Grundgedanken zur zustandsabhängigen Maschinenwartung

Für industrielle Hersteller wird es angesichts der zunehmenden Auslastung der Produktionskapazitäten immer wichtiger, ein Wartungssystem einzusetzen, das in der Lage ist, unerwartete Ausfälle zu verhindern, die zu Produktionsausfällen führen. Mit der geplanten vorbeugenden Instandhaltung (allgemein bekannt als TPM) und dem Einsatz moderner Schmierstoffe können bedeutende Erfolge erzielt werden, aber das Risiko bleibt dennoch zu hoch. Der weitere Nachteil von TPM - die zusätzlichen Kosten (Verluste) durch den unnötigen Austausch noch intakter oder sogar voll funktionsfähiger Teile - rechtfertigt die Notwendigkeit anderer Methoden.

Heutzutage ermöglicht die theoretische und praktische Weiterentwicklung der Schwingungsdiagnose (Schwingungsprüfung, Maschinendiagnose, Schwingungsanalyse) effizientere Wartungsmethoden als zuvor. Unter dem Namen zustandsabhängige oder zuverlässigkeitsbasierte Instandhaltung wenden viele in- und ausländische Unternehmen erfolgreich eine auf regelmäßigen Schwingungsdiagnosebewertungen basierende Wartung an. Der Grundgedanke solcher Methoden besteht darin, dass der Betreiber/Wartungstechniker basierend auf der Messung der Schwingungseigenschaften der Maschinen rechtzeitig Informationen über den technischen Zustand der Maschinenteile sowie über mögliche zu erwartende Probleme und Ausfälle erhält, die geeignet sind, unerwartete Störungen zu verhindern. Der Vorteil der Vermeidung von Maschinen- oder Maschinenteilausfällen wird deutlich, wenn man bedenkt, welche täglichen oder wöchentlichen Verluste ein unerwarteter Ausfall verursachen kann. In der zunehmend wettbewerbsintensiven Industrie ist es immer wichtiger, den guten Zustand der vorhandenen Ausrüstung zu erhalten. Nicht zu vergessen ist, dass die Produktion immer speziellere Maschinen einsetzt und es immer schwieriger wird, innerhalb kurzer Zeit spezielle Ersatzteile zu beschaffen. Die Lagerung von Ersatzteilen erfordert Platz und Kapital. Es erscheint sinnvoll, kleinere Fehler rechtzeitig zu beheben, um größere und kostspieligere Maschinenschäden zu vermeiden.

Das physikalische Prinzip der Schwingungsdiagnoseuntersuchungen

Jeder feste Körper ist in der Lage, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen in mehreren Richtungen auszuführen. Die größten Auslenkungen treten bei der materialspezifischen Eigenfrequenz auf, da der Körper in dieser Frequenz in der jeweiligen Richtung "resoniert" (daher der Begriff Resonanzfrequenz). Natürlich beginnt kein Körper von selbst Schwingungen auszuführen, sondern dazu ist eine Anregung - also eine externe Kraftwirkung - erforderlich. Je größer diese Kraft ist und - im Falle alternierender Kräfte - je mehr sich ihr Änderungstempo mit der Eigenfrequenz des Körpers deckt, desto größere Schwingungen führt der feste Körper in der durch die Kraftwirkung bestimmten Richtung aus. Bei Rotationsmaschinen sind die Quellen von Schwingungen unvermeidliche alternierende Kräfte, die während des Betriebs der Maschine auftreten. Diese können nie vollständig eliminiert werden, da sie unter anderem aus dem betriebsüblichen alternierenden Betrieb der Maschine (z. B. Kolbenmaschinen), aus der verbleibenden Unausgewogenheit der rotierenden Teile und aus periodischen Kräften resultieren, die von der Antriebseinheit stammen (z. B. Netzharmonische). Die Auswirkung der während des Betriebs vorhandenen Kräfte auf die einzelnen Maschinenelemente muss so betrachtet werden, dass jedes Maschinenelement Teil eines Feder-Masse-Schwingungssystems ist. Die Rotationsmaschine besteht aus zahlreichen solcher Schwingungssysteme, die nahezu ausnahmslos miteinander in Beziehung stehen und sich gegenseitig anregen. Aufgrund der Resonanzeigenschaften fester Körper versucht jedes Maschinenelement, die Wirkung der auf es einwirkenden alternierenden Kraft in seiner eigenen Frequenz zu verfolgen. Dies gilt nicht nur für die beweglichen Komponenten der Maschine, sondern auch für alle Trägerelemente. Die Frequenz der messbaren Schwingungen an der Maschine und die zugehörige Amplitude 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. Die Stärke der Vibration ändert sich im Laufe der Lebensdauer der Maschine bzw. des Maschinenelements(e) aufgrund von Änderungen in Spalten, Oberflächen und Elastizitätsfaktoren - dem Verschleiß oder der Alterung der Maschine. Die Änderungstendenz wird durch die Lebensdauer-Kurve unten dargestellt. Im Diagramm ist zu sehen, dass während der Einlaufzeit des Maschinenelements der Schwingungswert höher ist. Für das eingelaufene Maschinenelement ist über einen längeren Zeitraum eine annähernd konstante Vibrationsstärke charakteristisch, während in der Endphase des Verschleißes des Maschinenelements die Vibrationsstärke zunimmt (fast exponentiell).

