Korrekte Messung (Erkennung) von Maschinenvibrationen

Immer mehr Unternehmen erkennen, dass durch die Zustandsüberwachung und -verfolgung von Rotationsmaschinen effiziente Wartungsarbeiten durchgeführt, Wartungskosten gesenkt und ungeplante Maschinenstillstände seltener (oder sogar vollständig vermieden) werden können. Geeignete Messgeräte können von vielen Unternehmen bezogen werden. Abgesehen von den Unterschieden in den Fähigkeiten und im Preis haben alle tragbaren Messgeräte jedoch eine Gemeinsamkeit: Die Vibrationen der Maschine müssen mit dem entsprechenden Schwingungssensor "erkannt" werden. Auch wenn dies einfach erscheinen mag, begehen unerfahrene Bediener oft Fehler in Bezug darauf, die nicht nur die Messergebnisse ungenau machen, sondern sie sogar in Frage stellen können.

Wo sollte gemessen werden?

Die mechanischen Vibrationen sind an ihrem stärksten Punkt, wo sie entstehen. Die Energieübertragung der Vibration erfolgt in jedem Material mehr oder weniger gedämpft (zum Beispiel dämpft Stahl nur schwach, während Gummi Vibrationen stark absorbiert). Je höher die Frequenz der Vibration ist, desto stärker ist die Dämpfung. Deshalb können niederfrequente Vibrationen auch in größerer Entfernung von der Quelle wahrgenommen werden, während die Erfassungsdistanz für hochfrequente (mehrere kHz) Vibrationen (z. B. Lager-Vibrationen) sehr begrenzt ist. Neben der Dämpfung muss auch berücksichtigt werden, dass zusätzlicher Verlust von Vibrationsenergie auftritt, wenn die Vibration von einem Körper auf einen anderen übertragen wird (in unserem Fall zwischen Maschinenteilen). Je enger die Verbindung zwischen zwei Elementen ist, desto vollständiger ist die Übertragung der Vibrationsenergie. Elemente, die nicht miteinander verbunden sind, folgen nicht den Vibrationen des anderen. Erschwerend kommt hinzu, dass kleinere Elemente, die hochfrequente Vibrationen erzeugen (z. B. Lagerkomponenten), genügend Bewegungsenergie übertragen können, um größere Körper zur Vibration anzuregen. Daher sollte als Grundregel gelten, dass so nah wie möglich an der Vibrationsquelle gemessen wird! Bei Rotationsmaschinen sollte an den Lagergehäusen gemessen werden, da hier die Vibrationen aus den Fehlern der rotierenden Komponenten und die aus dem Lagerfehler resultierenden (hochfrequenten) Vibrationen gemessen werden können. Niemals an lockerer Verkleidung oder an separat stehenden - nicht eng verbundenen - Maschinenelementen messen, wenn man an den Vibrationen der rotierenden Maschinenteile interessiert ist! (Messungen an letzteren sollten nur durchgeführt werden, wenn der Verdacht besteht, dass sie auf Anregungen einer Maschine resonieren können.)

Was sollte verwendet werden?

Es ist wichtig, für welche Frequenzbereiche von Vibrationen man sich interessiert. Für die Zustandsüberwachung von Maschinen wird häufig der im ISO 10816-Standard empfohlene Frequenzbereich angewendet, der besagt, dass Vibrationen zwischen 10 Hz und 1 kHz gemessen werden (skaliert auf den Effektivwert der Geschwindigkeit). Bei Maschinen mit 3000 U/min oder schneller sollte der Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 2-3 kHz eingestellt werden, während bei langsamen Maschinen (einige 100 U/min) die Vibrationen bereits ab 2 Hz gemessen werden sollten. Basierend auf der Drehzahl der Maschine variieren daher die Messaufgaben und die zu berücksichtigenden Bedingungen während der Messung. Typische Industriemaschinen (1500 oder 3000 U/min) können mit den meisten Standard-Sensoren, die mit den meisten Messgeräten geliefert werden - meistens piezoelektrische Beschleunigungssensoren mit integriertem Ladungsverstärker (ICP) - mit guter Genauigkeit gemessen werden, vorausgesetzt, der Sensor wurde ordnungsgemäß am Messobjekt befestigt (siehe später). Elektrodynamische Schwingungsgeschwindigkeitssensoren sind ebenfalls für langsamere Maschinen oft besser geeignet als piezoelektrische Sensoren: Bedenken Sie, dass bei piezoelektrischen Sensoren die Ladung entsteht durch die Änderung der Kraft, die auf das Piezokristall ausgeübt wird, und die als Signal betrachtet werden kann, das proportional zur Vibrationsbeschleunigung ist. Bei langsamen Bewegungen - obwohl der Hub oder die Geschwindigkeit groß sein können - gibt es kaum Beschleunigung, sodass die auf den Piezokristall wirkenden Kräfte unverändert bleiben und es daher keine Ladung und kein Signal gibt. Die kleinste messbare Vibrationsfrequenz mit piezoelektrischen Sensoren (kleiner Größe), die für die Messung von Maschinen-Vibrationen verwendet werden, liegt bei etwa 1-2 Hz (bei 0,3 Hz tritt normalerweise bereits eine Dämpfung von 3 dB auf).

