Produktionstrend 2008/05, Technische Diagnoseabteilung

"Statt Feuerwehr und Großreparatur"

Zustandsabhängige Instandhaltung mit Schwingungsdiagnose (I.)

Angesichts der zunehmenden Auslastung der Produktionskapazitäten der Industrie ist es immer wichtiger, Instandhaltungssysteme einzusetzen, die in der Lage sind, unerwartete Ausfälle zu verhindern, die zu Produktionsausfällen führen. Mit planmäßiger präventiver Instandhaltung (bekannt als TPM) und dem Einsatz moderner Schmierstoffe können bedeutende Erfolge erzielt werden, dennoch bleibt das Risiko immer noch zu hoch. Der Nachteil von TPM - die zusätzlichen Kosten (Verluste) aufgrund des unnötigen Austauschs von noch intakten oder sogar voll funktionsfähigen Komponenten - rechtfertigt die Notwendigkeit anderer Methoden. Heutzutage ermöglicht die theoretische und praktische Weiterentwicklung der Schwingungsdiagnose (Schwingungsüberwachung, Maschinendiagnose, Schwingungsanalyse) wesentlich effektivere neue Instandhaltungsmethoden als zuvor. Viele in- und ausländische Unternehmen wenden erfolgreich zustandsabhängige oder zuverlässigkeitsbasierte Instandhaltung an, die auf regelmäßigen Schwingungsdiagnosebewertungen basiert. Das Ziel solcher Methoden ist es, dem Betreiber (Instandhalter) rechtzeitig Informationen über den technischen Zustand der Maschinenkomponenten zur Vermeidung unerwarteter Störungen sowie über mögliche bevorstehende Probleme und Ausfälle zu liefern, basierend auf der Messung der Schwingungseigenschaften der Maschinen. Der Vorteil der Verhinderung von Maschinen- oder Komponentenausfällen wird deutlich, wenn man bedenkt, welche täglichen oder wöchentlichen Verluste unerwartete Maschinenstillstände verursachen können. In der zunehmend wettbewerbsintensiven Situation in der Industrie wird es immer wichtiger, den guten Zustand der vorhandenen Ausrüstung zu erhalten. Nicht zu vergessen, dass die Produktion immer speziellere Maschinen einsetzt und es immer schwieriger wird, innerhalb kurzer Zeit spezielle Komponenten zu beschaffen. Das Lagern von Ersatzteilen erfordert Platz und Kapital. Es scheint sinnvoll, kleinere Fehler rechtzeitig zu beheben, um größere und kostspieligere Maschinenschäden zu vermeiden. Instandhaltungsplanungsmethoden Betrieb bis zum Ausfall (bis zum Maschinenausfall)

Wir würden gerne sagen, dass diese Methode der Vergangenheit angehört (früher sehr verbreitet war), aber leider betreiben immer noch viele - insbesondere kleinere, kapitalarme - Unternehmen ihre Maschinen auf diese Weise: sie laufen, bis sie von selbst kaputt gehen. Dies hat natürlich schwerwiegende Folgen: Die Produktion stoppt unerwartet, neben dem primären Fehler in der Maschine treten in der Regel auch schwerwiegende Folgeschäden (sekundäre Schäden) auf.

