<?page no="0"?> MIT ZUSATZMATERIAL AUTOR VORNAME NAME JOSEF KOLERUS EDWIN BECKER Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement <?page no="1"?> Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement <?page no="3"?> Josef Kolerus / Edwin Becker Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement <?page no="4"?> DOI: https: / / doi.org/ 10.24053/ 9783816984894 Unter folgendem Link sind Zusatzmaterialien und ggfs. Errata abgelegt: https: / / files.narr.digi‐ tal/ 9783816934899/ Zusatzmaterial.zip © 2022 · expert verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetztes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Diese Publikation enthält gegebenenfalls Links zu externen Inhalten Dritter, auf die weder Verlag noch Autoren Einfluss haben. Für die Inhalte der verlinkten Seiten sind stets die jeweiligen Anbieter oder Betreibenden der Seiten verantwortlich. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert CPI books GmbH, Leck ISBN 978-3-8169-3489-9 (Print) ISBN 978-3-8169-8489-4 (ePDF) ISBN 978-3-8169-0134-1 (ePub) Umschlagabbildung: © Fluke Deutschland GmbH Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. www.fsc.org MIX Papier aus verantwortungsvollen Quellen FSC ® C083411 ® www.fsc.org MIX Papier aus verantwortungsvollen Quellen FSC ® C083411 ® <?page no="5"?> Danke an Dieter Busch, der vor 50 Jahren mit der Gründung von db PRÜF‐ TECHNIK den Meilenstein für die moderne Instandhaltung gelegt hat. <?page no="6"?> Anomaliedetektion Maschinenportal OEE Dashboard Condition Monitoring Maschinenakte / -Timeline Ersatzteilmanagement Dokumentenverwaltung Nutzer & Rollen Wartungsmanager Lifecycle Subscription Digitale Lösungen für Maschinenhersteller elunic entwickelt passgenaue Applikationen für Maschinenbauer, um das gesamte IoT-Potenzial Ihrer Maschinen auszuschöpfen. www.elunic.com Die modularen shopfloor.io- Softwarebausteine helfen Maschinenherstellern dabei, schneller mit der Entwicklung passgenauer Industrie 4.0-Lösungen durchzustarten und dienen als Grundstein einer skalierbaren IIoT-Systemarchitektur . Der Betrieb ist Cloudund/ oder On-Premise -kompatibel, bestehende Anwendungen können nahtlos integriert werden und IoT-Plattformen (z.B. AWS, Azure, ... ) als führende Systeme genutzt werden. <?page no="7"?> 13 16 0 17 0.1 17 0.2 18 0.3 25 0.4 27 0.5 31 0.6 34 0.7 46 0.8 55 0.9 56 0.10 59 0.11 75 0.12 80 0.13 85 0.14 85 0.15 89 0.16 90 0.17 91 0.18 93 0.19 93 0.20 94 0.21 96 0.22 101 0.23 104 0.24 105 0.25 105 0.26 107 0.27 107 0.28 108 111 1 112 1.1 113 1.2 130 1.3 135 Inhalt Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt A Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motivation und Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der erfolgreiche Einstieg ins Instandhaltungsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzepte einer Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strategien der Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erscheinungsbilder von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzepte und Strategien der Schwingungsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Breitbandige Beurteilung von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitbereichsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ordnungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitbereichsmittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrelation und Kreuzleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cepstrumanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeit-Frequenz-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globalkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Verfahren der Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursachenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prognostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instandhaltungsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kostenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Product Lifecycle Management (PLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Assetmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt B Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Bewegungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . <?page no="8"?> 1.4 138 1.5 144 1.6 152 1.7 154 1.8 158 1.9 162 1.10 165 1.11 167 1.12 168 1.13 168 1.14 172 174 2 175 2.1 178 2.2 190 2.3 192 2.4 216 2.5 221 2.6 224 2.7 225 2.8 229 2.9 239 2.10 243 2.11 254 2.12 256 2.13 261 3 263 3.1 263 3.2 264 3.3 264 3.4 266 3.5 268 3.6 269 3.7 275 3.8 278 3.9 280 3.10 281 3.11 282 3.12 284 3.13 285 3.14 285 Zeitbereich und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vektoren und Zeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenfrequenz, Resonanz und kritische Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erregerkraft und Systemantwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanismen der Schwingungserregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übertragungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametererregte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nichtlineare Systeme, Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanismen der Schwingungsentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt C Messung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufnehmermontage, Aufnehmer-Eigenfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximalfrequenz und Messzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konventionen für berührungslose Wegaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Testprozeduren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Computerdatenbank - Upload und Download . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erkennen schlechter Datenqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenstellung einer Messroute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effektivwert- und Spitzenwertdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analog-Digital-Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoge Aufnahme, Abtastung (Sampling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FFT-Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FFT-Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitfenster (Rechteck, Hanning, Flat) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filter (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aliasing - Antialiasingfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bandbreite und Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauschminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittelung (linear, zeitsynchron, exponentiell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamikbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signal-Rausch-Abstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektrenfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Inhalt <?page no="9"?> 4 287 4.1 288 4.2 291 4.3 305 4.4 312 4.5 312 4.6 314 4.7 316 4.8 323 326 5 327 5.1 327 5.2 332 5.3 334 5.4 338 5.5 343 5.6 346 5.7 347 5.8 349 5.9 359 5.10 365 5.11 366 5.12 368 5.13 397 5.14 407 5.15 409 5.16 422 5.17 426 5.18 433 5.19 434 5.20 435 5.21 440 442 6 443 6.1 444 6.2 473 6.3 484 6.4 486 6.5 489 6.6 499 6.7 506 Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Computerdatenbank - Einrichtung und Pflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung und Priorisierung von Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warn- und Alarmeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung von Basiswerten, Trendanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messrouten- und Aufgabenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alternative und ergänzende Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erkennen von Fehlerzuständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt D Fehleranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehleranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektralanalyse, Harmonische und Seitenbänder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalanalyse im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse von Transienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Orbitanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse der Wellenmittellinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hüllkurvenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausrichtfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanisches Spiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anstreifen, Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehleranalyse an Elektromaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflusserregte Schwingungen in Gasen und Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . Fehler an Zahnradgetrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resonanz und kritische Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . An- und Auslaufvorgänge (Instationäre Zustände) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belastungen messen und bewerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Fehlererkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt E Handlungsempfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrekturmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebswuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Austausch von Maschinenkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflusskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dämpfung und Isolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Wartungsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Inhalt <?page no="10"?> 6.8 510 6.9 514 7 515 7.1 515 7.2 521 7.3 526 7.4 546 7.5 549 7.6 561 7.7 566 7.8 575 7.9 577 7.10 584 7.11 590 7.12 594 7.13 603 8 607 8.1 610 8.2 613 8.3 615 8.4 615 9 616 9.1 622 9.2 626 9.3 629 9.4 634 9.5 637 9.6 639 9.7 641 9.8 647 651 10 652 10.1 653 675 11 676 11.1 678 11.2 681 Weitere präventive Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromotoren und andere Antriebsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen und Lüfter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdichter (Kompressoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Walzwerke, Papiermaschinen und andere Prozessanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strukturen und Rohrleitungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzahnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kupplungen und Riementriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abnahmeprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versuchsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifikationen und Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berichterstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenprüfung und Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anschlagversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Test mit Schwingerregern (Shaker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermitteln von Übertragungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung der Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohärenz, Phasenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsschwingformanalyse (BSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Torsionsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt F Normen und Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referenzstandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DIN- und DIN ISO-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt G Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berichte und Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Inhalt <?page no="11"?> 11.3 682 11.4 682 683 12 684 12.1 686 12.2 690 12.3 691 12.4 696 12.5 707 727 13 728 13.1 728 13.2 778 797 14 798 14.1 798 14.2 799 14.3 799 14.4 800 14.5 802 15 814 15.1 815 15.2 816 15.3 819 15.4 821 15.5 823 15.6 823 15.7 831 15.8 838 15.9 839 15.10 842 843 16 844 16.1 844 16.2 845 Berichte und Dokumentationen im Instandhaltungsmanagement . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt H Schweregrad von Fehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schweregrad eines Fehlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektralanalyse zum Ableiten von Diagnoseprioritäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitbereichs-, Orbit- und Resonanzanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegel (Gesamt-, Schmalband- und Komponentenpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmierstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikation nach Kritikalitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt I Rotordynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotor- und Lagerdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotorcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagercharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt J Fehlerpriorität und Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren und Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strategien der FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Entstehung der FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methodik der FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FMEA in der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermitteln des Diagnosebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Systematik der FMSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinenhistorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagnose- und Prognosekonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . KPI-basiertes Condition Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschlägige Normung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt K Multivariate Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multivariate Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Performance eines Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multivariate Strategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Inhalt <?page no="12"?> 16.3 856 16.4 858 860 17 861 17.1 861 17.2 861 17.3 864 17.4 874 17.5 876 881 886 901 Multivariate Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschnitt L Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenmanagement und Zertifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Grundidee - historische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LCC und RAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zertifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Inhalt <?page no="13"?> Einleitung Dieses Buch bringt eine umfassende Darstellung des Themenkreises Zustandsüberwachung, Fehlerdiagnose sowie Zuverlässigkeitsoptimierung für Maschinen und Anlagen mit Blickrichtung auf ein wirksames Instandhaltungsmanagement. Was die Zustandsüberwachung betrifft, liegt ein deutlicher Schwerpunkt auf dem Bereich Schwingungen, da Schwingungen dort bekanntlich eine tragende Rolle spielen. Beim Instandhaltungsmanagement werden Wissen, Erfahrungen und Methoden vorgestellt, die das Bewerten von Asset-Kritikalitäten zum Ziel haben. Das Buch wendet sich an alle, die mit einschlägigen Aufgaben befasst sind, sowohl an Neueinsteiger wie auch an bereits erfahrene Routiniers. An alle bedeutet auch, an Personen mit unterschiedlicher Vorqualifikation, beginnend vom technischen Personal bis hin zur vielleicht schon mehr wissenschaftlich orientierten Fachkraft, die ihr Know-how noch erweitern und vertiefen, oder manchmal nur spezielle Themen nachschlagen will. Mit gezielt ausgewählten Beispielen wird eine Fülle von praktischem Wissen vermittelt. Beispiele sind immer wertvoll - gleichermaßen, ob man sich erst einlesen will oder als Hilfestellung für gezielte Entscheidungen, wenn man eine Handlungsanregung sucht oder wenn man Erfahrungen oder Ergebnisse bestätigt sehen will. Leitfaden der Buchstruktur ist die Norm DIN ISO 18436 Teil 2, Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Anforderungen an die Qualifizierung und Bewertung von Personal - Teil 2: Schwingungszustandsüberwachung und -diagnostik, deren Struktur sich in der Überschrif‐ tenhierarchie dieses Buches wiederfindet. Vollständig und für alle vier Kategorien Cat I bis Cat IV. Und noch vieles darüber hinaus. Dem angesprochenen Leserkreis kommt auch der Aufbau des Buches entgegen. Es ist in mehrere Hauptabschnitte A bis L gegliedert, nach folgendem Schema: Abschnitt A, Überblick: Dieser einleitende Abschnitt, mit Bedacht auch in der gebotenen Ausführlichkeit an den Beginn gestellt, soll die richtige Motivation liefern, in das Gebiet der Zustandsüberwachung einzusteigen. Motivation jedoch nicht nur für den Einstieg, es geht auch um die Frage der richtigen Zielsetzungen - nicht immer gleich so selbstverständlich, wie es auf den ersten Blick scheinen mag. Hier werden die Weichen für den späteren Erfolg gestellt, bereits im Vorfeld! Welche Fehler können auftreten? Wie sind sie zu priorisieren? Wie zu vermeiden? Und wie ist zu reagieren und weiter vorzugehen, wenn ein Fehler auftritt? Die Minimierung oder Optimierung des Instandhaltungsaufwands wird die unmittelbare Aufgabenstellung sein. Aber der Horizont ist weiter zu stecken. Ziel muss immer sein, die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einer Maschine, einer Anlage oder ganz allgemein eines Assets sicherzustellen, und zwar mit einem realistischen Zeithorizont. Zeithorizont - das betrifft auch die Kostenfrage, wirtschaftlich/ kaufmännisch betrachtet. Und über den gesamten Lebenszyklus, von der Anschaffung bis zur Obsoleszenz (inklusive! ). Dazu wird in einem großen, übersichtlichen Bogen die gesamte Methodik vorgestellt, messtech‐ nisch, analytisch und konzeptionell. Denn der große Überblick schärft nachher das Verständnis fürs Detail. Ein erster Blick schon hier auf wichtige Normen, denn Normen sind dokumentierte Erfahrung. Anmerkung: Auch systematische Misserfolge bedeuten Erfahrung. Man findet sie hier beispielhaft als sogenannte Todesspiralen. <?page no="14"?> Und nicht zuletzt: Der nachhaltige Umgang mit den zu erwartenden, großen Datenmengen, alles was in Richtung künstliche Intelligenz führt. Abschnitt B, Schwingungen, ist den Grundlagen der Schwingungslehre gewidmet, und zwar aus messtechnisch-analytischer Sichtweise, wichtig nicht nur für den Einstieg. Es werden zunächst die weitgehend bekannten schwingungsbasierten Kenngrößen zum Maschinenschutz zusammengefasst. Aber auch die viefältigen Entstehungsmechanismen und Erscheinungsbilder störender oder gefährlicher Schwingungen kommen zur Sprache - vieles vielleicht bekannt, manches für manchen aber auch Neuland. Entsprechend dem breitgefächerten Bereich der Anwenderkategorien war es erklärtes Ziel der Autoren, einerseits die im Tagesgeschäft tätige Fachkraft anzusprechen, die nicht unbedingt mit höherer Mathematik und Physik vertraut sein muss, andererseits jedoch auch Interessantes für bereits Erfahrene zu bieten. Ohne erstere zu überfordern, ohne letztere zu langweilen. Abschnitt C, Messung und Analyse, der Werkzeugkasten der Zustandsüberwachung. Daten‐ erfassung, Signalverarbeitung und Organisation von Überwachungsprogrammen sind hier die Themen. Mit Anleitungen und Beispielen zur Speicherung und Archivierung der Ergebnisse, nicht als bloße Datenmenge, sondern als echter Wissensspeicher, zielsicher abrufbar, auch über einen Fortschritt von Technologie oder den Wechsel von Fachpersonal hinaus verfügbar. Und nicht zuletzt die aussagekräftige Darstellung der Ergebnisse. Alles im Blickrichtung Langzeituntersuchung. Abschnitt D, Fehleranalyse, ist der Einstieg ins Tagesgeschäft. Er bietet eine umfassende Darstellung der Fehlererkennung und -analyse, eingeleitet zunächst mit den gängigen Analy‐ severfahren, jetzt aber stringent fehlerbezogen. Dann folgt die ausführliche Erklärung der vielfältigen mechanischen Fehler mit ihren typischen Merkmalen und Symptomen. Abschnitt E, Handlungsempfehlungen, befasst sich darauf aufbauend mit Korrekturmaßnah‐ men und allem, was dazu vonnöten ist: allgemeine Anlagenkenntnisse, Abnahmeprüfungen, Anlagenprüfung und Diagnostik. Relevant sowohl für das schwingungsbasierte Condition Moni‐ toring als auch für das Instandhaltungsmanagement, mit vielen wertvollen Praktikertipps und Handlungsempfehlungen. Abschnitt F, Normen und Standards, gibt einen umfassenden Überblick zum vielfältigen einschlägigen Normen- und Richtlinienwerk, national wie international. Schon allein der Umfang belegt die Wichtigkeit dieser Dokumente. Sie bilden die unentbehrliche Basis sowohl für agiles Management, vor allem im Zuge der Globalisierung, wie auch für das konfliktfreie Zusammen‐ spiel im Internet der Dinge. Und eine ergiebige Fundgrube für Standardverfahren. Abschnitt G, Dokumentation, behandelt die Themen Berichte und Dokumentation. Nicht nur von sachlicher Wichtigkeit, auch eine Visitenkarte des Teams, ein Schaufenster der Firma. Abschnitt H, Schweregrad von Fehlern - hat man sich zuvor mit den Symptomen der Fehler befasst, ist jetzt umgekehrt die Identifikation von Fehlern anhand von Symptomen und die quantitative Beurteilung des Schweregrads Thema der Ausführungen. Abschnitt I, Rotordynamik, ist eine eher anspruchsvolle Thematik zu Rotoren und den damit verbundenen Komponenten: Nicht nur der Rotor selbst, auch Lager, Dichtungen und was damit zusammenhängt. Auch der richtige Ort, um das Thema Stabilität einmal im Detail zu durchleuchten. Ein etwas anspruchsvollerer Part, eher gedacht für die höheren Kategorien. Und zumindest eine geeignete Basis, um einschlägige Probleme auf Augenhöhe zu diskutieren. Abschnitt J, Fehlerpriorität und Performance, bildet den Schulterschluss zur allgemeinen, heute schon selbstverständlichen Qualitätssicherung und Fehlervermeidung bereits im Vorfeld. Zentrale Themen sind die Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) und darauf aufbauend die 14 Einleitung <?page no="15"?> Fehlersymptomanalyse FMSA, die aus den zuvor erarbeiteten Kenntnissen über Fehlersymptome ein kompaktes Diagnosesystem erstellt. Abschnitt K, Multivariate Systeme, ist schlussendlich der Weg zu einer holistischen Überwa‐ chung, also einer ganzheitlichen Beurteilung auf der Basis aller bekannten Symptome, ausgegeben als Beurteilungsgröße für die gesamte Performance, vorzugsweise in Form eines KPI und zusätzlich mit der Fähigkeit zu gezielten Handlungsanweisungen. Abschnitt L, Wirtschaftlichkeit, bringt schließlich noch Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zur Sprache, die im Rahmen des Anlagenmanagement und der Zertifizierung von Bedeutung sind, auch im Hinblick auf künftige Strategien. Zur Buchstruktur Da sich die Struktur des Buches in weiten Teilen an die Vorgaben der Norm DIN ISO 18436-2 zur Ausbildung und Zertifizierung von Personal zur Zustandsüberwachung hält, wurde eine weitgehend parallele Nummerierung der Kapitel dieses Buches mit der Syllabustabelle dieser Norm eingehalten. Dadurch war es erforderlich, das einführende Kapitel mit der Hauptnummer 0 zu beginnen, vielleicht etwas ungewohnt, jedoch von der organisatorischen Seite her durchaus zweckdienlich. Die darauf folgenden Hauptabschnitte 1 bis 13 laufen in den beiden ersten Überschriftenkategorien mit dem Syllabus der Norm streng parallel, was vor allem ein schnelles Nachschlagen erleichtern wird. 15 Einleitung <?page no="16"?> Abschnitt A Überblick Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement ● Überblick ● Historische Entwicklung ● Analyse und Beurteilung ● Aktuelle Konzepte ● Zukünftige Tendenzen <?page no="17"?> 1 IoT - Internet of Things, IIoT - Industrial Internet of Things 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement Praktisch jeder aus dem Kreis der Ingenieure kennt heute den Begriff Zustandsüberwachung - sei es aus dem Studium, sei es von Kongressen oder Tagungen, vielleicht auch aus namentlicher Kenntnis der Autoren dieses Buches. Oder vielleicht schon aus eigenen Erfahrungen. Erfahrungen, die gut waren, manchmal auch weniger gut oder möglicherweise sogar erfolglos. An diesen Personenkreis in seiner Gesamtheit soll dieses Buch gerichtet sein. Aber auch für Personen, die sich zu einer Zertifizierung auf diesem Gebiet entschlossen haben. Besonders für eine Zertifizierung zur Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen nach DIN ISO 18436-2 soll dieses Buch als Unterstützung von Schulung und Ausbildung dienen. 0.1 Motivation und Konzepte Die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen mit dem Ziel eines optimalen Instand‐ haltungsmanagements war eine der ersten, vielleicht sogar die erste industrielle Anwendung der Schwingungsmesstechnik und Schwingungsanalyse überhaupt. Der Gedanke leitet sich eigentlich schon aus der Urform seiner Anwendung ab, nämlich der gehörmäßigen Beurteilung des Laufgeräusches durch das Ohr des erfahrenen Betreibers - auch heute noch ein wichtiges Hilfsmittel. Begonnen hat die technische Anwendung unmittelbar nachdem Messgeräte und Methoden zur elektrisch/ elektronischen Schwingungsmessung zur Verfügung standen, also in den frühen sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Seit damals hat sie sich von einem eher elitären, anfangs oft mit einer gewissen Skepsis betrachteten Spezialgebiet für eine Handvoll hochausge‐ bildeter Spezialisten zu einem leistungsfähigen Werkzeug entwickelt, welches aus dem heutigen industriellen Umfeld nicht mehr wegzudenken ist. Gestützt wurde diese Entwicklung durch die Tendenz zu steigender Leistungsdichte im Maschinen- und Anlagenbau - leichtere Bauweise, höhere Drehzahlen - und die Auslegung auf vordefinierte, jedenfalls endliche Laufzeiten. Fortscheitende Digitalisierung und Vernetzung, vor allem im Zuge des Internets der Dinge (IoT bzw. IIoT) 1 , rücken die Zustandsüberwachung endgültig ins Zentrum des Interesses, da ein sicherer Betrieb vernetzter Strukturen ohne wirksame Überwachungsmaßnahmen nicht mehr vorstellbar ist. Aber mehr noch: Zustandsüberwachung und Fehlerdiagnose können nicht Selbstzweck sein, sie sind heutzutage eigentlich nicht mehr für sich allein zu betrachten. Sie werden Teilgebiet oder vielmehr Kernthema eines umfassenden Instandhaltungsmanagements sein. Das spiegelt sich schon im Titel dieses Buches wider. Ziel des Buches ist es, dieses mittlerweile sehr umfangreiche und vielfältige Sachgebiet möglichst vollständig darzulegen, den Leser an den aktuellen Stand der Technik heranzuführen und vielleicht auch den Blick ein wenig über den Rand hinaus zu lenken. Natürlich müssen die ursprünglichen Überlegungen nach wie vor berücksichtigt werden, nach dem Motto was fange ich mit den Ergebnissen von Messungen, speziell von Schwingungsmessungen überhaupt an - natürlich wird meine Maschine immer schwingen. Heute sind solche Überlegungen nach wie vor <?page no="18"?> 2 Erfahrung ist die Summe aller gemachten Fehler. 3 So stimmen etwa schon die Nummerierungen zwischen der Norm DIN ISO 18436-2 und den einschlägigen Kapiteln dieses Buches konsequent überein. aktuell, sie sind durchdacht und weitgehend in internationalen Normen als Standard festgelegt. Entsprechend umfangreich und vielfältig fällt der Inhalt eines solchen Buches aus. Zur Erstorientierung bringt dieser erste Abschnitt einen Überblick über die gesamte Thematik in der gleichen Strukturierung, in welcher dann das gesamte Buch aufgebaut ist. Begriffe werden hier definiert und beschrieben, die ausführliche Behandlung folgt dann in den späteren, spezialisierten Kapiteln. Ausgenommen sind hier lediglich die zuvor schon zitierten Standardver‐ fahren, auf welche wegen ihrer besonderen Bedeutung schon in diesem Abschnitt etwas näher eingegangen wird. Aber nicht nur eine Erstorientierung soll Ziel dieses einleitenden Abschnitts sein. Er soll auch anregen, gleich bei der Lektüre ein Managementkonzept zu entwickeln, zumindest im Kopf oder besser noch, am Papier, was man eigentlich will und wie man das erfolgreich erreicht (auch wenn natürlich immer der Gewinn im Hintergrund steht). Das alles, bevor man vielleicht blindlings mit einem billigen Überwachungssystem auf ein aktuelles Problem einschlägt, wo es (zufällig) im Moment gerade zwickt! 0.2 Instandhaltung Instandhaltung ist das unabdingbare Fundament jedes Maschinenbetriebs. Instandhaltungsmaß‐ nahmen sind technische und administrative Konzepte, die einen dauerhaften und störungsfreien Betrieb von Maschinen und Anlagen sichern sowie einen wirtschaftlichen Einsatz gewährleisten und optimieren. Die Grundlagen der Instandhaltung sind weitgehend in Normen definiert und festgelegt. Ein wertvolles und wichtiges Werkzeug der Instandhaltung ist die Zustandsüberwa‐ chung, allgemein auch bekannt als Condition Monitoring (CM). Ein wirksames und erfolgreiches Instandhaltungsmanagement sollte nicht erst bei schon laufendem Maschinenbetrieb einsetzen, es sollte vielmehr am Beginn jeder Planungsphase stehen. Dieses Thema ist daher auch bewusst an den Anfang dieses Buches gestellt. Hier werden nicht nur moderne und zeitgemäße Konzepte entwickelt und erläutert, auch die historische Entwicklung wird fallweise skizziert, frühere Erfahrungen können dabei einfließen 2 . Begriffe, Fachbegriffe sind ebenfalls weitgehend in Normen und Richtlinien festgelegt. Diese Begriffe sollte man kennen und korrekt verwenden - das signalisiert Kompetenz und gewährleis‐ tet Zielsicherheit bei Verhandlungen. Zusätzlich können normative Fachbegriffe in Konfliktfällen juristisch relevant werden (auch oder besonders im Nachhinein). Nach diesem Einführungskapitel ist der Weg bereitet für das Thema Condition Monitoring als Werkzeug der Instandhaltung - zentrales Thema des Buches, beginnend mit Abschnitt 1. Auch hier, also praktisch im gesamten Buch, ist die Korrelation zu einschlägigen Normen (Zertifizierung von Fachpersonal) durchgehend strukturiert 3 . Im Verlauf des Textes, vor allem jedoch in späteren, aufbauenden Abschnitten, wird das Thema Instandhaltung und Instandhaltungsmanagement noch vertieft sowie durch teils bekannte, teils neue Methoden ergänzt und erweitert. Das Fundament wird damit in einen soliden Rahmen gebettet, in dessen Zentrum die Grundthematik Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen steht. 18 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="19"?> 0.2.1 Grundlagen der Instandhaltung Die Grundlagen der Instandhaltung und eine Definition einschlägiger Begriffe sind in den Normen DIN 31051, Grundlagen der Instandhaltung sowie DIN EN 13306, Instandhaltung - Begriffe der Instandhaltung beschrieben bzw. definiert. Im Folgenden werden diese Definitionen ausschnitts‐ weise wiedergegeben, insoweit sie den engeren Zielsetzungen dieses Buches entsprechen. Was versteht man heute unter Instandhaltung, was umfasst dieser Begriff? Der Begriff ist in DIN EN 31051 folgendermaßen definiert (Zitat): Instandhaltung sind Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Sollzustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von technischen Mitteln eines Systems. Eine äquivalente Definition findet man in der Norm DIN SPEC 91345: Unter dem Begriff Instandhaltung werden Maßnahmen zusammengefasst, um die Funktionsfähigkeit eines Assets zu erhalten oder wiederherzustellen. Ein Asset - zitiert nach der gleichen Norm - ist ein Gegenstand, der einen Wert für eine Organisation hat, im gegebenen Zusammenhang also eine Maschine oder Anlage. Instandhaltung umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die in Tabelle 0.1 zusammengefasst sind und dazu dienen, den Abnutzungsvorrat der jeweiligen Maschine, Anlage oder des Objekts zu bewahren. Wie sich der Abnutzungsvorrat von Objekten, Maschinen oder Anlagen bei bestimmungsge‐ mäßer Benutzung verändert, ist in Bild 0.1 (nach DIN 31051) veranschaulicht. Im Neuzustand beträgt der Abnutzungsvorrat 100 % und die volle Funktionsfähigkeit ist gegeben. Mit der Nutzung verschleißen, korrodieren, ermüden, verschmutzen und altern Einzelteile, ihre Abnutzung schrei‐ tet voran. Es treten an der Maschine erste Fehler auf und es kommt zu Störungen. Rechtzeitige Instandhaltung wird notwendig, um den erforderlichen Abnutzungsvorrat wieder herzustellen. Fällt die Maschine komplett aus, ist die Funktionsfähigkeit nicht mehr gegeben, es kann sogar zu einem längeren Maschinenstillstand und Produktionsausfall kommen. Maßnahme Aktion Wartung Verzögerung des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrats Inspektion (Messung) Feststellung und Überwachung von Istzuständen Störungs- und Fehleranalysen Prognosen Lösungsvorschläge geben Instandsetzung Wiederherstellung des Sollzustands Verbesserung Optimierung der Funktionssicherheit Schwachstellenbeseitigung Tabelle 0.1: Instandhaltungsmaßnahmen 19 0.2 Instandhaltung <?page no="20"?> Nachfolgend werden die wichtigsten Begriffe der Instandhaltung zumeist in Anlehnung an DIN 31051 (kursiv die Originalzitate aus der Norm) kurz erläutert. Die vollständige Definition ist der Norm zu entnehmen: Asset Unter diesem Begriff werden Gegenstände, die für eine Organisation einen Wert haben, zusammen‐ gefasst (nach DIN SPEC 91345). Objekt Teil, Bauelement, Gerät, Teilsystem, Funktionseinheit, Betriebsmittel oder System, das/ die für sich allein beschrieben und betrachtet werden kann. Nutzung Bestimmungsgemäße Verwendung eines Objekts unter Berücksichtigung der allgemein anerkannten Regeln der Technik. Instandhaltung Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Manage‐ ments während des Lebenszyklus eines Objekts, die dem Erhalt oder der Wiederherstellung des funktionsfähigen Zustands dient, sodass es die geforderte Funktion erfüllen kann. Abnutzungsvorrat Vorrat der möglichen Funktionserfüllung unter festgelegten Bedingungen, der einem Objekt aufgrund der Herstellung, Instandsetzung oder Verbesserung innewohnt, siehe Bild 0.1. Bild 0.1: Abnutzungskurve nach DIN 31051 20 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="21"?> Wartung Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrats. Wartung sind Maßnahmen zur Bewahrung des Sollzustandes von technischen Mitteln eines Systems und dienen zur Reduktion der Abnutzungsgeschwindigkeit. Zur Wartung gehören zum Beispiel ● Schmieren, ● Reinigen, ● Konservieren, ● Befestigen, ● Anpassen, ● Optimieren. Inspektion Prüfung auf Konformität der maßgeblichen Merkmale eines Objekts durch Messung, Beobachtung oder Funktionsprüfung. Die Inspektion umfasst alle Maßnahmen zur Feststellung, Prüfung und Beurteilung des Istzustands sowie des aktuellen Verhaltens der Maschinen und Anlagen und ist gewissermaßen das Herzstück jeder Instandhaltung. Inspektion kann über eine visuelle Beurteilung oder quantitativ mit messtechnischen Mitteln stattfinden. Instandsetzung Physische Maßnahme, die ausgeführt wird, um die Funktion eines fehlerhaften Objekts wiederherzu‐ stellen. Bei der eigentlichen Instandsetzung erfolgt nicht nur eine Reparatur, sondern sie ist auch eine Investition in die Zukunft der Assetverfügbarkeit. Werden dann noch Schwachstellen präventiv beseitigt oder prozessbedingte Beanspruchungen gezielt optimiert, verbessert sich nicht nur der gesamte Maschinen- und Anlagenzustand, sondern es werden auch Lebensdauer und Wert des Assets erhöht. Instandhaltbarkeit Bewertung der Eignung eines Assets, um es in einer definierten Zeit unter spezifizierten Bedingungen geplant instand zu halten. Abnutzung und Schädigung Minderung der Fähigkeit zur einwandfreien Funktionserfüllung eines Assets infolge seiner Nutzung. Ausfall Unbeabsichtigte Unterbrechung der Funktionsfähigkeit infolge von Abnutzung oder infolge eines entstandenen Fehlers. 21 0.2 Instandhaltung <?page no="22"?> Fehler Unzulässige Überschreitungen von Grenzwerten für bestimmte Deskriptoren. Erreichen eines Objekt‐ zustandes, in dem es unfähig ist, eine geforderte Funktion zu erfüllen. Eine Nutzung kann jedoch trotz Fehler noch möglich sein. Störung Unbeabsichtigte Beeinträchtigung oder Unterbrechung der Funktionserfüllung eines technischen Assets. Schaden Zustand nach Überschreitung der Schadensgrenze durch einen oder mehrere Effekte, was zur Störung oder zum Ausfall des Assets führt. Mangel Vor Beginn der ersten Funktionserfüllung fehlt ein zugesichertes Merkmal oder es ist nur beschränkt vorhanden, so dass der vereinbarte Sollzustand nicht erreicht wird. Schwachstelle Objekt, bei dem ein Ausfall häufiger auftritt, als es der geforderten Verfügbarkeit entspricht, und bei der eine Verbesserung möglich und wirtschaftlich vertretbar ist. Verbesserung (der Funktionssicherheit) Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Manage‐ ments zur Steigerung der immanenten Zuverlässigkeit und Instandhaltbarkeit und Sicherheit eines Objekts, ohne seine ursprüngliche Funktion zu ändern. Modifikation Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Manage‐ ments zur Anpassung einer oder mehrerer Funktionen eines Objekts. Lebenszyklus Anzahl von Phasen, die ein Objekt durchläuft, beginnend mit der Konzeption und endend mit der Entsorgung. Ein typischer System-Lebenszyklus besteht aus Erwerb, Betrieb, Instandhaltung, Modernisie‐ rung, Außerbetriebnahme und Entsorgung. Anmerkung: Die angegebenen Phasen variieren je nach Anwendung. 0.2.2 Instandhaltungs- und Servicestrategien Stand ursprünglich vor allem eine reaktive Instandhaltung im Vordergrund (also Fahren bis zum Versagen), so wird heute eine ganze Reihe von Konzepten eingesetzt. Zunächst ein Überblick. 22 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="23"?> 0.2.2.1 Konzepte und Fachbegriffe Instandhaltungs- oder Servicemaßnahmen werden vorwiegend orientiert am Zustand eines Ob‐ jekts oder technischen Assets ausgeführt. In zunehmendem Maße werden jedoch auch wirtschaft‐ liche Rahmenbedingungen einbezogen, die zu einer Vielzahl unterschiedlicher Instandhaltungs- und Servicestrategien geführt haben. Die strategische Entwicklung im Laufe der Zeit ist in Bild 0.2 veranschaulicht, die einzelnen Begriffe sind in Tabelle 0.2 und Tabelle 0.3 zunächst zusammen mit den englischsprachigen Aus‐ drücken aufgelistet und definiert. Danach wird einmal die gesamte Methodik der Instandhaltung einführend vorgestellt. Auf diesem Weg soll dem Leser schon vorweg ein umfassender Überblick vermittelt werden. Die Zweisprachigkeit trägt dabei dem aktuellen Sprachgebrauch Rechnung. Bild 0.2: Entwicklung von Instandhaltungsstrategien im Zuge des technischen Fortschritts 0.2.2.2 Kundenzentriertheit Ursprünglich stand hauptsächlich eine reaktive Instandhaltung im Vordergrund, heute nutzt man zunehmend präventive Instandhaltungskonzepte. Stand zu Beginn allein die Maschine im Zentrum des Interesses, ist heute wichtigster Gesichtspunkt die Kundenzentriertheit, also Bedürfnisse und Interessen des Betreibers. Ob Hersteller oder Dienstleister: Heute steht weniger die Frage im Mit‐ telpunkt „wie wird die Maschine besser? “, wichtiger sind Zufriedenheit und Erfolg des Kunden. Anmerkung: Präventiv bedeutet im gegebenen Zusammenhang nicht die bloße Beseitigung eines Fehlers, sondern auch die Behebung der Fehlerursache. 23 0.2 Instandhaltung <?page no="24"?> Deutsch Englisch Abk. Kap. Reaktive Instandhaltung Reactive Maintenance RTF 0.6.1 Zeitbasierte (vorbeugende) Instandhaltung Time Based Maintenance TBM 0.6.2 Zustandsorientierte Instandhaltung Condition Based Maintenance CBM 0.6.3 Vorausschauende Instandhaltung Predictive Maintenance PdM 0.6.4 Präventive Instandhaltung Preventive Maintenance PM 0.6.5 Zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung Reliability Centered Maintenance RCM CAPM 0.6.6 Verfügbarkeitsorientierte Instandhaltung Capacity Oriented Maintenance Präskriptive Instandhaltung Prescriptive Maintenance PcM 0.6.8 Performancebasierte Instandhaltung Performance Based Maintenance PBM (TPM) 0.6.6 Lebenszyklusmanagement Life Cycle Management LCC 0.25.2 Produktlebenszyklusmanagement Product Lifecycle Management PLM 0.26 Tabelle 0.2: Instandhaltungsstrategien im Überblick Strategie Erläuterung Reaktive Instandhaltung Instandsetzung erst nach Ausfall Zeitbasierte Instandhaltung Geplante Instandhaltung in festen Abständen Zustandsorientierte Instandhaltung Wartung und Instandhaltung erst bei Systemverschlechterung Zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung Sicherstellen von Systemfunktion und Zuverlässigkeit Verfügbarkeitsorientierte Instandhaltung Sicherstellen der Verfügbarkeit Präskriptive Instandhaltung Strategien für künftige Instandhaltungsmaßnahmen Performancebasierte Instandhaltung kontinuierliche Verbesserung in allen Bereichen Lebenszyklusmanagement Kostenmanagement über den gesamten Lebenszyklus Produktlebenszyklusmanagement Integration sämtlicher Informationen, die im Verlauf des Lebenszyklus anfallen Tabelle 0.3: Instandhaltungsstrategien - Erläuterungen Welcher Weg dann zum angestrebten Erfolg führt, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten in der Anwendung ab. Ob eine präventive Instandhaltung dann zusätzlich über Verfahren wie TPM, Life Cycle Management oder RCM stattfindet, entscheiden letztlich die zuständigen Verantwort‐ lichen. Bezüglich RCM (Reliability centered Maintenance) sei vermerkt, dass heutzutage in der Industrie kaum noch zwischen zuverlässigkeitsorientierter und verfügbarkeitsorientierter In‐ standhaltung unterschieden wird. Beides wird meist wie im englischsprachigen Raum unter dem Begriff Reliability zusammengefasst. Hinsichtlich der herstellerbezogenen Servicestrategien sei 24 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="25"?