"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"
Die Spektralanalyse von Vibrationen ist das derzeit effektivste Instrument zur Zustandsüberwachung von Maschinen. Es ist sehr hilfreich, die typischen Spektren häufig auftretender Maschinenfehler zu kennen, da wir diese mit dem realen Spektrum vergleichen müssen. Im Folgenden betrachten wir das spektrale Erscheinungsbild der häufigsten Maschinenfehler.
Ein Spektrum enthält viele Frequenzspitzen, was auf den ersten Blick kompliziert erscheinen kann. Mit systematischer Auswertung wird jedoch schnell "Klarheit geschaffen". Zur Ermittlung der Natur und Ursache der Vibration beginnen wir normalerweise mit der Analyse der Frequenzspitze mit der größten Amplitude im Spektrum sowie der dominanten Gruppe von Spitzen (harmonische Frequenzspitzen).
Unwucht
Von Unwucht sprechen wir, wenn der Schwerpunkt der Achse oder des rotierenden Bauteils nicht mit dem Rotationsmittelpunkt zusammenfällt und daher eine rotierende Zentrifugalkraft entsteht. Die Zentrifugalkraft kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: F = m × r × ω2, wobei F die Zentrifugalkraft, m die ungleichmäßige Masse, r der Abstand der ungleichmäßigen Masse vom Rotationsmittelpunkt und ω die Rotationsgeschwindigkeit (Umfangsfrequenz) ist. Diese Kraft wirkt naturgemäß mit derselben Frequenz um die Rotationsachse herum, wie sich die Achse dreht. Daher ist die Kraft, die auf ein bestimmtes Lager oder eine bestimmte Strukturkomponente wirkt, nicht konstant, sondern sinusförmig: Sie erreicht während einer Umdrehung einmal ihr Maximum und dann ihren Minimalwert. Gleichung: F(t) = m × r × ω2 × sin(ω × t) Aus den Gleichungen wird ersichtlich, dass die Wirkung der Zentrifugalkraft mit dem Quadrat der Drehzahl zunimmt. Daher ist die Beseitigung von Unwuchten bei Maschinen mit höheren Drehzahlen besonders wichtig. Die Lager und die Struktur müssen eine Gegenkraft in gleicher Größe aufbringen, um die Achse an Ort und Stelle zu halten. Die dabei auftretende alternierende Bewegung - letztendlich die von außen messbare Vibration - hängt auch von der Steifigkeit der Struktur ab. Folglich können folgende Aussagen zur durch Unwucht verursachten Vibration getroffen werden:
Der Phasenwinkel der Vibration beschreibt die Position der ungleichmäßigen Masse im Vergleich zu einem am rotierenden Teil definierten Punkt. Dieser Wert ändert sich weder während einer Umdrehung (Achsendrehung) noch mit Änderungen der Drehzahl.
Die Messung von Unwuchten eignet sich am besten für die Messung der Vibrationsgeschwindigkeit und der Auslenkung. Wenn im Spektrum dominierende, konstante, hochamplitudige radiale Vibrationen mit der Rotationsfrequenz zunehmen, ohne dass signifikante axiale oder Vielfache der Rotationsfrequenz radialen Vibrationen vorhanden sind, besteht mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Unwucht. Es muss nur überprüft werden, ob bei geringfügigen Drehzahlabweichungen keine großen Amplitudenschwankungen auftreten, da dies auf Resonanz hinweisen kann.
Verbiegung der Rotationsachse
Verbiegte Achsen oder rotierende Teile sind häufig an Maschinen zu finden, die lange rotierende Teile haben, wie z. B. Turbinen oder Führungszylinder in Papierfabriken. Die Ursachen für die Verbiegung können sein:
Bei der Messung tritt die Verbiegung aufgrund der einseitigen Gewichtsverlagerung genauso wie bei der Unwucht auf, sodass auffällige radiale Vibrationspeaks bei der Rotationsfrequenz zu finden sind. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Verbiegung des rotierenden Teils die Lager zu einer axialen Bewegung zwingt, und zwar in entgegengesetzte Richtungen. Dies kann durch Messung des Phasenwinkels der Rotationsfrequenzkomponente festgestellt werden.
Die Messung der Schwinggeschwindigkeit eignet sich am besten zur Lokalisierung der gebogenen Achse oder Rotorteile, ergänzt durch die Messung des Phasenwinkels der Drehzahlkomponente. Wenn im Spektrum überwiegend konstante, hochamplitudige, rotationsfrequente radiale Vibrationen dominieren, die mit zunehmender Drehzahl ansteigen, und konstante, hochamplitudige, rotationsfrequente axiale Vibrationen vorhanden sind, jedoch keine Mehrfachen der Rotationsfrequenzvibrationen gefunden werden, dann ist höchstwahrscheinlich eine gebogene Rotationsachse vorhanden. Der etwa 180°-ige Phasenunterschied der rotationsfrequenten axialen Vibrationen an den beiden Achsenden bestätigt eindeutig das Vorhandensein einer gebogenen Rotationsachse. Es muss nur noch geprüft werden, ob bei geringfügigen Drehzahlunterschieden keine großen Amplitudenänderungen auftreten, da dies – wie erwähnt – auf Resonanz hinweisen kann. Achsausrichtungs- und Kupplungsfehler Achsausrichtungsfehler treten bei verbundenen Maschineneinheiten auf, wenn deren Achsenenden nicht rechtwinklig zueinander stehen oder ihre seitliche oder Höhenposition nicht übereinstimmt.