Abbildung 1: Typische Lebensdauer-Schwingungspegelbeziehung für Rotationsmaschinen [Quelle: PIM]

Ziel der Einführung zustandsabhängiger Maschinenwartung

Das langfristige Ziel der Einführung und Aufrechterhaltung zustandsabhängiger Maschinenwartung in jedem Unternehmen ist die wirtschaftliche Einsparung, die sich aus zwei Faktoren zusammensetzt: Kosteneinsparungen:

• Verlängerung der Lebensdauer von Lagern durch regelmäßige Überprüfung der Maschineneinstellung und -ausrichtung
• Die individuelle Lebensdauer der Maschinenelemente kann aufgrund der Maschinenzustandsüberwachung ohne Maschinenschäden genutzt werden
• Niedrigere Wartungskosten

Umsatzsteigerung:

• Aufgrund der kontinuierlichen Produktion werden unerwartete Stillstandszeiten reduziert, es gibt keine Lieferverzögerungen
• Durch die zusätzliche Produktion können die Einnahmen steigen
• Eine bessere Qualität der Produktion kann erreicht und kontinuierlich aufrechterhalten werden

Weitere Vorteile der zustandsabhängigen Instandhaltung von Maschinen

• Höhere Produktivität, da die Maschine zwischen den Inspektionen sogar mit maximaler Leistung arbeiten kann. Durch die Reduzierung der Anzahl unerwarteter Ausfälle kann die Produktion gesteigert werden.
• Niedrigere Instandhaltungskosten, da nur fehlerhafte oder voraussichtlich fehlerhafte Teile ausgetauscht werden. Die Beschaffung der Teile ist planbar. Größere Schäden aufgrund kleinerer (leicht behebbarer Fehler oder nur Einstellungsfehler) können vermieden werden.
• Effektivere Reparaturen, da das neue Teil und dessen Einbau überprüfbar sind. Mehrere Studien zeigen, dass bei durchgeführten Reparaturen und neu ausgetauschten Teilen 10 % Fehler auftreten können!
• Niedrigere Lagerhaltungskosten, da die Anzahl der zwangsläufig vorrätig gehaltenen Teile sinkt.
• Die persönliche Sicherheit der Bediener und Betreiber wird erhöht, da der Zeitpunkt für die Durchführung notwendiger Reparaturen gemäß der Zustandsbewertung vor Erreichen des kritischen Zustands der Maschine liegt.