> schließlich noch die Performance-orientierte Vorgehensweise erwähnt. Dabei versteht man unter Performance die Fähigkeit eines Systems, eine gestellte Aufgabe effizient zu erfüllen (der Begriff Leistung wäre in diesem Zusammenhang zu eng gesteckt). Die unmittelbar mit dem Thema Zustandsüberwachung und Instandhaltung in Verbindung stehenden Themen werden im Anschluss behandelt. 0.3 Der erfolgreiche Einstieg ins Instandhaltungsmanagement Nach dem ersten Überblick kommt jetzt der Einstieg ins Detail. 0.3.1 Konzepte und Methodik Bevor man mit der Zustandsüberwachung von Maschinen beginnt, bevor man erste Investitionen tätigt, sollte man sich unbedingt eine Asset-Kritikalitätsstrategie sowie ein umfassendes Konzept für ein Condition Monitoring Programm zurechtlegen: Was will man überhaupt überwachen und mit welcher Methodik. Eine Zustandsüberwachung ist damit auch Teil eines ganzheitlichen Instandhaltungsmanagements - und diesem kommt zweifelsohne die übergeordnete Bedeutung zu! In diesem Sinne ist im Vorfeld jeder praktischen Aktivität eine Reihe Fragen zu stellen und zu bearbeiten, um Fehlinvestitionen zu vermeiden und Misserfolgen vorzubeugen. Hier eine thematische Zusammenstellung: ● Für welche Maschinen und Anlagen existiert eine Kritikalitätsbewertung für die technischen Assets? ● Was will ich mit dem Instandhaltungskonzept erreichen? ● Welcher Zeithorizont ist zu berücksichtigen? ● Wie sind die Kosten über den Zeithorizont oder den Lebenszyklus zu ermitteln? ● Wie sieht die Zukunft aus? Wie sich bereits bei diesen Fragestellungen mangelhaftes Management auswirken kann, ist in den folgenden beiden ins Deutsche übersetzten Bildern des Mobius-Instituts deutlich und eindrucksvoll dokumentiert (die verwendete Bezeichnung „Todesspirale“ spricht in diesem Kontext für sich). Die Thematik dieses Abschnitts wird die hier aufgeworfenen Fragen systematisch beantworten. Zwar teilweise nur einführend (detaillierte Ausführungen werden später in den entsprechenden Kapiteln gegeben), jedoch durchaus schon geeignet, zielorientierte Konzepte erst einmal aufzustellen. Bild 0.3: Die „Todesspirale“ der vorausschauenden Instandhaltung 25 0.3 Der erfolgreiche Einstieg ins Instandhaltungsmanagement <?page no="26"?> Bild 0.4: Die „Todesspirale“ einer halbherzigen Schwingungsüberwachung 0.3.2 Organisation von Anfang an Man kann es schon aus diesen einführenden Worten erkennen, aus den Bildern und Tabellen ersehen: Basis einer Zustandsüberwachung sind vorwiegend vergleichende Verfahren: Vergleich mit Referenzdaten, Trendverfolgung und Trendanalyse - und zwar vom Beginn an. Und beglei‐ tend über die gesamten Betriebsdauer - alles innerhalb eines schon oben erwähnten, in jede Strategie einzubeziehenden Zeithorizonts. All das erfordert eine nachhaltig geplante Datenerfassung, eine sorgfältige Datenarchivierung - und zwar von Anfang an. Hier zu sparen kann teuer werden, zaghafte Planung kann immer wieder ein Aufsetzen von neuem erfordern. Darüber wird an entsprechender Stelle noch zu reden sein, beim Thema Datenerfassung. 0.3.3 Geschäftsmodelle Ursprünglich war Zustandsüberwachung ein Thema allein für sich, möglichst perfekt bearbeitet von Spezialisten aus dem Kreis hochausgebildeter Ingenieure, oft bis hinein in den Bereich der Wissenschaft - und alles eben möglichst perfekt. Die Partner blieben jedoch meist unter sich: Entwickler, Planer, Berater, Betreiber. Heutzutage steht man vor einer völlig veränderten Situation. Stichwort agiles Management: Alle der genannten Institutionen oder Gruppen arbeiten jetzt verknüpft zusammen, vielleicht sogar schon vernetzt über maßgeschneiderte Cloudkonzepte und optimieren die Zustandsüber‐ wachung in der Anwendung. Aber auch im Instandhaltungsmanagement verändern sich Ge‐ schäftsmodelle. 26 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="27"?> Beispiele: ● Modell 1 - Ein Hersteller von Flugzeugturbinen produziert Turbinen und verkauft seine zustandsgeprüften Triebwerke mit Gewinn (die ursprüngliche Situation). ● Modell 2 - Gewinn wird über direkten oder indirekten Verkauf (zum Beispiel über Leasing‐ gesellschaften) und über regelmäßige Instandhaltung, messtechnische Inspektionen bzw. Reparaturen erzielt (der erste Schritt in Richtung Lebenszyklus). ● Modell 3 - Der Hersteller wird zum Betreiber und liefert Flugstunden, die komplette Instand‐ haltung liegt jetzt in seiner Hand. Zustandsüberwachung wird zum zentralen Werkzeug und liegt jetzt zusätzlich in optimalen Händen. Gewinn wird erzielt, wenn alles mit hoher Zuverlässigkeit läuft (die finale Situation). Hier entstehen völlig neue Geschäftsmodelle, primärer Kunde des Herstellers ist jetzt vielleicht sogar ein Finanzdienstleister. Auch solche Konstellationen müssen in das Management einfließen (Argumentation). Anmerkung: Das Thema Geschäftsmodelle steht nicht nur hier, zu Beginn, in der Einleitung - es wird auch noch am Ende des Buchs stehen, zum Thema Anlagenwirtschaft - eine wirklich umfassende Thematik. 0.4 Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen Unabhängig von der Gesamtstrategie wird in der Instandhaltung stets die Zustandsüberwachung im Brennpunkt stehen. Was ist genau darunter zu verstehen? Der Betrieb von Maschinen und Anlagen im industriellen Umfeld erfordert eine Reihe von Maß‐ nahmen zur Betriebsüberwachung, um eine einwandfreie Funktion und einen ordnungsgemäßen Produktionsprozess aufrechtzuerhalten. Die Überwachung von Öldruck und Öltemperatur, die Kontrolle von Betriebsparametern wie Drehzahl, Leistung, Wirkungsgrad sind altbekannte Beispiele. Der Gedanke einer Überwachung und Beurteilung ist also eigentlich schon von Anfang an mit dem Betrieb von Maschinen verbunden. Als Anschauungsbeispiel kann der klassische Service eines Kraftfahrzeugs herangezogen werden. Tabelle 0.4 zeigt eine Gegenüberstellung von althergebrachten Maßnahmen aus diesem Bereich mit den erweiterten Methoden einer modernen Zustandsüberwachung. Zielgröße Automobil Zustandsüberwachung Das Laufgeräusch … klingt gut ist etwas laut Überwachung weist auf schlechte Lager hin Diagnose Betriebsdauer bis zum nächsten TÜV, DEKRA, … Prognose der verfügbaren Restlaufzeit Zusatzmaßnahmen Ölkontrolle Kontrolle der Betriebstemperaturen präventive Maßnahmen Kostenoptimierung Wartungsplanung (Serviceheft) Life Cycle Management Tabelle 0.4: Vergleich eines klassischen Kfz-Service mit moderner Zustandsüberwachung 27 0.4 Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen <?page no="28"?> Neben der Betriebsüberwachung sind selbstverständlich Inspektion, Wartung und Reparaturar‐ beiten unerlässlich für die Aufrechterhaltung eines klaglosen Betriebes. Seit jeher spielt die Beurteilung der Betriebsgeräusche und Betriebsschwingungen eine tragende Rolle bei Überwa‐ chung und Diagnose. Das basiert schon auf der Erfahrung, dass sich Fehler, vor allem mechanische Fehler, meist frühzeitig geräusch- oder schwingungsmäßig ankündigen. Daher ist diese Frage auch Kernthema des gesamten Fachbuches und wird in den ersten Abschnitten vorwiegend behandelt. 0.4.1 Instandhaltungsmethodik Mittlerweile haben sich im industriellen Bereich neben Maßnahmen wie Temperatur- und Prozessüberwachung vielfältige weitere Methoden zur messtechnischen Inspektion etabliert. Die wichtigsten sind in Tabelle 0.5 zusammengefasst. Methode Anwendung Schwingungsanalyse Fehlerfrüherkennung Fehlerdiagnose Prognose Ultraschall Fehlerfrüherkennung Lecksuche elektrische Teilentladungen Ölanalyse Optimierung des Schmiermanagements Partikelanalyse Verschleißuntersuchung Infrarot Thermographie Hinweis auf Wärmequellen Motorstromanalyse Überprüfung elektrischer Maschinen Thermoelektrische Verfahren Schmierzustände Wälzlagerzustände Gleitlagerzustände Tabelle 0.5: Methodik der messtechnischen Inspektion Der Reihenfolge in dieser Tabelle entspricht auch eine gewisse Rangordnung, was mit der Leistungsfähigkeit und Häufigkeit der Anwendung korreliert. An erster Stelle findet man die Schwingungsanalyse, auf deren Bedeutung schon mehrfach hingewiesen wurde. 0.4.2 Schwingungsüberwachung Zur laufenden Überwachung kritischer Maschinen werden - praktisch seit man imstande ist, Schwingungen mit elektrischen Methoden zu messen - Schwingungswächter eingesetzt. Wozu Schwingungswächter? Warum Schwingung? Was sind die Ziele solcher Überwachungssysteme? Primäres Ziel aller Überwachungsmaßnahmen ist das rechtzeitige Erkennen von kritischen Betriebs- und Laufzuständen. Der Betrieb von Maschinen und Anlagen ist allerdings immer mit dem Auftreten von Schwingungen verbunden, was natürlich bei der Anwendung zur Zustandsüberwachung zu berücksichtigen ist. Zum Teil ist dies auch konstruktionsbedingt - man denke etwa an die Schwingungen in Maschinen mit oszillierenden Massen. So sind Schwingungen 28 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="29"?> bei Kolbenmaschinen grundsätzlich höher, da im Kurbeltrieb Reaktionskräfte auftreten, die auch durch einen aufwändigen Massenausgleich nicht vollständig zu kompensieren sind. In anderen Fällen sind Schwingungen wiederum eine Folge von kleinen Imperfektionen oder mechanischen Fehlern, die unerheblich sind, solange bestimmte Toleranzgrenzen nicht überschritten werden. Unwucht sei hier als typisches Beispiel genannt. Auch durch sorgfältiges Auswuchten wird eine bestimmte Restunwucht nicht zu verhindern sein, eine weitere Verringerung würde auch jenseits bestimmter Grenzen keinerlei technischen Sinn mehr ergeben. Aus diesen ersten Überlegungen ergibt sich zunächst einmal die Folgerung, dass Schwingungen im Betrieb von Maschinen immer auftreten werden, auch im allerbesten Zustand. Man kann demnach durchaus auch von guten Schwingungen sprechen, Schwingungen also, die durch ihre Eigenschaften, durch ihre Expression auf einen guten Maschinenzustand geradezu hinweisen. Man denke dabei vielleicht an den sogenannten Sound seines Kraftfahrzeugs, den man durchaus als Ausdruck guter Funktion vielleicht sogar genießen wird. Erst wenn er sich deutlich ändert, wenn er sein Gleichmaß verliert (der Motor stottert), wird man an einen Fehler denken. Technisch findet diese Tatsache ihren Ausdruck schon in den grundlegenden breitbandigen Beurteilungs‐ verfahren der Schwingstärke, wo immer auch eine Beurteilungszone mit einer Bewertung präzise spezifiziert ist. Drehzahlvariable Maschinen und Anlagen können in bestimmten Drehzahlbereichen höhere Schwingungsamplituden und stärkere Schwingungsschwankungen zeigen. Deshalb macht es hier Sinn, Gutzustände anwendungsspezifisch zu definieren oder sogar gewisse Drehzahlzustände mit erhöhten Schwingungen einfach zu sperren, zum Beispiel bei Antrieben mit Frequenzumrichtern. Dies bringt insbesondere für Hersteller von Maschinen, Maschinenkomponenten und Anlagen eine weitere Notwendigkeit, sich mit Schwingungen, Schwingungsanalysen und Schwingungs‐ überwachung auseinanderzusetzen. Da andererseits mechanische Imperfektionen und kleine Fehler immer eine Quelle zusätzlicher Schwingungen sein werden, geben die Schwingungen einer Maschine im Betrieb ein Abbild ihres mechanischen Zustands, man spricht auch von einer Signatur. Daher spielen Schwingungsmes‐ sung und Schwingungsanalyse eine tragende Rolle in der Zustandsüberwachung von Maschinen. Schwingungen treten bereits im ordnungsgemäßen Zustand einer Maschine auf. Schon kleine Schwingungsänderungen können ein sehr frühzeitiger Indikator sich anbahnender Fehler sein, lange noch vor einem fühlbaren Leistungsabfall. Lärm, Überhitzung, Phänomene wie Rauchent‐ wicklung oder auffälliger Geruch werden erst ganz am Ende der Betriebsfähigkeit auftreten. Reagiert man nicht rechtzeitig, wird sich ein typischer Verlauf bis zum Ausfall wie etwa in Bild 0.5 zeigen. 29 0.4 Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen <?page no="30"?> Bild 0.6: Schwingungsanalyse im Ein‐ satz Bild 0.5: Typischer Verlauf der Maschinenhistorie bis zum Schaden Aber Vorsicht! Was ist es eigentlich, was uns interessiert? Die Schwingungen selbst sind es nur in den wenigsten Fällen. Nur dort, wo es um explizit abstandsbezogene Fragen geht wie zum Beispiel Spielüberbrückung oder Schmierfilmdicke, ist der gemessene Schwingweg von unmittelbarer Bedeutung. Auch ein Motorlagerschaden kann sich in zusätzlichen axialen Bewegungen äußern, wo man mit Abstandssensoren gut messen und diagnostizieren kann. Geht man jedoch von außen mit einem Schwingungssensor an eine Maschine heran und misst an einer gut zugänglichen Stelle im Lagerbereich, so ist die Schwingung selbst von sekundärer Bedeutung. Was primär interessiert, sind die inneren Kräfte, die als Folge der zuvor genannten Imperfektionen und Fehler auftreten. Sie sind es, die letztendlich für Verschleiß und Maschinenschäden verantwortlich sind. Diese Kräfte direkt zu messen ist in der Regel nicht möglich. Also misst man an geeigneter Stelle die Schwingungen und versucht, aus dem Schwingungsbild - der Signatur - Rückschlüsse auf die inneren Kräfte zu ziehen (Bild 0.6). Diese Vorgangsweise - man misst Schwingungen und ver‐ sucht, aus den Messergebnissen Schlussfolgerungen zu ziehen - ist von entscheidender Bedeutung bei der Beurteilung der Schwingungen. Diese Grundaufgabe sollte daher niemals aus dem Auge verloren werden. Man wird ihr im Laufe dieses Bu‐ ches, direkt oder indirekt, ständig begegnen. Was uns hier beschäftigen soll, ist die Frage: Wie kann man von außen, ohne Störung des Betriebes, über das Schwin‐ gungsbild in die Maschine sozusagen hineinhorchen, ihren aktuellen Laufzustand beurteilen, Schwingungen feinfühlig deuten im Hinblick auf sich anbahnende Fehler? Welche Hilfs‐ mittel für Messung, Analyse, Nachauswertung und Interpretation stehen dem Praktiker zur Verfügung? Ein weitgespannter Fragenkomplex - viele Lösungswege, und einiges an vielleicht 30 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="31"?> noch ungelösten Problemen. Eine Fragenvielfalt, die auch heute nicht mit Rezepten, nicht mit allgemeingültigen Richtlinien vollständig abgedeckt werden kann. Was in diesem Buch aufgezeigt wird ist der Weg, auf dem man in dieses Gebiet zunächst einsteigen und dann weiter vorgehen kann. Was dann immer folgen muss, ist eine Lernphase, in welcher das Instandhaltungs- oder Servicepersonal seine Maschine hinsichtlich des Laufverhal‐ tens kennenlernt, wie ein guter Arzt seinen Patienten. 0.5 Konzepte einer Zustandsüberwachung 0.5.1 Zielsetzungen Primärer Aspekt einer Maschinenzustandsüberwachung war ursprünglich eine zustandsbasierte Instandsetzungsplanung, also Wartung erst nach Auftreten einer Zustandsverschlechterung, eines Fehlers. Im Zuge des technischen Fortschritts haben sich noch weitere Strategien heraus‐ gebildet. Zusammenfassend kann man eine ganze Reihe von Zielsetzungen finden: ● Schutz vor fatalen Schäden an Maschine, Umwelt oder Menschen ● Schutz vor unerwarteten Maschinenausfällen ● Zustandsbasierte Instandsetzungs- und Wartungsplanung ● Sicherung der Produktion ● Prozessoptimierung und Lebensdauererhöhung ● Qualitätskontrolle Bei den ersten drei Punkten dieser Liste steht ein Schaden an der überwachten Maschine selbst im Mittelpunkt, wenn man Umweltschäden als unmittelbare Folge eines fatalen Maschinenschadens mit einbezieht. Die weiteren Punkte fokussieren sich auf die Produktion bzw. auf das Produkt. Der wirtschaft‐ liche Schaden durch Produktionsausfall kann sehr schnell höher werden als der Schaden an der Maschine selbst. Und zum Thema Qualitätskontrolle, wieder bezogen auf die Fertigungsqualität: Der Ausfall einer an sich billigen Zubehörkomponente in einem Kraftfahrzeug zieht immer eine Reparatur und damit eine Ausfallzeit des Gesamtfahrzeugs nach sich - ebenso wird sich die Beurteilung der Qualität durch den Kunden eher auf das Gesamtfahrzeug beziehen. Damit lässt sich der oft hohe Aufwand zur Qualitätskontrolle auch einfacher Zubehörteile aus ökonomischer Sicht durchaus erklären oder rechtfertigen. 0.5.2 Verfahren und Methodik einer Zustandsüberwachung Je nach Umfang und Zielsetzung bieten sich unterschiedliche Verfahren und Methoden einer Zustandsüberwachung an. Tabelle 0.6 bringt dazu zunächst eine Zusammenstellung als Überblick, im Anschluss daran werden noch vertiefende Erläuterungen gegeben. Gerade in diesen Punkten sind schon im Vorfeld eine sorgfältige Präzisierung und Unterschei‐ dung der einzelnen Begriffe notwendig, da ansonsten oft kostspielige Fehlinvestitionen die Folge sein könnten (eine Aussage, die auf praktischen Erfahrungen der Autoren beruht). Aus diesem Grunde werden die einzelnen Begriffe hier mit der nötigen Präzision definiert. Die Bedeutung wird auch durch nationale und internationale Normen unterstrichen, die sich schwerpunktmäßig dieser Thematik widmen. 31 0.5 Konzepte einer Zustandsüberwachung <?page no="32"?> 4 Diese Definition ist sinngemäß zitiert aus DIN ISO 17359 Beiblatt 1, eine Zusammenstellung einschlägiger Begriffe, auf die nicht früh genug hingewiesen werden kann. Näheres findet man in Abschnitt 10.1. Verfahren Überwachung Messungen mit dem Ziel frühzeitiger Erkennung von Schäden Diagnose Erkennung von Fehlern hinsichtlich Art und Ausmaß Analyse/ Bewertung Systematische Ermittlung und Beschreibung von Langzeitentwicklungen Prognose Extrapolation einer Trendanalyse auf die zukünftige Entwicklung Methoden Online kontinuierlich arbeitendes, fest installiertes Überwachungssystem Online mobil temporär installiertes, kontinuierlich arbeitendes Messsystem Offline (mobil) intermittierende Messungen, in der Regel mit tragbaren Messsystemen Tabelle 0.6: Verfahren und Methodik einer Zustandsüberwachung Überwachung Unter Überwachung versteht man eine Überprüfung (Screening), die während des Maschinen‐ betriebs unter gleichen Bedingungen stattfindet. Es werden wiederholt Informationen zur Zu‐ standsbeurteilung gesammelt, um Schäden oder Ausfälle frühzeitig zu erkennen 4 . Bei einer messtechnischen Erfassung handelt es sich dabei um die Detektion von Abweichungen vom Normalzustand. Die Zustandsbeurteilung kann im Falle der Überwachung durch Vergleich der aktuellen Messwerte, von Beurteilungsgrößen mit Bezugswerten oder durch Beobachtung ihrer zeitlichen Veränderung erfolgen. Diagnostik Ziel ist die Diagnose von Fehlern hinsichtlich ihrer Art (Lokalisierung einer fehlerhaften Komponente, zum Beispiel eines Lagers) und ihres Ausmaßes (Quantifizierung) anhand von Diagnosemerkmalen. Die Diagnose ist also das Ergebnis. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Diagnostik häufig mit Diagnose gleichgesetzt, wobei man unter Diagnostik die Gesamtheit und Methodik aller Maßnahmen versteht, die zur Diagnose führen. Meist ist das Ziel der Diagnostik eine Fehlerfrüherkennung, also eine Erkennung und Quanti‐ fizierung von Fehlern in einem frühen Stadium, in welchem ein Weiterbetrieb der Maschine noch möglich und auch zulässig ist. Analyse und Bewertung Über eine Analyse wird der zeitliche Verlauf ermittelter Diagnosemerkmale verfolgt, um Ausmaß und Fortschritt eines Fehlers zu beurteilen. Für Bewertungen nutzt man vorhandene Erfahrungen. Derartige wissensbasierte Trendanalysen sind momentan das Hauptwerkzeug und bilden die Basis der Prognostik. 32 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="33"?> Prognostik Unter Prognostik versteht man alle Aktivitäten zur Analyse des Fortschritts vorhandener Fehler oder Schäden mit dem Ziel einer Prognose der verfügbaren Restnutzungsdauer bis zum Ausfall. Die Prognose extrapoliert die Trendanalyse über den Beobachtungszeitraum der Überwachung hinaus. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird ebenfalls Prognostik häufig mit Prognose gleichge‐ setzt, wobei Prognostik ebenfalls die Gesamtheit und Methodologie der Prognosen bezeichnet. Methodik Hinsichtlich der Methoden kann man unterscheiden zwischen ● Online-Überwachung oder ● Offline-Überwachung. Die Methoden unterscheiden sich deutlich hinsichtlich des Aufwands und der Leistungsfähigkeit. Für welches Konzept man sich entscheidet, ist auch eine Frage der Priorität und Kritikalität einer Maschine. Dazu im Folgenden eine zusammenfassende Gegenüberstellung. Online-Überwachung Eine solche Überwachung erfolgt fortlaufend, in der Regel kontinuierlich über fest installierte Mess- und Auswertesysteme. Sie war im industriellen Bereich früher mit sehr hohem Aufwand verbunden. Moderne Condition Monitoring Systeme (CMS) sind heutzutage in der Lage, sich selbständig in ihrer Funktion zu überwachen und automatisch Abweichungen im Funktionsver‐ halten der überwachten Assets zu melden, um unnötige Maschinenabschaltungen zu verhindern. Online-Systeme werden zunehmend auch standardmäßig für kritische Maschinen eingesetzt, etwa wo fatale Schäden zu vermeiden sind oder sich neue Betreiberkonzepte durchsetzen. Besteht Gefahr für Leib und Leben oder sollen Prototypen kontrolliert zur Serienreife gebracht werden, sind ebenfalls Online-Systeme sinnvoll. Bei wiederholten oder unerklärlichen Schwingungen oder Maschinenfehlern nutzt man gern auch eine temporäre Online-Überwachung, um die Schadensentwicklung zu erfassen und eine sachgerechte Interpretation geben zu können. Offline-Überwachung Bei Maschinen bzw. Fehlern von geringerer Priorität, wo also die Argumente für den Aufwand einer Online-Überwachung nicht gerechtfertigt scheinen, wird eine Offline-Überwachung meist ausreichend sein. Dabei werden Messungen und Datenerfassung mit tragbaren, mobilen Mess‐ einrichtungen, sogenannten Datensammlern durchgeführt. Gemessen wird hier in regelmäßigen, festen Zeitintervallen. Die systematische Auswertung der Messergebnisse erfolgt zumeist in einem Zentralrechner, dem sogenannten Hostrechner oder kurz Host, der auch in einer Cloud stationiert sein kann. Anmerkung: Bei älteren CMS-Projekten findet man oft Multiplexersysteme, die zwar online arbeiten, wo jedoch reihum zwischen den Messstellen umgeschaltet wird, die also intermit‐ tierend messen. Das kann bei sehr großen Systemen dazu führen, dass man vielleicht nur alle 30 Minuten einen neuen Messwert bekommt. Bezüglich Datenerfassung und Auswertung ergeben sich dadurch jedoch keine neuen Gesichtspunkte, weshalb diese Strategien nicht weiter vertieft werden müssen. 33 0.5 Konzepte einer Zustandsüberwachung <?page no="34"?> 5 Um ein gewachsenes (also nicht schon immer da gewesenes) Ding zu verstehen, muss man zweierlei untersuchen: Die Funktionalität und seine Geschichte. Zitat Prof. Gerhard Haszprunar, LMU München. 0.6 Strategien der Instandhaltung Ausgehend vom ursprünglichen Konzept, welches ausschließlich auf eine zustandsbasierte Instandsetzung fokussiert war, hat sich im Zuge der industriellen Entwicklung eine erweiterte Palette von Instandhaltungsstrategien entwickelt, die in Tabelle 0.7 zusammengefasst sind. Sie werden in diesem Abschnitt näher beschrieben und einander gegenübergestellt. Zunehmende Digitalisierung, Flottenmanagement und Industrielles Internet der Dinge stellen auch bei den Instandhaltungsstrategien Anforderungen, die weit über die ursprünglichen Kon‐ zepte hinausgehen. Zugleich wird aber auch der Anlagenhersteller gefordert, entsprechende adäquate Servicestrategien zu entwickeln und bei seinen Kunden auch einzusetzen. Historische Entwicklung 5 Perzeptiv Allererstes Konzept war eine reichliche, aus heutiger Sicht überdimensionierte Auslegung von Maschinen und Anlagen mit dem Ziel einer praktisch unbegrenzten Lebensdauer. Neben routinemäßigen Wartungsarbeiten wurde das Konzept „Fahren bis zum Bruch“ angewendet. Eine Beurteilung des Laufzustands erfolgt bestenfalls über das „Gefühl“ des erfahrenen Bedieners - weitgehend wohl auf akustischer oder sonstiger sensorischer, also perzeptiver Erfahrung (Bauchgefühl). Anmerkung: Perzeptiv, von lateinisch percipere - wahrnehmen. Vorbeugend Mit zunehmender Komplexität wurden vorbeugende Instandhaltungskonzepte eingeführt, wobei Instandsetzungs- und Wartungsarbeiten in regelmäßigen, aus Erfahrung festgelegten Intervallen durchgeführt werden. Das schon zitierte Automobil ist wohl das bestbekannte Beispiel. Zustandsbasiert Mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger und kostengünstiger Messtechniken wurde die vorbeugende Instandhaltung durch eine zustandsbasierte Instandhaltung ergänzt oder auch ersetzt, eigentlich eine messtechnische Umsetzung der schon zuvor üblichen gehörmäßigen Beurteilung. Lange Zeit bildeten diese Verfahren das Rückgrat von Maschinenüberwachung und Instandhaltung. Allerdings - die ursprüngliche Euphorie, damit das Maß aller Dinge erreicht zu haben, konnte sich nicht erfüllen. Gegenargumente wie „Bei meiner Maschine geht nichts kaputt“ oder „Im Zuge von Routinearbeiten tausche ich das Lager aus, die Maschine ist ja jetzt ohnehin offen“ haben so manchen Ansatz bereits im Keim erstickt. Aktueller Stand Im Zeitalter zunehmender Digitalisierung wurden und werden weitere Instandhaltungsstrategien entwickelt und hinzugefügt. Die Entwicklung wurde bereits eingangs vorgestellt und in Bild 0.2 34 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="35"?> veranschaulicht. Die grundlegenden Verfahren, wie sie sich heute präsentieren, sind in Tabelle 0.7 noch einmal zusammengefasst. Deutsch Englisch Strategie Reaktive Instandhaltung Reactive Maintenance (Run To Fail - RTF) Betrieb bis zum Ausfall Zeitbasierte Instandhaltung Time Based Maintenance (TBM) Wartung in regelmäßigen Abständen Zustandsbasierte Instandhaltung Condition Based Maintenance (CBM) Wartung/ Instandsetzung bei Zustandsverschlechterung Vorausschauende Instandhaltung Predictive Maintenance (PdM) laufende Erhaltung des Optimalzustands Präventive Instandhaltung Preventive Maintenance (PM) Preventive Maintenance Optimization (PMO) Beseitigung von Grundursachen Prozessabhängige Fahrweise Zuverlässigkeits-, Verfügbarkeits- und Performanceorientierte Instandhaltung Reliability Centered Maintenance (RCM) Capacity Assurance Maintenance (CAPM) Performance Based Maintenance (PBM) Total Productivity Maintenance (TPM) Betreiber, Instandhalter und Hersteller optimieren auch gemeinsam effizient die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Performance von Anlagen und Prozessen Präskriptive Instandhaltung Prescriptive Maintenance (PcM) Betreibergesteuerte Vorschriften ausführen, vorausschauend optimiert herstellerunabhängige Kommunikation (Industrie 4.0) Tabelle 0.7: Strategien der Instandhaltung Die folgenden Abschnitte bringen dazu Erläuterungen. 0.6.1 Reaktive Instandhaltung (Fahren bis zum Ausfall) Bei dieser Strategie wird die Maschine bis zum Ausfall oder Eintreten eines Schadens betrieben. Sie ist danach also nicht mehr fähig, ihre Aufgabe zu erfüllen. Eine solche Vorgangsweise kommt nur infrage, wenn ● der Ersatz der Maschine schnell und kostengünstig möglich ist, ● Sekundär- oder Kollateralschäden ausbleiben, ● minimaler Produktionsausfall entsteht sowie ● Ersatzstrategien verfügbar sind (zum Beispiel Standby-Maschinen). Im Grunde genommen ist diese Methode sehr häufig anzutreffen, so zum Beispiel bei Haushalts‐ geräten wie Waschmaschinen, Staubsauger, Kaffeemaschinen etc. Aber auch im industriellen Bereich ist diese Methode durchaus gebräuchlich und gerechtfertigt, wenn ähnliche Vorausset‐ zungen gegeben sind. So können für kleine Pumpen innerhalb einer größeren Anlage Ersatzpum‐ 35 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="36"?> Bild 0.7: Reaktiv - hier nicht unbedingt die optimale Strategie pen bereitstehen, auf die im Bedarfsfall jederzeit umgeschaltet werden kann. Alles ist primär eine Frage der Wirtschaftlichkeit. 0.6.2 Zeitbasierte Instandhaltung (vorbeugende Instandhaltung) Eine Strategie, die auch heute noch im industriellen Bereich weit verbreitet ist. Um sich vor unerwarteten Maschinenaus‐ fällen zu schützen, führt man Wartungs- und Instandsetzungs‐ arbeiten in festen, vordefinierten Zeitabständen aus, bevor ein Schadenseintritt zu erwarten ist. Nachteilig ist bei dieser vorbeugenden Instandhaltung, dass Maschinen auch „kaputt repariert“ werden oder dass gut eingelaufene Maschinenkom‐ ponenten wieder neu einlaufen müssen, was die Maschine nicht unbedingt verbessert. Bild 0.8 zeigt den typischen Verlauf der Ausfallrate von Maschinen und Anlagen. Ein solcher badewannenförmiger Zeitverlauf gilt meist auch für das Schwingungsverhalten und viele andere Zustandsparameter, weshalb hier eine ganz allgemeine Diskussion geführt werden kann. Bild 0.8: Typischer Verlauf der Ausfallhäufigkeit einer Maschine (Badewannenkurve) Nach Inbetriebnahme einer neuen Maschine oder unmittelbar nach einer Maschineninstandset‐ zung tritt in der Regel ein erhöhtes Ausfallrisiko infolge von Material- oder Montagefehlern etc. auf. Das zugehörige Schwingungsverhalten kann durch Einlaufvorgänge mit gleicher, also zunächst abnehmender Tendenz geprägt sein. Danach schließt sich der normale Betriebszustand an, eine lange Phase weitgehend konstanter, niedriger Ausfallrate. Ausfälle treten in dieser Phase eher nur zufallsbedingt oder besser gesagt, nicht vorhersehbar auf. Sobald sich der Zustand durch Verschleiß oder Alterung verschlechtert, steigt die Ausfallhäufigkeit an, bis schließlich ein Status erreicht wird, der eine Reparatur zur Vermeidung eines Schadens oder Ausfalls erfordert. Da der Verlauf dieser Badewannenkurve, insbesondere der Zeitpunkt, zu dem eine wahr‐ nehmbare Zustandsverschlechterung eintritt, weitgehend statistisch geprägt ist, muss für eine 36 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="37"?> vorbeugende Instandhaltung die Instandsetzung mit Sicherheit in den Bereich niedriger Ausfall‐ wahrscheinlichkeit gelegt werden. Man wartet und repariert demnach prinzipiell eine gute Maschine und startet anschließend wieder mit einem Zustand erhöhter Ausfallwahrscheinlichkeit. Zusammenfassend ergeben sich damit folgende Nachteile einer zeitbasierten Instandhaltung: ● Das Wartungs- und Instandsetzungsintervall wird aus technischer und aus wirtschaftlicher Sicht in jedem Fall als zu kurz angesetzt. ● Durch die Instandsetzungsmaßnahmen kann die Ausfallwahrscheinlichkeit unmittelbar danach sogar ansteigen. Den genannten Nachteilen steht andererseits der Vorteil einer guten Planbarkeit sowohl in terminlicher wie auch in logistischer und budgetärer Hinsicht gegenüber. Vor allem bei sehr komplexen und eingeschränkt erreichbaren Anlagen wie zum Beispiel Hochseeschiffen wird dieses Konzept oft nicht vollständig durch andere ersetzbar sein. Anmerkung: Es soll in diesem Zusammenhang bemerkt werden, dass das zugrunde gelegte Modell von Bild 0.8 nicht für alle Maschinentypen zwingend auftritt, insbesondere was die erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit nach einer Instandsetzung betrifft. Die Allgemeingültig‐ keit der Aussagen über dieses Konzept wird davon jedoch prinzipiell nicht berührt. 0.6.3 Zustandsbasierte Instandhaltung Bei der zustandsbasierten Instandhaltung werden während des Maschinenbetriebs laufend Messdaten gesammelt und ausgewertet, die Rückschlüsse auf den Laufzustand der Maschine ermöglichen. Verfolgt man die Trenddaten über die Betriebszeit, können Veränderungen (in der Regel Verschlechterungen) im Maschinenzustand frühzeitig erkannt werden. Eine Wartung und Instandsetzung wird erst bei einer Zustandsverschlechterung angesetzt, wie in Bild 0.8 dargestellt. Wie schon anhand von Bild 0.5 erläutert, sind Schwingungen als Indikator für den mechani‐ schen Laufzustand besonders geeignet: ● Jede Maschine mit bewegten Massen erzeugt Schwingungen. ● Zusätzliche Schwingungen werden vorwiegend durch kleine Fehler oder Imperfektionen verursacht. ● Ein Ansteigen des Schwingungspegels bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen indiziert eine Zustandsverschlechterung. ● Durch gezielte Schwingungsmessungen ist man imstande, bestimmte Fehler bereits im Frühstadium zu erkennen, wobei meist ein Fortführen des Betriebs noch zulässig ist. ● Schwingungsanalysen ermöglichen zusätzlich eine Fehlerdiagnose bereits im Frühstadium. Anmerkung: Die Einlaufphase ist in der Regel auch die Zeit der gesetzlichen Gewährleis‐ tung. Kostenbewusste Betreiber sollten schon während der Gewährleistungsphase dem Lieferanten diesbezüglich auf die Finger schauen. 0.6.4 Vorausschauende Instandhaltung Bei diesem Konzept wird der Maschinenzustand laufend überwacht und kontinuierlich in einem Optimalzustand gehalten. Als Ergänzung zur zustandsbasierten Instandhaltung wartet man also nicht, bis bestimmte Grenzwerte erreicht oder überschritten werden. 37 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="38"?> Seine volle Wirksamkeit entfaltet dieses Konzept erst bei einer simultanen Überwachung des gesamten Komplexes der verfügbaren Zustandsparameter. Gegenseitige statistische oder deterministische Abhängigkeiten von Fehlermerkmalen sollten dabei am besten schon in der Überwachungsphase berücksichtigt werden. Bei großen und sensiblen Anlagen ist man bestrebt, möglichst alle für den Maschinenzustand relevanten Parameter in dieses Konzept einzubeziehen. Man spricht dann von einem ganzheitli‐ chen oder holistischen Überwachungskonzept. Das Konzept basiert auf bekannten Methoden der multivariaten Statistik. Mit diesem Konzept sind quantitative Aussagen über den aktuellen Zustand zu jedem Zeitpunkt unmittelbar verfügbar. Die Einsatzbereitschaft über einen absehbar längeren Zeitraum kann damit gezielt beurteilt werden. Diese Methodik bildet auch einen unmittelbaren Schulterschluss zur allgemeinen Qualitätssicherung. 0.6.5 Präventive Instandhaltung Im Falle einer größeren Instandsetzung, besonders beim Beheben von aufgetretenen Maschinen‐ schäden, sollte man nach den eigentlichen Grundursachen für den Schaden suchen. Man spricht dann von einer Grundursachenanalyse, eng. Root Cause Failure Analysis (RCFA). Bei einem präventiven Instandhaltungskonzept werden solche Grundursachen proaktiv, also im Zuge der Instandsetzungs- und Wartungsarbeiten vorbeugend verbessert oder beseitigt. Als Beispiele wären zu nennen: ● Verbesserung des Schmiermanagements ● Präzisionsauswuchten zur Verringerung der Schwingbeanspruchungen ● Laserbasiertes Ausrichten gekuppelter Maschinen zur Verringerung der Lagerbelastungen ● Ersatz eines ungeeigneten Wälzlagertyps durch einen besser geeigneten Typ Von einigen Dienstleistern in der Instandhaltung werden solche Verfahren auch als Präzisions‐ instandhaltung angeboten. 0.6.6 Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsorientierte Instandhaltung (RCM) Dieses Konzept ist eine ganzheitliche Instandhaltungsstrategie, die auf die Gewährleistung eines zuverlässigen Funktionierens der Maschinen und Anlagen mit vereinbarten Verfügbarkeiten zielt. Zuerst ist zu berücksichtigen, dass jedes technische Asset zunächst eine inhärente, sozusagen eine angeborene Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit hat. Verfügbarkeits- und zuverlässigkeitsori‐ entierte Instandhaltung erfordert deshalb das Beurteilen dieser inhärenten Eigenschaften jedes Teils einer Maschine oder Anlage, individuell und im Kontext der Verwendungsart. Zusätzlich sind aber auch die Nutzungshäufigkeiten oder Fertigungsvolumen zu bewerten. Schwachstellen, Risiken und Kritikalitäten sind zu analysieren. Darauf aufbauend wird ein vorbeugender Instand‐ haltungsplan ausgearbeitet, der alle diese Punkte einschließt. Die Methodik wird unter dem Oberbegriff RCM (Reliability Centered Maintenance) zusammengefasst. Welche Informationen bei RCM-Analysen einfließen, ist in Bild 0.9 symbolisch veranschaulicht. 38 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="39"?> 6 Gelegentlich werden die Begriffe Kritikalität und Kritizität synonym verwendet. Bild 0.9: RCM-Strategie 0.6.6.1 RCM-Analysen Eine RCM-Analyse unterstützt die Festlegung der individuellen und optimalen Instandhaltungs‐ strategie zum Betrieb von Maschinen und Anlagen. Dabei versuchen Betreiber, Instandhalter und manchmal auch Hersteller gemeinsam, einen bestmöglichen Anlagenzustand und eine maximale Prozessgüte zu erreichen. Im ersten Schritt wird zunächst eine Kritikalitätsanalyse 6 durchgeführt, am besten mittels einer Risikomatrix nach Bild 0.10, in der die verschiedenen Ausfallarten im Hinblick auf betriebliche Anforderungen und auf die Häufigkeit ihres Auftretens untersucht werden. 39 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="40"?> Bild 0.10: Risikomatrix mit je 5 Klassen Anmerkung: Diese Klassierung folgt dem Prinzip von Gefährdungsanalysen und des Key Performance Indikators KPI, welche in Abschnitt 0.21.4 noch vorgestellt werden. Die Anzahl von fünf Klassen ist ein optimierter Erfahrungswert, der in diesem Buch zumeist beibehalten wird. Bei einer RCM-Analyse sollte ein Entscheidungsbaum mit einem Fragenkatalog nach Tabelle 0.8 durchlaufen werden. Ein weiteres Ziel solcher RCM-Analysen ist die optimierte Verteilung des vorhandenen Instandhaltungsbudgets sowie das ganzheitliche Betrachten und systematische Berücksichtigen von Gefährdungen und Risiken. Entscheidungsfragen zu RCM Was sind die Funktionen und geforderten Leistungsdaten eines Systems im Betriebsumfeld? In welcher Form können die Funktionen gestört sein bzw. wird die geforderte Leistung nicht erreicht? Was sind die Ursachen der jeweiligen Funktionsstörung? Was passiert, wenn eine Funktionsstörung auftritt? Wie wirkt sich die Funktionsstörung aus? Was kann getan werden, um eine Funktionsstörung in Hinblick auf Sicherheit, Umwelt und Folgekosten vorherzusagen oder zu vermeiden? Was sollte getan werden, wenn keine passende Aktivität zur Vorhersage oder Vermeidung gefunden wird? Tabelle 0.8: Entscheidungsfragen zur RCM-Analyse 40 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="41"?> Für eine verfügbarkeits- und zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung sollten im Vorfeld globale Zielgrößen mit realistischen Prioritäten definiert werden. Zwar werden die Kosten oft an promi‐ nenter Stelle stehen, können jedoch gegenüber Anlagenverfügbarkeit oder Sicherheit durchaus auch zweitrangig werden. Als Beispiele für Zielgrößen seien hier genannt: ● Kostenersparnis ● Anlagenverfügbarkeit ● Anlagen- und Prozesssicherheit ● minimaler Ersatzteilbedarf ● Abschreibungsoptimierung ● Gefahr für Leib, Leben und Umwelt Zu den RCM-Zielen gehören aber auch eine größere Rentabilität der Instandhaltung, die Effizi‐ enzsteigerung der Maschinen und Anlagen und die Verlängerung der Lebensdauer der gesamten Assets. Das Konzept schließt auch konstruktive Verbesserungen oder teilweise Neukonstruktio‐ nen ein, wie zum Beispiel den Ersatz eines unter- oder überdimensionierten Wälzlagers durch einen besser geeigneten Typ oder Maßnahmen zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in gekuppelten Maschinensträngen. Eine systematische Methodik zur Ermittlung von Risikozahlen wird mit der FMEA nach Abschnitt 14 angeboten, in Abschnitt 15 wird mit der FMSA eine Methode zum Festlegen von Überwachungsprioritäten vorgestellt. Auch wenn diese Methoden im Einzelfall vielleicht oft überzogen scheinen, sollte man sich mit dieser Thematik befassen. Die zuvor genannten Abschnitte bringen dazu eine kompakte Einführung, die der Thematik dieses Buches angemessen ist. Denn auch wenn man nicht unbedingt eine explizite FMEA oder FMSA durchführen will, sollte man den strategischen Ansätzen dieser Methoden folgen (sie scheinen nämlich nur überzogen). Das RCM-Konzept ist nicht nur eine reine Instandhaltungsstrategie, RCM umfasst den ge‐ samten Prozess der sogenannten D-I-P-F Kurve (Design-Installation-Potenzieller-Fehler). Ein konsequentes Anwenden der RCM-Strategie kann ganze Unternehmenskulturen verändern bis hin zur Entwicklung neuer Geschäftsfelder oder Reliability-Departments. 0.6.6.2 Verfügbarkeits- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen Ein System wird als verfügbar bezeichnet, wenn es in der Lage ist, seine Funktionen bzw. Aufgaben bestimmungsgerecht zu erfüllen. Als Verfügbarkeit bezeichnet man die Wahrscheinlichkeit, dass das System innerhalb eines festgelegten Zeithorizonts sicher und funktionstüchtig bleibt. Beschränkt man sich nur auf die Verfügbarkeit, spricht man im amerikanischen von der CAPM (Capacity Assurance Maintenance). Tabelle 0.9 enthält weitere gängige Beschreibungsparameter von RCM mit den üblicherweise verwendeten Kurzzeichen. In der Folge werden die Grundgedanken von Verfügbarkeits- und Zuverlässigkeitsanalysen entwickelt und es wird beispielhaft veranschaulicht, wie statistische Regeln tiefere Analysen erleichtern. Bezeichnet man mit P down die relative Häufigkeit, mit welcher ein System durch einen Fehler nicht betriebsfähig ist, so gilt (siehe dazu das Schema in Bild 0.11) 41 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="42"?