Bei schnell drehenden Maschinen sind jedoch piezoelektrische Sensoren fast ausschließlich für die Messung von hochfrequenten Vibrationen geeignet. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ihr Messfrequenzbereich bis zu 15-40 kHz reicht. Bei der Messbarkeit von hochfrequenten Vibrationen muss jedoch auch die physikalische Tatsache berücksichtigt werden, dass diese Vibrationen nur von möglichst leichtgewichtigen - mit möglichst hoher Eigenfrequenz - Elementen gut verfolgt werden können. Dies gilt natürlich auch für den erforderlichen Sensor: Wenn er nicht verschraubt ist, sollte für die Messung von hochfrequenten Vibrationen ein möglichst leichter Sensor verwendet werden. Bei der Befestigung mit Magnetfuß sollte dieser ebenfalls möglichst leicht sein. (Leider nimmt damit die Haltekraft des Magneten ab, was ausgesprochen nachteilig ist.) Das größte Problem ist jedoch die Übertragung der Vibrationen von der zu messenden Oberfläche auf den Sensor: Die Art der mechanischen Kopplung des Sensors beeinflusst entscheidend die Messung im Hochfrequenzbereich.

Wie soll der Sensor am zu messenden Objekt "befestigt" werden?

Dies ist eines der sensibelsten Themen. Die Erkennungsrichtung der Sensoren fällt fast immer mit ihrer Achse zusammen. Für eine korrekte Messung muss sichergestellt werden, dass der Sensor die Bewegung des Messpunkts (also der Oberfläche des Maschinenelements) in der gewünschten Richtung so gut wie möglich verfolgt. Je nach Qualität der Bewegungsverfolgung können unterschiedliche Messergebnisse erwartet werden. Was ist der Grund dafür? Natürlich unterliegt der Sensor auch dem Fakt, dass bei der Schwingungsübertragung Verluste auftreten - je höher die Frequenz der Vibration ist, desto schwerer kann der Sensor ihr folgen (aufgrund seiner eigenen Trägheit). Die Erkennbarkeit von hochfrequenten Vibrationen hängt also davon ab, welche Verbindung zwischen Sensor und Messfläche hergestellt wird. Die Zusammenhänge zeigt die Abbildung auf der rechten Seite.

Die Frequenzgangabhängigkeit der Befestigung

Für viele Geräte werden Taststifte geliefert, mit denen schwer zugängliche Messpunkte oder solche, die aus anderen Gründen nicht für eine magnetische Befestigung geeignet sind, gemessen werden können. Mit dieser Methode können jedoch hochfrequente Vibrationen ungenau oder überhaupt nicht gemessen werden. Der Sensor verfolgt nur die Vibrationen, die er durch den manuellen Druck des Taststifts empfängt. Die Frequenz dieser Vibrationen darf niemals über 2-3 kHz liegen. Es ist ein Fehler zu glauben, dass man mit einem manuellen Taststift oder sogar einem mechanisch integrierten Sensor im Gerät Vibrationen mit 5 kHz oder höher messen kann. Diese Vibrationen werden vom Sensor nicht erfasst, aber die Eigenfrequenz des Sensors, des mitschwingenden Taststifts und der Gerätekomponenten wird unsere Messung beeinflussen. Um die Genauigkeit der Messung mit dem Taststift zu überprüfen, erhöhen wir vorübergehend den Druck auf den Taststift. Wenn sich der ablesbare Wert ändert, müssen wir den Kontakt zum Messpunkt überprüfen (z.B. Vorhandensein von Farbe, lockerem Element usw.). Wenn dies nicht hilft, verwenden Sie unbedingt einen Haltemagneten oder montieren Sie den Sensor mit einer Gewindestange direkt an der Maschine.