Während diese Art der Instandhaltung bis zum Maschinenausfall zunächst kostengünstig erscheint, zahlt der Betreiber beim Auftreten schwerwiegender Maschinenfehler mehrfach drauf: Die Reparatur ist nicht geplant, daher muss plötzlich Reparaturkapazität bereitgestellt werden (eventuell mit einem Notfallzuschlag), es werden Teile benötigt (viel mehr als wenn die anfänglichen Fehler behoben worden wären, oft mit einem Expresszuschlag), es entstehen enorme (langfristige) Produktionsausfälle und zusätzliche Kosten (Überstunden, Verzugszuschläge usw.). Je wichtiger eine bestimmte Maschine für den Betrieb ist (zum Beispiel hängen ganze Technologielinien von ihr ab, sie hat eine "lebenswichtige" Funktion), desto weniger akzeptabel ist die Anwendung von Instandhaltungsmethoden bis zum Betriebsstillstand. Aufgrund des derzeitigen und zukünftigen drastischen Anstiegs der genannten Zusatzkosten ist es jedoch ratsam, auch bei nicht kritischen Maschinen eine andere - wirtschaftlichere - Methode anzuwenden. TPM, planmäßige präventive Instandhaltung Um Maschinenausfälle so selten wie möglich zu machen, werden geplante Reparaturen in regelmäßigen Abständen oder nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden durchgeführt, bevor ein Ausfall eintreten könnte. Die Grundlage dafür bilden die Herstellervorgaben (zum Beispiel der Ölwechselintervall bei Autos), die Betriebserfahrungen, aber auch möglicherweise aus den Ausfallstatistiken, die auf dem Betrieb mehrerer identischer Maschinen basieren, oder einfach aus der saisonalen Betriebsführung resultierende Instandhaltungs"zwänge". Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Anzahl unerwarteter Ausfälle erheblich reduziert wird und die Zuverlässigkeit der Maschinen erhöht wird. Leider geschieht dies jedoch nur mit erheblichem Aufwand: selbst gute Maschinenelemente werden ausgetauscht, unnötige Montagen werden durchgeführt. Nicht zu vergessen ist, dass der Zustand der Maschine nach dem Einbau und Austausch intakter Teile nicht immer besser ist als zuvor: Laut Statistiken sind 10 Prozent der Reparaturen fehlerhaft. Darüber hinaus müssen nach Großreparaturen bei bis zu einem Viertel der Maschinen Fehler bei der Wiederinbetriebnahme behoben werden! Insgesamt lässt sich feststellen, dass der Großteil des Produktionsgewinns durch die höhere Zuverlässigkeit der Maschinen für unnötige Teile (und deren Lagerung) sowie für unnötige Montagen aufgewendet wird. Dennoch bleiben Fehler bestehen - deren Überprüfung und Behebung nicht im Zeitplan der regelmäßigen Instandhaltung enthalten sind -, die nicht rechtzeitig behoben werden und sogar zu einem Maschinenstillstand führen können. Zustandsabhängige Instandhaltung von Maschinen

Zur Beseitigung der Fehler des TMK-Verfahrens eignet sich die zustandsabhängige Instandhaltung, die auf dem Austausch von Komponenten basiert, die als abgenutzt, gealtert, abgenutzt oder beschädigt erkannt wurden, anstatt präventive Wartung auf Zeitintervallen durchzuführen. Dadurch entfällt das unnötige Austauschen fehlerfreier Komponenten aufgrund von Fehlern bei der Montage, aber die Zuverlässigkeit der Maschinen bleibt dennoch gewährleistet. Darüber hinaus - durch regelmäßige Zustandsüberwachung - wird die Wartung rechtzeitig planbar, die Lager- und Beschaffungskosten für benötigte Komponenten können minimiert werden, ebenso wie der Arbeitsaufwand.

Die Voraussetzung für die zustandsabhängige Instandhaltung ist eine möglichst umfassende (und präzise) regelmäßige Überwachung des Maschinenzustands, da nur so entstehende Fehler herausgefiltert werden können, bevor sie zu Maschinenstillständen oder schwerwiegenderen sekundären Fehlern führen. Für die Zustandsbewertung von Maschinen stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, wie z. B. Schwingungsmessung und Spektralanalyse (die verbreitetste und effektivste Methode), Ultraschallmessung und -analyse, Schmierstoffanalyse, Elektromotoranalyse, Thermografie und viele andere sowie Kombinationen dieser genannten Methoden. Je früher es gelingt, aufkommende Maschinenfehler zu entdecken und je genauer (basierend auf mehreren wiederholten Messungen) die Geschwindigkeit des Verschlechterungsprozesses vorhergesagt werden kann, desto effektiver ist diese Instandhaltungsplanungsstrategie, der späteste Zeitpunkt für die Wartung planbar und die benötigten Komponenten vorab bestimmbar sind. Das Ergebnis: Hohe Verfügbarkeit (kontinuierlicher Betrieb ohne unerwartete Ausfälle) bei minimalen Wartungskosten. Ziele und Vorteile Das langfristige Ziel der Einführung und Aufrechterhaltung der zustandsabhängigen Instandhaltung ist Kosteneinsparung, die sich aus zwei Faktoren zusammensetzt. Kosteneinsparung:

• Durch regelmäßige Überprüfung der Maschineneinstellung und -ausrichtung wird die Lebensdauer der Lager verlängert
• Dank der Maschinenzustandsüberwachung kann die individuelle Lebensdauer der Maschinenelemente ohne Maschinenschäden genutzt werden
• Niedrigere Wartungskosten.

Umsatzsteigerung:

• Durch kontinuierliche Produktion werden unerwartete Stillstandszeiten reduziert, es gibt keine Lieferverzögerungen
• Durch zusätzliche Produktion können die Einnahmen steigen
• Eine bessere und kontinuierliche Produktion von höherer Qualität ist möglich.

