Maschinenfehlererkennung basierend auf Vibrationspegel

Die Vibrationsgeschwindigkeitsmessung (auch Breitbandvibrationsmessung oder Vibrationspegelmessung genannt) wird zur Zustandsüberwachung von Rotationsmaschinen eingesetzt. Die von den gängigsten Handmessgeräten gemessenen breitbandigen (im Frequenzbereich von 10 bis 1000, 2000 oder sogar 3200 Hz) effektiven Vibrationsgeschwindigkeitswerte umfassen die häufigsten Frequenzen, die für die mechanischen Probleme von Rotationsmaschinen charakteristisch sind. Dadurch können Unwuchten, mechanische Lockerheiten, Resonanzen sowie Fehler bei der Ausrichtung von Wellen und Getrieben hervorragend erkannt werden. Es gibt jedoch keine konkreten Informationen darüber, welche dieser Fehler spezifisch vorliegt oder dominiert, da wir weder Frequenz- noch Phasenwinkelwerte haben. Es gibt jedoch einige Methoden, mit denen die durch höhere Vibrationspegel angezeigte Fehlerquelle genauer eingegrenzt werden kann. Diese werden im Folgenden näher erläutert.

Unwuchten

Unwuchten führen zu radialen Vibrationen, die quadratisch mit der Drehzahl zunehmen; axiale Vibrationen treten praktisch nicht auf. Da der Vibrationspegel nicht verrät, ob die Vibrationskomponente mit der Frequenz der Drehzahl (eine Folge der Unwucht) dominiert, müssen wir uns durch weitere Messungen von der Existenz der Unwucht überzeugen. Zuerst sollten wir die Maschine auf andere mögliche Fehlerquellen (Lockerheiten, Resonanzen, Wellen- oder Kupplungsfehler) überprüfen und die Unwucht durch Ausschlusswahrscheinlichkeit vermuten. Wenn bereits Erfahrungen mit der Maschine vorliegen, können ein oder zwei Überprüfungsmessungen ausreichen (zum Beispiel werden Ventilatoren, die technische Gase fördern und mit verschmutzter, staubiger Luft arbeiten, eher ungleichgewichtig als dass ein ungewöhnlicher Maschinenfehler auftritt). Es kann auch hilfreich sein, wenn die konkrete Fehlerquelle nicht gefunden werden kann, vorübergehend die Rotoreinheit auszubalancieren.

Resonanzen

In jeder Rotationsmaschine sind natürliche Anregungen (Unwucht bei Grunddrehzahl, einachsiges Problem bei doppelter Drehzahl usw.) vorhanden, wenn auch manchmal nur in sehr geringem Maße. Wenn die Frequenz einer dieser Anregungen die Resonanzfrequenz eines Maschinenelements annähert, verstärkt sich die Vibration in diesem Maschinenelement abhängig von seiner Steifigkeit und Masse, sodass das Maschinenelement in Resonanz gerät. Es tritt ein wesentlich höherer Vibrationspegel auf, als wenn die Resonanz- und Anregungsfrequenz voneinander abweichen würden. Um die Existenz von Resonanzen festzustellen, muss die Vibrationsgeschwindigkeit in den Lagern in allen drei räumlichen Richtungen gemessen werden. Wenn eine dieser Richtungen um das Dreifache höher ist als die anderen, können wir fast sicher sein, dass mit Resonanz zu rechnen ist. (Resonanz verstärkt die mechanische Wirkung in einer Richtung und erzeugt so starke, richtungsabhängige Vibrationen.) Wenn eine Änderung der Maschinendrehzahl zu starken Änderungen des Vibrationspegels führt, ist nicht nur die Existenz von Resonanzen nachgewiesen, sondern es besteht auch die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Die Resonanzfrequenz entspricht der Hälfte der Drehfrequenz, bei der die Vibration am stärksten ist.

Lockerungen von Maschinenelementen, lockere Befestigung

Zum Beispiel können durch Vibrationsmessungen an beiden Seiten einer verschraubten Verbindung lockere Maschinenelemente gefunden werden. Zwei eng miteinander verbundene Maschinenelemente sollten auf beiden Seiten der Verbindung den gleichen Vibrationspegel aufweisen. Ebenso sollten die Schrauben, die in der Basis befestigt sind, den gleichen Vibrationspegel wie die Basis aufweisen, sofern sie nicht gelockert sind. (Ein Trick zur Überprüfung ohne Messgerät: Wenn sich unsere Haut in die Montagelücke legt, wird sie durch die sich ändernde Lücke gekniffen, wenn die Befestigung der beiden Elemente locker ist.)