In der Praxis hat sich die Verwendung von magnetischen Befestigungsfüßen (Haltemagneten) als allgemeine Lösung bewährt, da sie auch bei wiederholten Messungen gleichbleibende Messbedingungen bieten, schnell zu handhaben sind und die Person, die die Messung durchführt, den Sensor während der Datenaufnahme nicht am Messpunkt halten muss. Die von Sensor- und Geräteherstellern gelieferten Magnete - vorausgesetzt, sie werden ordnungsgemäß behandelt - können jahrelang die erforderliche Haltekraft aufweisen, um in industriellen (also nicht sterilen Labor-) Umgebungen eine starke Verbindung zwischen Sensor und Messfläche herzustellen. Vergessen Sie jedoch nicht, dass für die Übertragung hoher Frequenzen alle Verschmutzungen und dicken Farbschichten entfernt werden müssen! Diese wirken unabhängig von der Stärke des verwendeten Magneten als mechanische Filter.

Es ist jedoch nicht überraschend, dass selbst bei Verwendung eines Haltemagneten nur in einem sehr begrenzten Frequenzbereich gemessen werden kann, da nur die Kraft des Haltemagneten die Vibrationen überträgt. Es ist nachteilig, dass für eine größere Haftung ein immer größerer Magnet verwendet werden müsste, aber der Magnet und der Sensor verhalten sich wie ein Körper, der bei zunehmendem Gewicht (bei immer niedrigerer Eigenfrequenz) immer weniger bereit ist, hochfrequente Vibrationen zu verfolgen. Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass bei Verwendung eines proportional dimensionierten Magneten und einer geeigneten Messfläche (eben, sauber, unbeschichtet) bis zu 8-10 kHz gemessen werden können.

Erweiterung des Frequenzbereichs

Wenn Sie Vibrationen über diese Frequenzgrenze hinaus messen möchten, müssen Sie völlig andere Befestigungstechnologien anwenden. Wenn Sie eine Unterlegscheibe auf die Messfläche kleben und den Sensor daran verschrauben, können Sie mit geeignetem Klebstoff bis zu 20 kHz messen. Die messbare Frequenzspanne kann auf etwa 30 kHz erweitert werden, wenn Sie sich für die direkte Verklebung des Sensors entscheiden. (Natürlich setzen wir für diese Frequenzen einen Sensor mit entsprechendem Frequenzbereich voraus.) Wenn Sie jedoch bis zu 40 kHz messen möchten, ist nur eine Lösung möglich: den Sensor direkt auf die Messfläche (eben, sauber, unbeschichtet) zu montieren. Die Übertragung der Vibrationen muss durch das Einsetzen von Wachs zwischen Sensor und Messfläche unterstützt werden.

Zu beachten ist, dass wir in einigen Fällen auch mit weiteren Problemen konfrontiert werden können. Einerseits kann das Gewicht des Sensors (und des Taststifts bzw. -magneten) den gemessenen Wert beeinflussen, da es die Vibration des zu messenden Objekts beeinflusst. Als Faustregel gilt, dass wir Messergebnisse nur mit Vorbehalt akzeptieren, die an Maschinenelementen gemessen wurden, die weniger als das Zehnfache des Gesamtgewichts des Sensors (also des Gewichts mit Magnet oder Taststift) wiegen. Andererseits - wie im 1. Bild zu sehen ist - tritt bei jeder Montagetechnologie die sogenannte Kopplungsresonanz an der oberen Grenzfrequenz auf. Dies kann dazu führen, dass bei Messungen mit Taststift ungefähr bei 3 kHz und bei magnetischer Befestigung ungefähr bei 10 kHz Resonanzverstärkungen auftreten. Die Folge davon sind völlig unrealistische Messergebnisse.

Wenn bei der Schwingungsmessung auf "seltsame" Werte stoßen, könnte der Grund dafür sein, dass die Kopplung des Sensors nicht entsprechend ausgewählt wurde. Es ist ratsam, die Kopplung sorgfältig durchzuführen, da dies viel stärker von unserer Messung abhängen kann als von den Fähigkeiten des Sensors oder des Instruments. So kann es beispielsweise vorkommen, dass ein Instrument bis zu 20 oder sogar 40 kHz misst, aber die Erfassung der Vibrationen erfolgt mit einem Magneten oder - im schlimmsten Fall - mit einem Taststift.

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

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