> Bedeutung Englisch Kurzform Ausfallhäufigkeit Unavailability P down Zuverlässigkeit Reliability 1-P down Verfügbarkeit Availability E(V) Mittlere Reparaturzeit Mean Time To Repair MTTR Mittlere Betriebsdauer bis zum Fehler Mean Time To Failure MTTF Mittlere Zeit zwischen Fehlern Mean Time Between Failures MTBF Tabelle 0.9: Begriffe des RCM (0.1) (0.2) Bild 0.11: Verfügbarkeit P down = MT T R MT T R + MT BF Der Erwartungswert für die Verfügbarkeit (wie die relative Häufigkeit zwischen 0 und 1) errechnet sich daraus mit E V = P up = MT BF MT T R + MT BF Anmerkung: Ein Erwartungswert ist ähnlich einer Häufigkeit oder Wahrscheinlichkeit, jedoch ausgedrückt für zukünftige Ereignisse. Die Verfügbarkeit von Systemen, also der Er‐ wartungswert E{V} nach Gl. 0.2, ist in Klassen nach dem Schema von Tabelle 0.10 eingeteilt. Für bestimmte Systeme sind dezidierte Ver‐ fügbarkeitsklassen gefordert, zum Beispiel müssen Stromnetze oder Telefonnetze Klasse 5 erfüllen. Bei Systemen zur Zustandsüberwa‐ chung wäre Klasse 2 schon ein sehr guter Wert. Bezogen auf technische Assets werden Verfügbarkeiten zum Beispiel im Lastenheft pro‐ zentual festgelegt und dann aber auch definiert, unter welchen Bedingungen und mit welchen Einschränkungen diese Verfügbarkeiten gültig sind. Bezogen auf Gleichung (0.2) lassen sich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit folgendermaßen klassieren: a. Die MTTR bleibt kurz, indem Zustandsdiagnosen zuverlässig und zeitnah erfolgen, Instand‐ setzungen kurz und umfassend stattfinden, und Stillstände und Wartungszeiten durch opti‐ mierte Planung und Disposition minimal bleiben. b. Die MTTF und MTTB kann durch folgende Maßnahmen erhöht werden: ● Perfektion → Einsatz langlebiger Technologien (Reliability) ● Fehlertoleranz → Einsatz redundanter Strukturen (Availability) ● Investition → Einsatz von CMMS und erweiterter Zustandsüberwachung ● Effizienz → Optimieren der Betriebsweisen (Operation Reliability) 42 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="43"?> Klasse Verfügbarkeit Systemtyp Anwendungsbeispiel 1 90,0 % nicht geführt 2 99,0 % geführt Zustandsüberwachung 3 99,9 % gut geführt 4 99,99 % fehlertolerant 5 99,999 % hochverfügbar Stromnetz 6 99,9999 % sehr hoch verfügbar 7 99,99999 % ultrahoch verfügbar sicherheitskritisch Tabelle 0.10: Verfügbarkeitsklassen Mit Hilfe von Zuverlässigkeitsblockdiagrammen lässt sich dann einschätzen, wie getroffene Maßnahmen sich auf die Verfügbarkeit des Gesamtsystems auswirken. 0.6.6.3 Zuverlässigkeitsblockdiagramm Das Zuverlässigkeitsblockdiagramm ist ein modellbasiertes Analyseverfahren zur Überprüfung oder zum Nachweis der Zuverlässigkeit von Systemen. Ein zu untersuchendes System wird dazu in Blöcken strukturiert, die das Systemverhalten wiedergeben. Es zeigt die logischen Verknüpfungen der Elemente, die für das Erfüllen der Anforderungen eines Systems erforderlich sind. Elemente, die für das Erfüllen keine Relevanz besitzen, werden nicht abgebildet. Beispielsweise werden bei der Untersuchung eines Systems für das Erreichen eines Sicherheitsziels auch nur die entsprechend sicherheitsrelevanten Systemkomponenten untersucht. Die modellierten Blöcke haben die Eigenschaft, dass sie ein Element nur in zwei Zuständen (dichotisch) darstellen können: funktionsfähig oder ausgefallen. Die möglichen Gründe für einen Ausfall werden nicht abgebildet. Allerdings können im Zuge der Berechnung verschiedene Ursachen berücksichtigt werden. Mit Hilfe eines komplett modellierten Zuverlässigkeitsblockdiagramms lässt sich schnell erkennen, welche Systemelemente zum Erfüllen der Anforderungen notwendig sind und welche ohne Auswirkungen auf die Anforderungen ausfallen dürfen. Bild 0.12 zeigt die Grundstrukturen, Serienschaltung und Parallelschaltung, mit den aus den Erwartungswerten der Komponenten S i berechneten Systemerwartungswert E{V Sys }. Die Verfügbarkeit verzweigter Systeme wie im Bild unten links lässt sich daraus nach den Regeln der Statistik leicht berechnen. 43 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="44"?> Bild 0.12: Zuverlässigkeitsblockdiagramm und Fehlerbaum Einige Beispiele mögen die Bedeutung dieses Diagramms beleuchten: a. In einem Strang aus Motor (E = 0,9) - Riemen (E = 0,7) - Lüfter (E = 0,8) erhält man eine Zuverlässigkeit von 0,9 x 0,7 x 0,8 = 0,50. Reduziert man die Zuverlässigkeit des Riemens auf den Wert 0,2 so sinkt der Gesamtwert auf 0,9 x 0,2 x 0,8 = 0,14. Die Zuverlässigkeit wird also wesentlich durch die schwächste Komponente bestimmt. b. Bei drei redundant (= parallel) geschalteten Komponenten mit den Werten E = 0,6, E = 0,5 und E = 0,5 erhält man eine Zuverlässigkeit von 1 − 1 − 0, 6 1 − 0, 5 1 − 0, 5 = 0, 9. Die Zuverlässigkeit wird gegenüber den Einzelkomponenten deutlich erhöht. c. Bei komplizierteren logischen Strukturen wird die Berechnung der Zuverlässigkeit schnell aufwändig. Hier kann als Alternative eine Monte Carlo Methode eingesetzt werden, bei der die Zuverlässigkeit durch eine große Zahl simulierter Zufallsexperimente numerisch ermittelt wird. Aus den statistisch ermittelten Häufigkeiten wird eine Erwartungswert abgeleitet. d. Ein zum Blockdiagramm alternatives Verfahren ist die Fehlerbaumanalyse (Fault Tree Ana‐ lysis FTA). Es kommt zum Systemausfall, wenn entweder 1 und 2 oder 3 und 4 und 5 jeweils zugleich ausfallen. Jedes Zuverlässigkeitsblockdiagramm lässt sich auch als Fehlerbaum abbilden. e. Hat man in einer Fertigung mit drei Bearbeitungszentren Z 1 , Z 2 und Z 3 (Bild 0.13) nur eine industrielle Waschmaschine W, so kommt dieser die höchste Priorität zu; ihr Ausfall bringt die gesamte Produktion zum Erliegen. 44 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="45"?> Bild 0.13: Priorität einer Industrie‐ waschmaschine 0.6.7 Performancebasierte Instandhaltung (PBM) Bei der PBM liegt der Fokus der Instandhaltung auf der Performance der Maschine oder Anlage. Jedoch, ob Total Productive Maintenance (TPM) oder Performance basierte In‐ standhaltung (PBM) - beide Strategien verfolgen ein ganzheit‐ liches Anlagenmanagement mit identischen Zielsetzungen. Berücksichtigt man zum Beispiel Störeinflüsse proaktiv und kennt man den Abnutzungsvorrat sowie die Sicherheiten von betriebskritischen Anlagenkomponenten, kann man gezielt die Performance der Maschine oder der gesamten Anlage erhöhen. Durch eine PBM lassen sich die höchsten Erfolge in agiler Zusammenarbeit von Hersteller und Anwender erzielen, indem besondere Engpassmaschinen der Produktion überwacht werden. Nach Erfahrung der Autoren existieren bei industriellen Assets zu diesen Instandhaltungsstrategien oder besser gesagt, zu diesen Managementstrategien bisher nur vereinzelte und begrenzte Erfolge. Zur PBM gehören schließlich auch sorgfältige Analysen der Lebenszykluskosten und das gezielte Bewerten dieser Kosten anhand von KPI. Ein wirklich konsequentes Lebenszykluskostenmanagement wird bisher lediglich bei Schie‐ nenfahrzeugen eingesetzt, und zwar im Rahmen eines übergeordneten Konzepts, der sogenannten RAMS/ LCC- Strategie, welche im Detail noch in den Abschnitten 0.22 (Wirtschaftlichkeitsbetrach‐ tungen) und 0.23 (Qualitätssicherung) vorgestellt wird. 0.6.8 Präskriptive Instandhaltung Die präskriptive Instandhaltung bestimmt aus den vorliegenden Erfahrungen und ausgeführter Schwachstellenbeseitigung präventive Maßnahmen für die zukünftige Instandhaltung. Damit sollen ungeplante und unnötige Instandhaltungsmaßnahmen minimiert oder möglichst vermie‐ den werden. Die präskriptive Instandhaltung ist ursprünglich zuerst bei Werkzeugmaschinen entstanden. Es handelt sich dabei um eine sehr zukunftsorientierte Instandhaltungsstrategie. Engpass ist hier jedoch der schnelle und einfache Datenaustausch miteinander vernetzter Systemkomponenten und ein möglichst standardisiertes Handeln. Zur Überwachung solcher Systeme müssen deshalb hersteller‐ unabhängige Produktkriterien und einheitliche Kommunikationsstandards definiert werden, um einen reibungslosen Datenaustausch zu ermöglichen. Insbesondere gilt dies für das Industrielle Internet der Dinge (IIoT), wo die Vernetzung direkt, als ohne einen übergeordneten Server erfolgt. Dazu wurde ein Referenzarchitekturmodell für Industrie 4.0 mit dem Kurzcode RAMI 4.0 normativ festgelegt (DIN SPEC 91345). In diesem Dokument werden Lebenslaufinformationen eines Assets einschließlich Instandhaltungsinformationen über eine als I4.0 bezeichnete Komponente extern zugreifbar und in allgemein gültigem Format definiert. Anschließend kann dann das zuständige Management auf Grundlage dieser Informationen optimal über die weiteren Vorgehensweisen entscheiden. Oder es existieren für prognostizierte Fehler und Abweichungen schon standardisierte Handlungsanweisungen, die sich automatisch oder sehr zeitnah umsetzen lassen. Anmerkung: Nach DIN SPEC 91345 werden Gegenstände, die für eine Organisation einen Wert haben, als Asset bezeichnet. Maschinen werden als Technische Assets bezeichnet. 45 0.6 Strategien der Instandhaltung <?page no="46"?> 0.7 Erscheinungsbilder von Schwingungen Nachdem bereits auf die dominierende Bedeutung von Schwingungen als Indikator für den Maschinenzustand und damit als Basis jeder Zustandsüberwachung hingewiesen wurde, soll zunächst ein einführender Überblick zu den verschiedenen Erscheinungsformen von Schwingungen gegeben werden. Damit wird auch bereits eine erste Basis für die richtige Auswahl von Überwachungskonzepten geschaffen. Maschinenschwingungen treten in verschiedenen Formen auf. Eine Zusammenstellung zur Klassifizierung im Zusammenhang mit Zustandsüberwachung findet man in Tabelle 0.11. Die einzelnen Terme werden in diesem Abschnitt näher erläutert. Erscheinungsbild Beschreibung Frequenzbereich Erschütterungen Beschleunigungen Schwingschnellen 0 Hz - 10 Hz 2 Hz - 100 Hz Maschinenbewegungen Quasistatische Verschiebungen Verkippungen Prozess- und Arbeitsfrequenzen 0 Hz - 10 Hz Maschinenschwingungen Arbeitsfrequenzen 0,1 Hz - 1 kHz Körperschall Strukturschwingungen 1 kHz - 20 kHz Infraschall Luftschall Abstrahlung von Körperschall 2 Hz - 20 kHz Ultraschall Kurzzeitereignisse, Strömungsgeräusche 20 kHz - 100 kHz Schallemission Rissausbreitung > 100 kHz Lastschwingungen Prozess- und Arbeitsfrequenzen 0 Hz - 1 kHz Tabelle 0.11: Erscheinungsbilder von Schwingungen 0.7.1 Erschütterungen, Bewegungen, Schwingungen und Körperschall Unter diesem Punkt wird mit jenen Erscheinungen begonnen, die man direkt, also ohne Einsatz besonderer Hilfsmittel als Schwingungen erkennen kann - durch unmittelbares Fühlen, Hören oder vielleicht auch Sehen. Als Vorstellung für diese Unterscheidung kann folgendes Bild dienen (siehe Tabelle 0.11): ● Spürt man in einer Maschinenhalle, zum Beispiel im Fundament Schwingungen, so handelt es sich um Erschütterungen. ● Versetzt man eine (nicht allzu große) Maschine durch Hin- und Herziehen mit Armkraft in Schwingungen, handelt es sich um Maschinenbewegungen. ● Unwuchten oder Ausrichtfehler verursachen Maschinenschwingungen und benötigen mehr Anregungsenergie, die mit Armkraft allein nicht aufgebracht werden kann. ● Klopft man in regelmäßigen Abständen mit einem Hammer ans Maschinengehäuse, wird Körperschall angeregt, was sich energetisch nur sehr gering auswirkt. ● Sind die Schwingungen hörbar, handelt es sich um Körperschall (und in der Folge dann Luftschall). 46 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="47"?> Eine Auflistung typischer Beispiele bringt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Tabelle 0.12. Hier soll lediglich das Vorstellungsvermögen des Lesers angeregt und unterstützt werden. Schwingungsart Art Beispiel Anmerkung Erschütterungen Umgebungseinfluss Straßenverkehr Schienenfahrzeuge Seismik Nachbarmaschinen Bewegungen Einstellung Vorschub Werkzeugmaschinen Azimut Windkraftanlage Verlagerung Mittellage Gleitlager Setzungen Fundamente Anregung Strukturschwingungen Bauwerke Maschinenschwingungen Arbeitsfrequenzen Unwucht Rotoren Ausrichtfehler Wellenstränge Zahneingriffsschwingungen Getriebe* Körperschall modulierte Arbeitsfrequenzen Lagerfrequenzen Wälzlager Zahneingriffsschwingungen Getriebe* Schlaggeräusche Stößel, Hammer Ultraschall hochfrequent Ausströmgeräusche trockene Reibung Leckagen Lichtbogen hochfrequent elektrische Teilentladungen Isolationsprobleme Transformatoren Schallemission ultrahochfrequent Strukturänderungen Fließgrenze Rissausbreitung * in manchen Fällen sind die Schwingungen mehreren Schwingungsarten zuzuordnen Tabelle 0.12: Beispiel für unterschiedliche Schwingungsphänomene und Bewegungen 0.7.1.1 Erschütterungen Erschütterungen sind unkontrollierbare Schwingungen oder Transiente, die aus der Umgebung über das Fundament eingeleitet werden. Sie können die Maschine in Schwingungen versetzen oder auch Schockeinwirkungen erzeugen. Umgekehrt kann eine Maschine Erschütterungen ins Fundament einleiten, die dann auf benachbarte Maschinen einwirken. 47 0.7 Erscheinungsbilder von Schwingungen <?page no="48"?> 0.7.1.2 Bewegungen Bewegungen können translatorisch, rotatorisch, kippend oder deformatorisch auftreten. Sie sind zumeist von statischer oder quasistatischer Natur und weniger reine Schwingungen. Dennoch werden sie in die Betrachtungen eingeschlossen, da sie wichtiger Bestandteil der Signatur sind. Bewegungen können auch die Folge von Fehlern sein (Setzungen), zur Betriebseinstellung dienen (in Windrichtung) oder, zum Beispiel in Linearantrieben bei Werkzeugmaschinen, einen wesentlichen Prozessparameter darstellen. 0.7.1.3 Maschinenschwingungen Solche Schwingungen werden durch die Bewegung von Maschinenkomponenten erzeugt und liegen mit ihrer Frequenz in der Regel unterhalb 1 kHz. Das Bauteil schwingt dabei als Ganzes. Man unterscheidet zwischen Schwingungen der Maschinenkomponenten relativ zueinander oder absoluten Komponentenschwingungen. Die dominierenden Frequenzen sind meist die Drehfre‐ quenz eines Rotors und ihre Harmonischen oder andere Arbeitsfrequenzen, wo Drehmoment benötigt oder abgegeben wird. Maschinenschwingungen zeigen bestimmte Signaturen im Zeitbereich und im Spektrum, aus denen sich Diagnosen über den Maschinenzustand ableiten lassen. Die Beurteilung von Maschinenschwingungen erfolgt bei Gehäuseschwingungen vorwiegend über die Schwinggeschwindigkeit. Wellenschwingungen werden über den Schwingweg und über die Abstandsänderungen (Verlagerungen) bewertet. 0.7.1.4 Körperschall Schlägt man mit einem Hammer aufs Gehäuse, so hört man Körperschall. Im Maschinenbetrieb entsteht ausgeprägter Körperschall durch lokal begrenzte Stöße, etwa zufolge Pittings in Wälzlagern oder Zahneingriffsstößen in schnell laufenden Zahnradgetrieben. Auch Reibung kann die Ursache von Körperschall sein. Dabei schwingen nicht ganze Bauteile mit ihrer großen Masse in einer messbaren Auslenkung, sondern es gehen Stoßwellen durch die Struktur. Angeregt werden Eigenfrequenzen lokaler Komponenten im hochfrequenten Bereich. Oft sind die hochfrequenten Schwingungen moduliert, d. h. ihre Amplituden schwanken im Rhythmus typischer Arbeitsfrequenzen. Als Beispiel soll das Laufgeräusch von Wälzlagern genannt werden, welches schon durch Abhören mit Schraubendreher oder Stethoskop beurteilt werden kann. Interessant ist in diesem Fall nicht der hochfrequente Körperschall selbst, es sind vielmehr die mehr oder weniger rhythmischen Stoßanregungen, also die Modulation. Anmerkung: Man hört die Schlagfolge (Arbeitsfrequenz) auf Stahl (Körperschall). Messgröße für Körperschall ist wegen der hohen Frequenzen vorwiegend die Schwingbeschleu‐ nigung. 0.7.1.5 Gegenüberstellung und Vergleich Eine vergleichende Betrachtung ist zunächst einmal durch den Frequenzbereich, aber auch durch Entstehungsmechanismen und Ausbreitung gegeben. Treten Maschinenschwingungen und Körperschall gleichzeitig auf, so werden nach den stan‐ dardisierten Beurteilungskriterien nach Abschnitt 0.9, also im Bereich niedriger Frequenzen, die Maschinenschwingungen dominieren, was schon unmittelbar aus den Entstehungsmechanismen 48 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="49"?> hervorgeht. Dies betrifft vor allem Situationen, wo die Maschinenschwingung noch als gut beur‐ teilt wird, der Körperschall jedoch bereits einen Fehler indiziert. Es gilt also nach messtechnischen Methoden zu suchen, um den Körperschallanteil von den Maschinenschwingungen zu trennen. Das erste Kriterium wäre die Frequenz: Da Körperschall im Vergleich zu Maschinenschwingun‐ gen immer hochfrequent ist, wird man die Beschleunigung als Messgröße vorziehen, weil dadurch die hochfrequenten Anteile betont in Erscheinung treten. (Diese Zusammenhänge werden später noch in den Grundlagen vertieft, zum Beispiel in Abschnitt 1.2). Das zweite Kriterium: Bei der Beurteilung von Körperschall wird man vom energetischen Prinzip abweichen müssen, da Körperschallspitzen wegen ihres Kurzzeitcharakters nur wenig mechanische Energie enthalten. Grundlagen einer Bewertung solcher Spitzen bringt Abschnitt 0.10.5. Eine Vielfalt von marktgängigen Messgeräten zur Wälzlagerbeurteilung arbeitet auf dieser Basis. 0.7.2 Ultraschall und Schallemission Als Ultraschall werden Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb des Hörbereichs bezeichnet, d. h. mit Frequenzen höher als 20 kHz. Üblicherweise wird hier noch weiter differenziert, und zwar in ● Ultraschall (ca. 20 kHz - 100 kHz) sowie ● Schallemission (> 100 kHz). Die Grenze von 100 kHz ist eher willkürlich und entsprechend als Richtwert zu betrachten. Die Abgrenzung ist mehr gegeben durch die Art der Schallentstehung und die messtechnische Erfassung, also vorwiegend durch Sensoren und Messtechnik. Die Entwicklungen schreiten hier aber weiter fort. Neueste, laserbasierte interferometrische Ultraschallverfahren erlauben sogar Frequenzbereiche von 10 Hz bis 2 MHz. 0.7.2.1 Ultraschall Im Bereich Zustandsüberwachung sind verschiedene Ultraschallquellen relevant, nämlich ● Kurzzeitvorgänge (Stoßanregung), ● trockene Reibung (Stick-Slip), ● Strömungsgeräusche sowie ● elektrische Teilentladungen. Physikalische Prinzipien der Entstehung sind in den ersten beiden Fällen gleich denen von Körperschall, siehe Abschnitt 0.7.1.4. Die höheren Frequenzen bewirken eine noch bessere Aus‐ breitung des Schalls in der Struktur, was eine Fehlerentdeckung auch über größere Entfernungen ermöglicht. Die Signalanalyse erfolgt auf gleichem Weg über Demodulation, was entsprechend die modulierenden Betriebsfrequenzen zutage bringt. Vorteilhaft gegenüber der üblichen Körper‐ schallanalyse kann sich das niedrigere Hintergrundgeräusch bei hohen Frequenzen auswirken. Wegen der mit den hohen Frequenzen verbundenen, kurzen Wellenlängen ist bei der Hand‐ habung von Körperschallaufnehmern eine gewisse Sorgfalt vonnöten. Die Ankopplung erfolgt entweder über eine spezielle Tastspitze oder auf breiterer Kontaktfläche über ein Gel. Für Luftschall sind entsprechend breitbandige Mikrofone oder Mikrofonarrays einzusetzen. Strömungsgeräusche, vor allem bei geringfügigen Leckagen, sind mit der Emission von Ultra‐ schall verbunden. Detektion und Auswertung erfolgen zumeist durch Abhören und Beurteilung durch erfahrene Spezialisten. Objektiver ist es, mit breitbandigen Ultraschallkamerasystemen zu 49 0.7 Erscheinungsbilder von Schwingungen <?page no="50"?> arbeiten, die auch eine quantitative Erfassung der Gasaustrittsmenge bis hin zu Kostenbetrach‐ tungen ermöglichen. Elektrische Teilentladungen durch schadhafte Isolation können im Frühstadium ebenfalls akustisch im Ultraschallbereich detektiert und bezüglich Kritikalität bewertet werden. 0.7.2.2 Schallemission Durch kritische mechanische oder thermische Belastungen von Bauteilen können strukturelle Veränderungen auftreten. Dabei wird in der Struktur gespeicherte, elastische Energie schlagartig in Form kurzzeitiger Impulse, sogenannte Bursts, freigesetzt, die sich als transiente, elastische Spannungswellen ausbreiten. Typische Ursachen sind sprunghafte kristalline Änderungen bei Überschreiten der Streckgrenze in metallischen Werkstoffen oder Entstehen und Ausbreiten von Mikrorissen. Als Folge der Kurzzeitigkeit treten extrem hohe Frequenzen bis in den Megahertz‐ bereich auf. Die Ausbreitung erfolgt in der Struktur über große Distanzen. Zur Quantifizierung wird hier die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, die sogenannte Burstrate, herangezogen. Beispiel: Überschreitet man beim Belastungsversuch einer Betonprobe am Prüfstand die Dauerstandfestigkeit, tritt sofort Schallemission auf, was auf Vorschädigung durch Mikro‐ risse in der Struktur schließen lässt, obwohl die Probe nach wie vor unbeschädigt erscheint. Bekannt ist auch das Zinngeschrei beim Verbiegen von Zinn. 0.7.3 Luftschall 0.7.3.1 Erscheinungsformen und Kategorisierung von Luftschall Spricht man von Luftschall, besteht gewöhnlich ein Bezug hinsichtlich der Akustik, also für das menschliche Gehör wahrnehmbar Luftschwingungen im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz. Im tech‐ nischen Bereich wird dieser Frequenzbereich in beiden Richtungen erweitert, die Schallereignisse werden nach Bild 0.14 kategorisiert. Bild 0.14: Kategorisierung von Luftschall 0.7.3.2 Schallmessung Von einer Maschine emittierter Luftschall wird in der Umgebung der Maschine gemessen. Messgröße ist der Schalldruck in der Luft an der Messstelle, für Spezialanwendungen gelegentlich auch die Schallschnelle oder Schallintensität. Unter Schalldruck versteht man den Wechselanteil des Drucks (Druckschwankungen) im um‐ gebenden Medium (meist Luft), unter Schallschnelle den Wechselanteil der Geschwindigkeit. Der 50 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="51"?> Bild 0.15: Hot Spots gemessen mit Mikrofonarray zufolge des statischen Luftdrucks oder von Luftströmungen üblicherweise stark überwiegende Gleichanteil des Luftdrucks wird dabei durchwegs nicht erfasst oder bewertet. Ziele einer Luftschallbewertung liegen meist im Bereich der Beurteilung der Schalleinwirkung auf den Menschen. Dieses Thema, die Schallimmission, wird in diesem Buch jedoch nicht weiter vertieft. In bestimmten Fällen kann eine Luftschallmessung jedoch auch zur Beurteilung der Schwingungen einer Maschine herangezogen werden, da Gehäuseschwingungen als Luftschall in die Umgebung abgestrahlt werden. Der Luftschall ist somit als Messgröße für eine Zustandsbe‐ wertung prinzipiell geeignet. Gleiches gilt für die Schwinggeschwindigkeit (Schallschnelle, s. o.). Hinweis: Die Schallabstrahlung einer schwingenden Struktur ist stark abhängig von der Frequenz und vor allem von der Schwingungsform (Mode) der Struktur. Nicht alles, was an Schwingungen auf der Struktur auftritt, ist auch im Luftschall erkennbar und messbar! Luftschall wird über Mikrofone erfasst. Als Messgröße kommen sowohl Schalldruck wie auch Schallschnelle in Betracht. Als Druckmikrofone werden Kondensatormikrofone eingesetzt, in der Regel ausgeführt als Elektretmikrofon. Die Empfindlichkeit von Druckmikrofonen ist unabhängig von der Einfallsrichtung des Schalls, da der Druck eine skalare Größe ist. Schnellemikrofone sind hingegen richtungsempfindlich - die Schwinggeschwindigkeit ist eine vektorielle, also gerichtete Größe. Zur Beurteilung der Schalleinwirkung auf den Menschen nach Normen und Richtlinien sind ausschließlich Messungen über Druckmikrofone geeignet. Für elektroakustische Anwendungen (Sprachaufnahmen, Musikaufnahmen etc.) sind Mikrofone mit Richtcharakteristik von Vorteil, da hier eine bessere Ausblendung von Umgebungsgeräuschen möglich ist. Anmerkung: Zur akustischen Beurteilung wäre eine Richtungsempfindlichkeit des Mikro‐ fons unerwünscht, da auch Umgebungsgeräusche das Ohr belasten. Zum Einsatz in einer Zustandsüberwachung könnte sie hingegen von Vorteil sein. Vorteilhaft ist hier die Möglichkeit der Fernmessung mit recht aussagekräftigen Resultaten. Das ist vor allem für schwer zugängliche Strukturen wichtig. Aus den Maxima der Schallabstrahlung (man spricht dabei von Hot Spots) sind oft schon Fehlerquellen anhand der örtlichen Verteilung identifizierbar. Ein anschauliches Beispiel ist in Bild 0.15 dokumentiert. Es zeigt die Schallabstrah‐ lung eines Kompressors, gemessen mit einer akustischen Kamera. Dabei werden die Quellen der Luftschallabstrahlung über ein Mikrofonarray lokalisiert. Geht man etwa schmalbandig auf die Zahneingriffsfrequenz, lässt sich die Schallausbreitung über das gesamte Gehäuse und in die umgebende Luft gut nachverfolgen. Ähnlich ist die Vorgehensweise bei der Fehlerortung, zum Beispiel zur Lecksuche. Hier arbeitet man vorteilhaft auch im Ultraschallbereich, da die örtliche Auflösung aufgrund der ge‐ ringeren Wellenlänge besser ist und der Einfluss von Störge‐ räuschen geringer. Zu erwähnen ist auch die Schallintensitätsmesstechnik, mit der sich Schallfelder richtungsabhängig analysieren lassen. Dabei werden über spezielle Sonden Schalldruck und Schall‐ schnelle am gleichen Ort simultan erfasst. Überdeckt man damit eine Hüllfläche um eine Struktur möglichst vollständig, kann daraus das Schallfeld in der Ferne (Spatial Transforma‐ 51 0.7 Erscheinungsbilder von Schwingungen <?page no="52"?> 7 Constant Percentage Bandwidth - konstante relative Bandbreite. tion of Soundfields, STSF) oder im akustischen Nahfeld (Nearfield Acoustic Holography, NAH) berechnet werden. In der Zustandsüberwachung gibt es auf dieser Basis Ansätze zum Trennen verschiedener Schallquellen als mögliche Fehlerquellen. Die Methode ist allerdings noch sehr aufwändig und erfordert ein hohes Maß an Spezialkenntnissen. Aufgaben, die mit solchen Messtechniken gelöst werden, sind ● Schallquellenortung, ● Lokalisation von Schallquellen auf einer Struktur, ● Selektive Messung von Reifen- und Auspuffgeräusch eines Kfz, ● Berechnung des Fernfelds (Schallabstrahlung) aus Messungen im Nahfeld (Prüfstand), ● Akustische Holographie (Berechnung des akustischen Nahfelds), ● Randelemente-Methode (BEM). 0.7.3.3 Frequenzanalyse in der Akustik Unter dem Begriff Frequenzanalyse sind Methoden zur Ermittlung der frequenzbasierten Zusam‐ mensetzung von Schwingungen zusammengefasst. Standardverfahren der Frequenzanalyse in der Schwingungstechnik ist der FFT-Analysator. Zur Frequenzanalyse von Schallsignalen nutzt man neben FFT-Analysatoren auch Terz/ Oktavanalysatoren. Sie basieren auf Filtern konstanter relativer Bandbreite (Oktav, Terz, 1/ 12-Oktav). Spektren konstanter relativer (oder prozentualer) Bandbreite werden auch als CPB-Spektren 7 bezeichnet. Digitale Filter werden zwischenzeitlich auch am Rechner emuliert oder vielfach als Option im FFT-Analysator angeboten. 0.7.3.4 Psychoakustik Die Psychoakustik befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen Schallereignis und mensch‐ licher Empfindung. Hier werden diverse Analyseverfahren, zum Teil im Zeitbereich, zum Teil im Frequenzbereich eingesetzt. Zu nennen wären hier: ● Frequenzbewertung (A-Bewertung, des Weiteren B, C und D Bewertungen) ● Lautheit (nach Zwicker) ● Schärfe ● Tonheit ● Rauigkeit ● Tonhaltigkeit ● Impulshaltigkeit ● Schwankungsstärke 0.7.4 Belastungs- und Beanspruchungsschwingungen Bauwerke, Anlagen, Antriebe oder Strukturen stehen unter dynamischer Belastung und werden dadurch zusätzlich dynamisch beansprucht. Man unterscheidet insbesondere bei rotierenden Antriebssystemen zwischen torsionalen, transversalen und axialen Schwingbeanspruchungen. Diese Schwingungsarten können sich auch überlagern oder sogar gekoppelt auftreten. Bei zu 52 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="53"?> hohen Beanspruchungen kann es zu initialen Schädigungen und zur vorzeitigen Abnutzung kommen. Wesentlich für die Zustandsüberwachung ist die Messung der Belastung selbst, also der dynamischen Erregerkraft. Im Bereich des Maschinenbaus sind solche Lastschwingungen vor allem zur Dimensionierung und zur Abschätzung der Dauerfestigkeit von Materialien und Kon‐ struktionen von besonderer Bedeutung. Vergleicht man die messtechnisch erfassten rotatorischen und deformatorischen Lasten mit den wirkenden dynamischen Belastungen kann unterschieden werden, ob stationäre, schwellende oder sogar wechselnde Belastungen und Beanspruchungen im jeweiligen Asset vorliegen, siehe dazu Bild 0.16. Bild 0.16: Grundformen von Beanspruchungen Über Modellbetrachtungen und ermittelte Lastkollektive lassen sich daraus gewisse Abschätzungen der Restlebensdauer durchführen. Begriffe und Methodik können Bild 0.17 entnommen werden. Bild 0.17: Verringerung der Lebensdauer durch erhöhte Schwingbeanspruchungen 0.7.5 Eigenschwingungen Eigenschwingungen sind Schwingungen einer Struktur ohne Einwirkung äußerer Kräfte (zum Beispiel bei Impulsanregung der Vorgang nach dem Impuls). Die dabei auftretenden Schwin‐ gungsfrequenzen bezeichnet man als Eigenfrequenzen. 53 0.7 Erscheinungsbilder von Schwingungen <?page no="54"?> Im Falle einer Anregung von Eigenfrequenzen kann eine Struktur in Resonanz kommen. Eine Resonanz ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturantwort sowohl unmittelbar unterhalb wie auch unmittelbar oberhalb der Eigenfrequenz niedriger ist. Resonanzschwingungen können zu vorzeitigen oder gewaltsamen Schäden führen und sind daher möglichst zu vermeiden. Wo dies nicht möglich ist, sind Resonanzstellen schnell zu durchfahren. Eigenfrequenzen lassen sich messtechnisch über Resonanzanalysen ermitteln. Im praktischen Betrieb kann man sie auch im Zuge von An- und Auslaufvorgängen anhand der bei Resonanz‐ durchfahrt überhöhten Schwingungen ableiten. Aussagen über Eigenschwingungen und die damit verknüpften Schwingungsformen (Eigen‐ formen, Eigenmoden) liefert die Modalanalyse. Anmerkung: Eigenfrequenzen werden meist als unabhängig von der Anregungsfrequenz, zum Beispiel der Betriebsdrehzahl angesehen. Bei schnelllaufenden Maschinen ist dies nicht immer der Fall. So können Biegeeigenfrequenzen eines Rotors je nach konstruktiver Aus‐ führung und Lagergestaltung drehzahlabhängig sein. Auch die Schaufeleigenfrequenzen bei Turbomaschinen steigen zum Beispiel infolge der „Fliehkraftversteifung“ mit zunehmender Drehzahl an. 0.7.6 Strukturschwingungen und Eigendynamik Sind in einem Mechanismus konstruktionsbedingt Losteile vorhanden, so werden diese durch Anstoßen zu charakteristischen Eigenschwingungen angeregt. Man spricht dann von Eigendy‐ namik der Struktur. Obwohl diese Schwingungen deutlich ausgeprägt sein können und meist als störend empfunden werden, sind sie nicht als Fehler im Sinne einer Zustandsüberwachung zu interpretieren. Sie sollten trotzdem berücksichtigt werden, da zum Beispiel bei mechanischen Schaltgetrieben durch gerade nicht im Kraftfluss befindliche verzahnte Losräder unangenehme Rasselgeräusche entstehen können. Anmerkung: … rasseln, prasseln, knistern, klirren … 0.7.7 Gebäude- und Fundamentschwingungen Gebäudeschwingungen sind vorwiegend sehr niederfrequente Schwingungen, die entweder aus der Umgebung eingeleitet, von benachbarten Maschinen erregt oder von der zu überwachenden Maschine selbst verursacht werden. Man spricht dann auch von Erschütterungen. Vor allem bei Strukturen, die starken Umwelteinflüssen ausgesetzt sind (zum Beispiel Rotorblätter von Windener‐ gieanlagen), müssen solche Schwingungen bei der Beurteilung sorgfältig berücksichtigt werden. Die Schwinggeschwindigkeiten sind ein Maß für die wirkenden Schwingbeanspruchungen bei Gebäude- und Fundamentschwingungen. Zulässige Schwingungswerte sind insbesondere in DIN-Normen der Baudynamik bauartspezifisch beschrieben. Im Zusammenhang mit Zustandsüberwachung verdient die Richtlinie VDI 2038 besondere Bedeutung, in welcher Erschütterungsgrenzwerte für die Aufstellung empfindlicher Maschinen angegeben werden. Das betrifft in diesem Zusammenhang sowohl die Abnahme von Maschinen wie auch die Isolierung gegen die Schwingungsübertragung von einer Maschine ins Fundament oder Gebäude (im Hinblick auf Erschütterung benachbarter Maschinen). 54 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="55"?> 0.8 Konzepte und Strategien der Schwingungsüberwachung Ausgangspunkt von Schwingungsbeurteilungen an Maschinen waren - man könnte fast sa‐ gen, naturgemäß - Maschinenschwingungen, die zunächst unmittelbar als gefährdend für die Maschine empfunden wurden, auch schon ohne Einsatz messtechnischer Hilfsmittel. Schall war lange Zeit in dieser Hinsicht als wenig bedeutsam eingestuft worden. Zunächst war der Fokus auf die Schwingungen des Maschinengehäuses gerichtet, so wie die Schwingungen nach außen hin auftreten. Messung und Beurteilung wurden in einer allerersten Richtlinie VDI 2056 dokumentiert. Als dieser Beurteilung nur Teilerfolge beschieden waren, hat man zusätzlich Wellenschwingungen, also die Relativbewegungen einer Maschinenwelle (meist Ausgangspunkt der Schwingungen) mit einbezogen und in einer zweiten Richtlinie VDI 2059 festgehalten. Diese beiden, man kann sagen bahnbrechenden Richtlinien sind heute längst zurückgezogen, nachdem die Inhalte in internationalen Normenreihen zur Breitbandüberwachung aufgegangen sind, die nach wie vor eines der Standbeine jeder Schwingungsüberwachung und -beurteilung bilden. In diesen Richtlinien wurden präzise Messverfahren definiert und festgelegt, die im Wesentli‐ chen auch heute noch so zur Anwendung kommen. 0.8.1 Messverfahren Basierend auf den gerade genannten standardisierten Breitbandverfahren wird nach zwei grund‐ sätzlichen Klassen von Messverfahren vorgegangen (siehe Bild 0.18): ● Schwingungen und Bewegungen an nicht-rotierenden Teilen (Gehäuseschwingungen) sowie ● Schwingungen und Verlagerungen von rotierenden Wellen (relativ zum Gehäuse oder absolut). Bild 0.18: Messverfahren 0.8.1.1 Schwingungen an nicht-rotierenden Teilen Diese Schwingungen werden meist über seismische Schwingungsaufnehmer, vorwiegend Be‐ schleunigungsaufnehmer, am Maschinengehäuse erfasst. Da die durch innere Kräfte, eigentlicher Zielpunkt der Messung, erregten Schwingungen über die Lager nach außen geleitet werden, wählt man bei rotierenden Maschinen die Messpunkte vorzugsweise im Bereich der Wellenlagerungen. 55 0.8 Konzepte und Strategien der Schwingungsüberwachung <?page no="56"?> Anmerkung: Daher rührt auch der umgangssprachlich häufig verwendete Begriff Lager‐ schwingungsmessung. Diese Schwingungen stehen in direkter Relation zu den Kräften, in linearen Systemen sind sie diesen proportional (Newton). Diese Messtechnik wird daher vorzugsweise für die Quantifizierung der Schwingstärke (engl. severity) und für allgemeine diagnostische Zwecke bis hin zur Fehler‐ früherkennung eingesetzt. Man hat bei der Beurteilung dieser Schwingungen zwei Zielrichtungen, ● Lagerschwingungsmessung (zur Beurteilung der Kräfte) sowie ● Messung der Gehäuseschwingungen. 0.8.1.2 Schwingungen an bewegten und rotierenden Teilen Diese Messungen erfolgen meist über berührungslos messende Wegaufnehmer, welche die Relativschwingungen zwischen Welle und Lagergehäuse erfassen. Im Allgemeinen werden in einer Messebene zwei um 90° versetzt angeordnete Aufnehmer eingesetzt. Aus den beiden Wegsignalen erhält man durch vektorielle Addition die räumliche Bewegung der Welle, den sogenannten Wellenorbit. Aus der Form des Orbits kann man Informationen über bestimmte Fehler, vor allem zu Wucht- und Ausrichtzuständen sowie über Instabilitäten von Gleitlagerungen (Öl-Whirl oder Öl-Whip) ableiten. Oder - ein weiteres Anwendungsbeispiel - man kontrolliert mit solchen Wegsensoren das Funktions- und Ausgleichsverhalten von Doppelzahnkupplungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Eine zusammenfassende Gegenüberstellung der beiden Messstrategien bringt Tabelle 0.13. Aspekt Wellenschwingungen Lagerschwingungen Gehäuseschwingungen Erfasste Bewegung Relativschwingung der Welle im Lager bzw. zwischen Welle und Gehäuse Orbit (kinetische Wellenbahn) Absolutbewegung am Lagergehäuse Messgröße Vorzugsweise Schwingweg über berührungslose Wegaufnehmer Schwinggeschwindigkeit oder Schwingbeschleunigung über seismische Aufnehmer Indizierte Größe Wellenbewegung, Lagerspalt, Ölfilmstärke, Spiel etc. charakteristisch für dynamische Lagerkräfte Prognosezeitraum kurzfristig und langfristig (spontane Fehler) langfristig (Fehlerfrüherkennung, Betriebsüberwachung) Tabelle 0.13: Gesichtspunkte zu Wellenschwingungs- und Lagerschwingungsmessung 0.9 Breitbandige Beurteilung von Schwingungen Entsprechend der historischen Entwicklung, aber auch der nach wie vor aktuellen Bedeutung wird an erster Stelle die breitbandige Beurteilung von Schwingungen behandelt. Diese Anwendungen stammen aus der Frühzeit der Schwingungsbeurteilung, wo man erstmals Schwingungen in einem größeren Frequenzbereich überhaupt imstande war zu messen. Da erhob sich sofort die Frage nach 56 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="57"?> einer aussagekräftigen Beurteilung der Schwingstärke, zunächst auf Basis breitbandig gemessener Schwingungspegel. Als Beurteilungsgrundlage wurden Erfahrungen aus dem praktischen Maschinenbetrieb herangezogen und statistisch ausgewertet. Diese Erfahrungen wurden zunächst systematisch nach Maschinengruppen klassiert, in den zuvor genannten VDI-Richtlinien zusammengefasst und veröffentlicht. Die Richtlinie VDI 2056 erschien zuerst in Deutschland für Messungen außen an der Maschine (umgangssprachlich Lagerschwingungsmessung), danach erschien VDI 2059 für Wellenschwingungen, siehe Bild 0.19. Diese beiden VDI Richtlinien sind dann in die internationale Normung eingegangen, und zwar als ● DIN ISO 10816 für die Beurteilung der Schwingungen an nicht-rotierenden Teilen und als ● DIN ISO 7919 für die Beurteilung von Wellenschwingungen. Die ursprünglichen Richtlinien VDI 2056 und VDI 2059 wurden mittlerweile zurückgezogen. Interessant ist die historische Entwicklung insofern, als dieser bewährte Weg bei der Beurteilung der Schwingungen von Windenergieanlagen wieder eingeschlagen wurde. Zunächst wurde die Richtlinie VDI 3834 erstellt. Der Inhalt dieser Richtlinie (national) wurde dann in die internationale Norm DIN ISO 10816 Teil 21 übernommen. Anmerkung: Die Erfahrungen von VDI-Richtlinien beruhen vorwiegend auf nationaler Basis und werden in ISO-Normen international erweitert. Erwähnt sei an dieser Stelle, dass aktuell die parallelen Normenreihen 10816 und 7919 schrittweise in eine einheitliche Reihe DIN ISO 20816 zusammengeführt werden (siehe Bild 0.19). In diesem Abschnitt werden lediglich die grundlegenden Prinzipien erläutert, wie sie in DIN ISO 20816 Teil 1 definiert sind. Eine etwas detailliertere Vorstellung erfolgt an geeigneter Stelle (Abschnitt 10.1.2). Bild 0.19: Normung auf dem Gebiet breitbandiger Beurteilung von Schwingungen 57 0.9 Breitbandige Beurteilung von Schwingungen <?page no="58"?> 8 … wenn über mehrere Messebenen die Bewegung des Wellenmittellinie erfasst wird. 0.9.1 Beurteilung von Schwingungen an nicht-rotierenden Teilen Zunächst einige Ausführungen über die Gehäuseschwingungsmessungen an nicht rotierenden Teilen: Die Messungen erfolgen außen an der Maschine vorwiegend im Bereich der Lagerungen. Über die Auswahl der Messpositionen gibt es normative Angaben wie in Bild 0.20. Bild 0.20: Bevorzugte Messpunkte und Bewertungszonen nach DIN ISO 20816 Die Beurteilung erfolgt in vier Zonen nach Bild 0.20, wobei die Zonen A und B oft zusammenge‐ fasst werden. Anmerkung: Erwähnt sei an dieser Stelle, dass Bewertungen über fünf Klassen selektiver und individuell ermittelte Kritikalitäten, wie sie später noch eingeführt werden, anwen‐ dungsgerechter sind. Siehe dazu Abschnitt 12.5. Zur Beurteilung der Maschinenschwingungen wird für allgemeine Maschinen vorzugweise der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit im Bereich 10 Hz bis 1 kHz herangezogen. Eine übersichtliche und vollständige Zusammenstellung einschlägiger Regelwerke erfolgt in Abschnitt 10. An dieser Stelle seien als Beispiel Tabelle 0.14 die Bewertungsschemata nach DIN ISO 10816-3 (Industrielle Maschinen) und DIN ISO 10816-7 (Kreiselpumpen für den industriellen Einsatz) im Detail gezeigt. Es handelt sich dabei um die in der Praxis meistverwendeten Teile dieser Normenreihe. 