Verzogene Welle, Fehler in der Wellenkupplung

Diese Fehler sind hauptsächlich daran zu erkennen, dass sie neben großen radialen Vibrationen auch deutlich große axiale Vibrationen erzeugen. Wenn es möglich ist, den Phasenwinkel der axialen Vibration zu bestimmen, kann eindeutig nachgewiesen werden, ob eine verzogene Welle vorhanden ist oder ein Fehler bei der Einstellung der Wellenkupplung vorliegt, wenn der Phasenwinkel der axialen Vibrationen, die an den Lagern an beiden Enden der Welle oder Wellenkupplung gemessen werden, um 180 Grad voneinander abweicht. Es ist charakteristisch, dass dieser Phasenunterschied bei Änderung der Drehzahl unverändert bleibt.

Bestimmung des Zustands von Wälzlagern durch Vibrationsbeschleunigungsmessung

In den Lagern entsteht durch die rotierenden Kugeln und Rollen ein breitbandiges Rauschen und Schwingungen, die sich bei schlechter Schmierung des Lagers, Überlastung (zum Beispiel aufgrund von Unausgewogenheiten bei der Ausrichtung) oder bei Defekten an den Laufflächen oder den Oberflächen der Wälzkörper verstärken. Da das durch das Lager erzeugte (normalerweise hochfrequente) Rauschen und die Vibrationen breitbandig sind, ist es schwierig, eine spezifische Frequenz oder einen engen Frequenzbereich zu definieren, mit dem der Zustand des Lagers charakterisiert werden könnte. Dies ist auch deshalb unmöglich, weil die spezifischen sogenannten Lagerfehlerfrequenzen unter anderem vom Lagertyp und der aktuellen Drehzahl der Maschine abhängen. In der Praxis hat sich die Methode bewährt, den Wert, der den Lagerzustand charakterisiert, basierend auf dem effektiven Wert der Vibrationsbeschleunigung im Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 10 (oder 20) kHz zu bestimmen. Die Vibrationen, die durch Ungleichgewichte oder Ausrichtungsfehler an durchschnittlichen Maschinen entstehen, treten sicherlich bei Frequenzen unter 2 kHz auf - also unterhalb der unteren Grenzfrequenz - und beeinflussen somit nicht den für das Lager charakteristischen Wert. Die Auswahl der oberen Grenze - 10 oder 20 kHz - basiert darauf, dass die obere Grenzfrequenz der meisten Schwingungssensoren ohne spezielle Befestigungsmethode bei 7-10 kHz liegt und das Sensorsignal über 20 kHz bereits recht klein wäre.

Abbildung: Digitales Handmessgerät zur Messung des breitbandigen Schwinggeschwindigkeits-Effektivwerts und des Hochfrequenzbeschleunigungswerts (VMI Viber-A) [Quelle: PIM]

Wie bewerten wir den Lagerzustandscharakteristikwert?

Mit Messgeräten, die auch zur Messung des breitbandigen Schwinggeschwindigkeits- und des hochfrequenten Schwingbeschleunigungseffektivwerts geeignet sind, können nicht nur Einstellungs- und Ausgleichsprobleme, sondern auch Lagerfehler erkannt werden. Darüber hinaus kann festgestellt werden, welches Lager einer Maschine ausgetauscht werden muss und welches nicht, und es kann überprüft werden, ob die Lagermontage fehlerfrei war und ob die Lagerung ordnungsgemäß ist. Der Lagerzustandscharakteristikwert (der effektive Wert der Vibrationsbeschleunigung im Frequenzbereich von 2 bis 20 kHz) wird üblicherweise in Gravitationseinheiten (g) ausgedrückt. Eine Anleitung zur Bewertung bietet das folgende Erfahrungsschema.

Abbildung: Schlussfolgerungen aus dem Lagerzustandswert [Quelle: Vibrationsteknik]

Es ist erwähnenswert, dass auch aus anderen Gründen (z. B. aufgrund von Kavitation) Vibrationen im Frequenzbereich von 2-20 kHz auftreten können, wodurch der Lagerzustandscharakteristikwert hoch wird, ohne dass das Lager beschädigt ist. Dasselbe gilt, wenn wir an Getriebeübersetzungen oder an Geräten zur Kontakt- oder Reibungsbearbeitung messen, da diese Maschinen grundsätzlich Vibrationen zwischen 10 und 20 kHz erzeugen.

Ein signifikanter Lagerzustandscharakteristikwert kann auch entstehen, wenn das Lager (z. B. aufgrund von Ausrichtungsfehlern) nur überlastet ist (also noch frei von schwerwiegenden Schäden) oder die Schmierung unzureichend ist. Dies sollte durch vibrationsanalysebasierte (Spektrumanalyse) Schwingungsmessung überprüft werden.