Zustandsüberwachungsmethoden basierend auf Schwingungsmessung und -analyse

1. Breitband-Schwingungsmessung oder Schwingungspegelmessung Wenn ein Messverfahren benötigt wird, das speziell einfache Handhabung und leicht verständliche Zustandsmerkmale für rotierende Maschinen bietet, ist die Breitband-Schwingungsmessung oder Schwingungspegelmessung die geeignete Methode. Die dafür vorgesehenen Handmessgeräte messen den Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit (auf Englisch RMS, d. h. das quadratische Mittel der Schwingungskomponenten). Der übliche Frequenzbereich der Messung reicht von 10 bis 1000 Hz (nach ISO 2372) oder von 10 bis 3200 Hz (gemäß der neuen ISO 10816-3). Diese Bereiche umfassen die für die meisten mechanischen Probleme von rotierenden Maschinen typischen, häufigsten Frequenzen. Zum Beispiel sind Unwuchten, mechanische Lockerheiten, Resonanzen sowie Fehler bei der Einstellung von Wellen und Getrieben deutlich erkennbar. Es gibt jedoch keine Information darüber, welcher vorherrscht. Die Anwendung von Handmessgeräten für Breitband-Schwingungsmessungen - entsprechend den Empfehlungen verschiedener Schwingungsbewertungsstandards - wird für Messungen an den Lagern von rotierenden Maschinen (oder deren Gehäusen) empfohlen. Ungeübten Benutzern wird empfohlen, sich bei der Auswertung der Messergebnisse auf die ISO 10816-3 zu stützen (diese hat die alte ISO 2372 und ISO 3945 abgelöst). Es gibt jedoch Technologien, die strengere Anforderungen als die Norm sowie Fälle zulassen, bei denen höhere Schwingungswerte als die Norm zulässig sind.

Abbildung 2. Typische digitale Schwingungspegelmessgeräte [Quelle: PIM]

Die Standards basieren im Allgemeinen auf der Messung der Schwingungsgeschwindigkeit, ausgedrückt in mm/s Effektivwert (RMS). Die Interpretation des Messergebnisses wird erleichtert, indem der abgelesene Wert als Durchschnittsgeschwindigkeit der Hin- und Herbewegung interpretiert wird. Der Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit spiegelt am besten das Ausmaß unerwünschter Phänomene und schädlicher Energien (Kräfte) wider. Diese verursachen in jedem messbaren Fall Verschleiß und Materialermüdung in der Maschinenstruktur. Die Norm ISO 10816-3 klassifiziert Maschinen und unterscheidet zwischen flexibel und starr montierten Maschinen. (Letztere entsprechen der Klassifizierung nach Resonanzfrequenzen und Grunddrehzahlen der Maschinen. Zum Beispiel zeigen Maschinen, die mit Gummipuffern oder Federn - also flexibel - montiert sind, oft Resonanzen bei niedrigen Drehzahlen, die Maschine führt bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen große Schwingungen aus. Wenn die Drehzahl die kritischen Resonanzfrequenzen überschreitet, nimmt der Schwingungspegel ab. Bei starr montierten Maschinen tritt dieses Phänomen nicht auf.) Moderne Maschinen arbeiten mit hohen Drehzahlen und verfügen über relativ flexible Lager, Peripheriegeräte und Fundamente. Daher können diese auch als flexibel montiert behandelt werden, selbst wenn sie nicht mit Gummipuffern oder Federn befestigt sind. In diesen Fällen erlaubt die Norm ISO 10816-3 etwas höhere Schwingungswerte im Vergleich zur starren Befestigung.

Abbildung 3: Von ISO 10816-3 empfohlene Grenzwerte für Schwingungspegel (Auszug)

Mit Hilfe der Normen kann leicht festgestellt werden, ob bestimmte Maschinen weiter betrieben werden können oder nicht. Als Grundregel kann akzeptiert werden, dass bei Maschinen, die eine Vibration von mehr als 3 mm/s Effektivwert aufweisen (dies umfasst die gängigsten Maschinentypen wie Elektromotoren, Pumpen, Ventilatoren, Generatoren), die Ursache der Vibration ermittelt werden muss. Betreiben Sie keine Maschine weiter, die stärker als 7 mm/s vibriert, wenn Sie nicht sicher sind, ob die Maschinenfestigkeit einen langfristigen Betrieb unter solchen Bedingungen zulässt.

