise durch das Vorhandensein mehrerer Spitzen (Harmonische) der BPFO (Ball Passing Frequency Outer ring, Außenringüberrollfrequenz) charakterisiert. Die BPFO entspricht der Frequenz, mit der die Wälzkörper in der Zeit, die die Welle für eine Umdrehung braucht, multipliziert mit der Drehfrequenz der Welle, eine Fehlerstelle am Außenring passieren.
Die Gleichung zur Berechnung der BPFO lautet wie folgt:
Wobei Nb die Anzahl der Wälzkörper, Bd der Wälzkörperdurchmesser, Pd der Teilkreisdurchmesser und β der Berührungswinkel ist. Die BPFO entspricht typischerweise dem 2- bis 15-fachen der Drehzahl.
Käfigschäden
Käfigschäden sind im Frequenzspektrum normalerweise durch das Vorhandensein mehrerer Spitzen (Harmonische) der FTF (Fundamental Train Frequency, Käfigrotationsfrequenz) bzw. Überrollfrequenz des Käfigs charakterisiert. Die FTF entspricht der Anzahl der Umdrehungen des Käfigs in der Zeit, die die Welle für eine Umdrehung braucht, multipliziert mit der Drehfrequenz der Welle.
Die Gleichung zur Berechnung der FTF lautet wie folgt:
Wobei Bd der Wälzkörperdurchmesser, Pd der Teilkreisdurchmesser und β der Berührungswinkel ist. Die FTF ist typischerweise geringer als das 0,5-fache der Drehzahl.
Wälzkörperschäden
Wälzkörperschäden sind im Frequenzspektrum normalerweise durch das Vorhandensein mehrerer Spitzen (Harmonische) der BSF (Ball Spin Frequency, Wälzkörperrotationsfrequenz) bzw. Überrollfrequenz des Wälzkörpers charakterisiert. Die BSF entspricht der Anzahl der Rotationen eines Wälzkörpers im Lager in der Zeit, die die Welle für eine Umdrehung braucht, multipliziert mit der Drehfrequenz der Welle.
Die Gleichung zur Berechnung der BSF lautet wie folgt:
Wobei Bd der Wälzkörperdurchmesser, Pd der Teilkreisdurchmesser und β der Berührungswinkel ist. Die BSF entspricht typischerweise dem 5- bis 15-fachen der Drehzahl.
Innenringschäden
Innenringschäden sind im Frequenzspektrum normalerweise durch das Vorhandensein mehrerer Spitzen (Harmonische) der BPFI (Ball Passing Frequency Inner ring, Innenringüberrollfrequenz) charakterisiert. Die BPFI entspricht der Frequenz, mit der die Wälzkörper in der Zeit, die die Welle für eine Umdrehung braucht, eine Fehlerstelle am Innenring passieren.
Die Gleichung zur Berechnung der BSFI lautet wie folgt:
Wobei Nb die Anzahl der Wälzkörper, Bd der Wälzkörperdurchmesser, Pd der Teilkreisdurchmesser und β der Berührungswinkel ist. Die BPFI entspricht typischerweise dem 4- bis 15-fachen der Drehzahl.
In der Praxis ist normalerweise eine spezielle, als Hüllkurvenerfassung bezeichnete Technik erforderlich, um die Signaturfrequenzen der Lagerkomponenten effektiv zu bestimmen.
Schäden an mehreren Lagerkomponenten
Gleichzeitige Schäden an mehreren Lagerkomponenten treten recht häufig auf. Sie sind im Frequenzspektrum durch das Vorhandensein von Überrollfrequenzen verschiedener Lagerkomponenten und deren Harmonischen charakterisiert.
Lockerheit
Lockerheit tritt auf, wenn rotierende Elemente falsch montiert oder das Lager mangelhaft eingebaut wurde. Es sind drei Arten von Lockerheit bei Lagern bekannt:
Übermäßiges Lagerspiel: Erzeugt in der Regel eine spektrale Signatur, die durch das Vorhandensein synchroner Schwingungen (Harmonische der Drehgeschwindigkeit), subsynchroner Schwingungen (0,5 x U/min) und nichtsynchroner Schwingungen (1,5 x U/min, 2,5 x U/min, 3,5 x U/min usw.) charakterisiert ist. Diese Frequenzen können manchmal durch die FTF moduliert werden.
Lockerheit zwischen Lager und Welle: Hier treten mehrere Drehfrequenzharmonische auf, die stärkste entspricht aber normalerweise dem 3-fachen der Drehzahl.
Lockerheit zwischen Lager und Gehäuse: Hier treten mehrere Drehfrequenzharmonische auf, die beiden stärksten entsprechen aber normalerweise der Drehzahl und dem 4-fachen der Drehzahl.
Fehlausrichtung des Lagers
Mangelhafte Schmierung
Probleme aufgrund einer mangelhaften Schmierung sind durch hochfrequente Schwingungen (zwischen 1 kHz und 20 kHz) mit Bändern voneinander beabstandeter Spitzen gekennzeichnet, die auf die Anregung der Resonanzfrequenzen der Lager in diesen Frequenzbereichen zurückzuführen sind.
Woran ist zu erkennen, wie schwerwiegend das Problem ist?
Bis jetzt haben wir uns mehr oder weniger auf die Problemlokalisierung bezogen und uns dabei auf die Signaturfrequenzen konzentriert.
Wenn wir versuchen, die Schwere des Problems abzuschätzen, müssen wir uns die Signalamplitude ansehen. Dabei ist die absolute Amplitude zwar wichtig, noch wichtiger für das Verständnis der Schwere des Problems ist aber die Veränderung der Amplitude über die Zeit. Aus diesem Grund ist die Verfügbarkeit historischer Daten im Schwingungsüberwachungssystem von entscheidender Bedeutung.
Es gibt zahlreiche Normen, darunter die der Internationalen Organisation für Normung (International Standards Organization, ISO), die des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) und viele andere, die sich mit mechanischen Schwingungen befassen und Grenzwerte, Messverfahren, Maschinenklassifizierungen usw. vorschlagen. Diese Normen stellen einen guten Ausgangspunkt für die Festlegung von Alarmschwellen dar.
Ein gutes Verständnis der Maschinenkomponenten und des langfristigen Maschinenverhaltens auf der Grundlage gesammelter historischer Daten und einer weiterführenden Datenanalyse ist für die Bestimmung des Maschinenzustands jedoch unerlässlich, da es Wartungstechniker in die Lage versetzt, eine Wartungsstrategie festzulegen und diese effektiv und effizient anzuwenden.
Fazit
Die FFT-Spektralanalyse ist eine sehr wichtige Technik zur Interpretation von Schwingungssignalen und wird häufig zur Erkennung von Unwuchten oder Fehlausrichtungen eingesetzt.
In der Praxis nutzen Experten für Maschinenzustandsüberwachung zum Schutz kritischer Maschinen eine permanente Überwachung und verschiedene Formen von Analysen und Algorithmen für ein besseres Verständnis und eine bessere Bewertung des Maschinenzustands, wie z. B. Hüllkurvenerkennung, Ordnungsanalyse, Orbit-Plots und andere.
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