0.9.2 Beurteilung von Wellenschwingungen an rotierenden Wellen Wegen ihrer besonderen Bedeutung sind Messung und Beurteilung von Wellenschwingungen ebenso durch nationale und internationale Standards festgelegt. Zur Messung der Wellenschwin‐ gung wird die radiale Bewegung der Welle über berührungslos messende Wegaufnehmer erfasst, siehe Bild 0.21. Die Wellenbewegung setzt sich zusammen aus den Wellenverlagerungen (bis hin zur Shaft Centerline 8 ) und den Wellenschwingungen. Da jeweils zwei um 90° versetzt montierte Aufnehmer eingesetzt werden, lassen sich auch die flächenbezogenen (ebenen) Bewegungen der Welle auf ihrer Umlaufbahn messen. Durch vektorielle Addition entstehen die sogenannten Wellenorbits. In den Normen werden in der 58 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="59"?> Tabelle 0.14: Grafisch veranschaulichte Bewertung in Bezug auf DIN ISO 10816 Teil 3 (für allgemeine Maschinen) und Teil 7 (für Kreiselpumpen) Regel jedoch nur die zugehörigen relativen Wellenschwingungen bewertet. Die Bewertung von Wellenschwingungen erfolgt ebenfalls in vier Zonen A bis D (Bild 0.21). Bei der Bewertung sollten unbedingt auch Beschreibungen und Anhänge der jeweiligen Standards einbezogen werden. So empfiehlt beispielsweise DIN ISO 20816-2 im informativen Anhang E, dass die Zonengrenzwerte in Abhängigkeit von ausgeführten Gleitlager- und Dich‐ tungsspielen anzupassen sind. Bild 0.21: Wellenschwingungsmessung und Bewertungsschema nach DIN ISO 20816 0.10 Zeitbereichsanalyse Eine wichtige Strategie der schwingungsbasierten Zustandsüberwachung sind Auswertungen im Zeitbereich, also unter Zugrundlegung des zeitlichen Verlaufs einer Schwingung und der 59 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="60"?> 9 Time Wave Form - Analyse Untersuchung dort ausgeprägter Eigenschaften. Man unterscheidet bei Zeitbereichsanalysen zwischen ● Zeittrendanalysen und ● dynamischen Zeitsignalanalysen (TWF 9 ). Bei Zeittrendanalysen wird das Langzeitverhalten bestimmter zeitlicher Messgrößen (oder Deskriptoren) ausgewertet. Bei dynamischen Zeitsignalanalysen wird das Kurzzeitverhalten beschrieben, zum Beispiel Auftreten und Höhe kurzzeitiger Spitzen. Die zuvor beschriebenen breitbandigen Beurteilungen sind auch Zeitbereichsanalysen, da sie über standardisierte Mittelungen des Zeitsignals gebildet werden. Dabei werden entweder energierelevante Kennwerte ab‐ geleitet oder zeitliche Charakteristika (Spitzenhaltigkeit) ermittelt und ihr tendenzielles Verhalten beurteilt. Auch statistische Analysen und Klassierverfahren sind Zeitbereichsmethoden, da sie auf Beurteilungen über Zeitbereiche basieren. Sie werden aus diesem Grund auch in diesen Abschnitt integriert. Anmerkung: Kanonische Basis der Signalanalyse sind Zeitbereich und Frequenzbereich. Eine Erweiterung durch einen Wahrscheinlichkeitsbereich wurde mehrfach angeregt, konnte sich jedoch auf diesem Fachgebiet bisher nicht etablieren. Wichtigste Grundlage von Zeitbereichsanalysen sind Mittelungsverfahren, sie sind in Tabelle 0.15 zusammengestellt. Daneben kann eine Untersuchung von Spitzenwerten hinsichtlich Häufigkeit, regelmäßigem Auftreten und Form von Bedeutung sein. Anmerkung: Mittelung ist auch im Frequenzbereich, also für spektrale Größen, ein wich‐ tiges Thema. Die Verfahren dort sind jedoch im Wesentlichen identisch mit den hier vorge‐ stellten. Weiter noch: Es werden dabei vorwiegend spektrale Größen wieder im Zeitbereich gemittelt. Mittelungsverfahren werden deshalb in den entsprechenden Abschnitten nicht mehr vertieft. Sie sind hier, soweit es sinnvoll ist, einbezogen. Spitzen im Signalverlauf sind diagnoserelevante Erscheinungen, die im TWF-Zeitsignal (also direkt im dynamischen Schwingungssignal) am deutlichsten zutage treten. Dabei ist allerdings sorgfältig darauf zu achten, dass diese Kurzzeitphänomene auch mit hinreichender zeitlicher Auflösung erfasst werden. Im Spektrum, das ja schon von der Analyse her von vornherein mit einer Mittelung verbunden ist, sind kurzzeitige Ereignisse wegen ihres geringen Energiegehalts kaum oder praktisch nicht identifizierbar (die Energie wird über ein Zeitfenster gleichmäßig verteilt). Spitzenwerte, das markanteste Merkmal von Kurzzeitphänomenen, gehen bei der Frequenzanalyse komplett verloren. Weitere Zielpunkte einer Zeitbereichsanalyse sind transiente Vorgänge wie Kurzzeitereignisse (Stoßvorgänge) oder Übergänge zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen (Schaltvorgänge). Hier bietet zur Analyse das sogenannte Eventmonitoring mit Aufzeichnung der Vor- und Nachgeschichte eine wertvolle Messmöglichkeit. 60 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="61"?> Mittelungsverfahren Mittelung zeitliche Mittelung Mittelung über der Zeit Scharmittelung Mittelung über ein Ensemble Spitzenbewertung Spitzenwert Maximalwert, Minimalwert Spitzenhaltigkeit Signalcharakteristik Spitzenform Trendanalyse Modellierung physikalische oder mathematische Parametrisierung Prognostik Erreichen von Grenzwerten, verfügbare Restlaufzeit Statistik Mittelwert Auswertung zurückliegender Ereignisse Erwartungswert Prognose künftiger Ereignisse Klassierung Rainflow Zählmethode zur Ermittlung der Schwingbeanspruchung für Betriebsfestigkeitsbetrachtungen Anmerkung: Die Verfahren sind sinngemäß auch im Frequenzbereich anwendbar. Tabelle 0.15: Mittelungsverfahren Die Mittelungsverfahren werden im Folgenden ausführlich behandelt, auf gegebenenfalls auftre‐ tende Überschneidungen wird dabei nicht eingegangen. Für weitere Hinweise sei auf die Richtlinie VDI 4550 Blatt 1 verwiesen. 0.10.1 Mittelung und statistische Momente Unter Mittelung versteht man eine Rechenvorschrift, nach der aus einer Zahlenreihe eine weitere Zahl als Mittelwert berechnet wird. Schon die grundlegende breitbandige Beurteilung von Schwingungen nach dem vorigen Abschnitt beruht auf der Bewertung des Effektivwerts und damit der physikalischen Leistung, beides per Definition Mittelwerte. Man erkennt sofort die zentrale Bedeutung der Mittelung. Es können demnach also nicht nur Werte einer Zustandsgröße x(t) gemittelt werden, die Mittelung kann auch über Funktionen g(x(t)), also über Kennwerte oder Eigenschaften durchgeführt werden. 61 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="62"?> (0.3) Allgemein gilt für den Mittelwert x bzw. g x(t) die Rechenvorschrift x = 1 T T x t dt g x = 1 T T g x t dt Die Mittelwertbildung wird dabei durch den Querstrich oberhalb indiziert; bei g(x) handelt es sich um eine beliebige Funktion. Anmerkung: Man beachte das Argument der Mittelung: x 2 ≠ x 2 . Die Definition, wie sie hier formuliert wurde, beschreibt eine Mittelung über der Zeit t, also über einen definierten Zeitraum einer zeitabhängigen Größe. Mittelungen können jedoch auch über eine Reihe parallel durchgeführter Prozesse, also über eine Schar, durchgeführt werden. Doch dazu später - zunächst wird die zeitliche Mittelung betrachtet. Mittelwerte werden am häufigsten in der Statistik angewendet, daher stammen auch viele Be‐ griffe ursprünglich aus diesem Bereich. Verfahren und Definitionen können von dort sinngemäß auf deterministische Signale übertragen werden. Ein Mittelwert ist ein Kennwert für die zentrale Tendenz einer Verteilung. Zur Berechnung gibt es unterschiedliche Berechnungsvorschriften mit qualitativ unterschiedlichen Bewertungen. Die wichtigsten davon sind ● arithmetisches Mittel, ● quadratisches (energetisches) Mittel sowie ● geometrisches Mittel. Ein Mittelwert wird aus konkretem, also bereits vorliegendem Datenmaterial berechnet. In Gegenüberstellung dazu beruht ein Erwartungswert auf der theoretisch zu erwartenden Häufigkeit (Wahrscheinlichkeit). In der praktischen Anwendung werden Mittelwert und Erwartungswert oft synonym verwendet. Wann diese Gleichsetzung gerechtfertigt ist und wann nicht, wird auch Thema dieses Abschnitts sein. Ein Mittelwert kann nicht nur als Mittel über die Funktionswerte (Stichproben) einer Zeitfunk‐ tion direkt berechnet werden, es können auch davon abgeleitete Parameter gemittelt werden. Ein praktisches Beispiel dazu veranschaulicht Bild 0.22. Durch Mittelung des Zeitsignals x(t) erhält man das arithmetische Mittel, für Schwingungen ist das der Gleichwert x. Mittelung der Quadrate x²(t) ergibt den quadratischen oder energetischen Mittelwert x 2 . Gerade in diesem Punkt tritt die Bedeutung einer Mittelung klar zutage: Der quadratische Wert selbst schwankt im Zeitverlauf zwischen null und dem doppelten Quadrat der Signalamplitude, ein punktuell genommener Wert wäre ohne praktische Bedeutung. Erst die zeitliche Mittelung ergibt einen relevanten Wert - also einen Kennwert, der dann auch der physikalischen Definition des Begriffs Leistung (= Energie/ Zeiteinheit) entspricht. Hinweis: Das energetische Mittel entspricht dem Effektivwert der zu bewertenden Schwingungen. 62 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="63"?> Bild 0.22: Energetische und arithmetische Mittelung Anmerkung: Man überlege jetzt den Unterschied zwischen x 2 und x 2 . 0.10.1.1 Zeitliches Mittel und Scharmittel - Ergodizität Grundsätzlich geht man in der Statistik von dem gedanklichen Ansatz aus, dass Mittelwerte aus einer Anzahl von parallel durchgeführten, gleichartigen Versuchen durch Mittelung der Ergebnisse über die einzelnen Versuche gewonnen werden; man spricht hier von einer Scharmit‐ telung, das Ergebnis ist ein Erwartungswert (das ist ein Wert, der bei einem weiteren Versuch wahrscheinlich zu erwarten wäre). Demgegenüber steht die zeitliche Mittelung über eine zeitliche Abfolge von Stichproben; man erhält einen zeitlichen Mittelwert, ein Zeitmittel. Führen in einer Versuchsreihe beide Mittelungsarten prinzipiell zum gleichen Ergebnis, dann wird der Prozess ergodisch genannt. Siehe dazu Tabelle 0.16. Diese Erklärung ist insbesondere von Bedeutung, da bei der Zustandsüberwachung von individuellen Maschinen ausschließlich von ergodischen Prozessen auszugehen ist. Verfahren Beschreibung Ergebnis Zeitmittelung Mittelung über den Zeitbereich Mittelwert Scharmittelung Mittelung über (parallele) Versuche Erwartungswert Ergodische Prozesse Mittelwert = Erwartungswert Mittelwert Tabelle 0.16: Mittelungsarten Beispiel: Untersucht man für einen bestimmten Fahrzeugtyp den Einfluss der Fahrbahnbe‐ schaffenheit auf das Innengeräusch, genügt eine zeitliche Mittelung über einen einzigen (hinreichend langen) Fahrversuch mit einem Fahrzeug - der Prozess ist ergodisch. Soll hingegen der Einfluss verschiedener Varianten der Federung untersucht werden, ist der Prozess nicht ergodisch (Sportwagen - Luxuslimousine). 63 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="64"?> Vom Ansatz her sind also beide Gedanken prinzipiell unterschiedlich: ● Die zeitliche Mittelung bezieht sich ausschließlich auf die Vergangenheit. ● Die Scharmittelung ermittelt aus einer Versuchsreihe eine Vorhersage (Wahrscheinlichkei‐ ten) für die Zukunft, den sogenannten Erwartungswert E. Für ergodische Prozesse werden Mittelwert und Erwartungswert gerne synonym verwendet, was ja schon aus der Definition der Ergodizität kein Fehler ist. Anmerkung: Man kann argumentieren - liegt ein zeitlicher Mittelwert aus einer einzigen, hinreichend langen Messung vor, so ist der Prozess (die Messung) per se ergodisch, da die Schar lediglich aus einer einzelnen Realisierung besteht. 0.10.1.2 Intervallmittelwert und gleitende Mittelung Zeitliche Mittelung wird immer über eine endliche Zeit, also über ein Intervall durchgeführt. Die Werte innerhalb des Intervalls werden nach Vorschrift (siehe oben) gemittelt, man erhält zum Beispiel einen Gleichwert (arithmetisches Mittel) oder einen Energiewert (energetisches Mittel), siehe dazu Bild 0.22. Die Werte innerhalb des Intervalls können auch unterschiedlich gewichtet werden, etwa um neuere Werte gegenüber weiter zurückliegenden stärker zu betonen. Zieht man das Mittelungsintervall kontinuierlich über den Zeitbereich und zeigt dabei für jeden Zeitpunkt t den Mittelwert des unmittelbar davorliegenden Intervalls an, erhält man eine gegenüber den Einzelwerten geglättete Anzeige des Zeitverlaufs wie in Bild 0.23 dargestellt. Eine besondere Bedeutung kommt der exponentiellen Mittelung zu. Dabei werden zurücklie‐ gende Werte mit einer exponentiell abnehmenden Gewichtung in die Mittelung einbezogen, siehe Bild 0.23 links. Anmerkung 1: Diese Art der Mittelung ist ursprünglich die Simulation eines mechanischen Instrumentenzeigers mit definierten Zeigereigenschaften (Masse und Dämpfung des Zei‐ gers). Sie stammt aus der Akustik, wo typischerweise Signale mit stark schwankendem Charakter einheitlich und vergleichbar zu bewerten (zu mitteln) sind. Anmerkung 2: Das bei exponentieller Mittelung nach der Vergangenheit hin offene Intervall ist ohne praktische Bedeutung, da das Mittel in der Regel rekursiv berechnet wird, also aus letztem Mittelwert und aktuellem Messwert. Bild 0.23: Lineare und exponentielle Mittelung Tabelle 0.17 zeigt in der Spalte Mittelwert die wichtigsten zeitlichen Mittelwerte. Der arithmeti‐ sche Mittelwert gibt den Gleichwert einer Schwingung an; speziell für energetische Beurteilungen 64 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="65"?> wird er oft als null angenommen. Der energetische Mittelwert ist ein Maß für die in der Schwin‐ gung enthaltene Energie und damit ein Maß für die Beurteilung der Schwere der Schwingung (Severity). Vorgezogen wird der Effektivwert x rms , der ebenfalls energiebezogen ist, jedoch gleiche physikalische Dimension wie die Messgröße hat. Anmerkung: Für den Effektivwert x rms ist eine Reihe von Synonymen gebräuchlich, wie x R.M.S , x eff , x ∼ oder 1 V RMS. Die Abkürzung rms steht für Root Mean Square. 0.10.1.3 Mittelwerte und Erwartungswerte In Tabelle 0.17 sind die für die Schwingungsbewertung wichtigsten Mittelwerte zusammenge‐ stellt. Es wird dort unterschieden zwischen Mittelwerten und Erwartungswerten, die Ordnung bezieht sich auf die Potenz, in welcher die Zustandsgröße x in das Mittelungsverfahren eingeht. Für ergodische Prozesse sind die Ergebnisse der Mittelung in ein und derselben Zeile identisch (siehe Definition der Ergodizität). Ordnung Mittelwert Erwartungswert 1 Mittelwert (Gleichwert) x = 1 T ∫ T x(t)dt Erwartungswert E(X ) = μ = ∫ −∞ ∞ x p(x)dx 2 Energetischer Mittelwert x 2 = 1 T ∫ T x 2 (t)dt Varianz σ 2 = E X − μ 2 = ∫ −∞ ∞ x − μ 2 p(x)dx (1) Effektivwert x rms = 1 T ∫ T x 2 t dt Standardabweichung σ = σ 2 3 Schiefe (Skewness) γ = E X − μ σ 3 = ∫ −∞ ∞ x − μ 3p(x)dx σ 3 4 Kurtosis β 2 = E X − μ σ 4 = = ∫ −∞ ∞ x − μ 4p(x)dx σ 4 Tabelle 0.17: Mittelwerte und Erwartungswerte Grundsätzlich stammen Mittelungsverfahren aus der Analyse stochastischer, also zufälliger Prozesse, die Verfahren werden daher auch hier auf solche Prozesse aufgebaut. Dabei wird mit dem Symbol X der gesamte Zufallsprozess, mit x eine einzelne Realisierung bezeichnet. Die gleichen Rechenvorschriften sind sinngemäß auch auf Prozesse ohne Zufallscharakter anwendbar, zum Beispiel auf eine harmonische Schwingung. 65 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="66"?> 10 In der Stochastik wird ein Zufallsprozess mit dem Großbuchstaben X bezeichnet, ein konkreter Wert (eine Realisierung) mit dem Kleinbuchstaben x. (0.4) Bild 0.24: Summenhäufigkeit eines statistischen Prozesses (0.5) (0.6) Wahrscheinlichkeit und Verteilungsfunktionen Für eine Zufallsvariable X gibt die Summenhäufigkeit P(x) die Wahrscheinlichkeit an, dass der Wert der Variablen kleiner oder gleich einer vorgegebenen Schranke x ist 10 : P (x) = W X < x Die Wahrscheinlichkeit W ist ein einfacher Zahlenwert und variiert nach ihrer Defini‐ tion zwischen den Werten 0 (unmögliches Ereignis) und 1 (sicheres Ereignis). Die Ver‐ teilungsfunktion ist demnach eine monoton steigende Funktion zwischen den Werten 0 und 1. Die Funktion ist in Bild 0.24 für eine Normalverteilung dargestellt. Die Ableitung der Amplitudenvertei‐ lungsfunktion nennt man Amplitudenvertei‐ lungsdichte oder kurz Verteilungsdichte p(x): p(x) = dP (x) dx Über die Verteilungsdichte lässt sich eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit W ableiten, mit der die Größe x(t) innerhalb eines Intervalls [a, b) liegt: W a ≤ x < b = P (b) − P (a) = ∫ a b p(x)dx Bild 0.25: Verteilungsdichte einer Normalverteilung 66 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="67"?> 11 Diese Aussage ist eine Konsequenz des Zentralen Grenzwertsatzes der Wahrscheinlichkeitstheorie, der hier nur ansatzweise zitiert wird. 12 Man sollte die Bezeichnung stochastisch vorziehen, da der Begriff des Zufalls in der modernen Physik sehr fragwürdig geworden ist (s. Max Planck). (0.7) (0.8) Zur Darstellung bzw. Charakterisierung der statistischen Eigenschaften wird die Verteilungs‐ dichte gegenüber der Summenhäufigkeit vorgezogen, da aus ihr verschiedene Eigenschaften direkt ablesbar sind. Bild 0.25 zeigt die Verteilungsdichte für eine Normalverteilung (Gaußvertei‐ lung), mathematisch beschrieben durch die Gleichung (die Bedeutung der Parameter kann Tabelle 0.17 entnommen werden): p x = 1 2πσ e − 12 x − μ σ 2 Für zentralsymmetrische Verteilungen kann diese Funktion als allgemeines Paradigma heran‐ gezogen werden, da die Summe einer großen Zahl von Zufallsvariablen immer annähernd normalverteilt ist 11 . Da die Normalverteilung in der Realität allerdings immer nur näherungsweise auftreten kann (nach Gl. 0.4 wären schließlich alle Werte zwischen -∞ und +∞ möglich), wird für die vorhandenen Messwerte diejenige Normalverteilung ermittelt, welche die vorhandenen Werte bestmöglich approximiert; solche Verfahren werden als Maximum Likelihood-Methode bezeichnet. Anmerkung 1: Maximum Likelihood basiert grundsätzlich auf der Modellierung eines Systems, welches die gemessenen Phänomene am besten erklären kann. Anmerkung 2: Likelihood bezieht sich also immer auf das System, Probability auf den Erwartungswert (likely ist es eine Normalverteilung, daher ist die Leistung probably 10 MW); im Deutschen werden beide Begriffe gleichermaßen mit Wahrscheinlichkeit übersetzt. Für eine bessere Unterscheidung spricht man bei Likelihood auch von Plausibilität anstelle von Wahrscheinlichkeit. Aus der Verteilungsdichte kann man die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsgröße x(t) im Intervall [a, b) liegt, direkt ablesen. Sie entspricht dem entsprechenden Flächensegment unter dem Funktionsgraphen (siehe Bild 0.25). Hinweis: Die Fläche unter dem gesamten Graphen (gelb) hat immer den Wert 1. Aus der Verteilungsdichte p(x) kann der Erwartungswert E berechnet werden, also der Mittelwert der Größe x. E(X ) = μ = ∫ −∞ +∞ x p(x)dx Statistische Momente Stochastische Prozesse oder Zufallsprozesse 12 können lediglich durch bestimmte Mittelwerte, die sogenannten Erwartungswerte quantitativ beschrieben werden. Eine korrekte Berechnung des Verlaufs solcher Prozesse aus den Daten des Momentanzustands ist nicht möglich (im Gegensatz 67 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="68"?> (0.9) (0.10) zu deterministischen Signalen, wie zum Beispiel eine Sinusfunktion). Zur Quantifizierung werden sogenannte statistische Momente herangezogen. Das n-te statistische Moment ist definiert als Mittelwert der n-ten Potenz der Zustandsgröße x (siehe auch Gl. 0.9): E X n = ∫ −∞ +∞ x n p(x)dx statistisches Moment E X − μ n = ∫ −∞ +∞ x − μ n p(x)dx zentrales Moment Das zentrale Moment erfasst bei Schwingungen lediglich den Wechselanteil. Mittelwert und Erwartungswert Der Mittelwert x nach Tabelle 0.17 ist gleich dem ersten statischen Moment, dem Erwartungswert. Effektivwert und Streuung Das Moment 2. Ordnung wird als Varianz σ 2 bezeichnet und quantifiziert die Streuung um den Mittelwert. Die Wurzel aus der Varianz ist die Standardabweichung σ. Sie ist in Bild 0.25 eingetragen. Für eine normalverteilte Größe x gilt: ● 68,27 % aller Messwerte liegen innerhalb ±σ um den Mittelwert µ ● 95,45 % aller Messwerte liegen innerhalb ± 2σ um den Mittelwert µ ● 99,73 % aller Messwerte liegen innerhalb ± 3σ um den Mittelwert µ oder ● 50 % aller Messwerte haben eine Abweichung von maximal 0,675σ vom Mittelwert ● 90 % aller Messwerte haben eine Abweichung von maximal 1,645σ vom Mittelwert ● 95 % aller Messwerte haben eine Abweichung von maximal 2,575σ vom Mittelwert Für ergodische Prozesse gelten die Gleichwertigkeiten von zeitlicher Mittelung und Erwartungs‐ wert (siehe Tabelle 0.17): ● Der Mittelwert x ist gleich dem ersten statistischen Moment, dem Erwartungswert µ ● Für mittelwertfreie Schwingungen ist die Standardabweichung σ gleich dem Effektivwert x rms Die Definition von Erwartungswerten kann sinngemäß auch auf deterministische Signale angewendet werden. Schiefe (Skewness) Die Schiefe oder Skewness nach Tabelle 0.17 ist ein Maß für die Asymmetrie einer Verteilung. Jede asymmetrische Verteilung ist schief, die Normalverteilung ist symmetrisch. 68 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="69"?> 13 Kurtosis, Kurtose oder Wölbung (aus dem Griechischen kyrtosis, Wölbung). Bild 0.27: Symmetrische Verteilungsdichten mit unter‐ schiedlicher Kurtosis Bild 0.26: Schiefe Verteilungen Die Schiefe wird oft als Fehlerindikator bei Prozessen mit Rauschcharakter angegeben, zum Beispiel bei Schleifprozessen. Kurtosis Der Kurtosiswert β 2 nach Tabelle 0.17, in der Statistik auch Kurtosis, Kurtose oder Wöl‐ bung 13 genannt, ist ein Maß für die Spitzen‐ haltigkeit einer Verteilung. Dadurch, dass in der Definitionsgleichung die Zustandsvari‐ able x in der vierten Potenz steht, werden Spit‐ zenwerte besonders stark betont. Aus Bild 0.27 ist die Charakteristik für ver‐ schiedene symmetrische Verteilungsdichten abzulesen. Für eine Normalverteilung gilt ein Wert β 2 = 3. Verteilungen mit einem Kurtosis‐ wert < 3 haben, verglichen mit der Normalver‐ teilung einen abgeflachten Gipfel, bei einem Wert >3 einen spitzen Gipfel. Ausgeprägte Spitzenhaltigkeit spiegelt sich in einem hohen Kurtosiswert wider. Durch diesen Zusammenhang kann der Kurtosiswert eine Spitzenhaltigkeit bereits in einem Frühstadium aufdecken, wenn die Spitzen noch durch Hintergrundrauschen maskiert sind. Welche Bedeutung hat Ergodizität für ein einzelnes Messsignal? Interpretiert man ein einzelnes Signal im Sinne der Statistik als Ensemble von einem einzelnen Prozess, ist die Voraussetzung der Ergodizität immer gegeben. 0.10.1.4 Mittelwerte aus Stichproben Die Berechnung von Mittelwerten aus einer Folge von diskreten Stichproben x i ist in Tabelle 0.18 zusammengestellt. Sie enthält zusätzlich die Formel für die rekursive Berechnung von Mittelwert und Standardabweichung. Die Tabelle ist das diskrete Pendant zu Tabelle 0.17. 69 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="70"?> Ordnung Mittelwert 1 Mittelwert (Gleichwert) x = 1 n ∑ i x i 2 Energetischer Mittelwert x 2 = 1 n − 1 ∑ i x i − x 2 (1) Standardabweichung σ = 1 n − 1 i x i − x 2 3 Schiefe (Skewness) γ = 1 n ∑ i xi − x σ 3 4 Kurtosiswert β 2 = 1 n ∑ i xi − x σ 4 1 Rekursive Mittelwertbestimmung x n = n − 1 n x n − 1 + 1 n x n 1 Rekursive Standardabweichung σ n = n − 2 n − 1 σ n − 1 2 + 1 n x n − 1 − x n 2 Tabelle 0.18: Mittelwertberechnung aus Stichproben 0.10.1.5 Peak Hold-Mittelung Bei einer Mittelung dieser Art wird der Maximalwert innerhalb eines Messintervalls als Ergebnis festgehalten. Seine Bedeutung als Mittelwert gewinnt der Peak Hold-Wert, wenn für jede Stichprobe eine Gruppe von Kennwerten existiert, zum Beispiel für spektrale Komponenten. Für eine Folge von Spektren besteht das Peak Hold-Spektrum aus den Maximalwerten für jeden Frequenzkanal, wobei der Wert im Allgemeinen aus unterschiedlichen Einzelspektren der Folge stammt. Anmerkung: Der Maximalwert wird noch in Abschnitt 0.10.4 diskutiert. 0.10.2 Median und Quantil Median- und Quantil sind Mittelwerte, die sich lediglich auf die Anzahl von Überschreitungen, nicht jedoch auf die Überschreitungshöhe beziehen. In diesem Sinne werden sie in der Statistik auch als Lageparameter bezeichnet. 70 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="71"?> Median Der Median teilt eine Liste in zwei Hälften, so dass die Hälfte der Werte oberhalb, die andere Hälfte unterhalb des Medianwerts liegt. Ordnet man die Werte der Größe nach in aufsteigender Reihenfolge, so ist der Median ● bei ungerader Wertezahl die mittlere Zahl, ● bei gerader Probenzahl das arithmetische Mittel der beiden mittleren Zahlen. Im Vergleich zum Mittelwert ist der Meridian robust gegenüber einzelnen Ausreißern. Ob Meridian oder Mittelwert aussagekräftiger ist, hängt von der Aufgabenstellung ab. 0.10.2.1 Quantil Das empirische p-Quantil oder einfach nur kurz Quantil teilt eine Liste von Stichproben in zwei Teile, wobei p % der Stichprobenwerte unterhalb und (1 - p %) oberhalb des Quantils liegen. Beispiel: Beim 0,95-Quantil liegen 95 % der Stichprobenwerte unterhalb des Quantils. Anmerkung: Der Median ist das 0,50-Quantil. 0.10.3 Kennwerte und Kennfunktionen Kennwerte sind Einzelwerte, die eine bestimmte quantitative Eigenschaft beschreiben. Kenn‐ funktionen sind aus den Rohdaten abgeleitete Funktionen wie eine Hüllkurve, die bestimmte Eigenschaften einer Schwingung hervorheben. 0.10.4 Spitzenbewertung In Tabelle 0.19 sind die Spitzenwerte (Extremwerte) zusammengefasst, die sich aus dem Zeitver‐ lauf einer Schwingung ermitteln lassen. Alle Bewertungen gelten innerhalb eines definierten Intervalls, bei periodischen Schwingungen innerhalb einer Periode. Bezeichnung Symbol Definition Maximalwert x max größter Wert einer Schwingung mit beliebigem Verlauf Minimalwert x min kleinster Wert einer Schwingung mit beliebigem Verlauf Betragsmaximalwert |x| max größter Wert des Absolutbetrags | x(t)| einer Schwingung mit beliebigem Verlauf Scheitelwert x s Betragsmaximalwert einer periodischen Schwingung mit Gleichanteil null Schwingungsbreite x h Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert Peak Hold Intervall-Maximalwert, siehe Abschnitt 0.10.1.5 Tabelle 0.19: Spitzenbewertungen 71 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="72"?> (0.11) Bild 0.28: Moduliertes Zeitsignal (Impulsfolge) und Hüll‐ kurve Anmerkung: Im Zusammenhang mit der Beurteilung von Wellenschwingungen nach DIN ISO 7919 oder nach DIN ISO 20816 sind alternative Indizierungen üblich, zum Beispiel p-p (Peak to Peak) für die Schwingungsbreite. Siehe dazu Abschnitt 0.9.2. Eine zusammen‐ fassende Gegenüberstellung wird in Abschnitt 1.1.3.2 (Bild 1.16) gegeben. Im Kontext dieses Buches werden, mit Ausnahme von direktem Bezug auf Wellenschwingungsmessungen, die Bezeichnungen nach Tabelle 0.19 verwendet. 0.10.5 Spitzenhaltigkeit Die Spitzenhaltigkeit liefert im Unterschied zur Spitzenbewertung von Abschnitt 0.10.4 Aussagen, inwieweit die Spitzenwerte durch Kurzzeitereignisse geprägt sind, zum Beispiel durch Stoßim‐ pulse infolge Pittings in Wälzlagern. Einfachster Parameter zur Bewertung der Spitzenhaltigkeit ist der Crestfaktor oder Scheitel‐ faktor C F , gebildet als Verhältnis von Betragsmaximalwert |x| max und Effektivwert x rms nach der Gleichung C F = |x|max xrms Der Wert ist relevant, solange nur wenige kurzzeitige Spitzen im Signal auftreten. Die einzelne Spitze liefert dann nur wenig Beitrag zum Effektivwert. Mit steigender Spitzenhaltigkeit verliert der Faktor allerdings an Schärfe, der Crestfaktor sinkt dann wieder. Als Alternative zur Bewertung der Spitzenwertigkeit kann die Kurtosis herangezogen werden (Tabelle 0.17), das vierte statistische Moment. Durch die vierte Potenz in der Berechnung werden die Spitzenwerte hier besonders betont. Das geht auch schon rein visuell aus Bild 0.27 hervor. 0.10.6 Hüllkurvenanalyse Vielfach steckt bei Schwingungssignalen mit schwankender Amplitude, sogenannten modulierten Signalen, die gesuchte Information in der Modulation. Zur Extraktion dieser Information kann das Hüllkurvensignal herangezogen werden, siehe Bild 0.28 und auch Abschnitt 0.7.1. Körperschall. Die Hüllkurve ist im Prinzip eine Gleichrich‐ tung des Signals mit anschließender Tiefpass‐ filterung. Um ein Signal mit einer Charakte‐ ristik nach Bild 0.28 (oben) zu erhalten, muss vor einer Hüllkurvenbestimmung eine Band‐ passfilterung erfolgen. 0.10.7 Trendanalyse Bei der Trendanalyse wird der Langzeitver‐ lauf eines Signals, genauer gesagt, einer Kenn‐ größe oder einer Kenngrößenschwankung verfolgt, etwa nach dem Muster von Bild 0.8. Im Falle eines fortschreitenden Fehlers kann unter Zugrundelegung eines Rechenmodells eine Prognose über die verfügbare Restlaufzeit erfolgen. Das Modell wird vorwiegend den Charakter 72 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="73"?> Stationarität Mittelwert (Erwartungswert) Varianz Höhere statistische Momente Prozessstationarität ● ○ ○ (schwache) Stationarität ● ● ○ starke Stationarität ● ● ● ● = stationär, ○ = nicht überprüft Tabelle 0.20: Stationarität eines exponentiellen Verlaufs haben. Diesem Ansatz liegt die Annahme zugrunde, dass die anwachsende Schwingung die Fehlerursache verstärkt. Anmerkung: Auch wenn eine Trendanalyse für schmalbandige Komponenten erfolgt, ist sie nach wie vor eine Zeitbereichsanalyse, siehe Bild 0.33. 0.10.8 Stationarität Ein stochastischer Prozess wird als stationär bezeichnet, wenn sämtliche statistische Momente über der Zeit konstant sind. Da die Überprüfung dieser Eigenschaft schwierig ist, haben sich in der Praxis sowie in der Mechanik und Elektrotechnik verschiedene Definitionen eingebürgert, siehe Tabelle 0.20. Die Prozessstabilität beschränkt sich auf die Überwachung von Mittelwerten: Solange der Wert innerhalb eines vordefinierten Intervalls verläuft, wird der Prozess als stabil beurteilt. Die schwache Stationarität beschränkt sich auf die Stabilität von Mittelwert und Varianz. Sie ist im Allgemeinen für die Beurteilung ausreichend und wird daher meist unter dem Begriff Stationarität (ohne Attribut) geführt. Schwanken bei einem Prozess die statistischen Eigenschaften regelmäßig mit einer Periode T, so spricht man von einem zyklostationären Prozess. Beispiel: Typisches Beispiel sind Zusatzanregungen bei Windenergieanlagen (WEA), die mit dem Durchgang der Rotorblätter im Vorstau des Turms entstehen. 0.10.9 Klassierung Unter Klassierung versteht man das Einordnen von Objekten nach bestimmten Merkmalen in getrennte Gruppen, sogenannte Klassen. Jedes Element wird dabei genau einer Klasse zugeordnet. 0.10.9.1 Klassen In der Statistik bezeichnet der Begriff Klassierung oder Klasseneinteilung die Einteilung von Merkmalswerten in getrennte Gruppen, sogenannte Klassen oder Größenklassen. Dabei wird jedes Element abhängig von seinem Wert einer Klasse zugeordnet. Als Beispiel zeigt die Grafik in Bild 0.29 eine zweiparametrige Klassierung. 73 0.10 Zeitbereichsanalyse <?page no="74"?> Bild 0.29: Zweiparametrige Klassierung Alle Werte einer Klasse liegen innerhalb einer oberen und unteren Klassengrenze. Die Differenz zwischen den Klassengrenzen wird als Klassenbreite bezeichnet, der Mittelwert kann als reprä‐ sentativer Wert der Klasse herangezogen werden. Mit Hilfe solcher Darstellungen lässt sich erkennen, wie Mittelwerte und zugehörige Amplitu‐ den sich in definierten Zeitintervallen in ihren vorab definierten Klassen verändern. Alle Werte einer Klasse liegen innerhalb einer oberen und unteren Klassengrenze. Die Differenz zwischen den Klassengrenzen wird als Klassenbreite bezeichnet, der Mittelwert kann als Repräsentant der Klasse herangezogen werden Klassierverfahren ergänzen die traditionellen Auswertemetho‐ den für Schwingungen, Belastungen und Beanspruchungen. Vorteil von Klassierverfahren ist eine deutliche Datenreduktion. Bei kontinuierlichen Messungen bleibt die Datenmenge sogar konstant. Man verzichtet hier zwar auf Informationen zum zeitlichen Schwingungsverhalten, bekommt aber verdichtete Informationen zu Größe, Schwankungen und Häufigkeiten der Messgrößen. Damit lassen sich Lastkollektive für Betriebsfestigkeitsbetrachtungen ableiten und Veränderungen von Schwingbeanspruchungen sehr kompakt erkennen und beurteilen. 0.10.9.2 Cluster Stellt man bei einer Klassierung Häufungen von Merkmalen in bestimmten Bereichen fest, werden diese Bereiche als sogenannte Cluster zusammengefasst. In der Datenanalyse versteht man unter einem Cluster eine Menge von Datenobjekten mit ähnlichen Eigenschaften. 0.10.9.3 Klassierverfahren Die Zuordnung von Elementen in Klassen erfolgt durch Zählung bestimmter Zustände oder Ereignisse. Eine Zusammenstellung üblicher Klassierverfahren findet man in Tabelle 0.21. Grund‐ sätzlich wird zwischen einparametrigen und zweiparametrigen Methoden unterschieden. Bei einparametrigen wird nur ein Wert in die Zählung einbezogen, zum Beispiel der Spitzenwert. Bei zweiparametrigen sind es zwei, etwa Mittelwert und Amplitude. 74 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="75"?> Klassierverfahren Einparametrig Zweiparametrisch Spitzenzählung Bereichs-Mittelwert-Zählung Zählung von Klassengrenzenüberschreitungen Von-Bis-Zählung Bereichszählung Bereichspaar-Mittelwert-Zählung Verweildauerzählung Rainflow-Zählung Momentanwertzählung Zweiparametrige Verweildauerzählung Bezogene Momentanwertzählung Zweiparametrige Momentanwertzählung Zweiparametrige bezogene Momentanwertzählung Tabelle 0.21: Klassierungen 0.10.9.4 Rainflow-Klassierung Die Rainflow-Klassierung ist ein spezielles zweiparametriges Zählverfahren, sie liefert wertvolle Informationen zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit. Das Verfahren wird beispielsweise in der Automobilindustrie bei der betriebsfesten Auslegung von straßenangeregten Bauteilen eingesetzt. Verwendbar ist die Rainflow-Methode außerdem beim Condition Monitoring zum Aufspüren von Stoßerscheinungen oder anderen Extremereignissen. Grundlage des Rainflow-Verfahrens ist die Umwandlung einer Beanspruchungs-Zeit-Folge in eine Folge klassierter Umkehrpunkte und die anschließende Zählung von geschlossenen Hystere‐ seschleifen als definiertes Schädigungs-Fundamentalereignis. Geschlossene Hysteresen in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm entstehen durch plastische Verformungen im Werkstoff. Da das Verfahren zweiparametrig ist, erlaubt es eine eindeutige Rücktransformation von Mittelwerten und Amplituden. Anmerkung: Die Bezeichnung Rainflow leitet sich von einer anschaulichen Erklärung der Zählmethode mit Regenwasserflüssen über Pagodendächer ab. Gedanklicher Hintergrund ist der Fluss des Regenwassers von einem Pagodendach auf das nächste Pagodendach. 0.11 Frequenzanalyse Die meisten der in der Zustandsüberwachung behandelten Probleme können mit hinreichender Genauigkeit durch lineare Differenzialgleichungen beschrieben werden. Warum? Im Anfangssta‐ dium eines sich entwickelnden Fehlers sind die Schwingungen klein (eigentlich sollte das System ja überhaupt nicht schwingen! ). Es treten also kleine Schwingungen um eine Ruhelage auf, sodass die angreifenden Kräfte linear oder linearisiert beschreibbar sind. Ziel einer Schwingungsanalyse ist die Beschreibung der Schwingungen über ihre Frequenzen, also im sogenannten Frequenzbereich. Angelpunkt aller einschlägigen Verfahren ist dabei die wohlbekannte Fouriertransformation, die in Gl. 0.12 in ihrer elementaren Schreibweise vorgestellt wird, zusammen mit der Rücktransformation. Die Fouriertransformation ist eine lineare Integraltransformation, die aus dem Zeitverlauf x(t) eine Spektralfunktion X(f) liefert. 75 0.11 Frequenzanalyse <?page no="76"?> (0.12) (0.13) Anmerkung: Die Notierung mit der Frequenzvariablen f anstelle von ω mag zwar zunächst ungewohnt erscheinen, bringt jedoch gewisse Vorteile mit sich. X (f ) = ∫ −∞ +∞ x(t)e − j2πf t dt = ℱ x(t) Fouriertransformation x(t) = ∫ −∞ +∞ X (f )e j2πf t df = ℱ −1 X (f ) Rücktransformation (inverse) In dieser, ihrer Urform, berechnet die Fouriertransformation für X(f) eine spektrale Leistungs‐ dichte (Power Spectral Density, PSD), wobei sich die Dichte auf die Frequenz bezieht - also Leistung/ Hertz. Für deterministische Komponenten, also eine harmonische Schwingung (Sinus), ist diese Notation weniger geeignet, da hier die Leistung voll auf eine einzelne Frequenz konzentriert ist und somit die Leistungsdichte an der entsprechenden Stelle demnach unendlich groß wird. Man kann mathematisch diese Problematik zwar mit der Diracschen Deltafunktion beherrschen, für die praktische Anwendung erscheint diese Methode jedoch etwas abstrakt. Besser ist es, die Spektralfunktion als Leistung und nicht als Leistungsdichte zu berechnen. Die in der Praxis angewendete diskrete Fouriertransformation (DFT) und der optimierte FFT-Al‐ gorithmus liefern diese Dimensionierung per se, da es sich dabei im Grunde genommen um Fourier-Reihenentwicklungen handelt. a n = 1 T ∫x(t)e − j2nπf t dt Die Koeffizienten a n sind dabei die Amplituden der harmonischen Komponenten. Grundsätzlich kann man sagen, dass sich die Darstellung als Leistungsdichte eher für sto‐ chastische Signale (zum Beispiel Rauschen) eignet, die Darstellung als Leistung ist besser für deterministische Signale (Sinus) geeignet. Da in der Zustandsüberwachung hauptsächlich deterministische Komponenten untersucht werden und Rauschen eher als störender Hintergrund auftritt, kann man ganz allgemein die Betrachtungen auf die Leistungsspektren fokussieren. Die jetzt anschließend hier vorgestellten Grundsatzbetrachtungen gelten gleichermaßen für beide Varianten. Es sei jedoch kurz auf die Tragweite der Fouriertransformation hingewiesen, die vielfach nicht klar sein dürfte. Für jedes lineare System ist es eine Integraltransformation, die den auf analytischen Axiomen (Differenzialgleichung, zum Beispiel Newton) basierenden Ansatz in eine algebraische Form (charakteristische Gleichung, zum Beispiel Impedanz) transformiert und damit einer Lösung erst zugänglich macht. Anmerkung: Exponentialansatz für die Lösung der Schwingungsgleichung, Separationsan‐ satz für partielle Differenzialgleichungen, Helmholtzgleichung für Schallfeldberechnungen - alles im Grunde genommen eine Fouriertransformation! 0.11.1 Frequenzanalyse als Diagnosewerkzeug Der Frequenzanalyse oder ganz allgemein, der Spektralanalyse kommt also eine zentrale Rolle in der Schwingungsdiagnostik zu. Es handelt sich dabei um eine Zerlegung der Schwingung in 76 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="77"?> ihre Bestandteile (Komponenten) hinsichtlich der Schwingungsfrequenz. Die Zerlegung, genannt Frequenzanalyse, kann hauptsächlich nach zwei Methoden erfolgen, und zwar über ● Filter (analog oder digital) oder ● Fouriertransformation (FFT). Schwerpunkt der Analyse in der Zustandsüberwachung liegt dabei deutlich auf der Fouriertrans‐ formation, ausgeführt im FFT-Analysator. In der Folge werden die wesentlichen Gesichtspunkte der Schwingungsanalyse betrachtet. Zunächst zurück zur gehörmäßigen Beurteilung und Diagnose: Von ihrem Entstehungsort im Inneren einer Maschine werden Schwingungen nach außen auf das Gehäuse übertragen, wo sie messtechnisch erfasst und als Beurteilungsgrundlage herangezogen werden können. Eine Frequenzanalyse liefert das Spektrum der Schwingung. Aus den Schwingungsfrequenzen im Spektrum kann man bei Kenntnis der kinematischen Gegebenheiten Rückschluss auf die Quelle ziehen, siehe Bild 0.30. Dominierende Komponenten (Peaks) im Spektrum lassen sich dann bestimmten Maschinenelementen zuordnen. Bild 0.30: Identifikation von Einzeleffekten in Zeit- und Frequenzbereich Für eine aussagekräftige quantitative Beurteilung der Schwingungen wäre allerdings die Kenntnis der erregenden inneren Kräfte notwendig, die für die Schädigung letztendlich verantwortlich sind. Diese Kräfte entziehen sich jedoch einer direkten Messung. Dies liegt einfach daran, dass zwischen Kraft und Schwingung, physikalisch interpretiert, eine unbekannte und überdies ausgeprägt fre‐ quenzabhängige Übertragungsfunktion liegt, siehe dazu Bild 0.31. Da diese Übertragungsfunktion 77 0.11 Frequenzanalyse <?page no="78"?> nicht bekannt ist, ist eine präzise Rückrechnung auf die Kräfte nicht möglich, es können deshalb nur indirekte Verfahren angewendet werden. Bild 0.31: Zusammenhang zwischen Kraft- und Schwingungsspektrum Erwähnt sei an dieser Stelle, dass man über zusätzliche Systemanalysen dennoch gewisse Rückschlüsse auf die inneren Kräfte treffen kann (das wird in Abschnitt 9 unter dem Stichwort Systemanalyse noch ausführlich thematisiert). Bei den breitbandigen Beurteilungen von Abschnitt 0.9 erfolgen solche Rückschlüsse erfah‐ rungsbasiert und fokussiert auf bestimmte Maschinengruppen und auf festgelegte Messpunkte. Die Frequenzanalyse ist im Vergleich dazu wesentlich sensibler und selektiver. Eine Gegenüber‐ stellung zeigt Bild 0.32. Dort sind die Ergebnisse von Breitbandmessung und Frequenzanalyse vergleichend dargestellt. Bild 0.32: Breitbandige und schmalbandige (frequenzselektive) Messung Das Bild zeigt zunächst im (vorwiegend) unteren Teil das Frequenzspektrum in der Darstellung des Pegels über der Frequenz für vier verschiedene Zeitpunkte t 1 bis t 4 mit t 1 < t 2 < t 3 < t 4 . Man kann beobachten, dass sich das Spektrum im Wesentlichen stabil über der Zeit verhält, mit Ausnahme 78 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="79"?