Produktionstrend 2008/09, Technische Diagnoseabteilung

"Anstatt Feuerlöschen und Großreparaturen"

Zustandsabhängige Instandhaltung mit Schwingungsdiagnose (IV.)

Die Zustandsüberwachung und -analyse von Rotationsmaschinen kann mithilfe von Schwingungsmess- und -analysegeräten im Rahmen der modernen zustandsabhängigen Instandhaltung durchgeführt werden. In unserer Serie betrachten wir die physikalischen Grundlagen der Messungen, die Auswahlkriterien für den Messort und das Messgerät sowie die korrekte Anwendung von Schwingungssensoren, was den sensibelsten Punkt in diesem Bereich darstellt. Jeder feste Körper verfügt über die Fähigkeit, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen in verschiedenen Richtungen auszuführen. Die größten Ausschläge können bei der materialspezifischen Eigenfrequenz beobachtet werden, da der Körper in dieser Frequenz in der gegebenen Richtung "resoniert" (daher der Begriff der Resonanzfrequenz). Natürlich beginnt kein Körper von selbst Schwingungen auszuführen. Dazu ist eine Anregung - also die Einwirkung externer Kräfte - erforderlich. Je größer diese Kraft ist und je näher ihre Frequenz bei alternierenden Kräften der Eigenfrequenz des Körpers liegt, desto stärkere Schwingungen führt der feste Körper in Richtung der durch die Kraft verursachten Wirkung aus.

Physikalische Grundlagen

Bei Rotationsmaschinen entstehen die Schwingungen naturgemäß durch die während des Betriebs des Geräts auftretenden alternierenden Kräfte. Diese können niemals vollständig eliminiert werden, da sie unter anderem aus dem regelmäßigen alternierenden Betrieb der Maschine (z. B. Kolbenmaschinen), aus verbleibenden Unwuchten der rotierenden Bauteile oder aus periodischen Kräften resultieren, die von der Antriebseinheit ausgehen (z. B. Zahnrad, Eigenschaften von Elektromotoren, Netzharmonischen). Die Kräfte sind also im Betrieb immer präsent. Ihre Wirkung auf die einzelnen Maschinenelemente ist so zu verstehen, dass jedes Maschinenelement Teil eines Feder-Masse-Schwingsystems ist. Unsere Rotationsmaschine besteht also aus vielen solcher individueller Schwingungssysteme, die fast alle miteinander in Beziehung stehen und sich gegenseitig anregen. Aufgrund der erwähnten Resonanzeigenschaften der festen Körper strebt jedes Maschinenelement danach, die Wirkung der auf es einwirkenden alternierenden Kraft in seiner eigenen Frequenz zu verfolgen. Dies gilt gleichermaßen für alle beweglichen und tragenden Elemente der Maschine. Die Frequenzen der messbaren Schwingungen auf der Maschine und die zugehörigen Amplituden hängen von der Steifigkeit und Masse der mechanischen Elemente ab. Je kleiner das Maschinenelement ist, desto höher ist die Frequenz, aber die Amplitude der Schwingung ist geringer.

