Produktionstrend 2008/12, Abschnitt Technische Diagnose

"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"

Zustandsabhängige Instandhaltung mit Schwingungsdiagnose (VII.)

Die wertvollsten Informationen für die zustandsabhängige Maschineninstandhaltung liefert die Geschwindigkeit des Maschinenzustandsverfalls. Um diese Informationen zu erhalten, muss der Trend der Maschinenschwingungen erstellt werden, dessen Anstieg Auskunft über die zu erwartenden Zeiträume gibt. Durch die Spektralanalyse der Vibrationen können die Fehler der einzelnen Maschinenelemente genau identifiziert werden, und es kann festgestellt werden, ob ein Einstell- oder ein Auswuchtfehler vorliegt. Zur Organisation der zustandsabhängigen Maschineninstandhaltung ist die Geschwindigkeit des Maschinenzustandsverfalls eine grundlegende Information, anhand derer abgeschätzt werden kann, wann und welche Eingriffe erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Maschine ohne unerwartete Ausfälle (und ebenso wichtig, ohne unnötige Reparaturen) betriebsbereit ist und keine größeren Schäden aufgrund vorhandener Anfangsfehler bis zur nächsten Wartung erleidet. Dazu muss der Trend der Maschinenschwingungen (Effektivwert der Breitbandvibration und der Hochfrequenzvibrationsbeschleunigung) erstellt werden, aus dessen Anstieg die zu erwartenden Zeiträume abgelesen werden können.

Maschinenzustandsüberwachung mit Trendanalyse

Das in der Theorie beschriebene Verfahren zur praktischen Umsetzung ist sehr einfach: Die Schwingungen der Maschinen müssen regelmäßig erneut gemessen werden (an denselben Stellen, in dieselbe Richtung und idealerweise mit denselben Messgeräten), und die Daten für jeden Messpunkt müssen grafisch in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet werden. Unter Berücksichtigung interpretierbarer Grenzwerte für jede Maschine (für jeden Messpunkt und jede Richtung sowie für beide genannten Vibrationsparameter) kann abgeschätzt werden, wann unter unveränderten Belastungen und anderen Bedingungen die Schwingungen unserer Maschine die Grenzwerte erreichen, und somit spätestens wann eingegriffen werden muss.

In vielen kleinen und mittleren Unternehmen mit einer größeren Anzahl von Maschinen ist es nicht ratsam, "mit Papier und Bleistift" alle Geräte zu durchlaufen, einzeln aufzuzeichnen, auf welchem Schwingungsniveau sich jede Maschine befindet, und dann separate Grafiken zu erstellen oder die Daten einzeln auf den Computer zu übertragen. Viel sinnvoller ist es, in ein Messgerät zu investieren, das in der Lage ist, den Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit zu messen und die Daten mehrerer Maschinen zu speichern und an den Computer zu übertragen. Während die für diese Geräte erforderlichen Instrumente relativ kostengünstig zu beschaffen sind, vervielfacht sich der Nutzen aus ihrer Anwendung: Die Wartung kann rechtzeitig geplant werden. Da wir wissen, wie lange die Einstellkorrektur, die Auswuchtung oder der Lageraustausch durchgeführt werden müssen, können unnötige Reparaturen und unerwartete Maschinenstillstände gleichermaßen vermieden werden.

Aufzeichnung von Schwingungstrends

Um sicherzustellen, dass die Trends, die die Dringlichkeit der Wartung anzeigen, tatsächlich für die Schätzung des Eingriffszeitpunkts verwendet werden können, müssen zusätzlich zu den oben genannten Messregeln die folgenden Regeln eingehalten werden:

• Zur Vergleichbarkeit der Messdaten müssen die Daten immer an denselben Stellen, in denselben Richtungen und mit derselben Sensoranbindung (vorzugsweise mit dem gleichen Haltemagneten oder der gleichen Schraubbefestigung) erfasst werden.
• Bei der Datenspeicherung sollte darauf geachtet werden, möglichst stabile Werte zu erfassen (obwohl variable Schwingungspegel auch tatsächliche Informationen über die Schwingungsquelle enthalten können).
• Es ist auch sehr wichtig, dass für die Trenderstellung nur Daten verwendet werden, die unter identischen Messbedingungen erfasst wurden: Die Drehzahl und Belastung der Maschinen sollte bei jeder Messung genauso hoch sein wie bei der vorherigen Messung.

Die Schwingungen müssen (bei kontinuierlicher Maschinennutzung) regelmäßig in festgelegten Zeitabständen erneut gemessen werden, abhängig von der Intensität der Maschinennutzung und der Häufigkeit von Reparaturen und Einstellungen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb der Maschine erforderlich sind. Als Faustregel gilt, dass zwischen zwei Reparaturen mindestens fünf Messungen durchgeführt werden sollten, damit der Trend ausreichende Informationen für den Zeitpunkt der erforderlichen Reparatur liefern kann. Später kann dieser Zeitraum basierend auf neuen Erfahrungen angepasst werden.