> eines Bereiches um die Frequenz f FEHLER , bei der sich ein ansteigender Trend als wachsender Peak zeigt. Dieses Anwachsen deutet auf einen Fehler mit ansteigender Tendenz hin, die Frequenz kann früher als der Breitbandpegel Hinweise auf die fehlerhafte Komponente geben. Im Vergleich dazu sei daneben das zeitliche Verhalten des Breitbandpegels betrachtet. Tritt im Spektrum eine dominierende Frequenzkomponente auf, so wird der Breitbandpegel (die energetische Summe aller Frequenzanteile) durch diese Komponente geprägt. Der Breitbandpegel liegt vom Betrag her nur geringfügig höher. Andere Frequenzanteile liefern, rein messtechnisch betrachtet, für den Breitbandpegel einen nur untergeordneten oder nicht messbaren Anteil. Der Breitbandpegel wird durch die anwachsende Fehlerkomponente erst zum Zeitpunkt t 4 beeinflusst, wenn diese im Spektrum dominierend wird. Bild 0.33 zeigt diesen Zusammenhang in einem x-t-Diagramm. Daraus lässt sich die gesamte Strategie der Überwachung direkt ablesen: ● Zur Überwachung wird der zeitliche Verlauf des Schwingungspegels betrachtet. ● Solange der Schwingungspegel bei identischen Betriebsbedingungen über der Zeit konstant bleibt, wird der Zustand als gut beurteilt. ● Ein zeitlich ansteigender Schwingungspegel deutet auf einen Fehler, also eine Zustandsver‐ schlechterung hin. Des Weiteren gilt für eine Frequenzanalyse: ● Im Spektrum sind ansteigende Komponenten weitaus frühzeitiger zu erkennen. ● Die Frequenz der ansteigenden Komponente erlaubt eine Fehleridentifikation. Bild 0.33: Trendanalyse frequenzselektiv und breitbandig 0.11.2 Durchführung der Frequenzanalyse In der modernen Zustandsüberwachung werden Spektren praktisch ausschließlich über die Fast Fourier Transformation berechnet. Dieses und darauf aufbauende Verfahren werden in den Abschnitten 3 und höher ausführlich behandelt. 79 0.11 Frequenzanalyse <?page no="80"?> 0.11.3 Mittelung von Spektren Die Mittelung von Spektren wird praktisch ausschließlich im Energiebereich durchgeführt. Es werden kanalweise die (spektral gefilterten) Quadrate der Messgröße gemittelt. Dazu ist zunächst eine Umrechnung notwendig: Effektivwerte sind vor der Mittelung zu quadrieren, logarithmische Spektren sind zuvor zu entlogarithmieren. Nach der energetischen Mittelung ist wieder auf die ursprüngliche Dimension (Effektivwert oder Pegel) umzurechnen. Die Mittelung selbst erfolgt nach den Verfahren von Abschnitt 0.10.1. Ein Sonderfall der Mittelung von Spektren ist die Peak Hold-Mittelung, siehe Abschnitt 0.10.1.5. 0.12 Ordnungsanalyse 0.12.1 Prinzip der Ordnungsanalyse Bei der Schwingungsanalyse an drehzahlvariablen Anlagen stößt die Frequenzanalyse an ihre Grenzen, da durch Drehzahlvariation die drehzahlbezogenen Frequenzen, wie etwa Unwucht‐ komponenten, im Frequenzspektrum verschmieren: Entsprechend der Schwankung verteilt sich eine solche Frequenzkomponente von einer einzelnen Linie über einen breiten Frequenzbereich. Die Amplitude zeigt hier entsprechend „verschleppt“ eine Energieverteilung über den gleichen Bereich, wie in Bild 0.34 rechts oben zu sehen ist. Besonders bei der Analyse niedriger Drehzahlen tritt dieses Phänomen stark in Erscheinung, da hier meist lange Mess- und Mittelungszeiten erforderlich sind. Dieses Problem findet sich in markanter Form bei Windenergieanlagen, da hier sehr niedrige Drehzahlen überlagert von Schwankungen, zum Beispiel infolge des aktuellen Windangebots, typisch sind. Gänzlich anders liegt der Fall bei der Analyse von Hoch- und Auslaufvorgängen oder bei Maschinen mit einem großen Betriebsdrehzahlbereich (Automobil). Hier sind Drehzahlschwan‐ kungen keine Störung, sondern Betriebszustand. Aber auch bei nominell konstanten Drehzahlen können Drehzahlschwankungen von Messung zu Messung Schwierigkeiten beim Vergleich von Frequenzspektren machen, da sich die Spektren hinsichtlich der Frequenz nicht mehr decken. Solche Effekte können nur mit aufwändigen Korrekturmaßnahmen kompensiert werden. Eine diesen Fällen angepasste Analyse, eine Variante der Frequenzanalyse, bieten Mitlauffilter. Ursprünglich wurden sie im analogen Bereich ausgeführt als Überlagerungsfilter, deren Mitten‐ frequenz mit der Rotordrehzahl synchronisiert wird. Digital lassen sich solche Mitlaufverfahren einfacher realisieren. Dazu wird das Signal zur Di‐ gitalisierung nicht in festen Zeitintervallen, sondern entsprechend äquidistanter Winkelschritte des Rotors abgetastet. Das ist zum Beispiel über eine ausreichend hohe Anzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilten Triggermarken möglich, wie in Bild 0.34 dargestellt. Oben im Bild ist die übliche zeitsynchrone Frequenzanalyse zu sehen, darunter die drehwinkelsynchrone Ordnungsanalyse, beide mit den entsprechenden Auswirkungen im Spektrum. Ein auf diese Weise über FFT berechnetes Spektrum ergibt ein sogenanntes Ordnungsspektrum, bei welchem die Abszisse in Drehzahlordnungen, also Vielfachen der Rotordrehzahl anstelle von Frequenzen skaliert ist. 80 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="81"?> Bild 0.34: Rotorsynchrone Abtastung zur Ordnungsanalyse Dazu wird zu Dokumentationszwecken eine entsprechende Nomenklatur mit Kurzbezeichnungen (vor allem zur Diagrammbeschriftung) nach Tabelle 0.22 eingeführt. Diese Systematik erfasst auch die üblicherweise drehzahlbezogenen Polpassierfrequenzen bei elektrischen Maschinen. Bei Verbrennungsmaschine nutzt man gern Moden, die sich auf einen Verbrennungszyklus beziehen. Ordnungskomponente Ordnung 1 1X 2 2X n nX Polpassierfrequenz einfach 1p zweifach 2p n-fach np Tabelle 0.22: Nomenklatur für Ordnungsspektren Die Schnelligkeit moderner Rechner und Messtechniken ermöglicht zwischenzeitlich eine rech‐ nerische Realisierung. Die Verfahren, Resampling und Vold Kalman Filter, werden im Anschluss behandelt. 0.12.2 Verfahren der Ordnungsanalyse Ordnungsanalysen werden heute praktisch ausschließlich digital ausgeführt. Grundsätzlich unterscheidet man verschiedene Gruppen von Verfahren, ● Resampling, ● Vold-Kalman-Ordnungsanalyse sowie ● Zeit-Frequenz-Analyse. 81 0.12 Ordnungsanalyse Sie werden in diesem Abschnitt beschrieben. <?page no="82"?> 0.12.2.1 Resampling Beim Resampling werden gleichzeitig oder präziser gesagt, zeitsynchron Schwingungssignal und Drehzahl in üblicher Weise erfasst. Die Stützpunkte des Signals werden anschließend durch Interpolation auf konstante Winkelschritte umgerechnet. Das Verfahren ist in Bild 0.35 schematisch dargestellt. Die zeitlichen Drehzahlverläufe werden über wenige Triggerpunkte erfasst (Sampling) und interpoliert (Resampling), die drehwinkelbezogenen Stützpunkte werden aus dieser Interpolation abgeleitet. Bild 0.35: Die rechnerische Prozedur des Resampling Bild 0.36 zeigt zum Vergleich Frequenzspektrum und Ordnungsspektrum, zeitgleich gemessen und gebildet aus demselben Signal mit Drehzahländerungen. Besonders hingewiesen sei auf die Amplitudenverschleppung und Frequenzverschmierung, die ohne Resampling auftreten und präzise Zustandsdiagnosen unmöglich machen. 82 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="83"?> Bild 0.36: Frequenzspektrum (oben) und Ordnungsspektrum (unten), zeitgleich gemessen 0.12.2.2 Vold Kalman Filter Bei diesem Verfahren wird der Verlauf der Ordnung über der Zeit grundsätzlich als Polynom angesetzt, dessen Grad definiert und dessen Koeffizienten geschätzt werden. Es handelt sich also um ein modellbasiertes Verfahren mit speziellen Eigenschaften. Das Vold-Kalman-Filter ist eine Erweiterung des Kalmanfilters zur Ermittlung von Dreh‐ zahlordnungen direkt im Zeitbereich. Es ist im Prinzip ein Überlagerungsfilter mit variabler Mittenfrequenz. Dabei wird der Verlauf bekannter Ordnungen mit Hilfe eines Drehzahlsignals direkt aus dem Zeitsignal ermittelt. Er wird zunächst über den Drehzahlverlauf geschätzt, die Werte werden anschließend durch Vergleich mit den Messdaten auf minimale Abweichung korrigiert (Prädiktor-Korrektor-Verfahren). 83 0.12 Ordnungsanalyse <?page no="84"?> 14 Wenn im System zwei Rotoren, einer mit variabler (Antriebsmotor) und einer mit fester Drehzahl (elektrischer Lüfter) vorhanden sind. (0.14) (0.15) (0.16) Das Verfahren geht von dem Ansatz aus, dass sich die Schwingung x(t) als Summe der komplexen Ordnungen aufbaut: x(t) = ∑ A j (t)Θ j (t) Darin bedeuten A j die gesuchten Ordnungen. Der Algorithmus basiert auf zwei Modellansätzen, der Struktur- und der Datengleichung. Strukturgleichung Für den zeitlichen Verlauf der Ordnung wird eine Glattheitsbedingung angesetzt dsAj(t) dts = ε(t) wobei ε einem Rauschterm (Fehler) entspricht. Die Ordnung wäre nach diesem Ansatz ein Polynom vom Grad s - 1. Datengleichung Die Datengleichung nimmt Bezug auf die aktuellen Messdaten. Sie fordert, dass sich die Summe der Ordnungen vom Messwert nur um einen Fehlerterm δ unterscheidet x(n) − ∑ A j (n)Θ j (n) = δ(n) Dieser Ansatz entspricht praktisch der Annahme, dass die Gesamtenergie in den Drehzahlord‐ nungen enthalten ist. Das Vold-Kalman-Filter arbeitet auf Basis der Originalabtastung, es erfolgt kein Resampling. Man erhält demnach durch Multiplikation der Ordnungsamplitude mit dem zugehörigen Phasor direkt das der Ordnung entsprechende modulierte Zeitsignal, also Sample für Sample deckungs‐ gleich mit dem Rohsignal. Durch den Modellansatz (Strukturgleichung) kann die Ordnungskom‐ ponente von Störgrößen entkoppelt werden. Damit lassen sich zum Beispiel Schwebungen bei kreuzenden Ordnungen 14 trennen. 0.12.3 Ordnungsanalyse mit Kurzzeit-FFT Mit Verfahren der Zeit-Frequenzanalyse kann ein Spektrenfeld erfasst werden, in welchem der zeitliche Verlauf der Ordnungen über Regressionsverfahren ermittelt werden kann. Ein Beispiel ist das Gabor-Order-Tracking basierend auf der Gabortransformation. Das Verfahren wird hier nur zitiert und später noch erläutert (Abschnitt 0.17). 84 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="85"?> 0.13 Zeitbereichsmittelung Im Gegensatz zu den in Abschnitt 0.10.1 beschriebenen Mittelungsverfahren versteht man unter dem Begriff Zeitbereichsmittelung ein spezielles Mittelungsverfahren, bei welchen einander ent‐ sprechende Zeitsignalabschnitte phasensynchron, praktisch Sample für Sample gemittelt werden. Um die Synchronität zu erreichen, ist eine entsprechende Triggerung mit phasensynchroner Messtechnik erforderlich. Dies bedeutet, dass die Erfassung eines Zeitsignalblocks in einer bestimmten Phasenlage definiert ausgelöst werden muss. Als Anschauungsbeispiel kann die Analyse des Verbrennungsmotors dienen. Solche Verbren‐ nungsmotoren liefern ausgeprägte transiente Ereignisse innerhalb eines Arbeitszyklus. Die Sig‐ nalerfassung kann durch eine Triggermarke an der Kurbelwelle in einer bestimmten Winkellage erfolgen. Eine besonders hochwertige Signalqualität würde man durch rotorsynchrone Abtastung bzw. durch drehzahlsynchrones Resampling erhalten, siehe Abschnitt 0.12. Durch die besondere Art der Signalerfassung werden (theoretisch) deckungsgleiche Signalteile übereinandergelegt und Sample für Sample arithmetisch gemittelt. Das Ergebnis ist ein hochwer‐ tiges und für den Vorgang repräsentatives Zeitsignal. Störendes Hintergrundrauschen kann durch die arithmetische Mittelung beliebig unterdrückt werden. Anmerkung: Die Unterdrückung kann mit der Zeitbereichsmittelung beliebig weit getrie‐ ben werden, da die stochastischen Anteile nach Größe und Betrag statistisch schwanken und gegen den Mittelwert null streben. Im Gegensatz dazu können Rauschanteile bei der energetischen Mittelung von Spektren nur bis zur mittleren Rauschleistung reduziert werden. Durch eine Zeitbereichsmittelung können zusätzlich auch nicht synchrone deterministische Komponenten in der Anzeige unterdrückt werden. 0.14 Korrelation und Kreuzleistung Korrelation und Kreuzleistung beschreiben die Beziehung zwischen mehreren Zuständen, Er‐ eignissen oder Merkmalen - allgemein zwischen Funktionen. Die Zusammenhänge müssen dabei nicht kausal sein, sie können auch aufgrund übergeordneter Ursachen oder stochastisch zusammenhängen. Dabei werden im Zeitbereich Korrelationen, im Frequenzbereich Kreuzleis‐ tungen untersucht oder vielmehr bewertet. Im Zeitbereich liegt dabei der Schwerpunkt auf Zeitverschiebungen, also Laufzeiten, im Frequenzbereich liegt er auf spektralen Komponenten, also Frequenzen. Der Unterschied liegt jedoch, wie fast immer im Bereich der Spektralanalyse, in der Darstellungsform (mathematisch gesprochen, in der Wahl der unabhängigen Variablen - Zeit bzw. Frequenz). Im Hintergrund ist der Informationsgehalt identisch - beide Varianten sind durch die Fouriertransformation verknüpft. Die Ausführungen beziehen sich hier auf Einkanalanalysen für ein einfaches Zeitsignal x(t) und auf Zweikanalanalysen für zwei verknüpfte Zeitsignale x(t) und y(t). Im ersten Fall werden also Signale für sich betrachtet, im zweiten stehen dagegen die physikalischen Eigenschaften der Struktur im Vordergrund, die eigentliche Ursache für die Relation zwischen den Zeitsignalen ist. Die hier beschriebenen Techniken können auf beliebige Kanalzahlen übertragen werden, da die Berechnungen ohnehin stets paarweise durchgeführt werden, der zweikanalige Ansatz bedeutet also keine Einschränkung. 85 0.13 Zeitbereichsmittelung <?page no="86"?> (0.17) Mit der Korrelationsfunktion werden also Prozesse über Zeitsignale verglichen, das Ergebnis ist ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen den Signalen und ein Indikator für die Laufzeiten in der Struktur. Mit Kreuzspektren erfolgt der Vergleich im Spektralbereich und zeigt vor allem die Linearität der untersuchten Struktur. Anmerkung: Linearität ist eine ausgeprägte Form der Ähnlichkeit. Eine absolut skalierbare Variante ist die Kohärenz, die sich im Bereich zwischen 0 und 1 bewegt - unabhängig von der Struktur. Im Frequenzbereich kann die ganze Philosophie allerdings nur bei hinreichend großer Block‐ länge der FFT funktionieren. Eigentlich klar - denn um die spektralen Zusammenhänge zu erfassen, muss die Blocklänge die Laufzeit einschließen. Bestimmte Erkenntnisse können jedoch auch aus dem Vergleich zweier Signale derselben oder gleichen Instanz gewonnen werden, zum Beispiel eines Zeitsignals mit einer zeitverschobenen Variante seiner selbst. Diese Methoden werden mit dem Präfix Auto gekennzeichnet (im Gegensatz zu Kreuz). Korrelationsmethoden werden auch eingesetzt, um die Konfidenz, also die statistische Sicher‐ heit einer quantitativen Aussage zu erhöhen. 0.14.1 Autokorrelation Die Autokorrelationsfunktion R xx (τ) beschreibt die Verwandtschaft eines Signals mit sich selbst zu verschiedenen Zeitpunkten oder besser gesagt, von zeitverschobenen Instanzen. Sie ist definiert durch das entsprechende Kovarianzintegral in der Form R xx (τ ) = 1 T ∫ T x(t)x t + τ dt Der Parameter τ mit der Dimension einer Zeit beschreibt also die zeitliche Verschiebung. Tritt eine Periodizität im Signal auf, so zeigt die Autokorrelation bei Zeitverschiebungen um jeweils eine volle Periodenzahl ein relatives Maximum. Dabei werden synchrone Signalkom‐ ponenten betont, stochastische Anteile werden unterdrückt. Damit können auch versteckte Periodizitäten aufgedeckt werden. So zeigt das rechte Kreisdiagramm in Bild 0.37 deutlich stärker ausgeprägte Strukturen verglichen mit dem linken Diagramm. Gegenüber der Frequenzanalyse bietet dieses Verfahren Vorteile bei der Detektion von periodischen oder lokalen Anteilen, die im Rohsignal nur schwer zu erkennen sind. Autokorrelation und spektrale Leistungsdichte (präziser gesagt: Autoleistungsspektrum) sind über die Fouriertransformation verknüpft. In der Praxis zieht man meist die Berechnung auf dem Weg über die spektrale Leistungsdichte vor. Dabei ist auf eine ausreichende Blocklänge der FFT zu achten. 86 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="87"?> (0.18) (0.19) (0.20) Bild 0.37: Auswertung links ohne und rechts mit Autokorrelation 0.14.2 Kreuzkorrelation Bei der Kreuzkorrelation R xy (τ) werden in gleicher Weise zwei unterschiedliche Zeitsignale x(t) und y(t) in Abhängigkeit eines Zeitversatzes τ verglichen. R xy (τ ) = 1 T ∫ T x(t)y t + τ dt Die Kreuzkorrelation indiziert die Ähnlichkeit oder die Beziehung zwischen den beiden Signalen. In Systemen mit Laufzeitverhalten, zum Beispiel Schallausbreitung, tritt in der Kreuzkorrelation entsprechend ein Maximum auf. Ein weiterer Einsatz ist die Phasenmessung. Mehrkanal-FFT-Analysatoren sind zur Phasen‐ messung auf dieser Basis ausgestattet. Die Kreuzkorrelationsfunktion ist mit der spektralen Kreuzleistungsdichte (Kreuzleistungs‐ spektrum) über die Fouriertransformation verknüpft. In der Regel wird die Messung über das Spektrum bevorzugt. Vor allem bei Laufzeitmessungen ist dabei auf eine hinreichende Blocklänge der FFT zu achten. 0.14.3 Leistungsspektren Das Autoleistungsspektrum S xx (f), also das Leistungsspektrum für eine einzelne Zeitfunktion x(t), wird als Produkt der komplexen Amplituden an der Fouriertransformation erzeugt. Aus dem komplexen Spektrum (formuliert als Leistungsdichte- und als Leistungsspektrum) X (f ) = ∫x(t)e − j2πf t dt a n = 1 T ∫x(t)e − j2nπf t dt berechnet sich das Autoleistungsspektrum als S xx (f ) = a n *a n Das Autoleistungsspektrum ist (ohne Beweis) die Fouriertransformation der Autokorrelations‐ funktion (Wiener-Chintschin-Theorem). Es ist eine reelle Funktion. 87 0.14 Korrelation und Kreuzleistung <?page no="88"?> (0.21) (0.22) (0.23) (0.24) In analoger Vorgangsweise wird das Kreuzleistungsspektrum S xy (f) als Produkt der komplexen Amplituden der Fouriertransformation zweier Zeitsignale x(t) und y(t) berechnet. Mit Gl. 0.19 und des komplexen Spektrums für y(t) Y (f ) = ∫y(t)e − j2πf t dt b n = 1 T ∫y(t)e − j2nπf t dt erhält man das Kreuzleistungsspektrum als S xy (f ) = a n *b n = S xy (f ) e jΘxy(f ) Das Kreuzleistungsspektrum ist ebenfalls die Fouriertransformation der Kreuzkorrelationsfunk‐ tion. Es ist eine komplexe Funktion. Der Betrag ist ein Maß für die Korrelation, vor allem für die lineare Abhängigkeit der beiden Signale im Hinblick auf die Frequenz, die Phase ein Maß für die Laufzeit in der Struktur. Für die praktische Berechnung werden meist die Berechnungen über die komplexe Fouriertransformation nach diesen Formeln gegenüber der Transformation der Korrelationsfunktionen vorgezogen. Kreuzleistungsspektren werden, im Gegensatz zu Autoleistungsspektren, weniger für direkte Interpretationen herangezogen, sie bilden vielmehr die Grundlage zur Berechnung weiterer Funktionen mit gezielter Aussagekraft. Einmal ist es die Kohärenz, die vor allem ein Maßstab für lineare Zusammenhänge ist. Und im Falle, dass die Signale x und y Eingang bzw. Ausgang eines physikalischen Systems, also einer Struktur sind, wird die aus dem Kreuzspektrum ableitbare Übertragungsfunktion oder Frequenzgangfunktion (FRF - Frequency Response Function) zur mathematischen Beschreibung vorgezogen. 0.14.4 Kohärenz Wie schon zuvor erwähnt, ist der Betrag des Kreuzleistungsspektrums ein Indikator für die lineare Abhängigkeit zweier Signale. Für die allgemeine quantitative Beurteilung ist eine normierte Funktion, die sogenannte Kohärenzfunktion vorzuziehen: γ 2 (f ) = Sxy(f ) Sxx(f )Syy(f ) Sie kann auch als quadrierter Korrelationskoeffizient interpretiert werden, was schon aus der üblichen Schreibweise hervorgeht. Für eine einzelne Messung (vielmehr ein ungemitteltes Spektrum) gilt der triviale Zusammen‐ hang S xy (f ) 2 = S xx (f )S yy (f ) Für ein ungemitteltes Spektrum liefert die Berechnung der Korrelation immer den Wert 1, ein verwertbares Ergebnis entsteht erst durch Mittelung. 88 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="89"?> (0.25) (0.26) Die Kohärenz liegt immer zwischen den Werten 1 (für volle lineare Abhängigkeit) und 0 (kein linearer Zusammenhang). Ursachen für schlechte Kohärenz können sein: ● Nichtlineare Beziehung zwischen Eingang x und Ausgang y ● Unkorreliertes Rauschen an Eingang oder Ausgang ● Leakage infolge unzureichender Auflösung der FFT ● Laufzeiteffekte, wenn die Laufzeit in der Größenordnung der Fensterlänge oder darüber liegt 0.14.5 Übertragungsfunktionen Die wahrscheinlich wichtigste Anwendung der Zweikanalanalyse ist die Bestimmung der Fre‐ quenzgangfunktion H(f). Sie beschreibt die Beziehung zwischen Eingang (zum Beispiel Erreger‐ kraft) und Ausgang (Schwingung) eines linearen Systems. Es liegt zunächst nahe, sie als Quotient der entsprechenden komplexen FFT-Spektren von Eingang x(t) und Ausgang y(t) zu berechnen: H (f ) = Y (f ) X (f ) Vorteilhafter ist die Berechnung aus dem Kreuzleistungsspektrum (die einfache Ableitung kann hier unterbleiben). Man hat zwei zunächst formal gleichwertige Möglichkeiten, genannt H 1 (f) und H 2 (f): H 1 (f ) = Y (f ) X (f ) X *(f ) X *(f ) = Sxy(f ) Sxy(f ) H 2 (f ) = Y (f ) X (f ) Y *(f ) Y *(f ) = Syy(f ) Syx(f ) Welche der beiden Varianten vorteilhafter ist, hängt im Wesentlichen von der Charakteristik von störendem Rauschen und von der Optimierung des Dynamikbereichs ab. Im Kreuzleistungs‐ spektrum kann unkorreliertes Rauschen durch entsprechende Mittelung praktisch beliebig weit reduziert werden. Im Autoleistungsspektrum X(f) bzw. Y(f) lässt sich dagegen das Rauschen nur bis auf die mittlere Rauschleistung reduzieren. Daher ist die bei verrauschtem Eingang die Verwendung von H 2 die günstigere Variante, bei verrauschtem Ausgang ist es H 1 . Die Konfidenz der Ergebnisse ist durch die Kohärenz kontrollierbar. Sie sollte stets einen Wert von > 0,8 aufweisen. Allerdings kann es speziell bei Resonanzen und Antiresonanzen zu stärkeren Einbrüchen der Kohärenz kommen, was in diesen Fällen nicht als schlechte Messung zu interpretieren ist. Eine gute Konfidenz kann in diesem Fall durch ausreichende Mittelung erzielt werden. 0.15 Cepstrumanalyse Die Cepstrumanalyse weist eine gewisse Ähnlichkeit zur Autokorrelation auf. Das Cepstrum ist eine inverse Fouriertransformation des logarithmierten Spektrums. Der Unterschied besteht in der Logarithmierung, die Berechnung ist nur im Weg über das Spektrum möglich. 89 0.15 Cepstrumanalyse <?page no="90"?> (0.27) (0.28) Es gibt zwei Varianten des Cepstrums mit unterschiedlichen Aspekten, die hier nur kurz vorgestellt werden. Tiefergehende Abhandlungen findet man wegen des doch eher speziellen Charakters in den entsprechenden Abschnitten der Messtechnik (Abschnitt 5.1.4). Der Name Cepstrum ist in Anlehnung an den Algorithmus eine Verdrehung des Namens Spectrum. 0.15.1 Das komplexe Cepstrum Das komplexe Cepstrum C k (τ) erhält man als Fourier-Rücktransformation des komplexen Spektrums F xx (f) C k (τ ) = ℱ −1 log(F xx (f )) Das Ergebnis ist (trotz des Namens) eine reelle Zeitfunktion mit der Eigenschaft der Entfaltung (Dekonvolution). Es kann zum Trennen von Quelle und Übertragungseigenschaften eingesetzt werden, zum Beispiel zur Spracherkennung/ Sprecheridentifikation, bei Fehlfarbenaufnahmen, zur Bereinigung von Echos. 0.15.2 Das Leistungscepstrum Das Leistungscepstrum C(τ) ist die inverse Fouriertransformation des Leistungsspektrums S xx (f) C(τ ) = ℱ −1 log S xx (f ) Als Diagnosewerkzeug ist es zur Identifikation von Mustern im Leistungsspektrum, zum Beispiel Seitenbändern, geeignet. 0.16 Tribologie Neben der Schwingungsüberwachung kommt der Anwendung, Überwachung und Pflege von Schmierstoffen eine große Bedeutung im Rahmen des Instandhaltungsmanagement zu. Allzu oft wird diese Thematik in der Literatur über Zustandsüberwachung vernachlässigt oder sogar ausgegrenzt. Spätestens jedoch bei der Konzeption einer ganzheitlichen Überwachung tut sich hier eine Lücke auf, die unbedingt zu schließen ist, denn auch den Verschleiß sollte man präventiv begrenzen. Meist wird das Thema als eigenständiges Fachgebiet unter dem Begriff Tribologie zusammen‐ gefasst, ein aus dem Griechischen stammender Term mit der Bedeutung Reibungslehre. Tribologie bezeichnet man aber auch als die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung wie in Bild 0.38 veranschaulicht. Reibung tritt stets zwischen zwei gegeneinander bewegten Reibkörpern auf (oder Grundkörper und Gegenkörper wie im Bild dargestellt). Die Reibung soll durch einen Zwischenstoff, den Schmierstoff, verringert oder so gut wie möglich vermieden werden (zum Beispiel bei Flüssig‐ keitsreibung). Den wirkenden Beanspruchungskollektiven und Umgebungseinflüssen kommt auch bei der Tribologie eine besonders starke Bedeutung zu. 90 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="91"?> 15 Diese Einordnung entspricht auch dem Syllabus von DIN ISO 18436 Teil 2. Bild 0.38: Tribologiemanagement Messbare Parameter wie chemische Zusammensetzung und Verschmutzung gehören deshalb ebenso zu einer ganzheitlichen Zustandsüberwachung. Zur Abgrenzung gegen das Thema Schwingungsüberwachung wird die Tribologie in diesem Buch unter den alternativen und ergänzenden Verfahren geführt 15 . 0.17 Zeit-Frequenz-Analyse Eine FFT liefert als Ergebnis immer einen Mittelwert über ein Zeitfenster endlicher Länge T, wäre also genau genommen nur für stationäre Signale korrekt. Zur Analyse instationärer, also zeitlich stark veränderlicher Prozesse behilft man sich durch Segmentierung, das Zeitsignal wird also zur Frequenzanalyse in kurze Abschnitte geteilt. Bei den Verfahren der Zeit-Frequenz-Analyse verfolgt man dieses Prinzip weiterhin: Ein Zeitfenster wird, kontinuierlich oder in Stufen, über das zu analysierende Signal bewegt. Die Frequenzanalyse wird also stufenweise durchgeführt, das Ergebnis wird als Spektrenfeld, also als zeitliche Folge von Spektren dargestellt, die als Spektrogramm bezeichnet wird. Das Prinzip ist schematisch in Bild 0.39 dargestellt. Im Gegensatz zur einfachen FFT lassen sich Zeitfensterlänge und im Zusammenhang damit Stufenzahl kontinuierlich variieren, wodurch sich ein optimaler Kompromiss zwischen zeitlicher Auflösung und Bandbreite erzielen lässt. 91 0.17 Zeit-Frequenz-Analyse <?page no="92"?> Bild 0.39: Schemadarstellung der Zeit-Frequenz-Analyse Anmerkung: Ein solcher Kompromiss ist aus physikalischen Gründen, beschrieben durch die Unschärferelation, immer notwendig. Zeitfenster und Filtercharakteristik stehen in unmittelbarem Zusammenhang, siehe Tabelle 0.23: Erhöht man die Auflösung im Zeitbereich, so verringert sich die Auflösung im Frequenzbereich und umgekehrt. Hinsichtlich der Parameterwahl sind also Kompromisse zu treffen. Zeitbereich Frequenzbereich Blocklänge Auflösung Bandbreite Auflösung kurz hoch groß gering lang gering schmal hoch Tabelle 0.23: Eigenschaften der Zeit-Frequenz-Analyse nach Bild 0.39 Je nach Filtercharakteristik gibt es auch bei der Zeit-Frequenz-Analyse zwei Gruppen von Verfahren, solche mit konstanter und solche mit frequenzabhängiger Fensterlänge. Tabelle 0.24 zeigt eine zusammenfassende Gegenüberstellung. Fensterlänge konstant frequenzabhängig Fouriertransformation Filter (Analog oder digital) FFT-Analysator Terz/ Oktav-Analysator Kurzzeit-Fouriertransformation (STFT) kontinuierliche Wavelettransformation Gabortransformation diskrete Wavelettransformation Tabelle 0.24: Verfahren der Zeit-Frequenz-Analyse 92 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="93"?> 0.18 Globalkonzepte 0.18.1 Ganzheitliche Überwachung Als ganzheitlich wird ein Überwachungssystem bezeichnet, das sämtliche für den Funktionszu‐ stand relevanten Parameter erfasst und beurteilt. Nur auf einer solchen Basis können Zuverläs‐ sigkeitskonzepte wirksam erstellt werden. Meist werden ganzheitliche Systeme mit multivariaten Strategien realisiert, wie sie im folgenden Abschnitt zur Sprache kommen. 0.18.2 Multivariate Analyse Bei einer multivariaten Analyse werden mehrere Überwachungsparameter unter Berücksichti‐ gung gegenseitiger statistischer Abhängigkeiten nach den Methoden der multivariaten Statistik ausgewertet. Ziel ist hier, eine Beurteilungsgrundlage in Form einer einzigen Kennzahl, zum Beispiel einer Kritikalität zu erhalten, die sich auf das Gesamtsystem bezieht (etwa im Gegensatz zu einer bloßen Schwingungsbeurteilung). 0.18.3 Performance-Überwachung Diese Methode ist eine ganzheitliche multivariate Analyse. Ein solches System liefert nicht nur Informationen über auftretende Fehler (Diagnosen) in konzentrierter Form, man erhält auch im fehlerfreien Anlagenzustand eine zuverlässige Information über den aktuellen Gesundheits‐ zustand. Der Zustand des Systems wird dann durch einen einzigen Parameter, die Performance, quantifiziert. Für diesen Parameter kann eine passende Skalierung definiert werden, zum Beispiel 0 % bis 100 %. Eine Performance von beispielsweise 100 % sagt aus, dass das System zu 100 % in der Lage ist, die gestellten Anforderungen effizient zu erfüllen. Anmerkung: Es wurde mehrfach versucht, einen prägnanten deutschsprachigen Ausdruck für den Begriff Performance zu finden. Die im Wörterbuch angegebene Übersetzung Leistung trifft zwar für eine thermische Turbomaschine zu. Für eine Werkzeugmaschine gelten andere Gesichtspunkte, nämlich die Fähigkeit, eine gestellte Aufgabe zu erfüllen. 0.19 Grundlegende Verfahren der Diagnostik Für die Diagnose eines Maschinenzustands können grundsätzlich zwei Strategien oder eine Kombination von beiden eingesetzt werden, nämlich ● datenbasierte Verfahren, ● wissensbasierte Verfahren oder ● hybride Verfahren. Datenbasierte Verfahren beruhen auf Interpretation und Vergleich statistischer Modelle histo‐ rischer Daten. Das beginnt mit einem einfachen Grenzwertvergleich bis hin zur Mustererken‐ nung in Zeitsignalen oder spektralen Daten. Bei wissensbasierten Verfahren verwendet man 93 0.18 Globalkonzepte <?page no="94"?> physikalische oder technische Modelle zur Parameterschätzung. Als Schätzwerte werden die Modellparameter für eine optimale Anpassung an Messergebnisse variiert. Daraus ergibt sich eine weitere Differenzierung: Datenbasierte Verfahren lernen die Entschei‐ dungsfindung durch Mustererkennung anhand von bereits vorliegenden Daten. Sie benötigen demnach eine Lernphase, für die bekannte Muster vorhanden sein müssen. Wissensbasierte Verfahren benötigen keine Lernphase, das Wissen steckt bereits in den Modellen und Modellpa‐ rametern. In hochentwickelten Systemen werden oft beide Verfahren kombiniert, man spricht dann von hybriden Verfahren. 0.20 Ursachenanalyse Unter Ursachenanalyse fasst man verschiedene Maßnahmen zur Qualitätssicherung und Verbes‐ serung der Zuverlässigkeit zusammen, die sich mit der Vermeidung von Fehlern, der Erfassung von Fehlern und ihren Ursachen befassen. Man kann dabei unterscheiden zwischen ● vorausschauenden Maßnahmen und ● retrospektiven (rückblickenden) Maßnahmen. 0.20.1 Ursache-Wirkungs-Analyse Die Ursache-Wirkungs-Analyse ist eine Methodik, um sich gezielt mit potenziellen Verursachern zu befassen, die zu einem bestimmten Ergebnis führen. Bekanntestes Werkzeug dafür ist das Ishikawadiagramm, siehe Bild 0.40. Das Ishikawadiagramm, auch Ursache-Wirkungs-Dia‐ gramm oder Fischgrätendiagramm ist eine systematische grafische Darstellung von Ursachen, die zu einem bestimmten Problem führen oder dieses maßgeblich beeinflussen. Vorteil dieser Darstellungsart ist, dass sich potenzielle Verursacher von Problemen systematisch veranschauli‐ chen und diskutieren lassen. Bild 0.40: Ishikawadiagramm Durch eine Zuordnung von Fehlern zu bestimmten Fehlerursachen und die Gruppierung der Fehlerursachen lassen sich umgekehrt Maßnahmen zur Verringerung der Fehleranzahl und damit der Fehlerkosten ableiten. Betrachtet man dagegen nur einen einzelnen festgestellten Bauteilfehler, so lässt sich über derartige Analysen erarbeiten, ob zum Beispiel die Ursache 94 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="95"?> Bild 0.41: Paretodiagramm für Ausfallarten eines aufgetretenen Wellenbruchs in einem Konstruktionsfehler, in der Herstellung, in Montage und Inbetriebnahme, in der Bedienung oder in der Instandhaltung liegt. So lassen sich auch entsprechende Schadensregulierungen seriös abwickeln, da für einen solchen Schaden nur selten eine einzelne Ursache verantwortlich sein kann. Folgende weiteren Anwendungen sind möglich: ● Systematische und vollständige Ermittlung von Problemursachen ● Analyse und Strukturierung von Prozessen ● Visualisierung des Beziehungsgeflechts komplexer Strukturen (Ursache-Wirkungs-Geflecht) ● Erörterung jeglicher Problemstellungen innerhalb eines Teams (Brainstorming) 0.20.2 Paretoprinzip Bewertet man über eine Pareto-Analyse die Häu‐ figkeit von Fehlern und die benötigten Zeitauf‐ wände und Kosten zur Beseitigung der Fehler, stellt man fest, dass etwa 80 % aller Probleme von etwa 20 % der betrachteten technischen Assets kommen. Werden die Fehlerursachen an diesen Assets be‐ seitigt und die Aufwendungen für nicht so rele‐ vante Maschinen und Fehlererscheinungen redu‐ ziert, ergeben sich positive Effekte und vor allem reduzierte Fehlerkosten. Im Paretodiagramm, meist als Säulendia‐ gramm dargestellt, werden im gegebenen Fall auf der Abszisse die Ausfallarten und auf der Ordinate die relativen Häufigkeiten aufgetragen, wobei die Sortierung mit fallender Häufigkeit erfolgt (also links die mit der größten Häufigkeit). Gleichzeitig wird meist die Summenhäufigkeit mit einge‐ tragen, siehe Bild 0.41. Das Paretodiagramm kann bei Wirtschaftlichkeitsentscheidungen eine wertvolle Hilfe beim Setzen von Prioritäten bilden, zum Beispiel im Zusammenhang mit einer verfügbarkeitsorientierten Instandhaltung (Abschnitt 0.6.6). 0.20.3 Root Cause Analysis (RCA) Die Suche nach der Grundursache (Root Cause) eines Fehlers ist ein retrospektives Verfahren. Nach einem Ausfall erfolgt mittels logischer Regeln eine Analyse der Anlage (Funktionsweise, Betriebsweise, Kritikalitäten, Betriebs- und Umweltbedingungen etc.) zur Identifikation der Ausfallart und ihrer Ursachen. Sie dient aber auch der Vorbeugung künftiger Ausfälle durch Änderung von Betriebsbedingungen, Verbesserung von Umweltbedingungen oder Modifikation der Konstruktion. Ein häufig anzutreffendes Beispiel ist in Tabelle 0.25 zusammengestellt: Unzulässige Unwucht eines Rotors zieht Lagerüberlastungen nach sich, was zwangsläufig zu vorzeitigen Wälzlager‐ schäden führt. Durch proaktives Betriebswuchten lässt sich die Grundursache Unwucht frühzeitig beseitigen. 95 0.20 Ursachenanalyse <?page no="96"?> Beispiel einer RCA Fehler Ausfall eines Lagers Grundursache Unwucht des Rotors Präventive Maßnahme Auswuchten Tabelle 0.25: Grundursache und präventive Maßnahme 0.21 Prognostik Prognose ist ein wichtiger Aspekt jeder Zustandsüberwachung und auch Bestandteil des Instand‐ haltungsmanagements. Es handelt sich dabei um eine Vorhersage der künftigen Entwicklung eines Systems, ist also in die Zukunft gerichtet im Gegensatz zur Diagnose, die ein retrospektives Verfahren ist. 0.21.1 Die Methodik Das Festlegen von erwarteten Laufzeiten und Lebensdauern neuer Maschinen und Anlagen beinhaltet im Prinzip schon eine erste Prognose. Inwieweit diese sich dann auch gewährleisten und einhalten lässt, hängt von den vereinbarten Belastungs- und Beanspruchungsgegebenheiten, von der ausgeführten Montage, der Inbetriebnahme und der Prozessstabilität ab. Vielfach wird die ursprüngliche Prognose schon vor Auftreten eines Fehlers aufgrund von laufenden Betriebs- und Belastungsmessungen (Stressmessungen) modifiziert. Tritt ein Fehler als Indikator einer beginnenden Verschlechterung des Maschinenzustands zutage, so wird die weitere Entwicklung, wie sie bereits in Abschnitt 0.4.2 beschrieben wurde, auf Basis von Modellen für die Fehlerent‐ wicklung vorhergesagt, die Prognose wird also verfeinert. Damit soll insgesamt ein optimales Instandhaltungskonzept aufgebaut werden. Die Prognostik kennt drei Typen von Verfahren, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: Typ 1 - Statistische Verfahren Diese Prognoseverfahren basieren auf statistisch bewerteten Ausfall- und Ereignisaufzeichnun‐ gen, sie verwenden statistisch und physikalisch basierte Zuverlässigkeitsdaten im flachen Teil der Badewannenkurve nach Bild 0.8. Einen Ansatzpunkt zur Prognose von Ausfallwahrscheinlichkeiten liefern Wöhlerkurven, wel‐ che die Schwingfestigkeit, präziser gesagt, die Dauerfestigkeit oder Zeitfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen beschreiben. Weibull-Verteilungen und darauf aufgebaute Weibull-Analysen bieten verfeinerte und hinsicht‐ lich der Aussagekraft gesteigerte Ergebnisse. Weibull-Verteilungen basieren auf zwei Parametern: ● Einen Skalenparameter λ, der für die charakteristische Lebensdauer T relevant ist (T×l = 1) ● Einen Formparameter k, über welchen sich verschiedene Standardverteilungen wie bei‐ spielsweise Exponentialverteilung, Rayleighverteilung oder (annähernde) Normalverteilung realisieren lassen 96 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="97"?> Sie wird zur Lebensdauerbeschreibung und Ausfallhäufigkeit von Bauteilen herangezogen, wobei auch die Vorgeschichte (Alterung) berücksichtigt wird. Eine andere, im gegebenen Zusammenhang durchaus interessante Anwendung ist die statistische Modellierung von Windgeschwindigkeiten. Die Weibullstatistik ist wegen ihrer hohen Variabilität ein sehr universelles Verfahren und sei daher an dieser Stelle erwähnt. Insbesondere lässt sich damit eine Badewannenkurve nach Bild 0.8 abbilden. Derartige ausfallbasierte Prognoseverfahren nach Typ 1 sind jedoch relativ unsicher, da nur selten vom betroffenen Bauteil oder der betroffenen Maschine einschlägige, statistisch relevante Erfahrungen vorliegen. Statistikbasierte Prognoseverfahren eignen sich gut für Budgetplanungen beim Instandhaltungsmanagement von großen Flotten vergleichbarer Anlagen. Typ 2 - Stressbasierte Verfahren Bei solchen Prognoseverfahren werden Nutzungs- und Umgebungsbedingungen wie Tempera‐ turen, Belastungen, Einsatzdauer, Belastungszyklen, Anzahl der Starts und Stopps, aber zum Beispiel auch ungenügende Ausrichtung berücksichtigt. Damit können Restnutzungsdauern auch modellbasiert in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen berechnet werden. Grundlage sol‐ cher Betrachtungen können klassierte Belastungsmessungen und daraus abgeleitete Belastungs- und Beanspruchungskollektive sein. Ein typisches Verfahren dieser Kategorie ist die in Abschnitt 0.10.9 vorgestellte Rainflow-Klassierung. Stressbasierte Prognoseverfahren gewinnen vor allem bei bereits im Einsatz stehenden An‐ triebstechniken an Bedeutung, da diese zunehmend in stark wechselnden Lastzuständen betrieben werden. Typ 2-Prognoseverfahren erlauben es, modellbasiert eine möglicherweise überpropor‐ tionale Abnutzung abzuschätzen und bieten die Möglichkeit, Kosten-Nutzens-Betrachtungen für ein nachträgliches Einbringen von Maßnahmen zur Stressminderung auszuführen. Typ 3 - Zustandsbasierte Verfahren Diese Verfahren kommen zur Anwendung, sobald ein Fehler entdeckt wurde und sich fehlerbe‐ schreibende Daten erfassen lassen. Zustand und Verschlechterung werden laufend über einen oder mehrere Deskriptoren bewertet, die ursprüngliche, zuverlässigkeitsbasierte Schätzung der Zeit bis zum Ausfall wird dadurch eingegrenzt. Verfahren vom Typ 3 sind eigentlicher Themenschwerpunkt dieses Buches. Belastungshypo‐ thesen und Dauerfestigkeitsfragen, wie sie der Methodik von Typ 1 und Typ 2 zugrunde liegen, befinden sich zwar außerhalb des engeren Themenkreises, werden allerdings durch Einsatz und Analyse von Belastungsmessungen unterstützt. Die Thematik wird dafür an entsprechender Stelle zumindest von der messtechnischen Seite behandelt. Oder von anderer Seite betrachtet: ● Die Auslegung eines Bauteils erfolgt, ggf. für einen vorgegebenen Zeithorizont, nach Dauerfestigkeitshypothesen entsprechend Typ 1. ● Durch Erfassung von Lastkollektiven während des regulären Betriebes wird die Hypothese nach Typ 1 kontrolliert, erforderlichenfalls wird der Zeithorizont korrigiert (frühere Wartung bei stark beanspruchender Fahrweise). ● Wird ein Fehler erkannt (Typ 3), schätzt man nach der im nächsten Punkt beschriebenen Methode die verfügbare Restlaufzeit ab - erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen können rechtzeitig geplant und prädikativ ausgeführt werden. 97 0.21 Prognostik <?page no="98"?> 0.21.2 Fehlerentwicklung und Schadensprognose - das P-F-Intervall Ein Modell zur Beschreibung einer Fehlerentwicklung von der Entdeckung bis zum Ausfall ist das sogenannte P-F-Intervall, wobei P für „Potential Failure“ und F für „Functional Failure“ steht. Die einschlägigen Begriffe und Abkürzungen sind in Tabelle 0.26 zusammengefasst. Begriff Englische Bedeutung Erklärung P-F-Intervall Potential failure → functional failure Zeit zwischen Fehlerdetektion und Ausfall ETTF Estimated time to failure Vorlaufzeit RUL Remaining useful lifetime Verfügbare Restlaufzeit Tabelle 0.26: Begriffe aus der Prognostik Bild 0.42: Schadensprognose im P-F-Diagramm 98 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="99"?