Maschinenzustandsüberwachung mit Trendanalyse

Die Geschwindigkeit des Maschinenzustandsverfalls ist die wertvollste Information für die Organisation der zustandsabhängigen Maschinenwartung, da dies eine Schätzung ermöglicht, wann und welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, damit die Maschine ohne unerwartete Ausfälle (und unnötige Reparaturen) betrieben werden kann, aber gleichzeitig keine größeren Schäden aufgrund vorhandener Anfangsfehler entstehen. Dazu muss der Trend der Maschinenvibrationen (des breitbandigen Schwinggeschwindigkeits-Effektivwerts und des hochfrequenten Schwingbeschleunigungswerts) erstellt werden, dessen Anstieg Informationen über die zu erwartenden Zeiträume liefert. Die Methode zur Trendanalyse ist sehr einfach: In regelmäßigen Abständen müssen die Vibrationen der Maschinen erneut gemessen werden (an denselben Stellen, in derselben Richtung und idealerweise mit demselben Messgerät), und die Daten für jeden Messpunkt müssen grafisch in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet werden. Unter Berücksichtigung interpretierbarer Grenzwerte für die jeweilige Maschine (für jeden Messpunkt und jede Richtung sowie für beide genannten Schwingungsparameter) kann abgeschätzt werden, wann die Vibrationen unserer Maschine unter unveränderter Belastung und anderen Bedingungen die Grenzwerte erreichen, also wann spätestens eingegriffen werden muss. Bei vielen kleinen und mittleren Unternehmen mit einer größeren Anzahl von Maschinen ist es nicht ratsam, nur mit "Papier und Bleistift" alle Geräte zu durchlaufen, einzeln aufzuzeichnen, auf welchem Schwingungsniveau sich jede Maschine befindet, und dann separate Diagramme zu erstellen oder die Daten einzeln auf den Computer zu übertragen.

Es lohnt sich viel mehr, in ein Messgerät zu investieren, das in der Lage ist, die effektive Geschwindigkeit der Vibration zu messen und die Daten mehrerer Maschinen zu speichern, sowie diese an einen Computer zu übertragen. Die dafür erforderlichen Instrumente sind zu relativ günstigen Preisen erhältlich, so dass sich aus ihrer Anwendung erheblicher Nutzen ergibt, da die Wartung rechtzeitig planbar wird. Da wir wissen werden, wie lange die Einstellungs­korrektur, das Auswuchten oder der Austausch des Lagers durchgeführt werden muss, werden unnötige Reparaturen und unerwartete Maschinenstillstände gleichermaßen vermieden.

Abbildung: Datenlogger-Handgerät sowie Trendanalyse- und Grenzwertüberwachungs-PC-Software [Quelle: PIM]

Korrekte Erfassung von Vibrations­trends

Um sicherzustellen, dass die Trends, die die Dringlichkeit der Wartung anzeigen, tatsächlich gut zur Schätzung verwendet werden können, müssen neben den zuvor genannten auch andere Messregeln beachtet werden. So sollten beispielsweise die Messdaten immer an denselben Stellen, in denselben Richtungen und mit derselben Sensoranbindung (vorzugsweise immer mit demselben Haltemagneten oder Schraubbefestigung) zur Vergleichbarkeit der Messdaten erfasst werden. Bei der Speicherung der Daten sollte darauf geachtet werden, stabile Werte zu erfassen (obwohl auch variable Vibrationsniveaus relevante Informationen zur Vibrationsquelle enthalten können). Darüber hinaus ist es sehr wichtig, dass für die Erstellung von Trends nur unter gleichen Messbedingungen erfasste Daten verwendet werden: Die Drehzahl und Belastung der Maschinen sollte bei jeder Messung gleich sein. Die Maschinen sollten idealerweise in gleichen Zeitabständen gemessen werden. Der Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen kann basierend auf bisherigen Wartungserfahrungen festgelegt werden. Ein Fünftel bis ein Zehntel der vergangenen Zeit zwischen zwei Wartungseingriffen ist eine gute Schätzung für die Bestimmung der Messfrequenz. Später kann dieser Zeitraum basierend auf neuen Erfahrungen angepasst werden. Jede Wartungsaktivität, Teileaustausch, Reparatur oder Einstellung (Wellenausrichtung, Riemenjustierung, Auswuchten) sowie ungewöhnlich lange Stillstandszeiten, Belastungen oder Drehzahlen, die erheblich von der Norm abweichen, müssen dokumentiert werden. Ohne diese Informationen können die Trends nicht eindeutig bewertet werden.  

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu  

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