Produktionstrend 2008/11, Technische Diagnoseabteilung

"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"

Zustandsabhängige Instandhaltung mit Schwingungsdiagnose (VI.)

In unserem letzten Teil der technischen Diagnoseserie haben wir die effektiven Werte der Schwingungsgeschwindigkeit interpretiert, basierend auf praktischen Erfahrungen. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf konkrete Maschinenfehler, die durch die Messung des Effektivwerts erkannt werden können. Der nächste größere Abschnitt befasst sich mit der Zustandsüberwachung von Wälzlagern. Nach der instrumentellen Messung des Effektivwerts der Schwingungsgeschwindigkeit kann mit Hilfe der Norm ISO 10816-3 leicht festgestellt werden, ob bestimmte Maschinen weiter betrieben werden können oder nicht. Als Grundregel gilt, dass bei Maschinen, die eine Schwingung von mehr als 3 mm/s aufweisen (dazu gehören 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 Maschine unter solchen Bedingungen langfristig betrieben werden kann!

Maschinenfehler, die durch Effektivwertmessung erkannt werden könnenUnwucht

Da der Schwingungspegel nicht darüber informiert, ob die Frequenzkomponente der Drehzahl (eine Folge der Unwucht) dominiert, müssen zusätzliche Messungen durchgeführt werden, um das Vorhandensein von Unwucht zu bestätigen. Zuerst sollten andere mögliche Fehlerquellen an der Maschine untersucht werden (Lockerheit, Resonanz, Messung der Merkmale von Wellen- und Kupplungsfehlern), und aufgrund des Ausschlusses kann auf Unwucht geschlossen werden. Wenn bereits Erfahrungen mit der Maschine vorliegen, reichen möglicherweise ein oder zwei Überprüfungsmessungen aus (zum Beispiel werden Ventilatoren, die verschmutzt sind oder technische Gase transportieren, nach einiger Zeit eher unausgeglichen als dass ein ungewöhnlicher Maschinenfehler auftritt). Wenn nichts anderes vorstellbar ist, sollte das rotierende Teil zur Probe ausgeglichen werden. (Denn die Auswuchtung ist die kostengünstigste und risikoärmste "Maschinenreparatur".) Charakteristisch für Unwucht ist, dass sie radiale Vibrationen verursacht, die mit zunehmender Drehzahl quadratisch zunehmen. Axielle Vibrationen treten praktisch nicht auf. 

Resonanzen

In jeder Rotationsmaschine sind natürliche Anregungen kontinuierlich vorhanden, wenn auch nur in sehr geringem Maße (zum Beispiel Unwucht bei der Drehzahl, Einwellenfehler bei der doppelten Drehzahl). Wenn eine dieser Anregungen die gleiche oder eine ähnliche Frequenz wie die Resonanzfrequenz eines Maschinenelements hat, verstärkt sich die Vibration in diesem Maschinenelement abhängig von der Steifigkeit und Masse des betroffenen Maschinenelements, sodass das Maschinenelement in Resonanz gerät. Es tritt ein deutlich höherer Schwingungspegel auf, als wenn die Resonanz- und Anregungsfrequenz voneinander abweichen würden. Um das Vorhandensein von Resonanz festzustellen, muss die Schwingungsintensität in allen drei Richtungen senkrecht zum Lager gemessen werden. Wenn eine davon etwa dreimal höher ist als die anderen, kann davon ausgegangen werden, dass Resonanz vorliegt. (Resonanz verstärkt die mechanische Wirkung in eine Richtung und erzeugt so starke - richtungsabhängige - Vibrationen.) Wenn eine Änderung der Maschinendrehzahl (sofern möglich) starke Schwankungen im Schwingungspegel verursacht, ist nicht nur das Vorhandensein von Resonanz bestätigt, sondern es besteht auch die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz zu bestimmen: Diese entspricht der Drehfrequenz, bei der die Vibration am stärksten ist. 

Lockerung von Maschinenelementen, lose Befestigung

Zum Beispiel ermöglicht die Durchführung von Schwingungsmessungen auf beiden Seiten einer verschraubten Verbindung die Lokalisierung lockerer Maschinenelemente in der Verbindung. Zwei eng miteinander verbundene Maschinenelemente sollten auf beiden Seiten der Verbindung den gleichen Schwingungspegel aufweisen, sodass beispielsweise die Schrauben, die am Fundament befestigt sind, den gleichen Schwingungspegel wie das Fundament aufweisen sollten, vorausgesetzt, sie sind nicht gelockert. (Ein weiterer Trick zur Überprüfung - ohne Instrumente: Wenn unser Finger auf die Montagelücke gelegt wird, wird die Haut durch die sich ändernde Lücke eingeklemmt, wenn die Befestigung der beiden Elemente locker ist.) 