2. Maschinenzustandsüberwachung mit Trendanalyse

Die Geschwindigkeit des Zustandsabbaus einer Maschine ist die wertvollste Information zur Organisation der zustandsabhängigen Maschinenwartung, da dies eine Schätzung ermöglicht, wann und welche Eingriffe erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Maschine ohne unerwartete Ausfälle (und unnötige Reparaturen) betriebsbereit bleibt, aber gleichzeitig keine größeren Schäden aufgrund vorhandener Anfangsfehler erleidet. Dazu muss der Trend der Maschinenerschütterungen erstellt werden, dessen Anstieg Informationen über die zu erwartenden Zeiträume liefert. Die Methode zur Trendanalyse ist sehr einfach: In regelmäßigen Abständen müssen die Erschütterungen 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 der jeweiligen Grenzwerte für die Maschine kann abgeschätzt werden, wann die Erschütterungen unserer Maschine unter unveränderten Belastungen und anderen Bedingungen die Grenzwerte erreichen, und somit wann spätestens eingegriffen werden muss. In vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen mit einer größeren Anzahl von Maschinen ist es nicht ratsam, die Anlagen nur mit "Papier und Bleistift" zu überprüfen, um aufzuzeichnen, auf welchem Niveau die Erschütterungen jeder Maschine liegen, und dann separate Grafiken zu erstellen oder die Daten einzeln auf den Computer zu übertragen. Es ist viel sinnvoller, in ein Messgerät zu investieren, das in der Lage ist, die effektive Erschütterungsgeschwindigkeit zu messen und die Daten mehrerer Maschinen zu speichern sowie sie an den Computer zu übertragen. Die für diese Aufgabe erforderlichen Instrumente sind zu relativ günstigen Preisen erhältlich, sodass sich aus ihrer Anwendung erhebliche Vorteile ergeben, da die Wartung zeitlich planbar wird. Da wir wissen werden, wie lange wir die Einstellkorrektur, das Auswuchten oder den Lageraustausch durchführen müssen, können unnötige Reparaturen und unerwartete Maschinenausfälle gleichermaßen vermieden werden.

Abb. 4. Datenlogger-Handgerät sowie Maschinenzustandsüberwachungs- und Wartungsunterstützungs-PC-Software [Quelle: PIM]

3. Die genaue Identifizierung von Fehlern in den Maschinenelementen durch Spektralanalyse der Erschütterungen

Die Spektrum- und Frequenzanalyse der Erschütterungen ist nicht nur eine Modeerscheinung, sondern auch das derzeit effektivste Instrument zur Zustandsbewertung von Maschinen, vorausgesetzt, dass die darin enthaltenen Informationen mit Fachkenntnissen "gelesen" werden. Während für die bisher vorgestellten Methoden zur Zustandsbewertung und -überwachung von Maschinen kein speziell geschulter Fachmann "aufgeboten" werden muss, erfordert die Spektrumanalyse eine angemessene Ausbildung und Erfahrung, um erfolgreich angewendet zu werden. Der Grundgedanke der Spektrumanalyse lautet wie folgt: Jede Maschine oder Maschinenkomponente (Welle, Gehäuse, Trägerelement, Lager, Scheibe usw.) als "starres" Bauteil verfügt über die grundlegende mechanische (physikalische) Eigenschaft, dass sie hauptsächlich bei bestimmten "eigenen" Frequenzen in bestimmten Richtungen Schwingungen ausführt (dh sie resoniert bei diesen Frequenzen aufgrund externer Anregungen, in unserem Fall beispielsweise durch die aus der Drehung der Maschine resultierenden alternierenden Kräfte). Durch die Spektralanalyse des aufgezeichneten Erschütterungssignals wird sichtbar, welche Frequenzen von Schwingungen vorhanden sind. Den Schwingungsfrequenzen können bestimmte Maschinenkomponenten und typische Maschinenfehler zugeordnet werden, unter Berücksichtigung der aktuellen Maschinendrehzahl. Durch die Spektrumanalyse der Erschütterungen können die genauen Fehler der einzelnen Maschinenelemente identifiziert werden, und es kann festgestellt werden, ob ein Einstell- oder Auswuchtfehler vorliegt. Diese Methode kann beispielsweise bei einem Lagerfehler separat die Beschädigung des Innen- und Außenrings oder des Käfigs nachweisen. Durch die Messung der elektrischen Parameter von Elektromotoren können sogar elektrische Fehler (einschließlich Brüche der Rotorstäbe von Asynchronmotoren) erkannt werden. Durch die Spektrumanalyse der Maschinener...

Abb. 5: Moderne Schwingungsanalyse-Datenlogger, im Hintergrund typische Schwingungsspektren und Zeitfunktionen [Quelle: PIM]

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

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