Auswahl des Messorts

Natürlich ist die mechanische Vibration am stärksten an ihrem Entstehungsort. Die Übertragung der Vibrationsenergie erfolgt in jedem Material mehr oder weniger stark gedämpft. Je höher die Frequenz der Vibration ist, desto stärker ist die Dämpfung. Daher können Vibrationen mit niedriger Frequenz auch in größerer Entfernung von der Quelle wahrgenommen werden, aber die Erfassungsreichweite von Vibrationen mit hoher Frequenz (z. B. Lager-Vibrationen) ist sehr begrenzt. Eine zusätzliche Erläuterung zur Messbarkeit von Vibrationen mit hoher Frequenz: Nur leichte Elemente mit hoher Eigenfrequenz sind in der Lage, Vibrationen mit hoher Frequenz gut zu verfolgen, schwere Körper jedoch nicht. Darüber hinaus ist die Energiemenge der hochfrequenten Vibrationen, die von leichten Elementen übertragen werden können, einfach zu gering, um größere Körper zur Ausführung von Vibrationen angemessen anzuregen. Neben der erwähnten Dämpfung ist auch zu beachten, dass zusätzliche Vibrationsenergie verloren geht, wenn die Vibration von einem Körper auf einen anderen übertragen wird (in unserem Fall zwischen Maschinenelementen). Je enger die Verbindung zwischen zwei Elementen ist, desto stärker wird die Energie der Vibration übertragen. Elemente, die nicht miteinander verbunden sind, folgen nicht den Vibrationen des anderen. Erschwerend kommt hinzu, dass leichte Elemente, die Vibrationen mit hoher Frequenz ausführen (z. B. Lagerkomponenten), einfach nicht genügend Bewegungsenergie übertragen können, um größere Körper zur Ausführung von Vibrationen anzuregen. Daraus ergibt sich, dass die Messung so nah wie möglich am Vibrationsursprung erfolgen sollte. Bei Rotationsmaschinen wird empfohlen, dies an den Lagergehäusen durchzuführen, da sich hier die von den rotierenden Bauteilen erzeugten Vibrationen ausbreiten und die aus dem Lagerfehler resultierenden (hochfrequenten) Vibrationen nur hier messbar sind. Messungen sollten nicht an lockerer Verkleidung oder separaten - nicht eng verbundenen - Maschinenelementen durchgeführt werden, wenn man an den Vibrationen der rotierenden Maschinenelemente interessiert ist! Es lohnt sich nur, Messungen an den genannten Elementen durchzuführen, wenn der Verdacht besteht, dass diese anfällig für Resonanzanregungen durch eines der Maschinenelemente sind.

Auswahl des Messgeräts

Es ist wichtig, in welchem Frequenzbereich wir an Vibrationsmessungen interessiert sind. Für die Zustandsüberwachung von Maschinen wird häufig der in der ISO 10816 empfohlene Frequenzbereich angewendet, der besagt, dass Vibrationen zwischen 10 Hz und 1 kHz gemessen werden sollten (skaliert in Effektivwerten der Geschwindigkeit). Bei Maschinen mit einer Drehzahl von 3000 U/min oder schneller sollte der Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 2–3 kHz eingestellt werden, während bei langsamen Maschinen (einige hundert U/min) Vibrationen bereits ab 2 Hz gemessen werden sollten. Abhängig von der Drehzahl der Maschine sind also unsere Messaufgaben unterschiedlich, und auch die Bedingungen, die bei der Messung berücksichtigt werden müssen, variieren. Typische industrielle Maschinen (1500 bzw. 3000 U/min) können mit den meisten "Standard"-Sensoren, meist in ICP-Ausführung (mit eingebautem Ladungsverstärker) ausgestatteten piezoelektrischen Vibrationsbeschleunigungssensoren, genau gemessen werden, vorausgesetzt, der Sensor wurde ordnungsgemäß am Messobjekt befestigt. Elektrodynamische Vibrationsgeschwindigkeitssensoren sind ebenfalls gut geeignet und können bei langsamer drehenden Maschinen oft sogar besser als piezoelektrische Sensoren sein: Bedenken Sie, dass in piezoelektrischen Sensoren die Ladung entsteht, die durch die Änderung der auf den Piezokristall ausgeübten Kraft durch die eingebaute seismische Masse verstärkt wird und als Signal proportional zur Vibrationsbeschleunigung betrachtet werden kann. Bei langsamen Bewegungen – obwohl der Hub oder die Geschwindigkeit groß sein können – gibt es kaum Beschleunigung, sodass die auf den Piezokristall wirkenden Kräfte konstant bleiben und daher keine Ladung und kein Signal erzeugt wird. Die kleinste messbare Resonanzfrequenz, die mit (kleinen) piezoelektrischen Sensoren für die Maschinen-Vibration gemessen werden kann, liegt bei etwa 1-2 Hz (bei 0,3 Hz tritt normalerweise bereits eine Dämpfung von 3 dB auf). Bei schneller drehenden Maschinen sind jedoch fast ausschließlich piezoelektrische Sensoren für die Messung von höherfrequenten Vibrationen geeignet. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ihr Messfrequenzbereich bis zu 15–30 kHz reicht. Bei der Messbarkeit von hochfrequenten Vibrationen muss jedoch auch die physikalische Tatsache berücksichtigt werden, dass diese nur von möglichst leichten – mit möglichst hoher Eigenfrequenz ausgestatteten – Elementen gut verfolgt werden können. Dies gilt natürlich auch für den erforderlichen Sensor. Wenn die Befestigung nicht verschraubt erfolgt, sollte für die Messung von hochfrequenten Vibrationen ein möglichst leichter Sensor verwendet werden. Bei Verwendung eines Haltemagneten 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 hochfrequenten Bereich.

