Untersuchung von Maschinenstrukturen mit Bewegungsanimation

Während die Spektralanalyse von Maschinenvibrationen während des Betriebs zweifellos eine der effektivsten Methoden zur Entdeckung und Nachweis der meisten Maschinenfehler - wie Unwucht, Achsfehler, gekrümmte Welle, Lagerfehler - ist, sind für die Untersuchung der Maschinenstruktur andere Werkzeuge erforderlich. Die Lösung bieten die Finite-Elemente-Modellierung oder die Bewegungsanimation. Aufgrund des geringeren Mess- und Berechnungsaufwands ist die Bewegungsanimation am einfachsten anzuwenden.

Wir gehen davon aus, dass jedes strukturelle Element der Maschine (Fundament, Podest, Rahmen, Unterstützung, Träger, Lagergehäuse usw.) während des Betriebs der Maschine aufgrund der auftretenden periodischen Kräfte aus seiner Position verschoben wird oder sich verformt. Da die meisten Maschinen mit einer Drehzahl von 1500-3000 U/min arbeiten, erfolgen diese Bewegungen hauptsächlich mit 25 oder 50 Hz oder einem Vielfachen dieser Frequenzen. Mit bloßem Auge können wir diese Bewegungen aus zwei Gründen nicht sehen. Zum einen kann unser Auge Veränderungen mit einer Frequenz von 50 Hz und höher nicht verfolgen (zum Beispiel wird bei Fernsehgeräten eine Bildwiederholfrequenz von 50 Hz oder höher verwendet), zum anderen handelt es sich oft nur um Bewegungen im Mikrometerbereich. Wie können wir die Bewegung der Maschinenelemente dennoch sichtbar machen? Am einfachsten durch den Einsatz eines Stroboskops: Lassen Sie jede zweite (oder dritte, vierte) Bewegung beleuchten! Da unser Auge das Objekt nur im Moment der starken Blitzlichterfassung erkennen kann, scheint der Prozess beispielsweise mit 50 Hz statt mit nur 25 Hz oder sogar nur 12,5 Hz abzulaufen. Unser Auge kann dies verfolgen, sodass die entsprechend großen Amplituden - aber ansonsten unsichtbar schnellen - Bewegungen sichtbar werden. (Natürlich nur, wenn wir unsere Stroboskoplampe nicht genau auf die zu untersuchende Frequenz einstellen, da wir sonst ein Standbild sehen.) Die Methode hat mehrere Nachteile:

• leider sehen wir immer noch die kleinen, nur einige zehn Mikrometer großen Bewegungen nicht
• nur ein begrenzter Bereich kann beleuchtet und analysiert werden
• die Auswertung der Beobachtungen ist ziemlich subjektiv, die Daten werden ausschließlich im Gedächtnis gespeichert

Bessere Ergebnisse als bei der Methode mit Stroboskoplampe erzielen wir, wenn wir die Fähigkeiten moderner Schwingungsmessgeräte und die Informatik nutzen, da wir auch hier Schwingungen beobachten wollen. Unsere erste Aufgabe ist es, ein Modell der zu untersuchenden Maschinenstruktur zu erstellen, das jeden strukturellen Knotenpunkt enthält. Bei der Modellerstellung sollten wir natürlich beachten, dass nur so viele Messpunkte aufgenommen werden, wie unbedingt erforderlich sind, um das zu untersuchende oder vermutete Problem zu erkennen - denn an den Punkten muss auch gemessen werden. (Das Berücksichtigen einer übermäßigen Anzahl von Punkten verbessert nicht das Prüfergebnis.) Auf der Abbildung unten ist das Modell eines auf einer Platte montierten Maschinenelements (zum Beispiel Grundplatte und Lagergehäuse) zu sehen. Anschließend folgt die „Datenakquisition“, die auf unser Modell abgestimmt ist. An jedem Knotenpunkt müssen die räumlichen (x-, y- und z-Richtungen) Schwingungen (Bewegungen) gemessen werden. Da wir die Bewegungen mehrerer Punkte miteinander vergleichen möchten (bzw. zusammen darstellen), ist offensichtlich, dass nicht nur die Amplitude der Bewegungen, sondern auch ihr zeitlicher Bezug zueinander (Phase) wichtige Informationen sind. Im Folgenden werden die möglichen Messmethoden betrachtet.