Weitere Vorteile der zustandsabhängigen Instandhaltung:

• Höhere Produktivität, da die Maschine zwischen den Inspektionen möglicherweise kontinuierlich mit maximaler Leistung arbeiten kann. Durch die Reduzierung von unerwarteten Ausfällen kann die Produktion daher erweitert werden.
• Niedrigere Wartungskosten, da nur fehlerhafte oder voraussichtlich fehlerhafte Komponenten ausgetauscht werden. Die Beschaffung von Komponenten ist planbar (es ist nicht erforderlich, sofort und mit Notfallzuschlägen Komponenten zu beschaffen, stattdessen können günstige Angebote eingeholt und kostengünstige Versandmethoden gewählt werden). Kleine, leicht zu behebende Fehler oder größere Schäden, die nur auf Einstellungsfehler zurückzuführen sind, können vermieden werden. Durch die geplante Tätigkeit des Wartungspersonals gibt es weniger Überstunden - daher sinken auch die Personalkosten.
• Effektivere Reparaturen, da das neue Teil und dessen Einbau überprüfbar sind. Mehrere Studien zeigen, dass bei 10 % der durchgeführten Reparaturen und ausgetauschten Teile Fehler auftreten. Durch frühzeitige Erkennung und Reparatur dieser Fehler können größere Schäden und unerwartete Ausfälle vermieden werden.
• Niedrigere Lagerhaltungskosten, da die Anzahl der benötigten Ersatzteile reduziert wird.
• 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.

Grundgedanke der Schwingungsdiagnose

Jeder feste Körper ist in der Lage, Schwingungen in verschiedenen Richtungen mit unterschiedlichen Frequenzen auszuführen. Die größten Ausschläge können bei der materialspezifischen Eigenfrequenz beobachtet werden, da der Körper in dieser Frequenz in der betreffenden Richtung "resoniert" (daher der Begriff der Resonanzfrequenz). Natürlich beginnt kein Körper von selbst Schwingungen auszuführen, sondern dazu ist eine Anregung - also eine externe Kraft - erforderlich. Je größer diese Kraft ist und je mehr sie sich - bei alternierenden Kräften - mit der Eigenfrequenz des Körpers annähert, desto stärkere Schwingungen führt der feste Körper in der durch die Kraft festgelegten Richtung aus. Bei Rotationsmaschinen sind die Quellen für Schwingungen unvermeidliche alternierende Kräfte, die während des Betriebs der Maschine auftreten. Diese können nie vollständig beseitigt werden, da sie unter anderem aus dem normalen alternierenden Betrieb der Maschine (z. B. Kolbenmaschinen), aus verbleibender Unausgewogenheit der rotierenden Komponenten, aus periodischen Kräften aufgrund der elektrischen Antriebe (z. B. aufgrund von Netzharmonischen) resultieren. Die Auswirkungen der während des Betriebs vorhandenen Kräfte auf die einzelnen Maschinenelemente müssen so betrachtet werden, dass jedes Maschinenelement Teil eines Feder-Masse-Schwingungssystems ist. Die Rotationsmaschine besteht aus zahlreichen solcher Schwingungssysteme, die nahezu ausnahmslos miteinander verbunden sind und sich gegenseitig anregen. Aufgrund der Resonanzeigenschaften fester Körper strebt jedes Maschinenelement danach, die Wirkung der auf es einwirkenden alternierenden Kräfte in seiner Eigenfrequenz zu verfolgen.

Dies gilt nicht nur für die beweglichen Komponenten der Maschine, sondern auch für alle Haltelemente. Abhängig von der Steifigkeit und Masse der mechanischen Elemente entwickeln sich die Frequenz der messbaren Vibrationen der Maschine und die zugehörige Amplitude. Je kleiner das Maschinenelement ist, desto höher ist die Frequenz, aber die Amplitude der Vibration ist geringer. Die Stärke der Vibration variiert während der Lebensdauer der Maschine oder der Maschinenkomponente(n) aufgrund von Änderungen in Spalten, Oberflächen und Elastizitätsfaktoren - als Begleiterscheinung des Verschleißes oder Alterns der Maschine. Die Änderungstendenz (Trend) kann durch die Lebensdauerkurve veranschaulicht werden (siehe untenstehendes Diagramm). Im Diagramm ist zu sehen, dass während der Einfahrzeit des neuen Maschinenelements der Vibrationswert höher ist. Für das eingefahrene Maschinenelement ist über einen langen Zeitraum ein nahezu konstanter Vibrationspegel charakteristisch, während in der letzten Phase des Verschleißes des Maschinenelements die Stärke der Vibration zunimmt (quadratisch oder sogar schneller).

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