> Das P-F-Intervall ist eine Abschätzung des Zeitraums zwischen der Entdeckung des Fehlers (Potential Failure - P) und dem funktionellen Ausfall (Failure - F). Bei der Anwendung ist die Orientierung der Zeitachse in negativer Richtung zu berücksichtigen (die Zeiträume verkürzen sich). Bild 0.42 zeigt schematisch die Verschlechterung des Maschinenzustands mit anwachsendem Fehler im Lauf der Zeit bis zum Ausfall (vergleiche dazu auch Bild 0.5). Ausfall bedeutet nicht unbedingt einen katastrophalen Schaden. Die Maschine ist lediglich nicht mehr im vorgesehenen Maß verfügbar und funktionsfähig, zum Beispiel hinsichtlich Produktionskapazität. Das Bild illustriert auch die verknüpften Konzepte von P-F-Intervall, Vorlaufzeit ETTF und Restlaufzeit RUL. Die Vorlaufzeit ETTF ist definiert als der Zeitraum bis zum statistisch zu erwartendem Ausfall. Die verfügbare Restlaufzeit RUL ist die unter Berücksichtigung des Ver‐ trauensbereichs einer Prognose einerseits und Abschätzung des Restrisikos andererseits zur Verfügung stehende Restlaufzeit. In Teilbild (a) sind die Zusammenhänge zum Zeitpunkt der Entdeckung des Fehlers dargestellt. Die Vorlaufzeit ist hier gleich dem P-F-Intervall. Die verfügbare Restlaufzeit ist demgegenüber geringer, da hier der Vertrauensbereich von Diagnose/ Prognose und eine Risikobewertung eines funktionalen Ausfalls zu berücksichtigen sind. Die gestrichelten Linien schließen den zeitlichen Bereich ein, wo der Ausfall unter Berücksichtigung des Vertrauensbereichs für Diagnose oder Prognose auftreten könnte. Fall (b), unteres Teilbild von Bild 0.42, zeigt die Verhältnisse für einen Zeitpunkt T 1 , der nach der Entdeckung des Fehlers liegt. Vorlaufzeit und verfügbare Restlaufzeit werden hier aufgrund der Informationen des Überwachungssystems neu bewertet. Da der Fehler inzwischen fortgeschritten ist, ist eine Diagnose mit höherer Zuverlässigkeit und damit genauerer Vorlaufzeit möglich. Dadurch reduziert sich das Risiko, die neuberechnete Restlaufzeit erhöht die Verfügbarkeit der Komponente. Eine regelmäßige Bewertung des Vertrauensbereichs durch Zustandsüberwachung nach Entde‐ ckung eines Fehlers kann wesentlich zur Kontrolle des Risikos und zur Erhöhung der Lebensdauer einer Komponente beitragen. 0.21.3 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Bei der FMSA werden bekannte Fehlersymptome zusammengefasst und gemeinsam interpretiert. Ziel ist, aus einer Reihe von Einzelprognosen mit jeweils geringem Vertrauensniveau eine einzige Bewertung mit möglichst hohem Vertrauensniveau abzuleiten. Anmerkung: Zur Interpretation denke man an eine medizinische Diagnose, bei welcher eine schwerwiegende Aussage (Diagnose Krebs) auf einer Vielzahl von Einzelinterpretationen (Kopfschmerz, Müdigkeit, …) basiert. 0.21.4 Key Performance Indikator (KPI) Ein KPI ist eine universelle betriebswirtschaftliche Leistungskennzahl, anhand derer Fortschritt oder Erfüllungsgrad hinsichtlich wichtiger Zielsetzungen oder Erfolgsfaktoren ermittelt werden kann. Ein in der Produktion weit verbreiteter KPI ist das Verhältnis von tatsächlicher zu theoretisch maximal möglicher Maschinenlaufzeit. Auch für die Wirksamkeit einer Instandhal‐ tungsstrategie lassen sich KPI definieren, wie nachfolgend zusammengestellt. 99 0.21 Prognostik <?page no="100"?> Bild 0.43: KPI Thematik Damit sind KPI auch eine quantitative Bewer‐ tungsgröße und Maß für die regelmäßige Be‐ urteilung von Erfolg und Wirtschaftlichkeit von Instandhaltungs- und Zustandsüberwa‐ chungskonzepten. Je nach Betrachtungsweise kann man KPI vorausschauend (prospektiv) und rück‐ blickend (retrospektiv) definieren. Mit Hilfe solcher KPIs lassen sich Erfolge tendenziell bewerten und überwachen, oder über ein Benchmark sogar übergreifend einschätzen. So gelten beispielsweise 96 % als ein typi‐ scher technischer Benchmark-Wert für die Verfügbarkeit von Ausrüstungen. Bei finanziellen, organisatorischen und arbeitsbezoge‐ nen Benchmarks sind derartige Einschätzun‐ gen zu unsicher. Anmerkung: Ein Benchmark ist ein Vergleichsmaßstab für die Analyse von Prozessen oder Ergebnissen. 0.21.4.1 Prospektive KPIs Organisationen, die die Effektivität ihres geplanten Instandhaltungsmaßnahmen regelmäßig bewerten, verwenden oft die Einhaltung von Zeitplanen als Leistungsmetrik. Anstehende War‐ tungsarbeiten oder Instandsetzungen werden in der Regel über einen Zeitraum von einer Woche geplant, und die Terminkonformität wird im gleichen Zeitraum gemessen, obwohl die Zeiträume je nach Organisation variieren können. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Manager einen formalen Prozess schaffen, der eine regelmäßige Überprüfung der Ergebnisse und eine offene Diskussion über Verbesserungsbereiche fördert. 0.21.4.2 Retrospektive KPIs Retrospektive Indikatoren geben ein Maß für die jeweils erreichte Leistung der Anlage, indem sie in diesem Fall die Ergebnisse der Produktion und die Resultate von Prozessen und Operationen betrachten. Durch die Analyse des historischen Trends der Performance einer Anlage und ihrer Komponenten können reaktive Strategien angewendet werden, um zugrunde liegende Probleme anzugehen. Beispiele für retrospektive Indikatoren sind Verfügbarkeitsparameter (MTTR, MTBF, siehe Bild 0.11) oder die Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE). Aus solchen historischen Werten können durch Trendanalysen auch Ursachen für Schwankungen in der Anlagenperformance aufgespürt werden. 100 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="101"?> 0.22 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sind ein wichtiger Faktor sowohl beim Instandhaltungsma‐ nagement als auch bei der Zustandsüberwachung. Schließlich tragen beide mit dazu, dass durch optimale Verfügbarkeit und optimale Performance gute Qualität entsteht und damit die OEE (Gesamtanlageneffektivität) ihren Bestwert erreicht. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen spielen aber auch bei Auswahl und Betrieb von Überwachungssystemen eine Rolle, was ausführlich in Abschnitt 17 behandelt wird. Bezogen auf die gesamte Anlage darf man sich bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen nicht nur auf die Instandhaltungs- und Zustandsüberwachungskosten beschränken. Man sollte auch die gesamten Lebenserwartungskosten im Blickfeld haben. Als praktisches Beispiel zeigt Bild 0.44 die detaillierte Aufschlüsselung der Lebenszykluskosten für eine Pumpenanlage (vgl. auch Tabelle 0.27). Bild 0.44: Aufschlüsselung der Lebenserwartungskosten für eine Pumpe 0.22.1 Lebenszykluskostenrechnung (Life Cycle Costing - LCC) Ganz allgemein handelt es sich bei LCC um eine Methode zum Kostenmanagement, welche die Entwicklung eines Produkts von der Produktidee bis zur Rücknahme bzw. Entsorgung, den sogenannten Produktlebenszyklus, betrachtet. Dabei werden ausschließlich die Kosten (Ausgaben) betrachtet, Einnahmen (Erlöse) werden nicht berücksichtigt. Derartige Berechnungen sind hersteller- und anwenderbezogen auszuführen und führen je nach Anwender zu unterschiedlichen Ergebnissen. Übliche Vorgehensweisen lassen sich aus diversen VDI- und VDMA-Richtlinien entnehmen. Beim Produktanwender werden beim LCC alle Kosten von der Anschaffung, über Schulung bis hin zur Außerbetriebnahme einbezogen, siehe Tabelle 0.27. 101 0.22 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen <?page no="102"?> Life Cycle Costing (LCC) Top Phase Beschaffungskosten Anschaffung Montage Training Installation Montage Betrieb Betrieb Stillstand Energiekosten Wartung, Reparatur Unterstützung durch den Hersteller Obsoleszenz Entsorgung Weiterverwendung Tabelle 0.27: Faktoren des Life Cycle Costing (Bild 0.45) Dies bedeutet aber auch, dass sämtliche Kosten umfassend und transparent zur Verfügung stehen müssen, was oft nicht der Fall ist. Nur eine qualifizierte Beziehung zwischen Kunden und Lieferanten führt hier zu mehr Transparenz und ermöglicht es, Einsparpotenziale bei Betriebskosten und Ressourcen zu heben. Diese Zusammenarbeit, meist über den gesamten Lebenszyklus, wird unter dem Begriff Agiles Management geführt. Bezüglich Lebenszykluskostenberechnung sollten Hersteller von Produkten beachten, dass Anwender sich nicht für Entwicklungs- und Produktionskosten von Produkten interessieren, sondern nur Interesse an niedrigen Anschaffungskosten und niedrigen Betriebskosten haben. Wenn ein Hersteller dann mehr Gewährleistung zum Beispiel durch eine vertraglich vereinbarte Fernüberwachung gibt, könnte dies einen wesentlichen Kostenvorteil für den Anwender darstel‐ len, was seine Kaufentscheidung erleichtert, da er zum Beispiel zusätzliche Reparaturkosten einspart. Diesen Vorteil muss der Hersteller natürlich dem Anwender sachlich korrekt kommu‐ nizieren. Zuvor muss bei dieser Kostenbetrachtung aber auch der Kostenaufwand für die Fernüberwa‐ chung und insbesondere das Datenmanagement berücksichtigt werden. Letztlich entscheiden bei der Investition die TCO (Total Cost of Owner) Bild 0.45: Lebenszyklusanalyse grafisch veranschaulicht (links deutlich teurer) 102 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="103"?> Als praktisches Beispiel zeigt Bild 0.44 die detaillierte Aufschlüsselung der Lebenszykluskosten für eine Pumpenanlage (vgl. auch Tabelle 0.27). 0.22.2 Obsoleszenzmanagement (OM) Maschinen, Komponenten, aber auch Gebrauchsgegenstände unterliegen einer stetigen Abnut‐ zung zum Beispiel durch Materialermüdung oder Verschleiß, bis sie letztlich ihre Funktionsfähig‐ keit verlieren - sie werden obsolet. Auf dem technischen Sektor veralten Produkte auch, weil sie nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen und durch bessere ersetzt werden. Oft kann es aber auch nur eine reine Prestigefrage sein. Als Obsoleszenz bezeichnet man Überalterung oder Veralterung eines Assets. Der Begriff des Assets kann dabei auf ein ganzes System bezogen sein, aber auch nur auf eine Komponente oder Baugruppe oder ein Produkt. Obsoleszenz bedeutet, dass das Asset während der Nutzungsdauer nicht mehr verfügbar ist. Eine Komponente ist obsolet, wenn sie veraltet oder überholt ist. Stammt sie von einem Fremdhersteller, wird das Produkt nicht weiter gefertigt und die Lagerbestände sind leer. Es ist also nicht mehr lieferbar. Im Falle der Eigenproduktion betrifft das lediglich die Bevorratung. Ein Asset ist obsoleszent oder veraltend, wenn es in naher Zukunft obsolet wird. Obsoleszenzmanagement sorgt einerseits dafür, dass künftig nicht mehr produzierte Kompo‐ nenten oder Bauteile durch Vergleichstypen ersetzt oder bevorratet werden, beschäftigt sich andererseits aber auch mit der Vorgehensweise einer Maschine nach Ablauf der geplanten Lebensdauer, von der Entsorgung bis zum Weiterbetrieb. Beim Obsoleszenzmanagement werden also zwei Hauptrichtungen verfolgt, ● die Komponentenverfügbarkeit über die Nutzungsdauer des Systems oder ● der systematische Umgang mit der Veralterung von Systemen. Komponentenverfügbarkeit Der Ausfall von Komponenten, auch von scheinbar funktional nachgeordneten Komponenten, kann großen Einfluss auf die Verfügbarkeit eines Systems haben. Ein markantes Beispiel wurde bereits im Zuge der Zuverlässigkeitsblockdiagramms präsentiert (Bild 0.13). Im Allgemeinen ist die Lebensdauer eines Systems, einer Maschine höher als die Verfügbarkeit von Komponenten. Aufgabe des Obsoleszenzmanagements ist es, die Verfügbarkeit aufrecht zu erhalten und Ausfälle infolge obsoleter Komponenten zu vermeiden. System-Obsoleszenz Nach Ablauf des Lebenszyklus‘, also nach Erreichen der geplanten Nutzungsdauer eines Assets spricht man von Obsoleszenz (siehe dazu auch Tabelle 0.27, Bild 0.45). Obsoleszenz bedeutet Überalterung oder Veralterung, jedenfalls ist zunächst einmal das Ende der Nutzungsdauer erreicht. Die weitere Vorgehensweise fällt ebenfalls unter den Begriff des Obsoleszenzmanage‐ ments. Das kann alternativ ein Weiterbetrieb oder die Entsorgung sein, wobei im zweiten Fall die Weiterverwendung von Komponenten in Betracht gezogen werden kann. Eine angemessene Vertiefung des Themas OM wird noch in Abschnitt 17, genauer Abschnitt 17.3.6 angeboten. 103 0.22 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen <?page no="104"?> 0.23 Qualitätssicherung Qualitätssicherung hat heute einen hohen Stellenwert erlangt. Sie beginnt schon im Vorfeld der Entwurfsphase von Maschinen und Anlagen. Am Beginn wird meist eine Ursachenanalyse stehen, wie sie in Abschnitt 0.20.1 erklärt wurde. Auf eine solche Grundlagenermittlung von Fehlermöglichkeiten bauen dann die folgenden Verfahren auf. 0.23.1 FMEA und FMECA FMEA (englisch Failure Mode and Effects Analysis, deutsch Fehlermode- und -auswirkungsanalyse) und die FMECA (englisch Failure Mode and Effects and Criticality Analysis) sind analytische Methoden der Zuverlässigkeitstechnik. Über die FMEA kann systematisch ermittelt werden, welche Fehler in einer Anlage oder in den einzelnen Komponenten auftreten können und welche Deskriptoren diese Fehler beschreiben und welche Parameter für ein Überwachungssystem in Frage kommen. Anschließend werden daraus die für die einzelnen Komponenten relevanten Parameter ermittelt. Die FMECA war ursprünglich eine eigenständige Erweiterung der FMEA, sie ist jedoch mittlerweile in dieser integriert. Sie bewertet explizit die Kritikalitäten der einzelnen überwachten Komponenten und definiert daraus eine Prioritätenliste für sinnvolle Verbesserungen am Produkt oder am Prozess. 0.23.2 RAMS Methoden Ein RAMS -Management stellt sicher, dass Systeme definiert, Risikoanalysen (siehe Probabi‐ listische Sicherheitsanalyse) durchgeführt, Gefährdungsraten ermittelt, detaillierte Prüfungen gemacht und Sicherheitsnachweise erstellt werden. Vor allem in Industriebereichen mit hohem Investitionsvolumen und Risikopotenzial werden zunehmend sogenannte RAMS-Methoden für Risikoanalysen, zur Ermittlung von Gefährdungs‐ raten und für Sicherheitsnachweise eingesetzt. Die Bezeichnung ist abgeleitet aus der Abkürzung der Begriffe ● R Reliability (Zuverlässigkeit), ● A Availability (Verfügbarkeit), ● M Maintainability (Instandhaltbarkeit) und ● S Sicherheit. RAMS ist in DIN EN 50126 definiert mit dem Ziel, Fehler schon in der Planungsphase von Projekten zu vermeiden. Im Zusammenspiel mit Analyse der Lebenszykluskosten (LCC - sie wird in Abschnitt 0.25.2 noch vorgestellt) kann auf dieser Basis auch eine laufende Optimierung des Instandhaltungsmanagements durchgeführt werden. Laufend bedeutet in diesem Zusammenhang dynamisch über den gesamten Lebenszyklus. Diese Verfahren werden im Zuge der Thematik Anlagenmanagement und Zertifizierung in Abschnitt 17.3 noch ausführlicher behandelt. Anmerkung: Man kann jetzt leicht nachvollziehen: Hinter den unter dem Titel Historische Entwicklung von Abschnitt 0.6 zitierten Gegenargumenten steht eigentlich schon eine RAMS/ LCC-Strategie! Die Frage soll und muss hier weiter vertieft behandelt werden. 104 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="105"?> 0.24 Instandhaltungsmanagement Zusammenfassend konzipiert man Instandhaltungsmanagement nach den gegebenen Erforder‐ nissen, aufbauend auf die bisher in diesem Abschnitt präsentierten Konzepten. Ziel ist eine verfügbarkeitsbzw. zuverlässigkeitsorientierte Strategie. Einen vergleichenden Überblick zeigt Bild 0.46. Bild 0.46: Varianten des Instandhaltungsmanagements Die verschiedenen Strategien werden in diesem Zusammenhang nicht mehr als konsekutive Entwicklungsstufen betrachtet, wobei jedes Konzept durch Neuentwicklungen obsolet wird (das war eigentlich die frühere, heute überholte Sichtweise). Als Ansatz einer intelligenten Gesamtlösung und vor allem auch mit Blick in die Zukunft, in Richtung künstlicher Intelligenz, könnte man das Konzept als ein System von Frames ansehen, aus dem eine maßgeschneiderte Strategie aufgebaut wird. Anmerkung: Im System der natürlichen Intelligenz wären Frames ein kaum abgrenzbares System von Wissens- und Erfahrungsinhalten, die ein sofortiges Verständnis von Zusam‐ menhängen (auch abstrakter Natur) ermöglichen. Im Gegensatz dazu sind im Rahmen der künstlichen Intelligenz als Frames Cluster aufzufassen, die aus gesammelten Daten und Erfahrungen ermittelt werden. 0.25 Kostenmanagement Die Frage des Kostenmanagements, also speziell Fragen von Kosten, Rentabilität und Optimie‐ rung, wurden bisher oder werden oft immer noch nicht mit gebührendem Nachdruck behandelt. Ein solcher Standpunkt kann heutzutage jedoch nicht mehr als zeitgemäß eingeschätzt werden. 105 0.24 Instandhaltungsmanagement <?page no="106"?> Fehleinschätzungen in dieser Hinsicht können ein Zustandsüberwachungsprojekt oft schon im Vorfeld zum Scheitern verurteilen. Typische Fragen oder Statements in dieser Hinsicht sind zum Beispiel ● Ich tausche das Wälzlager vorbeugend im Zuge von Routinearbeiten aus - die Lagerkosten sind nicht von Bedeutung. ● Bei meiner Maschine wird nichts kaputt - ich brauche kein CM! ● Wann rentiert sich die Anschaffung? Man wird sehen, dass sich in modernen Konzepten alle diese Positionen wiederfinden, jedoch nicht mehr als Gegenargument einer Investition, sondern als Basis wirtschaftlicher Optimierung. 0.25.1 Nutzwertanalyse Die Nutzwertanalyse ist ein systematisches Verfahren zur vergleichenden Kostenbetrachtung. Ursprünglich wurde sie zur vergleichenden Bewertung von Forschungsprojekten entwickelt, um eine optimale Verteilung der vorhandenen, begrenzten Mittel auf die eingereichten Projekte optimal einzusetzen. Angewendet auf ein CM-System werden folgende Fragen behandelt: ● Wäre vom wirtschaftlichen Standpunkt ein CMS von Nutzen? ● Welche Variante ist aus den angebotenen Systemen vorzuziehen? ● Wie sieht die Kosten-Nutzen-Relation aus? Das Verfahren ist ein vergleichendes Verfahren und liefert in wirtschaftlicher Hinsicht keine Absolutergebnisse. Es zeigt im Wesentlichen lediglich eine Momentaufnahme der Wirtschaftlich‐ keit zum Zeitpunkt der Beschaffung, der weitere Kostenverlauf wird hier nicht oder höchstens marginal berücksichtigt. Wenn auch die Auswahl zumindest in gewisser Hinsicht optimiert werden kann, sind die anfangs dieses Abschnitts aufgeworfenen Fragen dadurch nicht ausreichend zu beantworten. 0.25.2 Life-Cycle-Costing (LCC) Der Kalkulation der Lebenszykluskosten wurde schon zuvor in Abschnitt 0.25.2 vorgestellt, eine Einordung ist jedoch an dieser Stelle durchaus angebracht und das aus mehreren Gründen: ● Eine umfassende Überwachung ist in der Regel mit nicht unbeträchtlichem Aufwand verbunden, was eine Rentabilitätsberechnung bereits im Vorfeld erfordern wird. ● Bei dieser Methode, zu Deutsch Lebenszykluskostenberechnung, werden die Kosten von der Installation bis zum Betriebsende (einschließlich Osoleszenz) erfasst. ● Eine aussagekräftige und vergleichbare Bewertung erhält man durch Diskontierung auf einen einheitlichen Zeitpunkt (in der Regel den der Beschaffung). ● Das Verfahren ist dynamisch, das heißt, es wird während des gesamten Lebenszyklus mitgeführt und aktualisiert. ● In Kombination mit RAMS bieten sich laufende Optimierungen an. ● Ein Flottenmanagement kann auf dieser Basis optimal erstellt werden. 106 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="107"?> Mehr noch! Die eingangs dieses Abschnitts beispielhaft zitierten Gegenargumente spiegelt sich in einem solchen Managementsystem wider - jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen: ● Jeder hat bereits ein Instandhaltungskonzept (auch wenn er meint, keines zu benötigen). ● Zum Beispiel der vorbeugende Tausch des Wälzlagers - Maintainability und Availability (ist das vielleicht noch optimierbar? ). ● Die schadensfreie Maschine unterliegt meist einer vorbeugenden Instandhaltung (typisch: Verbrennungsmotoren oder Werkzeugmaschinen müssen immer in gutem Zustand sein). Die Frage der Rentabilität muss jetzt nicht mehr von null an abgeschätzt werden, es wird vielmehr eine Frage von Verbesserung und Optimierung des Istzustandes im Rahmen eines RAMS-Konzepts. 0.26 Product Lifecycle Management (PLM) PLM, zu Deutsch Produkt-Lebenszyklusmanagement, ist ein Konzept zur Integration sämtlicher Informationen, die während des Lebenszyklus eines Produkts anfallen - vom Entwurf bis hin zum End of life-Management. Das Konzept ist entstanden aus dem Produktdatenmanagement PDM. In diesem Zusammenhang sei lediglich auf die Norm DIN SPEC 91345 verwiesen. 0.27 Assetmanagement Bild 0.47: Von der Komponente zum Asset Die Instandhaltung ist abgedeckt, wir wissen, wie die Maschinen und Anlagen instand zu halten sind. Wir wissen aber auch, wie sie in ihrer Anwendung effizient zu betreiben sind, und wir haben Reliabilitäts-Anforderungen in der Projektierungs- und Konstruktionsphase berücksichtigt. Damit sind die drei entscheidenden Faktoren für eine optimale Assetperformance erfüllt. Zum Assetmanagement gehört aber mehr als der Maschinenpark. Unter einem Asset definiert man den gesamten Vermögenswert eines Unternehmens. Einen Überblick dazu soll Bild 0.47 vermitteln. 107 0.26 Product Lifecycle Management (PLM) <?page no="108"?> Maschinen und Anlagen - das bisherige Thema - sind im Bild als Technisches Asset zusam‐ mengefasst. Dazu kommen jetzt ● Facilitymanagement - das Managen von Gebäuden und deren technischen Anlagen sowie ● Kernkompetenz - Pflege von Know how und Kompetenz. Die Basis für ein umfassendes Assetmanagement wurde bereits in der internationalen Normung geschaffen. Assetmanagement ist damit auch zertifizierbar. 0.28 Datenmanagement Die Leistungsfähigkeit moderner Rechner, die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit von Speicher, das Internet und die Vielfalt der hier vorgestellten Kenntnisse und Methodik bringt naturgemäß den Anfall immenser Datenmengen mit sich. Bloßes Abspeichern von Rohdaten für spätere Nachauswertungen ist nicht mehr zeitgemäß und führt erfahrungsgemäß immer mehr ins Leere. Solche ‚Konzepte‘ haben schon früher zum Entstehen sogenannter Datenfriedhöfe geführt - der ‚Erfolg‘ spiegelt sich schon in der Bezeichnung wider. Da modernes Datenmanagement sich zwischenzeitlich explosionsartig entwickelt, werden Konzepte und Verfahren nachfolgend nur skizzenhaft beschrieben, soweit sie im Rahmen dieses Fachbuches von Interesse sind. 0.28.1 Datenanalytik Die Datenanalytik beschäftigt sich mit der Gewinnung nutzbarer Information aus den in großer Menge anfallenden Daten einer modernen Zustandsüberwachung. Wichtig ist hierbei eine strukturierte Vorverarbeitung, womit man nicht nur eine Datenverdichtung erzielt, das Wissen wird damit in allgemein zugreifbaren Formaten abgelegt und damit auch in der Praxis nutzbar. Als anschauliches Musterbeispiel: Trendanalysen und Prognosen können im Hintergrund laufend automatisch aktualisiert werden und stehen im Fehlerfall für einen unmittelbaren Zugriff bereit. 0.28.2 Big Data Besonders im Zusammenhang mit multivariaten Systemen fallen im Betrieb große Datenmengen an, die für spätere Auswertungen in strukturierter Form archiviert werden müssen. Die Struktu‐ rierung spielt dabei eine zentrale Rolle. Solche Daten können auch als Basis für selbstlernende Systeme herangezogen werden. Entsprechend der großen Datenmengen wurde der Begriff Big Data geprägt. Die strukturierte Archivierung wird als Data Mining bezeichnet. Die spätere Auswertung bzw. die Auswertung zum Aufbau selbstlernender Systeme wird als Knowledge Discovery in Databases, KDD bezeichnet. Alle diese Begriffe sind sachlich stark überlappend und werden oft, teilweise oder ganz, synonym verwendet. 0.28.3 Smart Data Dieser Begriff ist eng verwandt zu Big Data, wird jedoch eher im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und für individuellere Anwendungen verwendet. 108 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="109"?> Dabei handelt es sich um die Vernetzung intelligenter Systeme, wobei für eine Auswertung ebenfalls die strukturierte Erfassung und ggf. Speicherung vorverarbeiteter Messdaten anfällt. Der Schwerpunkt liegt dabei weniger auf Big, sondern eher auf Smart (= intelligent). Unter Smart Data versteht man Datenbestände, die mittels Algorithmen nach bestimmten Strukturen aus großen Datenmengen (Big Data) extrahiert wurden und sinnvolle Informationen in konzentrierter Form zur Verfügung stellen. Diese Daten wurden bereits vorher gesammelt, geordnet und analysiert und für den Anwender vorbereitet. Smart Data müssen vom Anwender direkt interpretierbar sein. Sie können genutzt werden, um neue Erkenntnisse zu gewinnen oder um Modelle für eine weiterführende Datenanalyse zu entwickeln. Am Beispiel Wälzlagerdiagnose zeigt Bild 0.48 die Struktur von den Rohdaten bis zum Smart Data Konzept. Bild 0.48: Smart Data Anwendungen in der Wälzlagerdiagnose 0.28.4 Künstliche Intelligenz - maschinelles Lernen Künstliche Intelligenz (KI), engl. Artificial Intelligence (AI) ist eine Strategie der Informatik, mit welcher bestimmte Entscheidungsstrukturen des Menschen modelliert werden. Ziel sind Systeme, die zu eigenständiger Problemlösung geeignet sind. Es handelt sich dabei um typische datenbasierte Verfahren. Bekanntestes Beispiel sind neuronale Netze, bei denen die Neuronenstruktur des Gehirns durch ein vernetztes Multiprozessorsystem modelliert wird. Durch Training kann ein solches Netz beliebige, in eindeutiger kausaler Beziehung stehende Zusammenhänge ‚lernen‘. In der Praxis werden solche Systeme meist auf herkömmlichen Rechnern emuliert. Ganz allgemein wird die künstliche Generierung von Wissen auf Basis von Erfahrung als maschinelles Lernen bezeichnet. Dabei wird ein statistisches Modell erstellt, das Lernen basiert auf Trainingsdaten, also auf Beispielen mit im Vorhinein bekannten Ergebnissen. In der Maschinendiagnose besteht in der Regel das Problem mangelnder Trainingsdaten. Im Gegensatz zur medizinischen Diagnose stehen fehlerhafte Zustände vorab meist nicht oder nur sehr spärlich zur Verfügung. 109 0.28 Datenmanagement <?page no="110"?> Bild 0.49: Stufen der Datenanalytik 0.28.5 Präskriptive Analytik Präskriptive Analytik beschäftigt sich ganz allgemein mit der optimalen Vorgangsweise, die sich für bestimmte Situationen finden lässt. Die Rangfolge für das Instandhaltungsmanagement ist in Bild 0.49 dargestellt. Die ersten beiden Stufen sind mit der bisher behandelten Metho‐ dik abgedeckt. Mit präskriptiver Analytik werden im gegebenen Zusammenhang Sensordaten in Echtzeit fusioniert, mit vergangenen Ereignissen korreliert und Ereignisse und Zustände in der Zukunft prognostiziert. Die Algorithmen der präskriptiven Analytik unterstützen die Entscheidungsfindung in der Instandhaltungsplanung sowie entsprechende Anpassungen der Produktionssteuerung. 0.28.6 Expertensysteme Ein Expertensystem ist im Kern eine Daten‐ bank, die über eine Software den Menschen bei der Lösung komplexer Probleme unter‐ stützen kann, genau wie ein menschlicher Experte. Die Unterstützung wird aus einer Wissensbasis abgeleitet, die Zusammenhänge werden über sogenannte Wenn-dann-Bezie‐ hungen dargestellt. Ein Expertensystem muss bestimmte Funktionalitäten aufweisen, die in Tabelle 0.28 zusammengestellt sind. Komponente Funktion Wissenserwerb Erstellung und Pflege der Wissensbasis Problemlösung Erstellung von Problemlösungen im Frage-Antwort-Dialog Erklärung Erklärung der Entscheidung, wenn gefragt Tabelle 0.28: Funktionalitäten eines Expertensystems Die Software wird als Interferenzmaschine bezeichnet. Expertensysteme dienen nicht nur der Unterstützung des Menschen, sie sind auch ein Werk‐ zeug, um Expertenwissen im Falle eines Ausscheidens des Experten zu konservieren. 0.28.7 Internet der Dinge Das Internet der Dinge, engl. Internet of Things (IoT) ist ein Sammelbegriff für Technologien zur Vernetzung von physischen und virtuellen Komponenten, vorzugsweise über ein Datennetzwerk (zum Beispiel das Internet). Eine häufig eingesetzte Technik zur automatischen Identifikation, das RFID (Radio Frequency Identification) ist auch Basis des IoT. Erweiterte Technologien für den industriellen Einsatz werden als IIoT (Industrial IoT) geführt. 110 0 Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement <?page no="111"?> Abschnitt B Schwingungen Dieser Abschnitt befasst sich mit den Grundlagen mechanischer Schwingungen: ● Messgrößen ● Einheiten ● Darstellung ● Entstehungsmechanismen ● Erscheinungsformen <?page no="112"?> Bild 1.1: Pythagoras (Quelle: The original uploader was Galilea at German Wikipedia, Public domain, via Wikimedia Commons) 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund Wieder einmal das Thema Schwingungen Schwingungen sind ein zentrales Thema jeder Zustandsüber‐ wachung, vielleicht das zentrale Thema schlechthin. Aber das gilt nicht nur für die Zustandsüberwachung. Schon das Welt‐ bild der Pythagoreer war aufgebaut auf Harmonien und Stabi‐ lität (jedoch - ohne Schwingung keine Harmonie). Und so kommt auch diesmal dieses Thema wieder zur Sprache. Zunächst: Schwingungen, gezielt jetzt im Hinblick auf Fehlerdiagnose. Jedoch: Gerichtet auch an die Person, die mit dem Messge‐ rät von Maschine zu Maschine geht. Die vielleicht gar nicht vertraut ist mit Differenzieren, Integrieren. Auch für sie sollen die zahlreichen Phänomene verständlich, interessant und eingänglich dargestellt werden. Nicht uninteressant vielleicht manchmal auch für den Spezialisten: Nicht nur zur Abrundung des Überblicks, manchmal auch als Argumentationshilfe (man denke nur an die eingangs erwähnten neuen Geschäftsmodelle). Ganz zu Beginn soll zunächst eine ganz einfache, aber grundlegende Frage diskutiert werden: Wie definiert man eine Schwingung? Man kann sagen: „Eine Schwingung ist ein Vorgang mit Merkmalen der Wiederholung. Für mechanische Schwingungen, die in diesem Buch im Zentrum des Interesses stehen, bedeutet dies eine zeitliche Änderung einer Zustandsgröße, bei der im Allgemeinen diese Zustandsgröße abwechselnd zu- und abnimmt.“ Schwingungen treten in vielfacher Form auf. Sie werden über die menschlichen Sinne verschie‐ denartig wahrgenommen, zum Beispiel ● durch direkte Beobachtung der Zustandsgröße (schwingende Schaukel, Gezeiten des Meeres etc.), ● durch unmittelbare Wahrnehmung der Einwirkung (Erschütterungen, Schall, Lärm etc.) oder ● durch sekundäre Wahrnehmungseffekte (Licht, Wärme). Für die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen spielen Schwingungen im Allgemei‐ nen, im Besonderen jedoch mechanische Schwingungen eine zentrale Rolle, da sich mechanische Fehler oft in den Schwingungen widerspiegeln. In der Regel befasst man sich zunächst mit der Untersuchung von Schwingungen einer stationär laufenden Maschine, also einer Maschine, die unter konstanten Betriebsbedingungen läuft und deren Zustand sich während einer Messung nicht ändert. Schwingungsuntersuchungen beginnen meist mit einer Messung. Die Auswertung erfolgt dann an einem geeigneten physikalischen Modell oder durch Vergleich mit festen Grenzwerten. <?page no="113"?> Das einfachste Modell eines Schwingers ist der lineare Schwinger mit einem Freiheitsgrad der Bewegung. Auch wenn sich Strukturen nichtlinear verhalten, können sie meist mit hinreichender Näherung als lineares System betrachtet werden, vor allem bei kleinen Amplituden. Eine stationär laufende Maschine erzeugt auch stationäre Schwingungen, also Schwingungen, deren Mittelwerte zeitunabhängig oder zeitlich konstant sind. Da Schwingungen meist durch periodisch arbeitende Komponenten entstehen, zum Beispiel Unwuchtschwingungen einer rotie‐ renden Welle, hat man es vorwiegend mit periodischen Schwingungen zu tun. Die einfachste periodische Schwingung ist die harmonische Schwingung, eine Bewegung mit sinusförmigem Zeitverlauf. Diese Zuordnung als einfachste Schwingung kann man aus verschiedenen Aspekten begründen: ● Aus der Wahrnehmung: Eine harmonische Schwingung mit hörbarer Frequenz wird als reiner Ton empfunden. ● Ein linearer, sehr schwach gedämpfter Schwinger, einmal angestoßen, reagiert (zumindest näherungsweise) mit einer Schwingung von diesem Typ (siehe dazu Bild 1.6). ● Mathematisch ist eine harmonische Schwingung nicht weiter zu vereinfachen. Da sich periodische Schwingungen immer als Summe von harmonischen Teilschwingungen (Komponenten) darstellen lassen, wird diese Schwingungsform zuerst betrachtet. Die dabei gewonnenen Ergebnisse und Definitionen können dann mit den nötigen Anpassungen auf allgemeine Schwingungen sinngemäß übertragen werden. 1.1 Grundlegende Bewegungsformen Zur Einführung werden grundlegende Erklärungen zu mechanischen Schwingungen gegeben und zwar über ● Entstehung, ● Erscheinungsform, ● Darstellung, ● Kennwerte. Als Basis wird der lineare Schwinger mit einem Freiheitsgrad, d. h. mit nur einer einzigen Bewegungsrichtung, herangezogen. Dieses einfache Modell ermöglicht relativ anschauliche Erklärungen, die Ergebnisse lassen sich leicht verallgemeinern. 1.1.1 Der lineare Schwinger Das Grundmodell des linearen Schwingers mit einem Freiheitsgrad zeigt Bild 1.2: Eine starre Masse m wird über eine lineare, masselose Feder k und - im Fall des gedämpften Schwingers - zusätzlich über ein ebenfalls masseloses Dämpfungselement d an ein starres Fundament ange‐ koppelt. Das Modell ist so ausgelegt, dass sich die Masse m nur in einer Richtung bewegen kann (entsprechende Führungen sind im Bild nicht eingezeichnet). Freiheitsgrade (DoF, Degrees of Freedom) sind Systemkoordinaten, die unabhängig voneinander verändert werden können. Im Modell von Bild 1.2 ist dies lediglich die Verschiebung x in Längsrichtung - der Schwinger hat demnach einen Freiheitsgrad. Die Masse m wird als starr angenommen. 113 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="114"?> (1.1) Die lineare Feder k (mit der Steifigkeit k) verbindet die Masse m mit dem Fundament. Linear heißt in diesem Zusammenhang, dass die Federkraft der Federdehnung (= Auslenkung x) proportional ist. Eine Verdopplung der Federdehnung bewirkt eine Verdopplung der Federkraft usw. Bild 1.2: Modell eines linearen Schwingers a) ungedämpft, b) gedämpft Das Dämpferelement d verbindet zusätzlich die Masse m mit dem Fundament. Für eine lineare Dämpfung gilt, dass die Dämpferkraft proportional der Geschwindigkeit v ist. Es gilt v = dx dt = x˙ Anmerkung: Dieses einfache Modell mit lediglich einem einzigen Freiheitsgrad entspricht zumeist der messtechnischen Realität. Bringt man am Objekt (Masse m) einen Schwingungs‐ aufnehmer an, so werden die Schwingungskomponenten lediglich in einer Richtung, der Messrichtung des Aufnehmers erfasst, siehe Bild 1.3. Bild 1.3: Schwingungsmessung 114 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="115"?> (1.2) 1.1.1.1 Freie Schwingungen Unter einem freien Schwinger versteht man einen Schwinger, der sich ohne Einwirkung äußerer Erregerkräfte bewegt. Damit eine Bewegung stattfindet, muss er in seiner Ruhelage gestört werden, zum Beispiel durch Anstoßen oder durch Auslenken aus der Ruhelage und Loslassen, siehe Bild 1.4. Bild 1.4: Pendel als freier Schwinger Anmerkung: Das Pendel, welches hier wegen der guten Nachvollziehbarkeit herangezogen wird, ist streng genommen kein linearer Schwinger, ist aber für die Beschreibung grundlegender Eigenschaften als Modell dennoch gut geeignet. Für kleine Schwingungsausschläge ist der lineare Ansatz eine gute Näherung. Ungedämpfte Schwingung Bild 1.5 zeigt die freien Schwingungen eines linearen, ungedämpften Schwingers nach dem Modell von Bild 1.2 a). Das System schwingt in Form einer harmonischen Schwingung (Sinusschwingung) mit seiner Eigenfrequenz f 0 gegeben durch f 0 = 1 2π k m 115 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="116"?> 16 Lat. für Zerstreuung - die Energie wird ungerichtet in Wärme umgewandelt. Der Begriff der Dissipation stammt vom russischen Nobelpreisträger für Chemie Ilja Prigogine (1917-2003), der sich mit dissipativen Strukturen, Selbstorganisation und Irreversibilität befasste. Unter Dissipation wird dabei die Untersuchung von Strukturen verstanden, die sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden oder nach Prigogine die paradoxe enge Verbindung, die zwischen Struktur und Ordnung einerseits und Dissipation und Unordnung andererseits bestehen kann. Mit dissipieren ist somit das Gegenteil von strukturieren gemeint und bedeutet so viel wie verteilen oder im energetischen Sinn umwandeln. Bild 1.5: Freie Schwingung eines ungedämpften Schwingers nach Bild 1.2 a) Die Amplitude bleibt in diesem Modell konstant, da im System keine Energie verloren geht - eine Schwingung bleibt also (theoretisch) unendlich lange erhalten. Derartige völlig ungedämpfte Systeme erscheinen zunächst sehr theoretisch. Trotzdem lassen sie sich zur Modellbildung mechanischer Systeme im Bereich des Maschinenbaus heranziehen, da die Materialdämpfungen meist gering sind. Die mathematischen Beschreibungen vereinfachen sich dadurch beträchtlich. Bild 1.6 zeigt ein bekanntes Beispiel für einen praktisch ungedämpften linearen Schwinger, der nach Anschlag mit einer exakt definierten Eigenfrequenz schwingt und definiert klingt. Bild 1.6: Stimmgabeln Gedämpfte Schwingung Beim gedämpften Schwinger nach Bild 1.2 b) wird über ein zusätzliches Dämpfungselement durch die Bewegung Energie dissipiert 16 , also in Wärme umgewandelt. Diese Energie wird der 116 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="117"?> (1.3) Bewegungsenergie entnommen. Die Schwingung verläuft gedämpft, d. h. sie klingt mit der Zeit ab wie in Bild 1.7 dargestellt. Bild 1.7: Freie Schwingung eines schwach gedämpften Schwingers nach Bild 1.2 b) Beim linearen Dämpfer ist die Dämpfungskraft proportional der Schwinggeschwindigkeit, siehe Gl. 1.1. Unter dieser Modellannahme bleibt das System linear, die Berechnungen gestalten sich dadurch sehr einfach. Ein solches Dämpfermodell wird in der Praxis bevorzugt verwendet, obwohl sich viele Dämpfungsmechanismen davon doch deutlich unterscheiden (zum Beispiel Reibungseinflüsse). In Bild 1.8 sind die freien Schwingungen des linearen gedämpften Einmassenschwingers für verschiedene Dämpfung dargestellt. Dabei wurde als dimensionsloser Parameter der Dämpfungsgrad ϑ, auch Lehrsches Dämpfungsmaß genannt anstelle des Dämpfungskoeffizienten d nach folgender Definition eingeführt: ϑ = d 2 mk Der charakteristische Verlauf der gedämpften Schwingung ist je nach Dämpfungsgrad unter‐ schiedlich, siehe Bild 1.8: ● Schwache Dämpfung ϑ < 1 ● Starke Dämpfung ϑ >1 ● Kritische Dämpfung ϑ =1 117 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="118"?> Bild 1.8: Freie gedämpfte Schwingungen mit verschiedenen Dämpfungsgraden Schwach gedämpfter Schwinger Die freie Schwingung hat die Form einer gedämpften Sinusfunktion mit der Eigenfrequenz des Systems. Die Schwingung klingt ab. Im Vergleich zum ungedämpften Schwinger ist die Eigenfrequenz des gedämpften Systems niedriger, sie nimmt mit steigender Dämpfung ab. Stark gedämpfter Schwinger Die Bewegung des freien Schwingers verliert den Charakter einer Schwingung, sie geht über in eine sogenannte Kriechbewegung. Der Zeitverlauf zeigt höchstens einen Extremwert (Maximum oder Minimum) und höchstens einen Durchgang durch die Nulllage. Kritisch gedämpfter Schwinger Diese Dämpfung ist der Grenzfall zwischen schwacher und starker Dämpfung. Hinsichtlich Extremwerte und Nulldurchgänge gilt das Gleiche wie beim stark gedämpften Schwinger. Anmerkung: Der Fall des kritisch gedämpften Schwingers wird auch als aperiodischer Grenzfall bezeichnet. Die freie Bewegung verliert hier den Charakter einer Schwingung. Schwinger mit mehreren Freiheitsgraden Der bisher diskutierte Schwinger mit einem Freiheitsgrad ist lediglich ein vereinfachtes theore‐ tisches Modell. Jede reale Struktur hat nicht nur eine sondern mehrere Eigenfrequenzen. Je nach Anregungsbedingungen und Anregbarkeit werden die Eigenfrequenzen unterschiedlich stark angeregt. Dominierend ist zwar in der Regel das Auftreten eines deutlichen Grundtons, die Anregung von Obertönen spiegelt sich zum Beispiel in den unterschiedlichen Klangfarben von Musikinstrumenten wieder. Siehe zum Beispiel Bild 1.9. 118 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="119"?> Bild 1.9: Freier Schwinger (1.4) Freie Schwingungen spielen hinsichtlich Maschinenüberwa‐ chung und Diagnose zunächst eine nur untergeordnete Rolle. Bei diesen Anwendungen sind vorwiegend erzwungene Schwingungen zugrunde zu legen. 