Messmethoden

Da wir die Bewegungen mehrerer Punkte miteinander vergleichen möchten (bzw. zusammen darstellen), ist offensichtlich, dass nicht nur die Amplitude der Bewegungen, sondern auch ihr zeitlicher Bezug zueinander (Phase) wichtige Informationen sind. Amplituden-Phasenmessung mit Triggerung Da uns hauptsächlich die Bewegungen im Zusammenhang mit der Rotation der Maschine interessieren, können wir die Drehfrequenz der Maschine als zeitliche Referenz für den Vergleich heranziehen. Dazu müssen alle Messungen mit dem Drehzahlsensor-Signal (eine Impuls pro Umdrehung) getriggert werden (also mit der Drehzahl synchronisiert werden) und dann das erfasste Schwingungssignal verarbeiten: Die Amplitude und Phasenlage der Drehfrequenz bzw. eines Vielfachen davon müssen bestimmt werden. In unseren Messungen stehen uns also an jedem strukturellen Knotenpunkt drei (für jede räumliche Richtung) Schwingungsamplitudenwerte und Phasendaten zur Verfügung. Diese Daten beschreiben gemeinsam, welche räumliche Bewegung der untersuchte Messpunkt (für eine bestimmte Frequenz) ausführt. Wenn uns auch Bewegungen mit einer anderen Frequenz (Vielfache der Drehfrequenz) interessieren, müssen die Messungen an jedem Punkt für die betreffende Frequenz wiederholt werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass keine komplizierte Ausrüstung für die Messungen erforderlich ist und sie relativ schnell durchgeführt werden können. Der Nachteil ist jedoch, dass wir nur Daten für eine (drehfrequenzabhängige) oder je nach Gerät zwei bis drei herausragende (Vielfache der Drehfrequenz) Frequenzen erhalten und es unbedingt erforderlich ist, dass ein für die Triggerung geeignetes Signal am rotierenden Teil vorhanden ist. Referenzsignal- (zwei-Sensor-)Methode Bei diesem Verfahren arbeiten wir mit zwei Schwingungssensoren, von denen einer als Referenz betrachtet wird und während der Messung nicht von seiner Position bewegt wird. Den anderen Sensor platzieren wir nacheinander in die bestimmten Richtungen der einzelnen Messpunkte.

Während der Messung erfassen wir das Phasen- und Amplitudenspektrum der Vibrationen. Die zeitliche Referenzierung der Signale erfolgt nicht basierend auf dem Trigger-Signal der Rotationsachse, sondern im Vergleich zu den vom Referenzsensor gemessenen Vibrationen. Die Vorteile der Referenzsensor-Methode im Vergleich zur Triggerimpuls-Messung können wie folgt zusammengefasst werden:

• Es ist nicht erforderlich, dass das Signal auf dem rotierenden Teil triggerfähig ist (oft muss die Maschine angehalten werden, um das Trigger-Signal zu erzeugen), und es ist überhaupt kein "sichtbarer" rotierender Teil erforderlich.
• Wir erhalten nicht nur animierbare Daten bei vordefinierter Frequenz, sondern auch bei allen Frequenzen in den Spektren, bei denen eine ausreichende Kohärenz mit den vom Referenzsensor gemessenen Werten besteht.

Als Nachteil der Methode ist der erhöhte Bedarf an Ausrüstung zu nennen.

Es ist üblich, dass wir unsere Messungen während des Betriebs der zu untersuchenden Maschine durchführen, da wir in den meisten Fällen an den Ursachen signifikanter Maschinen- und Strukturschwingungen interessiert sind. Daher müssen die physischen Grenzen des Verfahrens unbedingt berücksichtigt werden, unabhängig von der angewandten Messmethode. Einer der wichtigsten Aspekte ist wahrscheinlich die Anzahl der gleichzeitig messbaren Kanäle (Messpunkte) aufgrund der Zeit. In den meisten Fällen werden Messungen mit einem oder zwei Sensoren (gleichzeitig auf einem oder zwei Kanälen) durchgeführt, daher erhalten wir nur vergleichbare Daten, wenn während der Messung konstante Schwingungen vorhanden sind. Dies ist eine ernsthafte Einschränkung, da bei mehreren hundert Messpunkten die benötigte Zeit möglicherweise Stunden beträgt, sodass eine langfristige Stabilität (gleicher Betriebszustand) unbedingt erforderlich ist. Wenn dies nicht gewährleistet werden kann, können variable Amplituden- und Phasenverhältnisse leicht zu falschen Ergebnissen führen. (Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet ist die Referenzsensor-Methode weniger empfindlich, da die Änderungen der Phasenverhältnisse in der Regel gleichmäßig auf das gesamte System übertragen werden, einschließlich des vom Referenzsensor erfassten Signals. Durch die relative Messmethode fällt die Änderung in beiden Signalen weg und beeinträchtigt daher nicht die Auswertbarkeit.) Wenn es möglich oder erforderlich ist, können die Betriebsvibrationen der zu untersuchenden Maschinenstruktur auch durch eine anregende Maschine ersetzt werden, die mit einer von uns festgelegten - normalerweise in bestimmten Grenzen veränderbaren - Kraft und Frequenz kontinuierlich Vibrationen erzeugt. In diesem Fall müssen wir uns natürlich keine Sorgen machen, dass die Amplitude und Phase der Vibrationen nicht konstant sind.