Verzogene Welle, Fehler bei der Wellenkupplung

Diese Fehler sind hauptsächlich daran zu erkennen, dass sie neben großen radialen Vibrationen auch deutlich große axiale Vibrationen verursachen. Wenn es möglich ist, den Phasenwinkel der axialen Vibration zu bestimmen, weist eine eindeutige Vibration auf eine verbogene Welle oder einen Fehler bei der Wellenkupplung hin, wenn der Phasenwinkel der axialen Vibration, die an den Lagern an beiden Enden der Welle oder Wellenkupplung gemessen wird, um 180° voneinander abweicht. Es ist auch charakteristisch, dass dieser Phasenwinkelunterschied bei Änderung der Drehzahl gleich bleibt. 

Bestimmung des Zustands des Wälzlagers durch Messung der Schwingungsbeschleunigung

Wenn Kugeln und Rollen im Inneren des Lagers rotieren, entsteht breitbandiges Rauschen und Vibration. Dieses Rauschen und diese Vibration verstärken sich bei schlechter Schmierung des Lagers, z. B. aufgrund von Überlastung aufgrund von Unwuchteinstellungsfehlern oder Fehlern auf den Laufflächen und den Oberflächen der Wälzkörper. Da das durch das Lager erzeugte (normalerweise hochfrequente) Rauschen und die Vibration breitbandig sind, ist es schwierig, eine konkrete Frequenz oder einen engen Frequenzbereich zu definieren, mit dem der Zustand des Lagers charakterisiert werden könnte. Dies ist hauptsächlich unmöglich, da die spezifischen sogenannten Lagerfehlerfrequenzen unter anderem vom Lagertyp und der aktuellen Drehzahl der Maschine abhängen. In der Praxis hat sich die Bestimmung des effektiven Werts der Vibrationsbeschleunigung im Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 10 (oder 20) kHz als bewährt erwiesen, um den Lagerzustand zu charakterisieren. Die Vibrationen von durchschnittlichen Maschinen aufgrund von Unwuchten oder Achsausrichtungsfehlern sind sicherlich bei Frequenzen unter 2 kHz - also unterhalb der unteren Grenzfrequenz - zu finden. Daher beeinflussen sie nicht den Lagerkennwert. Die Wahl der oberen Grenze - 10 oder 20 kHz - basiert darauf, dass die obere Grenzfrequenz der meisten Schwingungssensoren ohne spezielle Befestigungsmethode bei 7-10 kHz liegt und das Sensorsignal über 20 kHz bereits recht klein ist. Es ist auf jeden Fall ratsam, mit einem Messgerät zu arbeiten, das zur Messung der breitbandigen Vibrationsgeschwindigkeit und des effektiven Werts der hochfrequenten Vibrationsbeschleunigung geeignet ist. Auf diese Weise können nicht nur Einstellungs- und Unwuchtprobleme erkannt werden, sondern auch Lagerfehler. Darüber hinaus kann festgestellt werden, welches Lager einer Maschine ausgetauscht werden muss und welches nicht, und es kann überprüft werden, ob die Lagermontage fehlerfrei war und ob die Lagerung gut ist.

Bewertung des Lagerzustands

Der Lagerzustandswert ist die Summe der gemittelten effektiven Vibrationsbeschleunigungswerte aus den hochfrequenten Vibrationen im Frequenzbereich von 2 bis 20 kHz. Dieser Durchschnittswert wird in g (Gravitationsbeschleunigung) angegeben.

Es ist zu beachten, dass auch aus anderen Gründen (z. B. aufgrund von Flüssigkeitsströmungen) Vibrationen im Frequenzbereich von 2 bis 20 kHz auftreten können, wodurch der Lagerzustandswert hoch wird, ohne dass das Lager beschädigt ist. Das gleiche gilt, wenn wir bei Zahnradgetrieben oder Ausrüstungen zur berührungslosen (reibungsbasierten) mechanischen Bearbeitung messen, da diese Maschinen aufgrund ihrer Funktionsweise grundsätzlich Vibrationen im Bereich von 10-20 kHz erzeugen.

Ein hoher Lagerzustandswert kann auch entstehen, wenn das Lager (z. B. aufgrund von Unwuchteinstellungsfehlern) nur überlastet ist (und daher noch keine schwerwiegenden Schäden aufweist) oder die Schmierung unzureichend ist. Dies sollte durch vibrationsbasierte Frequenzanalyse (Spektrumanalyse) überprüft werden.

Maschinenzustandsüberwachung mit Trendanalyse

Die wertvollste Information für die Organisation der zustandsabhängigen Maschinenwartung ist die Geschwindigkeit des Zustandsverfalls der Maschine, anhand derer abgeschätzt werden kann, wann und welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, damit die Maschine ohne unerwartete Ausfälle (und unnötige Reparaturen) betrieben werden kann, aber auch keine größeren Schäden aufgrund vorhandener Anfangsfehler bis zur Wartung erleidet. Dazu muss der Trend der Maschinenvibrationen (des breitbandigen Vibrationsgeschwindigkeitswerts und des hochfrequenten Vibrationsbeschleunigungswerts) erstellt werden, dessen Anstieg Informationen über die zu erwartenden Zeiträume liefert. Die Methode dazu wird Thema unseres nächsten Artikels sein. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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