1.1.1.2 Erzwungene Schwingungen Bisher wurde zur Charakterisierung des Schwingers nur das Verhalten des freien Schwingers betrachtet, d. h. das System (der Schwinger) wird nach einer Anfangsstörung (Anstoßen durch einen kurzen Schlag oder Auslenken und Loslassen) sich selbst überlassen. Die erzwungene Schwingung ist die Bewegung, die ein schwingungsfähiges System aufgrund einer zeitabhängigen äußeren Anregung durch eine zeitanhängige Kraft F(t) ausführt. Ist die Anregung periodisch, also eine periodische Wechselkraft, geht die erzwungene Schwingung nach einem Einschwingvorgang allmählich in die stationäre erzwungene Schwingung oder kurz nur stationäre Schwingung über. Dabei vollführt der Schwin‐ ger eine periodische Bewegung, deren Frequenz, unabhängig von seiner Eigenfrequenz, nur durch die äußere Anregung gegeben ist. Es wird also ein linearer Schwinger angenommen, welcher durch eine harmonische Kraft F(t) zu Schwingungen angeregt wird. Für die Erregerkraft gilt demnach F (t) = F 0 cos ωt Ein entsprechendes Modell ist in Bild 1.10 zu sehen. Den Zeitverlauf der erzwungenen Schwin‐ gung, startend aus der Ruhelage, zeigt Bild 1.11. Bild 1.10: Modell für erzwungene Schwingungen Wie Bild 1.11 zeigt, geht die Schwingung nach einem Einschwingvorgang in einen stationären Zustand, also eine Schwingung mit konstanter Frequenz und Amplitude über. Im Rahmen des Condition Monitoring wurden bisher vorwiegend nur solche stationären Zustände betrachtet (entsprechend der eingangs getroffenen Voraussetzung der stationär laufenden Maschine). 119 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="120"?> (1.5) (1.6) (1.7) Bild 1.11: Erzwungene Schwingung eines linearen Schwingers 1.1.2 Linearität Im vorigen Abschnitt war vom Begriff des linearen Schwingers die Rede. Da dieses Modell eine wichtige Grundlage der Untersuchung von Schwingungen, ihrer Messung und ihrer Beurteilung bildet, wird auf den Begriff der Linearität näher eingegangen. Fehlerverursachte Maschinenschwingungen treten vielfach im Anfangsstadium des Fehlers nur mit kleinen Amplituden auf und können daher mit einem linearen Ansatz hinreichend genau beschrieben werden. Aber auch für größere Amplituden ist eine lineare Näherung oft durchaus aussagekräftig. Mathematisch bezeichnet man eine Funktion f(x) als linear, wenn sie folgende Eigenschaften zeigt: f ax = af (x) f x 1 + x 2 = f x 1 + f x 2 In Worten: ● Die Schwingungsamplitude ist der Anregung proportional. ● Der Einfluss kombinierter Einflüsse kann durch Kombination der Einzelwirkungen unter‐ sucht werden. Linear ist ein System, dessen Komponenten sich linear verhalten. Dies gilt im Fall des einfachen Schwingers für Federkraft F k und Dämpferkraft F d (siehe Bild 1.12): ● Die Federkraft F k ist proportional der Federdehnung x. ● Die Dämpferkraft F d ist proportional der Geschwindigkeit v. F k = kx F d = dx˙ = dv 120 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="121"?> (1.8) (1.9) Bild 1.12: Zur Linearität Eigenschaften linearer Systeme Lineare Systeme haben besondere Eigenschaften, welche die Untersuchung und Beurteilung von Schwingungen wesentlich vereinfachen. Insbesondere sind zu nennen: ● Die Linearität des Systems - ändert man die Amplitude der Erregung, ändert sich die Amplitude der Schwingung um den gleichen Faktor (also: Verdoppelt man die Kraft, verdoppelt sich auch die Amplitude der Schwingung usw.) F (t) x(t) aF (t) ax(t) ● Additivität - setzt sich die Erregerkraft aus mehreren Komponenten zusammen, so addieren sich die Schwingungsantworten der einzelnen Komponenten zur Gesamtschwingung (Bild 1.13): F 1 (t) x 1 (t) F 2 (t) x 2 (t) F (t) = F 1 (t) + F 2 (t) x(t) = x 1 (t) + x 2 (t) (Also: Man kann Einzeleffekte getrennt untersuchen und die Ergebnisse addieren - siehe Bild 1.13) ● Eine harmonische (sinusförmige) Kraft mit einer Frequenz f erzeugt im linearen System eine sinusförmige Schwingung mit der gleichen Frequenz. Das Auftreten weiterer Schwingungs‐ frequenzen hier ist ein Kennzeichen von Nichtlinearität. Anmerkung: Letzteres könnte allerdings auch auf Parametererregung zurückzuführen sein - das kommt in Abschnitt 1.12 noch zur Sprache. 121 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="122"?> Bild 1.13: Eigenschaften linearer Schwinger Die Umkehrung der letztgenannten Eigenschaft ist eine wichtige Basis der Frequenzanalyse, siehe Bild 1.13 unten: Man zerlegt eine periodische Kraft F in ihre harmonischen Komponenten und untersucht das Schwingungsverhalten dann komponentenweise. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: ● Unter Annahme der Linearität können komplexe, d. h. aus mehreren Komponenten zusam‐ mengesetzte Schwingungen komponentenweise untersucht werden. Die Einzelergebnisse lassen sich danach additiv überlagern. ● Für Überwachungsaufgaben kann in der Regel (wenn nicht explizit anders ausgedrückt) Linearität angenommen werden. 1.1.3 Schwingungsformen In diesem Abschnitt werden die für die Zustandsüberwachung von Maschinen wichtigsten Schwingungsformen und ihre Bewertung über Kenngrößen vorgestellt. 1.1.3.1 Harmonische Schwingung Die harmonische Schwingung (‚Sinusschwingung‘) ist die einfachste Form einer periodischen Schwingung. Harmonische Schwingungen bezeichnet man umgangssprachlich oft auch als Sinusschwingungen oder Kosinusschwingungen. Die verschiedenen Benennungen unterscheiden sich durch die Phasenlage, d. h. grob gesprochen durch ihren Beginnzeitpunkt, siehe Bild 1.14. 122 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="123"?> (1.10) Frequenz f in Hz 0,1 1 10 50 100 1000 10000 Periode T in s 10 1 0,1 0,02 0,01 = 10 -2 0,001 = 10 -3 0,0001 = 10 -4 Tabelle 1.1: Zusammenhang zwischen Frequenz f und Periode T Bild 1.14: Harmonische Schwingungen in verschiedenen Phasenlagen Die harmonische Schwingung ist gekennzeichnet durch einen sinusförmigen Verlauf der Mess‐ größe x(t) über der Zeit, siehe Bild 1.15. Sie wird als die einfachste Schwingungsform interpretiert. Bekanntestes Beispiel für eine harmonische Schwingung sind Schwingungen infolge Massen‐ unwucht. Unwucht ist bei rotierenden Maschinen die häufigste Ursache starker Schwingungen. Bild 1.15: Harmonische Schwingung - Kenngrößen Die harmonische Schwingung ist charakterisiert durch die Parameter Amplitude A und Periode T. Der Kehrwert der Periode ist die Frequenz f. f = 1 T Beispiel: Eine Schwingung von 100 Hz führt 100 Schwingungen pro Sekunde aus, die Periode T ist demnach 1/ 100 Sekunde. Einige Eckpunkte für den Zusammenhang zwischen Frequenz und Periode zeigt Tabelle 1.1. 123 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="124"?> Parameter Harmonische Schwingung Periodische Schwingung ISO 20816 DIN 1311 Periode Periodendauer T Frequenz f = 1 T Ordnung (Vielfache der Drehfrequenz) Maximalwert* Scheitelwert Amplitude A Maximalwert x max x p , x (0-p) x Effektivwert** x rms = A 2 x rms = 1 T ∫ T x 2 t dt x rms x ∼ x ef f Minimalwert Minimalwert x min Spitze-Spitze-Wert Schwingungsbreite x s-s x (p-p) x h Betragsmaximalwert |x| max (bei beliebigem Verlauf) Scheitelwert x s (periodisch mit Gleichanteil null) x p , x (0-p) Äquivalenter Scheitelwert**** 2x rms 2x rms Phasenwinkel*** φ - Crestfaktor C F = 2 ≈ 1, 4 C F = |x|max xrms Crestfaktor Plus C F + = α 1 x p + α 2 x rms + α 3 x CF *p steht für Peak (engl. Spitze) **rms steht für root mean square (quadratischer Mittelwert) *** siehe Abschnitt 1.5.2.1 sowie Abschnitt 1.6 **** wird im amerikanischen Bereich als Ersatzgröße für den Spitzenwert verwendet (korrekt nur für harmonische Schwingungen) relevant für den Schweregrad Tabelle 1.2: Kennwerte periodischer Schwingungen Eine kurze Beschreibung der Kenngrößen einer harmonischen Schwingung aus Bild 1.15 findet man in Tabelle 1.2. Hinsichtlich der Schwingungseinwirkung, also des Schweregrads (engl. Se‐ verity), sind die Größen Amplitude bzw. Effektivwert und Frequenz maßgebend. In Tabelle 1.2 sind neben den Standardbezeichnungen in DIN ISO 20816, 10816 und 7919 noch alternative Bezeichnungen aus einschlägigen Normen angegeben. 124 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="125"?> 1.1.3.2 Periodische Schwingung Bild 1.16: Kenngrößen einer periodischen Schwingung nach DIN ISO 20816 und nach DIN 1311-1 Neben der naturgemäß größeren Vielfalt bei periodischen Schwingungen ist noch folgendes zu bemerken: ● Der Begriff Amplitude ist nur für harmonische Schwingungen zulässig. ● Der Phasenwinkel φ ist nur für harmonische Schwingungen definiert; die Erklärung folgt in Abschnitt 1.5.2.1. 1.1.3.3 Stochastische Schwingung Der Zeitverlauf stochastischer Schwingungen hat Zufallscharakter. Beispiel dafür ist Rauschen jeder Art. Der Zeitverlauf ist für solche Schwingungen nicht aus den Momentanwerten berechen‐ bar. Hier ist weiter zu unterscheiden zwischen ● stationären Schwingungen, ● zyklostationären Schwingungen und ● instationären Schwingungen. Diese Schwingungen können quantitativ nur über ihre Mittelwerte beschrieben werden, sofern sie stationär sind. So ist zum Beispiel das 2. statistische Moment dann identisch mit dem Effektivwert nach Tabelle 1.2. 1.1.3.4 Zyklostationäre Schwingung Diese Schwingungen sind ein Sonderfall stochastischer Schwingungen. Sie haben Zufallscha‐ rakter, die Mittelwerte zeigen allerdings periodische Schwankungen. Typisches Beispiel sind Strömungsgeräusche bei Windenergieanlagen: Im Strömungsvorstau des Turms treten Schwan‐ kungen der Strömungsanregung auf, die sich periodisch wiederholen. 125 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="126"?> 1.1.3.5 Instationäre Vorgänge Instationäre Vorgänge weisen keine stabilen Mittelwerte auf. Hier kann man grundsätzliche Unterscheidungen treffen wie folgt: ● Vorgänge endlicher Dauer (An- und Auslaufvorgänge) ● Übergang zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen (Schaltvorgänge) ● Prozessbedingte Stoßvorgänge ● Selbsterregte Schwingungen 1.1.3.6 Zusammenstellung Bild 1.17 zeigt eine systematische Zusammenstellung der unterschiedlichen Schwingungsklassen. Dazu werden hier noch einige Erläuterungen gegeben. Stationäre Schwingungen Solche Schwingungen weisen über der Zeit konstante Mittelwerte auf. Wichtigster Mittelwert ist der Effektivwert nach Tabelle 1.2. Instationäre Schwingungen Die Mittelwerte sind bei diesem Schwingungstyp veränderlich über der Zeit. Deterministische Schwingungen Bei deterministischen Schwingungen kann aus den Daten des aktuellen Zustands der Zustand für jeden Zeitpunkt aus Vergangenheit oder Zukunft rechnerisch abgeleitet werden. Beispiele dafür sind harmonische oder periodische Schwingungen. Man kann dabei noch unterscheiden zwischen ● stationären Schwingungen und ● instationären Schwingungen (zum Beispiel Hochläufen). Periodische Schwingungen Solche Schwingungen wiederholen sich in festen Zeitabständen, der Periode T. Siehe Abschnitt 1.1.3.1 und Abschnitt 1.1.3.2. Quasiperiodische Schwingungen Hier handelt es sich um deterministische Schwingungen, die stationär, jedoch nicht periodisch sind. Solche Schwingungen entstehen durch Überlagerung von unkorrelierten periodischen Schwingungen, zum Beispiel von zwei Triebwerken eines Flugzeugs. Chaotische Schwingungen Oft treten Schwingungen auf, die zwar deterministisch sind, in ihrem zeitlichen Verlauf jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt vorhergesagt werden können (zum Beispiel Getrieberasseln). Auf dieses Thema wird zu Ende dieses Kapitels in Abschnitt 1.14 noch Bezug genommen. 126 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="127"?> (1.11) Bild 1.17: Klassierung von Schwingungen 1.1.4 Fourierzerlegung einer periodischen Schwingung 1.1.4.1 Entwicklung der Fourierreihe Bild 1.18: Joseph Fourier (Quelle: Amédée Félix Barthélemy Geille, Public domain, via Wikimedia Commons) Eine periodische Schwingung ist eine deterministische Schwingung, die sich in festen Zeitab‐ ständen exakt wiederholt. Die Zeit T, nach der die erstmalige Wiederholung eintritt, wird Periodendauer oder kurz Periode genannt. Es gilt demnach x(t) = x t + nT n = 1, 2, 3… 127 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="128"?> (1.12) Komponente Frequenz 1. Harmonische (= Grundfrequenz) f 1 2. Harmonische f 2 = 2f 1 3. Harmonische f 3 = 3f 1 … … n-te Harmonische f n = nf 1 Tabelle 1.3: Komponenten einer Fourierreihe (1.13) Nach dem Theorem von Fourier ist eine periodische Schwingung darstellbar als eine Reihe von harmonischen Komponenten mit der Grundschwingung und ihren Harmonischen. Die Periode der Grundschwingung ist gleich der Periode T der Gesamtschwingung. Die Frequenz f 1 der Grund‐ schwingung ist gleich dem Reziprokwert der Periode T. Die Reihe wird Fourierreihe genannt. Die Komponenten der Fourierreihe bestehen aus der Grundkomponente mit der Grundfrequenz f 1 und aus Harmonischen, deren Frequenzen f i gleich ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz f 1 sind. Die Komponenten werden der Folge nach als i-te Harmonische bezeichnet. f 1 = 1 T f i = if 1 f i = if 1 Die Fourierreihe der Schwingung von Bild 1.16 ist in Bild 1.19 dargestellt. Bild 1.19: Fourierzerlegung einer periodischen Schwingung Die mathematische Darstellung der Fourierreihe hat folgende Gestalt: x(t) = A 0 + ∑ i = 1 ∞ A i cos 2πf i t + φ i = A 0 + ∑ i = 1 ∞ A i cos ω i t + φ i 128 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="129"?> (1.14) In der praktischen Anwendung wird jeweils nur eine endliche Anzahl N von Harmonischen als Näherungsdarstellung herangezogen: x(t) = A 0 + ∑ i = 1 N A i cos 2πf i t + φ i = A 0 + ∑ i = 1 N A i cos ω i t + φ i Anmerkung 1: Die Phasenwinkel φ i sind für energetische Betrachtungen (Bildung der Kennwerte nach Tabelle 1.2) ohne Belang und werden an dieser Stelle nicht näher behandelt. Genaueres findet man in Abschnitt 1.6. Anmerkung 2: Die veraltete Bezeichnung als 1. Oberwelle für die 2. Harmonische usw. ist in der Schwingungsanalyse nicht zulässig und daher zu vermeiden. Anmerkung 3: Der Gleichanteil A 0 ist für energetische Betrachtungen ohne Belang und lediglich eine Skalierungsfrage. Er wird daher im Weiteren als null vorausgesetzt. In den Effektivwert geht der Gleichanteil nicht ein. Es interessiert hier lediglich die Bewegung um die Mittellage. 1.1.4.2 Spektrum Zur graphischen Darstellung einer Schwingung bieten sich entsprechend der Fourierentwicklung nach Gl. 1.13 zwei Varianten nach Bild 1.20 an: ● Darstellung im Zeitbereich als Zeitsignal ● Darstellung im Frequenzbereich als Spektrum Bild 1.20: Zeitsignal und Spektrum Entsprechend der rein leistungsbezogenen Betrachtung wurden im Leistungsspektrum die Pha‐ senanteile nicht eingetragen. Es wird lediglich das Spektrum der Effektivwerte gezeigt, wie es vorwiegend zur Beurteilung von Schwingungen herangezogen wird. Der Ordinatenwert im Leistungsspektrum ist gleich dem Effektivwert. Der Begriff Leistungsspektrum wird in Abschnitt 1.8.4 noch näher erläutert. 129 1.1 Grundlegende Bewegungsformen <?page no="130"?> (1.15) (1.16) 1.1.4.3 Additivität der Effektivwerte Wie schon in Abschnitt 1.1.3.2 unter dem Punkt Effektivwert angemerkt, ist der quadratische Mittelwert ein Maß für die in der Schwingung enthaltene Energie. Parsevalsches Theorem Es handelt sich um ein mathematisches Theorem, welches unmittelbar auf die Fourierentwicklung anwendbar ist. Aus physikalischen Gründen gilt die Bedingung, dass die Energie unabhängig von der analytischen Darstellung sein muss. Das drückt sich aus in der Relation x 2 = x 12 + x 22 + ⋯ + x N2 Darin bedeutet x(t) die Funktion (Schwingung) und x i die Fourierkomponenten; die Mittelung wird durch den Querstrich indiziert. Für die (energiebezogenen) Effektivwerte folgt daraus unmittelbar x rms = x 1rms 2 + x 2rms 2 + ⋯ + x N rms 2 Anmerkung: Die Additivität nach Gl. 1.16 gilt allgemein für unkorrelierte Schwingungen. 1.2 Messgrößen Bei der Darstellung einer Schwingung denkt man zunächst an die Darstellung des Schwing‐ weges (Auslenkung) als Funktion der Zeit. Alternativ kann die Schwingung auch über die Schwinggeschwindigkeit oder über die Beschleunigung beschrieben werden. Es besteht ein fester Zusammenhang zwischen diesen Größen. Man beginnt wieder am einfachsten Beispiel der harmonischen Schwingung, die Ausführungen werden dann auf den allgemeinen Fall übertragen. 1.2.1 Harmonische Schwingung Die Zusammenhänge werden zuerst am Beispiel der harmonischen Schwingung erläutert. Die Beschreibung erfolgt auf rein graphischem Weg. Zuerst stellt man sich einen mit der Winkelge‐ schwindigkeit ω rotierenden Rotor mit einer Massenunwucht vor, siehe Bild 1.21. Die Unwucht und die damit verbundenen Auslenkungen (der Schwingweg) sind in jeder Position stets radial gerichtet. Die gemessene Auslenkung erhält man durch Projektion der tatsächlichen Änderung auf die Messrichtung (Bild 1.22). Anmerkung: Der Begriff Winkelgeschwindigkeit wird in Abschnitt 1.5.2 noch erläutert. 130 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="131"?> (1.17) (1.18) (1.19) Bild 1.21: Anregung durch Unwucht Rechnerisch erhält man die Projektion durch die Gleichung s(t) = s p sin ωt Die Schwinggeschwindigkeit v erhält man in Zeigerdarstellung aus dem Wegdiagramm als Tangente konstanter Länge v p v p = s p ω Daraus ergibt sich durch Projektion auf die Messrichtung (Bild 1.22 Mitte) die Gleichung v(t) = v p cos ωt Die Schwinggeschwindigkeit ist im mittleren Teilbild dargestellt. 131 1.2 Messgrößen <?page no="132"?> (1.20) (1.21) Bild 1.22: Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung einer harmonischen Schwingung Mathematisch erhält man die Schwinggeschwindigkeit als zeitliche Ableitung des Schwingwegs v t = s˙ t = s p ω cos ωt = v p cos ωt Die Beschleunigung a ist die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit v, im Mittelbild die Änderung des tangentialen Geschwindigkeitsvektors. Sie ist immer zum Mittelpunkt gerichtet (Bild 1.22 unteres Bild). Ihr Betrag ist gleich a p = v p ω = s p ω 2 132 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="133"?> (1.22) Die analytische Darstellung sieht wie folgt aus: a t = v˙ t = s¨ t = − s p ω 2 sin ωt = a p sin ωt Bild 1.23 zeigt den Verlauf der Messgrößen für die harmonische Schwingung in einem gemeinsa‐ men Diagramm. Man erkennt, dass die Messgrößen in der Reihenfolge s - v - a jeweils um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Bild 1.23: Messgrößen einer harmonischen Schwingung Anmerkung: Der Begriff der Phase wird in Abschnitt 1.5.2.1 eingeführt und in Abschnitt 1.6 aus messtechnischer Sicht behandelt. Die Umrechnung der Amplituden bzw. der Effektivwerte kann über ein Diagramm nach Bild 1.24 oder durch Anwenden von Umrechnungsformeln nach Tabelle 1.4 erfolgen. Bild 1.24: Nomogramm zur Umrechnung der Parameter nach Bild 1.23 133 1.2 Messgrößen <?page no="134"?> Integration und Differenziation von Schwingungen Schwingweg s = s v ω a ω2 Schwinggeschwindigkeit v = ωs v a ω Schwingbeschleunigung a = ω 2 s ωv a Tabelle 1.4: Umrechnung von Effektiv- und Spitzenwerten harmonischer Schwingungen (1.23) (1.24) Anmerkung: Erwähnt sei an dieser Stelle, dass 1-Punkt Schwingungskalibratoren den Schnittpunkt im Nomogramm bevorzugen. Anmerkung: Tabelle 1.4 und das Nomogramm in Bild 1.24 gelten in dieser Form nur für ISO Grundeinheiten. Für Ingenieureinheiten wie inch/ s sind noch Korrekturfaktoren erforderlich. 1.2.2 Allgemeine Schwingungen Unter diesem Begriff versteht man jede Art von Schwingungen, d. h. nicht nur die periodischen Schwingungen. Oder vielmehr jeden Vorgang mechanischer Bewegung. Für die Bewegungsgrößen bzw. Messgrößen gelten allgemein die Zusammenhänge: s(t) = s Schwingweg v t = s˙ t Geschwindigkeit a t = v˙ t = s¨ t Beschleunigung oder umgekehrt a(t) = a Beschleunigung v(t) = ∫a(t) dt Geschwindigkeit s(t) = ∫v(t) dt Schwingweg 1.2.3 Auswahl der Messgröße Grundsätzlich sind die drei in Frage kommenden Bewegungsgrößen nach Gl. 1.23 oder Gl. 1.24 redundant. Jede von ihnen kommt prinzipiell als Messgröße in Betracht. Die Auswahl wird sowohl vom zur Verfügung stehenden Schwingungsaufnehmer wie auch von der Messaufgabe bestimmt - aber darüber wird in Abschnitt 2.3 diskutiert. An dieser Stelle kann man jedoch allgemein unter Zuhilfenahme von Bild 1.24 sagen: ● Das Erfassen des Schwingwegs ist günstig zur Messung sehr niederfrequenter Schwingungen. ● Das Erfassen der Beschleunigung ist günstig zur Messung sehr hochfrequenter Schwingungen. 134 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="135"?> 17 frz. Système international d’unités Grundsätzlich kann jede der drei Bewegungsgrößen in jede andere durch Differentiation bzw. Integration umgerechnet werden. Eine nachträgliche mathematische Umrechnung im Computer ist von eher untergeordneter Bedeutung. Differentiation oder Integration erfolgen nur noch in älteren Geräten elektronisch in analogen oder numerisch in digitalen Schaltkreisen. Vielfach sind Messverstärker oder CMS-Systeme mit den entsprechenden Möglichkeiten ausgerüstet. Damit kann auch ein Beschleu‐ nigungssensor zur Messung der Schwinggeschwindigkeit oder des Schwingwegs verwendet werden. So haben sich im Markt Beschleunigungsaufnehmer mit eingebauter Elektronik als Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer zwischenzeitlich zum Stand der Technik etabliert. Ganz allgemein kann man zu diesem Thema folgende Aussagen treffen: ● Elektrisch oder digital ist Integration einfacher durchzuführen als Differentiation. ● Digitales Differenzieren ist zwar besser im Hinblick auf den Frequenzgang, jedoch eher rechenintensiv. ● Beschleunigungsaufnehmer sind kostengünstiger und besser handhabbar als Geschwindig‐ keitsaufnehmer und deutlich weniger abhängig von der Montagerichtung. ● Da die Schwinggeschwindigkeit in unmittelbarem Bezug zur Schwingungsenergie steht, wird im Allgemeinen die Schwinggeschwindigkeit als Bewertungsgröße bevorzugt. Dies spiegelt sich auch in den einschlägigen Normen und Richtlinien wider. 1.3 Einheiten Physikalische Größen werden in Maßeinheiten (auch Größeneinheit oder physikalische Einheit) angegeben, die einen eindeutigen, feststehenden und wohldefinierten Wert haben. Alle anderen Werte der jeweiligen Größe werden als Vielfache der Einheit angegeben. Einheiten sind wichtig für die Dokumentation jeder Messung. Durch Umrechnungen oder Kombination solcher Größen entstehen in der Regel Größen anderer Einheiten, wobei diese aus den ursprünglichen hervorgehen. Es entsteht damit ein Einheitensystem oder Maßsystem. Es ist eine Zusammenstellung von Maßeinheiten, in welcher jeder Größenart genau eine Einheit zugeordnet wird. 1.3.1 Das Internationale Einheitensystem In ISO-Normen werden physikalische Größen im metrischen System, also in metrischen Ein‐ heiten angegeben. Diese Einheiten sind in ISO-Normen festgelegt, man spricht hierbei vom SI-Maßsystem bzw. SI-Einheiten 17 . International wird vorwiegend dieses Maßsystem verwendet. Dennoch sollten Leser dieses Buches auch das anglo-amerikanische Einheitensystem mit den entsprechenden Umrechnungen kennen, worauf in Abschnitt 1.3.1.4 eingegangen wird. 1.3.1.1 Basiseinheiten Jedes Maßsystem baut auf sogenannten Basiseinheiten auf. Die für die Zustandsüberwachung wichtigsten sind in Tabelle 1.5 zusammengestellt. 135 1.3 Einheiten <?page no="136"?> Messgröße Einheit Einheitenzeichen Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Tabelle 1.5: SI-Basiseinheiten Bild 1.25: Isaac Newton (Quelle: Unknown author) Messgröße Einheit SI Name SI Zeichen Schwingweg m Schwinggeschwindigkeit m/ s Schwingbeschleunigung m/ s² Kraft m×kg/ s 2 Newton N Druck N/ m 2 Pascal Pa Frequenz 1/ s Hertz Hz Tabelle 1.6: Abgeleitete SI-Einheiten 1.3.1.2 Abgeleitete Einheiten Abgeleitete Einheiten entstehen durch Kombination (multiplikative Ver‐ knüpfung) von Basiseinheiten. Das SI-Maßsystem ist ein kohärentes Maßsystem, d. h. abgeleitete Einheiten werden als Potenzprodukte von Basiseinheiten gebildet, ohne dass ein numerischer Faktor auftritt. So ist zum Beispiel die Einheit der Geschwindigkeit 1 m/ s, die Einheit der Be‐ schleunigung 1 m/ s². Die wichtigsten sind in Tabelle 1.6 zusammenge‐ stellt. Ein weiteres Beispiel ist die Einheit der Kraft, die sich aus den Basiseinheiten über das 2.Newtonsche Gesetz definiert (Kraft = Masse x Beschleunigung), siehe Tabelle 1.6. Einigen der abgeleiteten Einheiten wurden eigene Namen und Einheitenzeichen zugeordnet, wichtige sind in Tabelle 1.6 farblich hervorgehoben. 1.3.1.3 Präfixe Aus praktischen Gründen werden SI-Einheiten oft in Verbindung mit Präfixen verwendet. Sie dienen dazu, Vielfache oder Teile von Maßeinheiten zu bilden, um Zahlen mit vielen Stellen zu vermeiden. Bei den Faktoren handelt es sich durchwegs um Zehnerpotenzen, wichtige sind in Tabelle 1.7 zusammengestellt. 136 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="137"?> Symbol Name Wert Beispiel M Mega 10 6 1 000 000 1 MPa = 10 6 Pa k Kilo 10 3 1 000 1 kg = 1000 g — — 10 0 1 d Dezi 10 -1 0,1 1 dm = 0,1 m c Zenti 10 -2 0,01 1 cm = 0,01 m m Milli 10 -3 0,001 1 mm = 0,001 m µ Mikro 10 -6 0,000001 1 µm = 10 -6 m 1 µm/ s = 10 -6 m/ s Tabelle 1.7: SI-Präfixe Messgröße ISO US Umrechnung Schwingweg µm (Mikron) mil 1 mil = 25,4 µm mm inch (in) 1 in = 25,4 mm Geschwindigkeit mm/ s in/ s (ips) 1 in/ s = 25,4 mm/ s Beschleunigung m/ s² in/ s² 1 in/ s² = 25,4 mm/ s² g 1g = 9,81 m/ s² ≈ 10 m/ s² Tabelle 1.8: Umrechnung in verschiedene Einheiten Anmerkung 1: Die Verwendung von Präfixen stört prinzipiell die Kohärenz (Umrechnungs‐ faktor eins) mit Ausnahme des Kilogramms, welches in dieser Form als Basiseinheit festgelegt ist (siehe Tabelle 1.5). Anmerkung 2: Üblich ist bei der Schwinggeschwindigkeit das Verwenden von mm/ s gewor‐ den, was zahlenmäßig gut überschaubar ist. Außerdem folgt die gebräuchliche Verwendung von mm/ s dem konstruktiven Denken - Konstruktionen im Maschinenbau werden in mm skaliert, nicht in Metern. 1.3.1.4 Gebräuchliche Nicht-SI-Einheiten Im einigen Bereichen sind, vor allem im anglo-amerikanischen Raum, noch andere, nicht dem SI-System zuzuordnende Maßeinheiten im Gebrauch. Obwohl der Gebrauch solcher Einheiten grundsätzlich nicht empfehlenswert ist, sind im Rahmen der globalisierten Wirtschaft zumindest grundlegende Kenntnisse darüber erforderlich. Die wichtigsten dieser Einheiten sind mit Um‐ rechnungsfaktoren in Tabelle 1.8 zusammengestellt. Anmerkung: Die Einheit g wird aus traditionellen Gründen ebenso oft verwendet. 137 1.3 Einheiten <?page no="138"?> Messgröße Symbol Dimension Definition US Drehzahl n min -1 n = 60×f CPM RPM Frequenz f s -1 f = n/ 60 Kreisfrequenz ω s -1 ω = 2πf Tabelle 1.9: Drehzahl und Frequenz 1.3.1.5 Umlaufbewegungen Bei rotierenden Maschinen, genauer gesagt, Maschinen mit rotierenden Komponenten, sind in der Regel die rotierenden Maschinenkomponenten Ausgangspunkt für mechanische Maschinen‐ schwingungen mit drehzahlbezogenen Frequenzen. Rotordrehzahlen werden in Umdrehungen pro Minute angegeben, Drehfrequenzen in Hz. In Tabelle 1.9 sind die entsprechenden Zusam‐ menhänge zu finden. Die Tabelle enthält zusätzlich die Kreisfrequenz, vorteilhaft vor allem für analytische Formu‐ lierungen. Ihre Definition wird in Abschnitt 1.5.2 noch vorgestellt und begründet. 1.4 Zeitbereich und Frequenzbereich 1.4.1 Darstellung periodischer Vorgänge Schwingungen wurden definiert als Vorgänge mit Merkmalen der Wiederholung. Sie stehen in Zusammenhang mit Frequenzen und Ordnungen. Daraus resultieren grundsätzlich drei Möglichkeiten der Darstellung: ● Darstellung im Zeitbereich ● Darstellung im Frequenzbereich ● Darstellung im Ordnungsbereich Ein einfaches, aber dennoch sehr instruktives Beispiel enthält dazu Tabelle 1.10. Dargestellt ist der Fahrplan eines in regelmäßigen Zeitintervallen verkehrenden Busses, einmal als Zeittabelle, einmal über die Angabe der Frequenz. Folgendes lässt sich entnehmen: ● Beide Darstellungen sind vom Informationsgehalt gleichwertig. ● Je nach Fragestellung ist eine der beiden Varianten von Vorteil, zum Beispiel: - Wie lange muss ich auf den nächsten Bus warten? - Zeitbereich - Bekomme ich direkten Anschluss? - Zeitbereich - Wie gut ist die öffentliche Verkehrsanbindung? - Frequenzbereich Zeit Frequenz 8: 00 8: 20 8.40 9: 00 ⋯ alle 20 Minuten ab 8: 00 Uhr Tabelle 1.10: Busfahrplan in Zeit- und Frequenzbereich 138 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="139"?> Anmerkung: Bei der letzten Frage ist die Anfangszeit (Phasenlage) ohne Bedeutung. Nachfolgend soll zunächst mit den Darstellungen in Zeitbereich und Frequenzbereich begonnen werden. Die entsprechenden Darstellungen von Schwingungen zeigt Bild 1.26 für periodische Schwingungen. Im linken Teil von Bild 1.26 sind die schon bekannten Zeitverläufe gezeigt, oben für eine rein harmonische Schwingung, unten für eine aus drei Harmonischen zusammengesetzte Schwingung, vgl. Bild 1.19. Die Darstellung im Frequenzbereich, das sogenannte Frequenzspektrum, ist im rechten Bildteil zu sehen. Es wird dabei die Leistung bzw. der Effektivwert als Funktion der Frequenz aufgetragen. Entsprechend der Zusammensetzung der Schwingung enthält sie drei Komponenten für die Frequenzen f 1 , f 2 und f 3 . Im Grunde wird hier ein und derselbe Prozess in Abhängigkeit verschiedener unabhängiger Variablen - einmal Zeit, einmal Frequenz - dargestellt. Die Gleichwertigkeit der Information ist evident und auch anhand von Tabelle 1.10 nachvollziehbar. Anmerkung: Genau genommen müssten für die volle Gleichwertigkeit die Frequenzspektren noch durch die jeweiligen Phasenwinkel ergänzt werden - diese sind jedoch für eine Zustandsüberwachung auf Basis von Leistungen ohne Bedeutung. Der Vergleich entspricht also der Aussage alle 20 Minuten (ohne Angabe der Anfangszeit) in Tabelle 1.10. Bild 1.26: Periodische Schwingung in Zeitbereich und Frequenzbereich Eine sehr plastische Darstellung der gleichen Schwingung ist in Bild 1.27 in Form einer 3D-Grafik dargestellt. Die Koordinatenachsen sind Zeit, Frequenz und Auslenkung. Entlang der Frequenz‐ achse sind die Harmonischen der Schwingung zu sehen. Die Blockpfeile indizieren die Projekti‐ 139 1.4 Zeitbereich und Frequenzbereich <?page no="140"?> onsrichtungen (Betrachtungsrichtungen), in denen man quasi auf Zeit- oder Frequenzbereich ‚blickt‘. Den Wechsel zwischen Zeitbereich und Frequenzbereich kann man sich anhand dieses Bildes einfach vorstellen als Wechsel der Betrachtungsrichtung (Projektionsrichtung), wie im Bild an‐ gedeutet, mathematisch gesprochen ein Wechsel der unabhängigen Variablen (Zeit ↔ Frequenz). Die Gleichwertigkeit hinsichtlich Information wird daraus ersichtlich. Führt man in dieser Darstellung anstelle der Frequenzachse eine Achse für die Ordnungen (= Vielfachen) einer Bezugsfrequenz ein, erhält man auf diesem Weg ein Ordnungsspektrum. Die Bezugsfrequenz kann dabei die Drehfrequenz einer rotierenden Komponente sein, von der die mechanischen Schwingungen ausgehen. Bild 1.27: Zeitbereich und Frequenzbereich in räumlicher Darstellung 1.4.2 Ordnungsbereich Von drehzahlveränderlichen Komponenten gehen mechanische Schwingungen aus, deren Fre‐ quenz mit der Drehfrequenz der Komponente synchron laufen. Man spricht dann von Drehzah‐ lordnungen oder kurz Ordnungen anstelle von Frequenzen. Bei der Frequenzanalyse würden Spektren „verschmieren“, der Peak der jeweiligen Komponente verteilt sich über einen größe‐ ren Frequenzbereich. Umgekehrt verschmieren nicht drehzahlabhängige Schwingungen (zum Beispiel Eigenfrequenzen) bei der Ordnungsanalyse. Die Technik der Ordnungsanalyse wurde schon im einführenden Abschnitt 0.12 vorgestellt. Man erhält dadurch ein Ordnungsspektrum, in dem die Abszisse in Ordnungen (= Vielfachen der Drehzahl) dargestellt wird. Bild 1.28 veranschaulicht die Zusammenhänge. Das Zeitsignal links im Bild ist ein Sinus mit steigender Frequenz, der zugleich als Referenzsignal und als Messsignal dient. Im Frequenzspektrum erscheint die Komponente über einen Bereich entsprechend der Frequenzänderung verteilt, eine Auswertung wäre hier weder qualitativ noch quantitativ möglich. Auch ein Vergleich ähnlicher Analysen aus zwei zeitverschiedenen Signalen würde hier kaum brauchbare Ergebnisse liefern. 140 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="141"?> Bild 1.28: Frequenzspektrum und Ordnungsspektrum einer drehzahlbezogenen Komponente Das Ordnungsspektrum zeigt eine einzelne Linie bei der Ordnung 1X entsprechend den getrof‐ fenen Annahmen. Sind mehrere Ordnungen im Signal enthalten, erhält man dementsprechend ein diskretes Linienspektrum der Ordnungen. 1.4.3 Zeitbereich und Frequenzbereich in der Diagnose Das gleiche Prinzip wird in der Maschinendiagnose angewendet (siehe Bild 1.29). Die Schwingungen gehen von den verschiedenen rotierenden Komponenten im Inneren der Maschine aus und sind im Messsignal überlagert. Im Spektrum der Schwingungen erscheinen die einzelnen Frequenzkomponenten wieder getrennt und können somit leicht den Maschinenelementen zugeordnet werden. Eine solche Trennung ist im Zeitsignal in der Regel nicht vorhanden. Die Darstellung von Bild 1.29 hat erklärenden Charakter und wäre für direkte Untersuchungen sehr aufwändig. Die Realität, wie sie sich im Tagesgeschäft zeigt, ist in Bild 1.30 veranschaulicht: Die Schwingungen werden über einen Sensor als Zeitsignal erfasst, mit Hilfe eines Frequenzanalysators wird das jeweilige Spektrum ermittelt und dargestellt, Bild 1.29 rechts. Dort können bei Kenntnis der Kinematik sowie der Erreger- und Eigenfrequenzen der Maschine (siehe Bild 1.29 oben) unter Berücksichtigung der Betriebsparameter die einzelnen Peaks den entsprechenden Maschinenkomponenten zugeordnet werden. Im Zeitbereich, Bild 1.30 links, sind solche direkten Zuordnungen im Allgemeinen nicht möglich. 141 1.4 Zeitbereich und Frequenzbereich <?page no="142"?> Bild 1.29: Zeitbereich und Frequenzbereich in der Diagnose Bild 1.30: Zeitsignal und Spektrum nach Bild 1.29 142 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="143"?> 1.4.4 Lineare und logarithmische Skalierung 1.4.4.1 Logarithmische Amplitudenskalierung Im Bereich der Schwingungsanalyse ist eine logarithmische Skalierung der Amplituden zweck‐ mäßig. Die Vorteile sind folgende: ● Bessere Unterscheidung von Komponenten mit niedriger Amplitude ● Einfaches Erkennen von breitbandigen Eigenschwingungsanregungen ● Bessere Vergleichbarkeit bei Prozessen mit exponentiellem Wachstum Zu den ersten beiden Punkten zeigt Bild 1.31 ein Beispiel: Die Komponenten 2, 3 und 4 sind bei linearer Darstellung nicht auswertbar, da die Amplitudenauflösung im Diagramm zu gering ist. Bei logarithmischer Darstellung ist dieser Nachteil behoben. Die Komponenten A und B sind überhaupt nur in logarithmischer Darstellung erkennbar. Anmerkung: Komponenten niedriger Energie können zur Fehlerbewertung durchaus von Bedeutung sein (vgl. Bild 1.29). Zum dritten Punkt: Fehler infolge von Verschleiß entwickeln sich typischerweise mit exponen‐ tiellem zeitlichen Verlauf. Die Fehlerschwere ist dann im logarithmischen Spektrum besser zu bewerten. Bild 1.31: Lineare und logarithmische Darstellung von Spektren 1.4.4.2 Pegel Logarithmische Skalierungen sind in der Praxis recht unhandlich, man zieht dafür daher die Darstellung als Pegelmaß vor. 143 1.4 Zeitbereich und Frequenzbereich <?page no="144"?> (1.25) Messgröße Bezugswert Luftschall Schwingweg 1 pm = 10 -12 m Schwinggeschwindigkeit 1 nm/ s = 10 -9 m/ s 5×10 -8 m/ s Schwingbeschleunigung 1 µm/ s 2 = 10 -6 m/ s 2 Druck 1 µPa = 10 -6 N/ m 2 20 µPa = 2×10 -5 N/ m 2 Kraft 1 µN = 10 -6 N Leistung 1 pW = 10 -12 W Intensität 1 pW/ m 2 = 10 -12 W/ m 2 Die Referenzwerte für Luftschall beziehen sich auf die Hörgrenze des Normalgehörs Tabelle 1.11: Referenzwerte für Pegelmessungen nach DIN ISO 1683-2 (1.26) Für energiebezogenen Größen x wie zum Beispiel Schwingweg oder Schwinggeschwindigkeit ist der Pegel L definiert als L = 20log x x0 dB Das standardisierte Symbol L folgt dabei der englischen Bezeichnung Level. Für die Darstellung der Amplituden erhält man in dB eine lineare Skalierung. Einheit des Pegels ist das Bel, abgekürzt B. Üblich ist der zehnte Teil, das Dezibel, abgekürzt dB (siehe dazu Tabelle 1.7). Die Größe x 0 in Gl. 1.25 ist ein fester Referenzwert. Eine Zusammenstellung der gebräuchlichs‐ ten Referenzwerte zeigt Tabelle 1.11. Im Zusammenhang mit der Schwingungsdiagnostik sei bei dB-Skalierungen empfohlen, die Referenzwerte zu erfragen, um einen Bezug zu Normwerten herstellen zu können. Erst dann kann man Ergebnisse quantitativ miteinander vergleichen. Die Änderung einer Größe x lässt sich ebenfalls im Pegelmaß darstellen. Ändert sich der Wert von x 1 auf x 2 , so ist dies, im Pegelmaß ausgedrückt, eine Änderung L von L = 20log x2 x1 dB Die Anwendung in der Schwingungsdiagnose wird in Abschnitt 12.2 vorgestellt. 1.5 Vektoren und Zeiger Vektoren und Zeiger weisen formal eine Reihe von Ähnlichkeiten auf (beginnend schon mit der Darstellung als Zeiger), sind jedoch physikalisch und mathematisch nicht identisch. Allerdings ist die Gefahr einer Verwechslung im gegebenen Zusammenhang relativ gering und soll daher nicht weiter diskutiert werden. Eine grundlegende Darstellung ist jedoch angebracht. 144 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="145"?> 1.5.1 Vektoren Der reale Physiker 1.5.1.1 Definition Vektoren beschreiben physikalische Größen, die durch einen Betrag und eine Richtung gekenn‐ zeichnet sind - man spricht auch von einer vektoriellen Größe. Beispiele dafür sind Schwingweg, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Kraft. Grafisch wird ein Vektor durch einen Pfeil symbolisiert (gezeichnet), dessen Länge den Betrag und dessen Richtung die physikalische Richtung angibt. 1.5.1.2 Rechenoperationen für Vektoren Ein Vektor definiert sich durch seine Rechenoperationen wie folgt: ● Addition zweier Vektoren ergibt wieder einen Vektor. ● Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar ändert die Länge des Vektors. ● Inneres Produkt zweier Vektoren ergibt ein Skalar. ● Vektorprodukt zweier Vektoren ergibt einen Vektor senkrecht zur Ebene, welche von den beiden Vektoren aufgespannt wird; es existiert formal nur im dreidimensionalen Raum, kann aber sinngemäß auch für zweidimensionale Fälle angewendet werden. Anmerkung: Als Skalar bezeichnet man einfache Zahlenwerte. 1.5.2 Zeiger Der abstrakte Mathematiker Zeiger sind Hilfsmittel zur Darstellung und grafischen Auswertung harmonischer Funktionen. Sie sind Rechengrößen und grundsätzlich nicht mit einer physikalischen Richtung verknüpft. Die Funktion wird bei dieser Darstellung als Projektion eines in einer Ebene rotierenden Zeigers repräsentiert. Eine Periode der Funktion entspricht exakt einer vollen Umdrehung des Zeigers. Zeigerdarstellungen in der hier präsentierten Form sind ausschließlich für harmonische Schwingungen sinnvoll. 1.5.2.1 Zeigerdarstellung einer harmonischen Schwingung Das Zeigerdiagramm ist eine Methode zur Darstellung harmonischer Schwingungen als Projek‐ tion eines rotierenden Zeigers. Bild 1.32 bringt eine Gegenüberstellung von x-t-Diagramm (links im Bild) und Zeigerdiagramm (rechts). Die Zeitfunktion verläuft periodisch mit einer Periode T, der Zeiger rotiert im gleichen Rhythmus mit einer vollen Umdrehung in T Sekunden. Die Größe x ergibt sich als Projektion des Zeigers auf die vertikale Projektionsachse. Vergleicht man die Darstellung von Bild 1.32 mit dem klassischen x-t-Diagramm nach Bild 1.15, so fällt hier die unterschiedliche Skalierung der Abszisse auf. Sie erfolgt jetzt als Phasenwinkel φ oder kurz als Phase, wobei einer Periode T der Schwingung eine volle Umdrehung des Zeigers, also einem Winkel von 2π entspricht, unabhängig von der tatsächlichen Frequenz. 145 1.5 Vektoren und Zeiger <?page no="146"?> (1.27) (1.28) Anmerkung: Man denke bei dieser Bezeichnung an andere Phasendarstellungen wie die etwa Jahreszeiten oder Mondphasen, die bei anderen Planeten bzw. ihren Monden immer auf die jeweiligen Umdrehungsperioden bezogen sind. In der Darstellung ist jetzt auch der Nullphasenwinkel φ 0 eingetragen, er entspricht der Phasenlage zum Zeitpunkt t = 0. Der in der Schwingungslehre sehr häufig verwendete Begriff des Phasen‐ winkels wird aus dieser Darstellung ebenso verständlich. Bild 1.32: Zeigerdarstellung einer harmonischen Schwingung Der Phasenwinkel φ ist der Zeit t proportional. φ = ωt Aus der Skalierung folgt der Zusammenhang ω = 2π T Daraus erklärt sich für die Größe ω der Begriff der Winkelgeschwindigkeit, manchmal auch Kreisfrequenz genannt. Die Skalierung der Abszisse hat die Dimension eines Winkels, woraus sich die Termini Phase, Phasenwinkel und Winkelgeschwindigkeit ableiten. Diese Darstellungsform ist zweckmäßig, wenn die Phasenlage der Schwingung von Bedeutung ist. Ein typischer Anwendungsfall solcher Zeigerdarstellung ist das Betriebswuchten von Rotoren. 1.5.2.2 Rechenoperationen für Zeiger Das Zeigerdiagramm ist auch geeignet zur Überlagerung von zwei Schwingungen gleicher Frequenz auf graphischem Weg. Bild 1.33 zeigt dazu ein Beispiel. Die Zeiger sind im Diagramm vektoriell zu addieren, es bestehen jedoch Unterschiede zur Vektorrechnung nach Abschnitt 1.5.1.2. Die Rechenregeln seien hier kurz zusammengefasst: ● Addition zweier Zeiger ergibt wieder einen Zeiger. ● Multiplikation mit einem Skalar ändert die Länge des Zeigers. ● Multiplikation zweier Zeiger ergibt einen Zeiger in der gleichen Ebene (Drehstreckung). 146 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="147"?> Bild 1.33: Addition zweier Schwingungen im Zeigerdiagramm Anmerkung: Unterschiede zwischen Vektoren und Zeigern treten erst bei der Definition des Produkts zutage. 