Richtige Anwendung von Vibrationsensoren

Dies ist wirklich das sensibelste Thema. Die Erkennungsrichtung der Sensoren fällt fast immer mit ihrer Mittelachse zusammen. Für eine korrekte Messung muss sichergestellt werden, dass der Sensor die Bewegung des Messpunkts (also der Oberfläche des Maschinenelements) in dieser Richtung so gut wie möglich verfolgt. Je nach Qualität der Verfolgung der Vibrationen müssen wir mit unterschiedlichen Messergebnissen rechnen. Was ist der Grund dafür? Natürlich gilt auch für den Sensor die Tatsache, dass bei der Übertragung von Vibrationen Verluste auftreten – je höher die Frequenz der Vibration ist, desto schwieriger ist es für den Sensor, ihr zu folgen. Die Erkennbarkeit von hochfrequenten Vibrationen hängt also hauptsächlich davon ab, welche Verbindung zwischen Sensor und Messfläche hergestellt wird. Die Zusammenhänge zeigt das folgende Diagramm.

Abhängigkeit der Frequenzgangaufzeichnung von der Befestigung

Es werden auch Sensortastspitzen für viele Messgeräte geliefert, mit denen schwer zugängliche Messpunkte – die nicht für 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 der Tastspitze empfängt. Dies kann niemals mehr als 2-3 kHz betragen. Es ist völlig falsch, wenn wir versuchen, Vibrationen mit einer Frequenz von 5 kHz oder höher mit einer manuellen Tastspitze oder einem mechanisch integrierten Sensor am Messgerät zu messen. Diese Vibrationen werden vom Sensor nicht erfasst, aber die Eigenfrequenz des Sensors, des mit ihm schwingenden Tasters und der Komponenten des Messgeräts wird unsere Messung beeinflussen.

Zur Überprüfung der Genauigkeit der Messung mit dem Taster erhöhen wir vorübergehend den Tastdruck. Wenn sich der ablesbare Wert ändert, müssen wir den Kontakt überprüfen, der am Messpunkt hergestellt wurde (Farbe, lockerer Bestandteil usw.). Wenn dies nicht hilft, sollten wir unbedingt einen Haltemagneten verwenden oder den Sensor mit einer Gewindeschraube direkt an der Maschine befestigen. In der Praxis hat sich die Verwendung von magnetischen Befestigungsfüßen (Haltemagneten) bewährt, da sie auch bei wiederholten Messungen gleiche Messbedingungen gewährleisten, schnell damit gearbeitet werden kann und der Messdurchführende nicht gezwungen ist, den Sensor während der Datenaufnahme am Messpunkt festzuhalten. Die von Sensor- und Messgeräteherstellern gelieferten Magnete verfügen bei ordnungsgemäßer Handhabung möglicherweise über ausreichende Haltekraft, um unter industriellen (also nicht sterilen Labor-) Bedingungen eine starke Verbindung zwischen Sensor und Messfläche herzustellen. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass zur Übertragung hoher Frequenzen jegliche Verschmutzungen und dicke Farbschichten entfernt werden müssen, um als mechanischer Filter zu wirken, unabhängig von der Stärke des verwendeten Magneten.

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

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