Die Ursachen für Achsausrichtungsfehler können sein:
Achsausrichtungs- (oder Kupplungsausrichtungs-) Fehler verursachen die Biegung des Achssystems, was zu Biegebeanspruchungen in der Welle führt. An einem bestimmten Punkt der Welle wirken zu einem Zeitpunkt axiale Kräfte, die die Welle strecken, und eine halbe Umdrehung später wirken drückende Kräfte an derselben Stelle.
Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Ausrichtungsfehlern unterscheiden: Winkel- und Positionsfehler (Achsen sind parallel, aber in Raumrichtung versetzt), aber am häufigsten tritt die Kombination beider auf. Beide Fehlergruppen zeigen sich ähnlich im Schwingungsspektrum: hauptsächlich das Auftreten radialer, zwei- (und dreifacher) Rotationsfrequenzvibrationen, aber auch das gleichzeitige Auftreten von rotationsfrequenten axialen Vibrationen charakterisiert die Probleme um die Achskupplung. Wenn die Vibration bei der doppelten Rotationsfrequenz größer ist als bei der Rotationsfrequenz selbst, ist es ziemlich sicher, dass ein Ausrichtungs- oder Kupplungsfehler vorliegt. Vibrationen bei höheren Frequenzen, die das Dreifache, Vierfache, Fünffache oder mehrfache der Rotationsfrequenz sind, können ebenfalls auftreten.
Zur Lokalisierung von Achs- oder Kupplungsausrichtungsfehlern eignet sich am besten die Messung der Schwinggeschwindigkeit, ergänzt durch die Messung des Phasenwinkels der Rotationsvibration an beiden Seiten der Kupplung. Wenn im Spektrum überwiegend hohe Amplituden von zweifachen und dreifachen Rotationsfrequenzradial- und axialen Vibrationen dominieren, liegt höchstwahrscheinlich ein Einfachfehler vor.
Ein etwa 180°-iger Phasenunterschied der an den beiden Enden der Kupplung gemessenen Rotationsfrequenzaxialen Vibrationen bestätigt eindeutig das Vorhandensein eines Achsausrichtungs- oder Kupplungsfehlers. Winkelabweichungen verursachen hauptsächlich rotationsfrequente axiale Vibrationen, Positions- und Kupplungsfehler zeigen hauptsächlich Vibrationen bei doppelten und dreifachen (manchmal vierfachen) Rotationsfrequenzen.
Nicht so eindeutig ist jedoch die Situation, wenn geringe Amplituden von 4–10-fachen oder noch höheren Rotationsfrequenzradial- und axialen Vibrationen vorliegen, sowie wenn ein rauschiges und impulsives Signal gemessen wird, da diese Phänomene auch auf locker sitzende Maschinenelemente hinweisen können.
Locker sitzende Maschinenelemente, mechanisches Spiel
Von einem locker sitzenden mechanischen Anschluss sprechen wir, wenn die Maschine übermäßig große Lagerluftspalte, strukturelle Elemente mit großem mechanischem Spiel (z. B. Führungsschienen) oder gelockerte strukturelle Elemente aufweist oder wenn die Befestigung an der Basis schwach ist. In Bezug auf Vibrationen hat ein großer Lagerluftspalt denselben Effekt wie eine locker sitzende Schraubverbindung: In beiden Fällen entstehen nichtlineare Glieder in der natürlichen Federkonstante der Maschine. Die durch Lockerheit verursachten Vibrationen werden im Wesentlichen durch die immer vorhandene "Rest" -Unwucht angeregt, und die bei den Vielfachen der Rotationsfrequenz beobachteten Vibrationen sind sekundäre Ergebnisse der Anregung. Es sei darauf hingewiesen, dass bei mechanischer Lockerheit jede Vibration, die aus anderen Fehlern resultiert, verstärkt wird. Wenn sich Lockerheitsfehler häufig wiederholen, kann dies auch auf Resonanzen und/oder Konstruktionsfehler zurückzuführen sein.
Locker gewordene Elemente und große Spalte bringen hauptsächlich große radiale Schwingungsspitzen mit sich bei 1-, 2-, 3-, 4-facher Rotationsfrequenz, aber auch bei 5- bis 10-fachen Vielfachen. So ist das Vorhandensein von Lockerheit im Spektrum eindeutig erkennbar, aber aufgrund der richtungsabhängigen Eigenschaften der Vibrationen muss sowohl horizontal als auch vertikal gemessen werden. In vielen Fällen sind die Vibrationen hauptsächlich horizontal am stärksten, axial treten sie schwächer oder überhaupt nicht auf.
Neben den Vielfachen der Drehzahlvibrationen können auch subharmonische Vibrationen (typischerweise bei der halben Rotationsfrequenz) und Interharmonische (bei 3/2- und 5/2-fachen Rotationsfrequenzen) auftreten. Bei schwerwiegenden Problemen können auch Schwingungskomponenten bei 1/3- und 1/4-fachen Rotationsfrequenzen und deren Harmonischen auftreten.
Aufgrund der Natur der Vibrationen kann nicht genau festgestellt werden, welches Element locker ist. Das problematische Bauteil kann nur durch Ausschlussverfahren gefunden werden. Es gibt verschiedene Methoden, von denen wir zwei hervorheben.
Wenn kein Anzeichen von Lockerheit festgestellt werden kann, kann - durch Ausschlussverfahren - ein zu großer Spalt in den Wellenlagern oder die Lockerheit befindet sich im rotierenden Teil.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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