Jede Wartungsaktivität, jeden Austausch von Komponenten, jede Reparatur oder Einstellung (Wellenausrichtung, Riemenanpassung, Auswuchtung) sowie ungewöhnlich lange Stillstandszeiten, stark abweichende Belastungen oder Drehzahlen von der Norm müssen dokumentiert werden. Ohne diese Informationen können die Trends nicht eindeutig bewertet werden. Es ist ratsam, den Rat zu befolgen, dass bei Schwingungsuntersuchungen die Schwingungen neuer oder überholter (oder sogar für gut befundener gebrauchter) Maschinen als Referenz aufgezeichnet werden sollten. Dies erleichtert die Interpretation der Trends erheblich.

Spektralanalyse oder Frequenzanalyse der Schwingungen

Die Spektrum- und Frequenzanalyse von Vibrationen ist nicht nur ein Trend in der Technik, sondern auch das derzeit effektivste Instrument zur Zustandsüberwachung von Maschinen, vorausgesetzt, dass die darin enthaltenen Informationen mit Fachkenntnissen "gelesen" werden. Es muss beachtet werden, dass während für die bisher vorgestellten Techniken zur Zustandsüberwachung von Maschinen kein speziell geschulter Experte "aufgeboten" werden muss, die Spektralanalyse nur mit angemessener Schulung und Erfahrung erfolgreich angewendet werden kann.

Die Grundlage der Spektralanalyse basiert auf folgendem Gedankengang: Jede Maschine oder Maschinenkomponente (Welle, Gehäuse, Halterung, Lager, Scheibe usw.) als "starres" Objekt verfügt über die grundlegende mechanische (physikalische) Eigenschaft, dass sie hauptsächlich bei einer bestimmten "eigenen" Frequenz in einer bestimmten Richtung Vibrationen ausführen kann (dh bei dieser Frequenz "resoniert" sie aufgrund externer Anregungen, in unserem Fall durch alternierende Kräfte, die aus der Rotation der Maschine resultieren). Durch die Spektralanalyse des aufgezeichneten Schwingungssignals wird sichtbar, welche Frequenzen vorhanden sind. Die Schwingungsfrequenzen können jedoch bestimmten Maschinenkomponenten und typischen Maschinenfehlern zugeordnet werden (natürlich unter Berücksichtigung der aktuellen Drehzahl der Maschine).

Durch die Spektralanalyse von Vibrationen können die Fehler einzelner Maschinenelemente genau identifiziert und festgestellt werden, ob ein Einstellungs- oder ein Auswuchtfehler vorliegt. Diese Methode kann beispielsweise bei einem Lagerfehler genau zwischen Schäden am Innen- oder Außenring oder am Käfig unterscheiden. Durch die Messung der elektrischen Parameter von Elektromotoren können sogar elektrische Fehler (z. B. Bruch der Rotorstäbe eines Asynchronmotors) aufgedeckt werden.

Durch die Durchführung der Spektralanalyse von Maschinenvibrationen kann bereits vor Reparaturen genau festgestellt werden, was zu tun ist. Darüber hinaus kann die Wirksamkeit von Reparaturen sehr schnell und genau überprüft werden, indem die Spektren der Messungen vor den Reparaturen und bei der Wiederinbetriebnahme verglichen werden. Die Zuverlässigkeit der so reparierten und überprüften Maschinen steigt erheblich, während die Wartungskosten sinken.

Im Folgenden werden die physikalischen Grundlagen erläutert, die als Hintergrund für die Spektralanalyse dienen.

Definition der Frequenz

Im Alltag begegnen wir der Frequenz in Bezug auf die Tonhöhe von Klängen, als Qualitätsmerkmal von Musikwiedergabegeräten, als Maß für die Bildwiederholfrequenz von Fernsehern oder beispielsweise in Bezug auf die Periodizität der Spannung im Stromnetz. Die Frequenz bedeutet in jedem Fall die Anzahl von Wiederholungen eines periodischen Phänomens innerhalb einer Einheit Zeit. Dies kann auch im Zusammenhang mit Maschinenvibrationen interpretiert werden, da es sich um alternative - periodische - Bewegungen handelt: Die Frequenz drückt die Anzahl der vollständigen (hin und her) Schwingungsbewegungen pro Zeiteinheit aus. Dies gilt natürlich nur, wenn die betreffende Vibration rein sinusförmig ist. Auf dem Bild sind zwei Zeitfunktionen zu sehen, die die gleiche Amplitude und sinusförmige Form haben, aber unterschiedliche Frequenzen aufweisen.

In der Praxis sind messbare Maschinenvibrationen aufgrund ihrer Natur komplex, da am Messort (z. B. am Lagergehäuse) Vibrationen unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden gleichzeitig auftreten, die aus Unwuchten, falscher Ausrichtung der Welle, Lagerfehlern und vielen anderen Gründen resultieren. Wenn wir die Frequenzen im gemessenen Signal kennen möchten, müssen wir das Signal in seine elementaren sinusförmigen Bestandteile (Grundschwingungen) zerlegen - daher ist eine Frequenzanalyse (auch bekannt als Spektralanalyse) erforderlich.

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

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