Modellierung, Auswertung

Nach der Datenerfassung kann die Auswertung erfolgen. Durch sorgfältige Analyse der Ergebnisse (Vergleiche, Kohärenzprüfungen usw.) können mögliche Fehler in der untersuchten Struktur festgestellt werden, jedoch ist das Risiko eines Irrtums - insbesondere bei großen Datensätzen - ziemlich hoch, da der Fehler möglicherweise nicht offensichtlich ist. Zur Beschleunigung der Analyse und Minimierung von Fehlern wird die computerbasierte Bewegungsanimation eingesetzt, die auf grafischer Darstellung basiert. Während der Animation wird die Bewegung der Maschinenstruktur bei einer bestimmten Frequenz grob - aber phasenrichtig - und stark verlangsamt dargestellt. Mit einem gut konstruierten 3D-Modell (dreidimensional oder räumlich) - und natürlich fehlerfreien Messungen - können zahlreiche Maschinen- und Strukturfehler identifiziert werden. Am leichtesten lassen sich die Spielräume zwischen den einzelnen Maschinenelementen erkennen. Das Fehlen der gemeinsamen Bewegung kann zu schweren Vibrationen und anderen Konsequenzen führen, wenn die Maschinenelemente eigentlich starr miteinander verbunden sein sollten. Die am häufigsten überprüften Verbindungen sind die Befestigungspunkte des Lagers-Lagergehäuses-Grundplatte-Grundsystem sowie die gesamten zusammenhängenden Trag- und Gebäudestrukturen. In der Animationsgrafik ist das Spielraumproblem sehr leicht erkennbar, da es erhebliche Unterschiede in Amplitude und Phase in der Bewegung der benachbarten Maschinenelemente gibt. Im unten stehenden Bild sind die Phasenbewegungen eines Maschinenelements zu sehen, das nicht ordnungsgemäß an der Grundplatte befestigt ist.

Abbildungen: Bewegung eines ungesicherten starren Würfels auf einer planen Oberfläche [Quelle: PIM]

In der untersuchten Struktur treten Risse und Brüche ähnlich wie Spielräume auf, aber ihr Nachweis ist viel aufwändiger. Während bei der Suche nach Spielräumen klar ist, wo der Fehler gesucht werden muss (Verbindung der Maschinenelemente), sind für den Nachweis von - weniger offensichtlichen - Rissen und Brüchen Messungen innerhalb eines bestimmten Maschinenelements erforderlich. Hier hängt der Erfolg der Untersuchung stark von der Modellierung ab, da aus zu seltenen oder in unzureichenden Ebenen durchgeführten Messungen falsche Schlussfolgerungen gezogen werden können. Daher ist es unbedingt zu beachten, dass bei der Analyse und Animation der Messungen auch der geringste Verdacht auf einen Fehler besteht, es ratsam ist, weitere - detailliertere - Untersuchungen in der Umgebung der betreffenden Punkte durchzuführen (sofern dies möglich ist).

Abbildungen: Biegen und Verdrehen einer eingespannten Platte bei Resonanzfrequenz [Quelle: Energopenta]

Mit der Animationsmethode kann auch das Resonanzverhalten einzelner Strukturelemente gut nachgewiesen werden. Eine einzige - aber sehr ernste - Voraussetzung für die Untersuchung ist, dass die Struktur mit einer Kraft angeregt werden muss, die der Eigenfrequenz entspricht (falls dies aufgrund eines Konstruktions- oder Montagefehlers nicht von selbst während des Betriebs der Maschine auftritt).

Bei den einfachen Modellen auf der vorherigen Seite können wir wesentlich komplexere Modelle erstellen - die Detailgenauigkeit (und Komplexität) des Modells hängt natürlich hauptsächlich von der Aufgabe ab. Die Anzahl der Modellpunkte begrenzt jedoch die zunehmende Messarbeit und die grafische Übersichtlichkeit der Ergebnisse.

Abbildung: Maschinengruppe mit Achskupplungsfehler [Quelle: PIM]

Abbildung: Kompressor mit Strukturschaden [Quelle: VMI]

Im unteren Bild ist ein Modell zu sehen, das die Pulsation eines unter Druck stehenden Tanks darstellt. Das Sammeln von Daten an vielen Messpunkten ist eine große Aufgabe, aber das Ergebnis ist beeindruckend... (Die letzten beiden Abbildungen wurden mit dem Produkt VMI AB und der Hardware-unabhängigen Bewegungsanimations-PC-Software VibShape erstellt.)

Abbildung: Pulsation (Verformung) eines Tanks unter Druck [Quelle: VMI]

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bewegungsanimation ein großartiges Hilfsmittel in den Händen des Diagnostikers ist. Sie macht die Amplituden-Phasendaten für weniger erfahrene oder in anderen Fachgebieten tätige Personen sichtbar, leicht und schnell analysierbar und verständlich. Locker gewordene Maschinenelemente (lose Schraubverbindungen, gebrochene Schweißnähte), Montage- und Konstruktionsfehler (Kupplungsfehler, Resonanz) sowie Trag- und Baustrukturprobleme werden leicht erkennbar. (Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl die Auswertung einfach ist, die Modellerstellung und Messung Fachwissen und Erfahrung erfordern.) Die Methode ist jedoch nicht allmächtig, daher sollten wir nicht versuchen, schnell ablaufende, schwer reproduzierbare oder zeitlich variierende (instationäre) Prozesse damit zu untersuchen.

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

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