1.5.3 Komplexe Zeiger 1.5.3.1 Harmonisches Zeitsignal Die Darstellung einer harmonischen Schwingung nach Bild 1.32 kann alternativ auch als komplexe Zahl in der komplexen Zahlenebene erfolgen, die dort ebenfalls als Zeiger repräsentiert wird. Die Gegenüberstellung zeigt das Bilderpaar Bild 1.34 und Bild 1.35. Diese Darstellung ist auch wegen der identischen Rechenoperationen nach Abschnitt 1.5.2.2 naheliegend, wobei diese im Bereich komplexer Zahlen wesentlich einfacher durchzuführen sind. So entspricht etwa der vektoriellen Addition zweier Zeiger einer einfachen Addition der beiden komplexen Zahlen. Vergleicht man nun die beiden Darstellungen von Bild 1.34 und Bild 1.35, so lässt sich folgendes unmittelbar ablesen: ● Dem Zeiger x⃑ entspricht die komplexe Zahl x = x + jx Im ● Der Amplitude A entspricht der Betrag von x ● Dem Funktionswert (Momentanwert) x entspricht der Realteil von x Bild 1.34: Darstellung einer harmonischen Schwingung als reeller Zeiger 147 1.5 Vektoren und Zeiger <?page no="148"?> (1.29) (1.30) Bild 1.35: Komplexe Darstellung einer harmonischen Schwingung Anmerkung: Die hier eingeführte Systematik entspricht nicht den üblichen Ansätzen in der mathematischen Funktionentheorie, zum Beispiel das Auftragen des Realteils auf der Ordinate. Es soll damit lediglich ein besserer Anschluss an die zuvor eingeführte, übliche Zeigerdarstellung erzielt werden und an die Interpretation des Realteils als (gemessenes) Zeitsignal. Für die praktischen Berechnungen ist das ohne Belang. Der Realteil des komplexen Zeigers ist gleich der Messgröße, also gleich dem Momentanwert x(t). Der neu hinzugekommene Imaginärteil x Im (t) ist eine reine Rechengröße. Er hängt vom Realteil ab, der Zusammenhang geht aus Bild 1.35 direkt hervor. Rechnerisch kann der Imaginärteil aus dem Originalsignal über eine Phasendrehung um -90° erfolgen, siehe dazu Bild 1.36. Im Frequenzbereich entspricht diese Phasendrehung einer Multiplikation mit -j. Aus dem Realteil x(t) und dem Imaginärteil x Im (t) setzt sich das komplexe Zeitsignal x t zusammen nach der Formel x t = x t + jx I m t Für das rein harmonische Zeitsignal x = A cos ωt erhält man die bekannte Eulersche Formel x t = A cos ωt + jA sin ωt = Ae − jωt Die möglichen Darstellungsformen sind in Bild 1.37 dargestellt: Im linken Teilbild das reelle Zeitsignal (= Messgröße), im mittleren Teilbild, von eher symbolischem Charakter, das analytische Zeitsignal nach Bild 1.35, erweitert um eine Zeitachse und schließlich, im rechten Teilbild, als Doppeldiagramm für Amplitude A und Phasenwinkel φ = ωt. 148 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="149"?> (1.31) Bild 1.36: Prinzip der Hilberttransformation Der Vorteil des komplexen Zeitsignal ist Bild 1.37 unmittelbar zu entnehmen: Hat man etwa die Aufgabe, die Amplitude A messtechnisch exakt zu bestimmen, so stößt man im (digitalisierten) reellen Zeitsignal auf Schwierigkeiten: Den exakten Wert erhält man nur, wenn die Abtastung genau auf den Maximalwert fällt, was jedoch messtechnisch nicht vorherbestimmbar ist. Der Mangel tritt vor allem bei hochfrequenten Signalen zutage. Anders im komplexen Zeitsignal als Doppeldiagramm: Die Amplitude ist dort zu jedem beliebigen Zeitpunkt exakt ablesbar. Der Phasenwinkel φ(t) liefert hier die Information über die Frequenz als zeitliche Ableitung φ = ωt ω = dφ dt f = 1 2π dφ dt 1.5.3.2 Analytisches Zeitsignal Das komplexe Zeitsignal wird als das analytische Zeitsignal bezeichnet. Die Benennung stammt aus der Funktionalanalysis und drückt aus, dass die Funktion im Komplexen differenzierbar ist (im gegebenen Fall ist das nicht von Bedeutung). Bild 1.37: Analytisches Zeitsignal einer harmonischen Schwingung Eine allgemeinere Anwendung zeigt Bild 1.38 für ein moduliertes harmonisches Zeitsignal. Im Bild wird die Anwendung für ein amplitudenmoduliertes Signal dargestellt. Es gelten die Gleichungen 149 1.5 Vektoren und Zeiger <?page no="150"?> Bild 1.39: Hilberttransformation - David Hilbert (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) 1.30 und 1.31, lediglich für eine zeitabhängige Amplitude A(t). Die Extraktion der Amplitude wird als Demodulation bezeichnet. Bild 1.38: Analytisches Zeitsignal einer modulierten Sinusschwingung Anmerkung: Diese Argumentation gilt nur unter bestimmten Voraussetzungen über die Modulation, die jedoch in den gegebenen Anwendungsfällen der Diagnose gegeben sind. Näheres findet man bei Bedarf in den entsprechenden Diagnoseabschnitten. Hilberttransformation Die einfache Drehung des Zeigers zur Ermittlung des Imaginärteils, wie sie bereits in Bild 1.36 ver‐ anschaulicht ist, ist Basis der Hilberttransformation, wie schon in der Bildunterschrift angedeutet. Für allgemeine Zeitsignale ist die Drehung komponentenweise (für alle Frequenzkomponenten) durchzuführen, was meist über die Phasendrehung im FFT-Spektrum durchgeführt wird. Der Algorithmus für die Hilberttransforma‐ tion für den allgemeinen Fall ist schematisch in Bild 1.39 dargestellt: Das Zeitsignal x(t) wird fouriertransformiert, die Phasendrehung erfolgt im komplexen Spektrum, nach Rück‐ transformation erhält man den Imaginärteil des analytischen Zeitsignals als Hil‐ bert-Transformierte des ursprünglichen Zeit‐ signals. Diese ist dann der Imaginärteil des komplexen Zeitsignals, der Realteil ist mit dem gemessenen (reellen) Zeitsignal iden‐ tisch. Die Hilberttransformation kann alternativ auch über Phasenschieber im Zeitbereich er‐ folgen oder über eine trigonometrische Fourierreihe (diese wird noch an passender Stelle in Abschnitt 3.4.2.1 behandelt; an dieser Stelle sollte dieser Hinweis genügen). Im zweiseitigen komplexen Spektrum erfolgt die Phasendrehung über eine Sprungfunktion j⋅sign(f). Nähere Ausführungen dazu folgen an gegebener Stelle, in Abschnitt 3.4.2.3. 150 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="151"?> 1.5.3.3 Anwendungen des analytischen Zeitsignals Lösung linearer Differenzialgleichungen Zur Lösung linearer Differenzialgleichungen wird vorzugsweise ein komplexer Lösungsansatz verwendet, wobei lediglich der Realteil der Lösung physikalisch interpretiert wird. Im Grunde entspricht dies einem Ansatz über das analytische Zeitsignal. Fourierintegral Das (komplexe) Fourierintegral kann als Kovarianzintegral zum Vergleich eines Signals mit dem analytischen Zeitsignal einer harmonischen Referenzfunktion interpretiert werden. Demodulation Oft steckt die gesuchte Information in der zeitlich veränderlichen Amplitude und Frequenz eines hochfrequenten Trägersignals. Als Beispiel sind Zahneingriffsschwingungen bei Getrieben zu nennen, wobei die eigentliche Zahneingriffsschwingung durch Fehler in der Verzahnung im Rhythmus der Umdrehung schwankt, also moduliert wird. Die Schwankung wird durch Demodulation nach dem Muster von Bild 1.38 extrahiert. Anmerkung: Nach dem gleichen Muster arbeiten analoge Rundfunksender. Das hochfre‐ quente Trägersignal (Sendefrequenz) ist mit der Information (Sprache, Musik) moduliert. Im Sender erfolgt die Modulation, im Empfänger die Demodulation. Bestimmung der modalen Dämpfung Lineare Werkstoffdämpfung ist eine Idealisierung, die in dieser Form eher selten auftritt. Für Werkstoffe und Strukturen ist die Dämpfung ein modaler Parameter und für jede Eigenmode getrennt zu bestimmen. Eine gängige Methode ist der Abklingversuch, wobei die Dämpfungspa‐ rameter im Ausschwingvorgang bestimmt werden. Dazu ist die Einhüllende zu finden. Anmerkung: Vor dem Abklingversuch sind die einzelnen Schwingungsmoden durch Bandpassfilterung zu extrahieren. Die Dämpfungsbestimmung ist für jeden Mode getrennt durchzuführen. Massengeometrie Verfahren der Massengeometrie, insbesondere Massenausgleich und Auswuchten, lassen sich über Zeigerverfahren durchführen oder interpretieren. Zu nennen wären Kurbelsternverfahren bei Kolbenmotoren (Abschnitt 7.5) oder Betriebswuchten (Abschnitt 6.2). 1.5.4 Gegenüberstellung von Zeigern und Vektoren Vergleicht man die vektorielle Darstellung einer umlaufenden Auslenkung (Bild 1.21) mit der Zeigerdarstellung Bild 1.32, so scheinen beide Darstellungen identisch zu sein. Im gegebenen Zusammenhang ist hier eine Verwechslung zunächst kaum möglich. 151 1.5 Vektoren und Zeiger <?page no="152"?> Anwendung Beispiele Bewegung zweier Punkte relativ zueinander Winkellage eines Ereignisses oder Zustands Diagnose einer Wellenschwingung Unwucht Fehlausrichtung Exzentrizität verbogene Welle Auswuchten Betriebswuchten Modalanalyse Schwingungsanimation Betriebsschwingformanalyse Bewegung der Maschine Tabelle 1.12: Anwendungen der Phasenanalyse Bedenkt man jedoch, dass Schwingungen nicht grundsätzlich mit einer räumlichen Richtung verknüpft sein müssen, aber immer als Zeiger dargestellt werden können (für den harmonischen Fall), so ist hier doch ein qualitativer Unterschied zu beachten. Schwingungen von (ungerichteten) skalaren Größen wie Druck können ebenso als Zeiger dargestellt werden. Der Kraftvektor im Falle der Unwucht hat hingegen eine physikalische Richtung, dem Zeiger kommt eine solche nicht zu. Zum Tragen kommen solche Überlegungen zum Beispiel beim Betriebswuchten. 1.6 Phase Für viele Messarten, sei es zur Diagnose oder für Korrekturmaßnahmen, spielt die Phasenlage einer Schwingung eine bedeutende Rolle. Die Phase beschreibt die gegenseitige zeitliche Ver‐ schiebung zweier harmonischer Schwingungen. Sie quantifiziert also die zeitliche Abfolge zweier Ereignisse, skaliert in Einheiten des Drehwinkels. Sie ist in dieser Form bereits in Bild 1.33 als Phasenwinkel φ aufgetreten. Die Phasenlage oder genauer gesagt, der Phasenwinkel bieten eine Reihe diagnostisch wichtiger Informationen, deshalb ergibt sich oft die Notwendigkeit einer Phasenmessung. Beispiele dafür sind in Tabelle 1.12 zusammengestellt. Wellenschwingungsanalysen, welche die lateralen Bewegungen einer Welle erfassen sollen, erfordern für eine effiziente Auswertung auch Phaseninformation nicht möglich. 1.6.1 Definition der Phase Die Phase ist ein Parameter einer harmonischen Schwingung. Die Phase ist eine relative Größe, entweder bezogen auf eine Triggermarke wie in Bild 1.40 oder relativ zwischen zwei harmonischen Schwingungen identischer Frequenz wie in Bild 1.33. Bezieht man die Phase auf eine konstruktiv entstandene Triggermarke einer rotierenden Welle, zum Beispiel eine Nut oder Passfeder, dann erhält man eine absolute Phase. Sie steht in unmittelbarem Bezug zur Wellengeometrie (salopp gesprochen: man könnte sie mit einem Marker direkt auf die Welle zeichnen). Das ist vor allem beim Betriebswuchten von Vorteil, wo die Wuchtgewichte in einer bestimmten Winkellage zu montieren sind. 152 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="153"?> Als Referenzpunkt der Schwingung wird vorzugsweise der positive Spitzenwert des Zeitsignals genommen. Bild 1.40: Phasenmessung bezüglich einer Referenzmarke Voreilende und nacheilende Phase Der Phasenwinkel Δφ (Bild 1.40) gibt den Betrag der Phasenverschiebung an. Die Schwingung kann dem Drehzahlsignal voreilen oder nacheilen. Zieht man die Diagramme von Bild 1.40 heran, so tritt dort das Drehzahl-Impulssignal vor dem Schwingungssignal auf, es eilt also dem Schwingungssignal vor. Umgekehrt kann das Schwingungssignal dem Impulssignal nacheilen. Konvention: Wenn das Drehzahlsignal voreilt, wird der Phasenwinkel positiv angegeben. Anmerkung: Diese Konvention entspricht der üblichen Vorgangsweise. Sie könnte auch umgekehrt erfolgen, ist jedoch dann bei allen Anwendungen in dieser Weise konsequent durchzuziehen. Für die praktische Anwendung, zum Beispiel beim Betriebswuchten, nutzt man den Zusammen‐ hang nach Bild 1.41. Die Phasenkonvention für eine sich im Uhrzeigersinn drehende Maschine ist ein ansteigender Phasenwinkel gegen den Urzeigersinn. 1.6.2 Darstellung der Phase 1.6.2.1 Zeigerdiagramm Die Darstellung einer harmonischen Schwingung als Zeigerdiagramm zeigt die Phase direkt (Bild 1.34). Besonders vorteilhaft erweist sich die Formulierung als komplexer Zeiger (Bild 1.35), da dann Verknüpfungen, wie sie bei manchen Anwendungen erforderlich sind, direkt durch die Algebra komplexer Zahlen durchführbar sind. 153 1.6 Phase <?page no="154"?> Bild 1.42: Blasendiagramme Bild 1.41: Definition des Phasenwinkels 1.6.2.2 Blasendiagramm Blasendiagramme eignen sich zur übersichtlichen grafischen Darstellung von Punkten mit bis zu drei Merkmalen in zweidimensionalen Bildern, zum Beispiel Maschinenskizzen oder Dashboards zur Betriebsanzeige. Dabei können die Daten auf verschiedene Weise kodiert werden, wie beispielhaft in Bild 1.42 gezeigt. Als Kodierung kann auch die Blasengröße verwendet werden. Im konkreten Fall sind Blasendiagramme gut zur Darstellung der Phasenlage an den Messpunkten geeignet. Praktische An‐ wendungen findet man in Bild 5.33ff. 1.6.3 Phasenmessung Phasenmessungen sind in Frequenzanalysatoren zwischen‐ zeitlich Stand der Technik. Ein Aufbau zur Messung der absoluten Phase mit einem Keyphasor ist in Bild 2.7 zu sehen. Als Phasengeber dient hier eine reflektierende Marke an der drehenden Welle. Bei schnell laufenden Turbomaschinen werden oft Wirbelstromaufnehmer als Keyphasor eingesetzt, die eine Nut oder Erhebung an der rotierenden Welle erfassen. Eine Messung der Phasenlage zweier Schwingungen relativ zueinander kann auch über Kreuzkorrelation erfolgen. Mobile Zweikanal-FFT-Analysatoren sind mit den entsprechenden Routinen ausgestattet. 1.7 Eigenfrequenz, Resonanz und kritische Drehzahlen Jede elastische Struktur zeigt unter Schwingungseinwirkung ein strukturtypisches Resonanz‐ verhalten, durch welches überhöhte, vielfach gefährliche Schwingungen entstehen können. Die entsprechenden Struktureigenschaften werden dementsprechend mit dem Präfix Eigenbezeichnet (Eigenmode, Eigenfrequenz). Trifft eine Anregung genau solche Parameter, spricht man von Resonanz. 154 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="155"?> 18 Zur Vereinfachung wird hier nur das einfache Modell eines Schwingers mit einem Freiheitsgrad betrachtet. Die Realität ist etwas komplexer. Das ist Thema von Abschnitt 9. 1.7.1 Resonanz Treten durch Zusammentreffen von Anregung und Struktureigenschaften überhöhte Schwingungen auf, spricht man von Resonanz. Genauer gesagt, bei Resonanz tritt für eine bestimmte Frequenz ein Maximum der Anregung auf. Anmerkung: Diese Definition tritt so allerdings nur bei schwach gedämpften Strukturen auf, was hier bei den Untersuchungen aus praxisnahen Gründen vorausgesetzt werden kann. 1.7.1.1 Prinzip Jede elastische Struktur reagiert auf eine Schlagerregung mit Schwingungen einer strukturtypi‐ schen Frequenz, der Eigenfrequenz 18 . Bei der Erregung der Struktur durch eine harmonische Wechselkraft mit dieser Frequenz zeigt sich die Struktur besonders schwingungsfreudig, sie kann sogar in Resonanz kommen. Resonanzfrequenz und Eigenfrequenz sind also im Prinzip identisch. Das Phänomen der Resonanz ist bekannt (um nicht zu sagen - ein Kinderspiel). Die Darstel‐ lungen von Bild 1.43 bis Bild 1.45 können als Erläuterung dafür dienen. Zu beachten sind die Phasenbeziehungen in diesen Bildern: Für sehr tiefe Frequenzen sind Anregung und Schwingung gleichphasig, für sehr hohe Frequenzen gegenphasig. Diese in den Bildern durch Pfeile angedeuteten Relationen sind praktisch leicht nachvollziehbar. Bild 1.43: Resonanz eines Pendels 155 1.7 Eigenfrequenz, Resonanz und kritische Drehzahlen <?page no="156"?> Bild 1.44: Resonanz - ein Kinderspiel Ein Hinweis noch zu Bild 1.45: Für hinreichend hohe Frequenzen bleibt die Masse m praktisch ruhig im Raum stehen. Beim Prinzip des seismischen Schwingungsaufnehmers wird darauf noch zurückgegriffen. Bild 1.45: Resonanz eines Vertikalschwingers In Bild 1.46 ist das Verhältnis von Schwingweg zu Erregerkraft in Abhängigkeit von der Frequenz für den linearen Schwinger dargestellt. In das Bild einbezogen ist noch eine Dämpfung, die in obigen Beispielen dieses Abschnitts nicht berücksichtigt wurde (vgl. Abschnitt 1.1.1). Die Resonanzüberhöhung steigt mit abnehmender Dämpfung. Der zuvor erwähnte Effekt der ruhenden Masse bei hohen Frequenzen kann auch in diesem Diagramm abgelesen werden. 156 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="157"?> 19 Das ist allerdings keine Frage einer Zustandsüberwachung. Bild 1.46: Resonanzverhalten eines linearen Schwingers 1.7.1.2 Physikalischer Hintergrund Es ist bekannt, dass Resonanzanregungen im normalen dauerhaften Maschinenbetrieb zu vermei‐ den sind. Im unvermeidlichen Fall sollten Resonanzen möglichst schnell durchfahren werden. Ist dies nicht möglich, müssen konstruktive Maßnahmen getroffen werden 19 . Wie lässt sich das Phänomen rein physikalisch interpretieren? Dem System wird durch Anregung über eine harmonische Wechselkraft ständig Energie zugeführt. Im Einschwingvorgang (Bild 1.11) wird das System quasi energetisch aufgepumpt. Im Resonanzfall kommt es zu einem Pendeln zwischen kinetischer Energie (Bewegungsenergie) und potenzieller Energie (elastischer Energie) in der Struktur, siehe Bild 1.47. Von Seiten der Anregung wird im eingeschwungenen Zustand dem System genau die Energiemenge zugeführt, die durch die Dämpfung dissipiert wird. Besonders bei schwach gedämpften Systemen ist jetzt die Gesamtenergie im System wesentlich größer als der Energieverlust je Periode. Die pendelnde Energie - ihr zeitliches Mittel wird als Blindleistung bezeichnet - kann recht groß werden und zu Überlastung oder Zerstörung des Systems führen. Die zubzw. abgeführte Energie, die also Leistung nach außen abführt, ist die Wirkleistung der Schwingung. Anmerkung 1: In Bild 1.47 wird beim Feder-Masse-Schwinger (großes Bild) die Schwerkraft nicht berücksichtigt, beim Pendel (kleines Bild) natürlich schon. Das entspricht in beiden Fällen der praktischen Realität, es erklären sich daraus die unterschiedlichen Ausdrücke für die potenzielle Energie. Die beiden Modelle dienen an dieser Stelle lediglich zur Unterstüt‐ zung der physikalischen Vorstellung, sind jedoch für die weiteren Ausführungen in diesem Buch ohne Bedeutung. Anmerkung 2: Aus Bild 1.44 kann man das Prinzip der Resonanz nachvollziehen: Ein statisches Anheben der Kombination von Körpergewicht und Schaukelgewicht durch den Aktivisten wäre nicht möglich. 157 1.7 Eigenfrequenz, Resonanz und kritische Drehzahlen <?page no="158"?> 20 Mechanismen, bei denen Resonanz einen funktionalen Charakter aufweist (Quarzuhren, Oszillatoren, Schwing‐ förderer) bleiben hier außer Betracht. 1.7.1.3 Zusammenfassung Resonanz ist im Bereich Schwingungen ein bekanntes und zum Teil unangenehmes bis gefähr‐ liches Phänomen 20 . Im Resonanzfall können schon durch geringe Anregungsenergien starke Schwingungen erzeugt werden, die unter ungünstigen Umständen zu Schädigungen oder gar Zerstörung des Systems führen. Erklärt wurde das Phänomen am Beispiel einfacher Schwinger mit nur einem Freiheitsgrad und vorwiegend ungedämpft (die Dämpfung wurde eigentlich nur implizit eingeführt, Bild 1.46.). Der zugrunde gelegte Schwinger mit einem Freiheitsgrad ist nur eine mathematische Idealisierung. In der Realität werden Schwinger mit mehreren Freiheitsgraden und entsprechend mehrere Resonanzstellen auftreten. Die Resonanzphänomene sind jedoch für jede Resonanzfrequenz die gleichen. Die Erklärungen und Interpretationen dieses Abschnitts können unverändert übertragen werden. Bild 1.47: Energieverhältnisse im linearen Schwinger 1.8 Erregerkraft und Systemantwort In diesem Abschnitt wird die Systematik der Schwingungsanregung beschrieben, wieder nur am einfachen linearen Schwinger wie zuvor nach Bild 1.10. Dabei wird lediglich der stationäre Zustand betrachtet, siehe Bild 1.11. Etwas mathematischer Hintergrund ist erforderlich. 158 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="159"?> (1.32) (1.33) Parameteränderung 2 4 6 8 9 20 Frequenzänderung 1,4 2 2,5 2,8 3 4,5 Tabelle 1.13: Änderung der Eigenfrequenz durch Parameterveränderung (Faktoren) 1.8.1 Parameter des Schwingers Der lineare, ungedämpfte Schwinger, wie er den Betrachtungen zugrunde gelegt wird, ist aus zwei Elementen aufgebaut: ● masselose Feder k ● starre Masse m Das Systemverhalten, insbesondere die Eigenfrequenz f E des Systems ist durch diese Komponen‐ ten bestimmt nach der Gleichung ω E = 2πf E = k/ m f E = 1 2π k/ m Übungsanleitung: Formeln dieser Art lassen sich durch eine Dimensionsanalyse weitgehend auf Fehler überprüfen. Für Gl. 1.29 zum Beispiel (unter Zuhilfenahme von Tabelle 1.5 und Tabelle 1.6) [k] = N / m = mkgs −2 m −1 = kgs −2 [m] = kg k/ m = s −1 Dimensionsanalysen sind als Kontrolle immer zu empfehlen. 1.8.2 Parametersensitivität Schon rein aus Erfahrung weiß man, dass schwere und weiche Schwinger mit niedriger Eigen‐ frequenz schwingen. Aus Gl. 1.29 lassen sich folgende Tendenzen ablesen: ● Die Eigenfrequenz sinkt mit steigendem m. ● Die Eigenfrequenz steigt mit steigendem k. Das heißt, die Veränderung der Eigenfrequenz durch Versteifung oder Masseerhöhung wird vielleicht nicht immer den gefühlsmäßig erwarteten Erfolg bringen, da zum Beispiel eine Verdopplung des Parameters nur eine Frequenzänderung von ca. 40 % ergibt. Die entsprechenden Faktoren sind in Tabelle 1.13 beispielhaft zusammengefasst. Man sollte sich außerdem bewusst sein, dass eine Änderung eines der Parameter nicht unbedingt die erwartete Änderung im Schwingungsverhalten bewirken muss, siehe dazu Bild 1.48: Durch Versteifung, also Erhöhung der Steifigkeit k, wird die Eigenfrequenz erhöht (schwarz auf rot in 159 1.8 Erregerkraft und Systemantwort <?page no="160"?> 21 Regt man eine Glocke durch einen Schlag (also breitbandig) an, klingt sie - sie schwingt als Antwort nur in ihren (charakteristischen) Eigenfrequenzen. Bild 1.48). Für eine Erregerfrequenz f 1 ergibt sich dadurch eine Schwingungsminderung, für die Frequenz f 2 erhöht sich die Schwingung durch die gleiche Maßnahme! Bild 1.48: Resonanzverschiebung durch Versteifung 1.8.3 Eigenfrequenz und Resonanz Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der die Amplitude eines schwingungsfähigen Systems größer ist als bei Anregung durch benachbarte Frequenzen beiderseits der Resonanz. Alternativ wird unter Resonanzfrequenz auch die Frequenz verstanden, bei der der Ausgang einen Phasen‐ winkel von 90° zur Anregung hat (Phasenresonanz). Das ist bei der ungedämpften Eigenfrequenz der Fall. Bei schwach gedämpften Systemen sind die Unterschiede gering. Abhängig von der Zahl der Freiheitsgrade des Systems gibt es entsprechend viele Resonanzfrequenzen. Bild 1.49: Eigenformen einer schwingenden Saite Eine Eigenfrequenz ist eine Frequenz, mit der das System nach einmaliger Anregung in einer bestimmten Schwingungsform, genannt Eigenform oder Eigenmode, schwingen kann 21 . Es gibt, 160 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="161"?> 22 Die Lösung einer lineare Schwingungsgleichung sei hier der analytischen Fertigkeit des Lesers überlassen. (1.34) (1.35) (1.36) ebenfalls abhängig von der Zahl der Freiheitsgrade, mehrere Eigenfrequenzen mit entsprechend mehreren Eigenformen. Als Beispiel zeigt Bild 1.49 die Eigenformen für die beiden niedrigsten Eigenmoden einer schwingenden Saite. Resonanzfrequenz ist demnach ein Begriff von der messtechnischen Seite her gesehen, Eigen‐ frequenz von der Seite des schwingenden Systems. Bei schwach gedämpften Systemen, wie sie den Betrachtungen (auch in Folge) ausschließlich zugrunde liegen, wird man keinen Fehler machen, wenn man beide Begriffe synonym verwendet. Auf die mathematischen Unterschiede, schon wegen der erwähnten unterschiedlichen Definitio‐ nen von Resonanz, sei hier lediglich hingewiesen, sie müssen nicht näher erörtert werden. Im Allgemeinen wird Resonanz bei der Erregung des Systems mit der Eigenfrequenz eintreten. Resonanz kann jedoch in diesem Fall nur abgeschwächt auftreten oder überhaupt unterbleiben, wenn die Anregung in einem Knoten der Eigenform erfolgt (Bild 1.49). Dabei kann es sich um eine geschickte konstruktive Maßnahme handeln, was jedoch nicht Frage einer Zustandsüberwachung ist. Im Falle einer Schwingprüfung können allerdings durch Anregung oder Messung in einem Knoten fehlerhafte oder zumindest schlecht konditionierte Messergebnisse die Folge sein. Anmerkung: Als schlecht konditioniert (engl. ill-conditioned) bezeichnet man Ergebnisse mit großer Beeinflussung durch Störung der Eingangsdaten wie etwa Rauschen. 1.8.4 Beurteilung der Schwingstärke (Severity) Grundlage der Beurteilung der Schwingstärke hinsichtlich ihrer (schädlichen) Wirkung auf die Struktur ist die mechanische Leistung, die von der Schwingung in die Struktur eingebracht wird. Die Zusammenhänge können am Modell des gedämpften Einmassenschwingers leicht abgeleitet werden. Für die Erregung mit einer harmonischen Kraft F wird der Schwinger beschrieben durch die Differenzialgleichung mx¨ + dx˙ + kx = F = F 0 cos ωt Die Lösung 22 hat die Gestalt x = x cos ωt − φ Die physikalische Leistung P ist das innere Produkt von Kraft F und Geschwindigkeit v P = F v 161 1.8 Erregerkraft und Systemantwort <?page no="162"?> (1.37) (1.38) Die Schwinggeschwindigkeit v erhält man durch Ableiten von Gl. 1.35. Einsetzen in Gl. 1.36 ergibt einen Ausdruck der Form P = F x˙ = F 0 A ω 2 sin φ − sin 2ωt − φ = P W + P B Die Leistung P setzt sich zusammen aus einem zeitlich konstanten Anteil P W , der Wirkleistung, und einem mit doppelter Frequenz schwingenden Anteil P B , der Blindleistung. Die Wirkleistung ist das Maß für die dissipierte (in Wärme umgewandelte) Schwingungsenergie, die Blindleistung wurde bereits früher interpretiert (Abschnitt 1.7.1.2). Durch gegenseitiges Einsetzen von Wechselkraft F, Auslenkung x und Geschwindigkeit v ergibt sich die Proportionalität zwischen Leistung und dem Quadrat jeder der Messgrößen P ∝ x 2 , v 2 , F 2 Der Begriff Leistungsspektrum ist für das Spektrum der quadratischen Mittelwerte bzw. der dazu äquivalenten Effektivwerte damit hinreichend beschrieben. Das Leistungsspektrum ist demnach die beste und physikalisch korrekte Beurteilungsgrundlage für den Schweregrad (Severity) einer Schwingung. Anmerkung 1: Ausgehend von der Erregung in der Ruhelage muss zunächst auch die Blindleistung in das System eingespeist werden (Einschwingvorgang), sie kann sich dann jedoch ebenfalls durchaus schädlich auswirken (Resonanzfall). Anmerkung 2: Physikalische Größen mit der Eigenschaft, dass ihr Quadrat proportional zu einer Leistungsgröße ist, werden in der Physik als Leistungswurzelgrößen oder Feldgrößen bezeichnet. Beispiele sind Kraft und Geschwindigkeit, elektrische Spannung und Strom, elek‐ trische und magnetische Feldstärke. In der Kontinuumsphysik beschreiben sie (paarweise) physikalische Felder wie Schallfeld, elektromagnetisches Feld etc. 1.9 Mechanismen der Schwingungserregung In den bisherigen Ausführungen war man immer vom Paradigma des krafterregten Einmassen‐ schwingers ausgegangen, bei dem die Erregung durch eine an der Masse angreifende, äußere Kraft F(t) erfolgt. Dieser vielleicht eher etwas akademische Ansatz eignet sich gut für Modellbe‐ rechnungen und physikalische Interpretationen von Schwingungsgrundlagen. In der Anwendung treten verschiedene Anregungsmechanismen auf, die infolge zeitlich verän‐ derlicher Kräfte, Momente oder Bewegungen periodisch, transient oder stochastisch auf das System wirken. Man unterscheidet unter vier Grundmechanismen nach Bild 1.50 bzw. Tabelle 1.14. 162 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="163"?> Anregung Einsatzbereich Anwendung Krafterregung allgemeine Übertragungsfunktion allgemeine Mechanik Unwuchterregung elastisch gelagerte Rotoren Rotordynamik Fußpunkterregung Schwingungseinleitung aus der Umgebung Schwingungsisolierung Transmissibilität übertragene Leistung (Kraft) Tabelle 1.14: Schwingungsanregung (1.39) Bild 1.50: Erregungsmechanismen für Schwingungen Die Krafterregung ist das Standardmodell für allgemeine Schwingungsübertragung und ist gut ge‐ eignet zur Ableitung grundsätzlicher Zusammenhänge. Praktische Beispiele für Krafterregungen sind Gaskräfte oder elektromagnetische Kräfte. Die Unwuchterregung ist die im Maschinenbe‐ trieb häufigste Form der periodischen Anregung und ist Basis des wichtigen Fachgebiets der Rotordynamik, dem ein eigener Abschnitt gewidmet ist. Die Fußpunkterregung ist maßgebend bei der Einleitung von Störschwingungen aus der Umgebung bzw. für die Abstrahlung in die Umgebung. Die Transmissibilität ist frequenzabhängig und quantifiziert, welcher Anteil der Maschinenschwingungen auf die Grundplatte trotz Isolation noch übertragen wird. Im Folgenden werden die Bewegungsgleichungen mit den wichtigsten Ergebnissen zusammen‐ gefasst. 1.9.1 Schwinger mit Krafterregung Bei Krafterregung wirkt die Erregerkraft auf die Masse in Bewegungsrichtung. Die Bewegungs‐ gleichung des Einmassenschwingers hat die Form mx¨ + dx˙ + kx = F t = F 0 e jωt 163 1.9 Mechanismen der Schwingungserregung <?page no="164"?> (1.40) (1.41) (1.42) Die Lösung nach einem Exponentialansatz liefert für die (komplexe) Amplitude das Ergebnis x = xe jωt = F0 k − mω2 + jdω e jωt Der Betrag der Amplitude, das Bodediagramm, ist in Bild 1.51 über der bezogenen Frequenz η = ω/ ω 0 dargestellt. Man erkennt das Resonanzverhalten wie schon zuvor beschrieben. Mit wachsender Erregerfrequenz geht die Auslenkung oberhalb der Eigenfrequenz gegen null. Bild 1.51: Bodediagramme der Schwinger nach Bild 1.50 1.9.2 Schwinger mit Unwuchterregung Dieser in der Zustandsüberwachung vielleicht wichtigste Fall tritt bei elastisch gelagerten Rotoren auf. Die Erregerkraft steigt jetzt proportional mit dem Quadrat der Drehfrequenz ω. Die Bewegungsgleichung mit Lösung hat folgendes Aussehen: mx¨ + dx˙ + kx = m u r u ω 2 e jωt Die Lösung erhält man wieder mit dem bekannten Exponentialansatz: x(t) = xe jωt = m u r u ω2 k − mω2 + jωd e jωt Das Bodediagramm ist ebenfalls in Bild 1.51 zu sehen. Man erkennt, dass der Betrag für hohe Frequenzen (oberhalb der Resonanz) gegen einen konstanten Wert ungleich null strebt. Dieses Verhalten entspricht der bekannten Tendenz eines Rotors, sich bei hohen Drehzahlen um die eigene Schwerachse als Drehachse zu drehen. 164 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="165"?> (1.43) (1.44) (1.45) 1.9.3 Schwinger mit Fußpunkterregung Bei Fußpunkterregung wird eine Bewegung z(t) am Fußpunkt des Schwingers eingeleitet, wie in Bild 1.50 gezeigt. Für eine harmonische Fußpunktschwingung z(t) = ze jωt erhält man die Bewegungsgleichung mx¨ + dx˙ + kx = dz˙ + kz = jdω + k e jωt Auch in diesem Fall führt der Exponentialansatz für die Lösung x(t) zum Ziel. Interessant ist hier vor allem das Verhältnis der Spitzenwerte von eingeleiteter und erzwungener Schwingung wie folgt: xz = α 4 = k + jdω k − mω2 + jdω Die Größe α 4 wird als Durchlässigkeit bezeichnet. Das Bodediagramm ist ebenfalls in Bild 1.51 zu sehen. Man erkennt, dass oberhalb der Resonanz, und zwar genau für ω/ ω 0 > 2 die Amplitude der erzwungenen Schwingung kleiner ist als jene der Erregung. Diese Eigenschaft ist für eine Schwingungsisolation maßgebend. 1.9.4 Transmissibilität Die Transmissibilität ist beim krafterregten Schwinger das Verhältnis von Erregerkraft F(t) zu der ins Fundament eingeleiteten Kraft F TR (t), siehe Bild 1.50. Aus Gl. 1.42 lässt sich die Kraft F TR errechnen: F T R F 0 = kx + dx˙ = k + jdω k − mω 2 + jdω Man erkennt, die Transmissibilität ist gleich der Durchlässigkeit α 4 nach Gl. 1.44. 1.10 Übertragungsfunktion 1.10.1 Definitionen Der Charakterisierung der Mechanismen der Schwingungserregung wurde schon im vorigen Abschnitt 1.9 die Übertragungsfunktion zugrunde gelegt. Ganz allgemein beschreibt in der Systemtheorie die Übertragungsfunktion oder Systemfunktion die Relation zwischen Ein‐ gangs- und Ausgangssignal eines linearen dynamischen Systems, im gegebenen Kontext ein mechanischer Schwinger. Dynamisch heißt, dass die Abhängigkeit mit zeitabhängigen Größen beschrieben wird. Linear bedeutet, dass als Basis der Zusammenhang als Funktion der Frequenz, also für harmonischen Größen definiert wird. Den Zusammenhang für allgemeine Größen erhält man daraus durch Superposition (siehe dazu Bild 1.13). Eingangssignal ist in allen Fällen die Erregerkraft F(t). Als Ausgangsgröße kommen, wie schon früher erläutert, Schwingweg s(t), Schwinggeschwindigkeit v(t) oder Schwingbeschleunigung a(t) in Betracht. Aus rein physikalischer Sicht sind alle Varian‐ 165 1.10 Übertragungsfunktion <?page no="166"?> Schwingungsgröße x Übertragungsfunktion x/ F F/ x Schwingweg s Flexibilität (dynamische Nachgiebigkeit, Rezeptanz) dynamische Steifigkeit Schwinggeschwindigkeit v Mobilität (Beweglichkeit, Admittanz) mechanische Impedanz (Mitgang) Schwingbeschleunigung a Inertanz (dynamische Trägheit, Akzeleranz) (dynamische Masse) Tabelle 1.15: Übertragungsfunktionen (1.46) Schwingungsgröße Übertragungsfunktion Gedämpfte Resonanzfrequenz Schwingweg s H s = 1 k 1 1 − ω ω0 2 + j2ϑ ω ω0 ω d = ω 0 1 − 2ϑ 2 Schwinggeschwindigkeit v H v = 1 k jω 1 − ω ω0 2 + j2ϑ ω ω0 ω d = ω 0 Beschleunigung a H a = 1 k jω 2 1 − ω ω0 2 + j2ϑ ω ω0 ω d = ω0 1 − 2ϑ 2 ω 0 = k m ϑ = d 2 mk η = ω ω0 Tabelle 1.16: Übertragungsfunktionen bei Kraftanregung ten gleichwertig, aus messtechnischer Sicht ist, wie man im Lauf der weiteren Ausführungen noch erkennen wird, diese Gleichwertigkeit durchaus nicht gegeben. Eine Zusammenstellung mit den gängigen Bezeichnungen bringt Tabelle 1.15. 1.10.2 Messung der Übertragungsfunktion Beim Messen der Übertragungsfunktion eines Systems wird die Struktur über einen Schwinger‐ reger zu Schwingungen erregt und die Antwort der Schwingung gemessen. Eine gängige Methode ist die Erregung durch einen Gleitsinus (Sweep), also eine Kraft mit sinusförmigem Verlauf, wobei sich die Frequenz langsam verändert. Der Quotient aus Schwingungsgröße und Erregerkraft wird Übertragungsfunktion H(f) genannt. Für den linearen, gedämpften Schwinger mit einem Freiheitsgrad lässt sich die Übertragungs‐ funktion aus der Lösung der Differenzialgleichung (in komplexer Notation) mx¨ + dx˙ + kx = F 0 e jωt berechnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1.16 zusammengestellt. 166 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="167"?> Aus den Gleichungen können zunächst folgende allgemeine (aber dennoch wichtige) Aussagen abgelesen werden: ● Die Übertragungsfunktion ist eine Funktion der Frequenz f (oder der Kreisfrequenz ω). ● Die Eigenfrequenz ω d eines gedämpften Systems weicht von der des ungedämpften ω e ab. Grafisch werden diese Funktionen je nach Anwendung unterschiedlich repräsentiert. Diese Thematik wird an passender Stelle behandelt, zum Beispiel in den Abschnitten 2.10.3.5 oder 5.4.2 (Bild 5.12). 1.11 Schwebungen Bei harmonischen Schwingungen mit nur wenig unterschiedlichen oder identischen Frequenzen kommt es zu Interferenzen. Das kann im Fall von Phasengleichheit zu gefährlichen Überhöhun‐ gen, bei Gegenphasigkeit zur Amplitudenminderung bis hin zur Auslöschung führen. Bei geringen Frequenzunterschieden entsteht eine Schwebung wie in Bild 1.52 gezeigt. Der optische Eindruck ist ähnlich dem einer Modulation. Besonders ausgeprägt ist der Effekt bei ähnlich großen oder gleichen Amplituden (Auslöschung überhaupt nur im zweiten Fall der Identität). Bild 1.52: Schwebung Die Amplitude der Schwebung ändert sich periodisch mit der sogenannten Schwebungsfrequenz, der Differenz der beiden Einzelfrequenzen. Die Amplitude schwankt zwischen Summe und Diffe‐ renz der Einzelamplituden. Für eine messtechnische Erfassung sind ausreichend lange Messzeiten erforderlich. Bei einfachen Messgeräten muss bei langsamen, starken Amplitudenänderungen auch in dieser Richtung gedacht werden. Akustisch werden Schwebungen als Schwankung der Lautstärke und manchmal recht störend empfunden, vor allem in leiser Umgebung. 167 1.11 Schwebungen <?page no="168"?> 1.12 Parametererregte Schwingungen Eine parametererregte Schwingung entsteht durch zeitliche Änderungen von Parametern eines schwingungsfähigen Systems, zum Beispiel durch veränderliche Steifigkeit. Beispiele sind ● veränderliche Zahnsteifigkeiten in Getrieben, ● Drehwinkel- und zeitabhängige Schwingungen von Kolbenmaschinen, ● variable Bodensteifigkeiten bei bewegter Last (Eisenbahnschienen auf Schwellen). Wie die genannten Beispiele zeigen, können parametererregte Schwingungen als starke Schwin‐ gungen auch im fehlerfreiem Systemzustand auftreten. Zur Beurteilung hinsichtlich Fehler sind dann rein energetische Kriterien, wie sie in Abschnitt 1.8.4 beschrieben wurden, nicht geeignet oder nicht ausreichend, was eine besondere Herausforderung in Überwachung und Diagnose bedeuten kann. Anmerkung: Bei den in Bild 1.44 gezeigten Beispielen zur Resonanz handelt es sich genau genommen um parametererregte Schwingungen. Das Thema Schwingungsbeeinflussung durch Parametererregung wird bei den Gegenmaßnahmen in Abschnitt 6.6.5.1 noch behandelt, eine bekannte Anwendung findet man beim orthotropen Rotor (Abschnitt 13.1.8.2 - Stabilitätsverhalten). 1.13 Nichtlineare Systeme, Instabilitäten Obwohl sich, wie schon eingangs im Zusammenhang mit der Frequenzanalyse erwähnt, die Schwingungsdiagnose im Kontext einer Zustandsüberwachung vorwiegend mit linearen Struk‐ turen oder zumindest mit linearisierten Näherungen befasst - das Ausmaß des Fehlers sollte ja noch klein sein -, treten in verschiedenen Maschinenelementen auch Nichtlinearitäten auf, die nicht immer außer Acht gelassen werden können. Zwar wird hier die übliche Frequenzanalyse an ihre Grenzen stoßen, Analysen sind jedoch über andere Ansätze möglich. In diesem Zusammenhang bringt Tabelle 1.17 eine Übersicht, einige spezielle Probleme werden nach Bedarf an entsprechender Stelle behandelt. 1.13.1 Phänomene In den bisherigen Ausführungen war immer von erzwungenen Schwingungen linearer Schwinger die Rede, d. h. eine harmonische Kraft erzeugt eine harmonische Schwingung gleicher Frequenz. Dieser Modellansatz wird auch den Großteil des Tagesgeschäfts in der Schwingungszustands‐ überwachung abdecken. In der Praxis treten jedoch häufig andere Phänomene auf, die auf keine explizite Erregerkraft zurückzuführen sind. Das führt bisweilen zu beträchtlichen Schwierigkeiten bei Interpretation, Beurteilung und Maßnahmen. Die wichtigsten sind, kurz zusammengefasst: ● Auftreten von Harmonischen der Erregerfrequenz zufolge Nichtlinearität ● Auftreten von Subharmonischen ● Instabilitäten 168 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="169"?> Mechanismus Nichtlineare Feder kontinuierlich vorgespannt gestuft Nichtlineare Dämpfung viskos Pendel Lose (Spiel) Linearschwinger Drehschwinger Federvorspannung Selbsterregung Grenzzykel Tabelle 1.17: Einige nichtlineare Systeme mit Diagnoserelevanz Beispiel: Massenunwucht hat im linearen System eine Schwingung mit der Drehfrequenz zur Folge. Bei sehr großer Unwucht und hohen Drehzahlen können zusätzlich die zweifache Harmonische infolge Nichtlinearität wie auch weitere Harmonische infolge von Zwängen auftreten. 1.13.2 Subharmonische Subharmonische sind Komponenten mit exakt ½ oder ⅓ der Erregerfrequenz. Sie sind ein ausgeprägtes Kennzeichen nichtlinearer Systeme. Parallel dazu treten gelegentlich auch Interhar‐ monische auf mit 1,5facher, 2,5facher usw. Frequenz auf. Anmerkung: Ein Beispiel für eine funktionell auftretende Subharmonische ist die Zündfre‐ quenz eines Viertaktmotors, die mit halber Drehfrequenz auftritt. 1.13.3 Selbsterregte Schwingungen (Instabilität) Eine selbsterregte Schwingung tritt auf, wenn die einer Schwingung zugeführte Energie einer kontinuierlichen Quelle entnommen wird, ein entsprechender Anregungsmechanismus also nicht unmittelbar identifizierbar ist. Solche Schwingungen sind in der Diagnose daher nur schwer zu diagnostizieren. Selbsterregung kann außerdem zu gefährlichen Zuständen führen, da sie meistens ein eigenfrequentes Phänomen ist. 1.13.3.1 Mechanismen In manchen Fällen tritt in einem physikalischen System (mechanisch oder elektrisch) Instabilität auf, was sich rechnerisch als Effekt negativer Dämpfung modellieren lässt. Ein bekanntes Beispiel dafür ist Ruckgleiten beim Bremsenquietschen (die Haftreibung ist größer als die Gleitreibung). Die Folge können Stick-Slip-Schwingungen sein. Eine Reihe allgemein bekannter Beispiele für selbsterregte Schwingungen ist in Tabelle 1.18 zusammengestellt. Selbsterregte Schwingungen 169 1.13 Nichtlineare Systeme, Instabilitäten <?page no="170"?> Selbsterregung Unerwünscht Erwünscht Quietschen (trockene Reibung) Oszillator Reibungsschwingungen (Stick-Slip) elektrische Klingel Kupplungsrupfen, Bremsenquietschen Streich- und Blasinstrumente Rattern bei Werkzeugmaschinen Mechanische Uhr (Unruhe) Tragflügelflattern Pendeluhr Propellerbrummen (bei Schiffantrieben) Hydraulischer Kippschwinger (Widder) Propellersingen (bei Schiffsantrieben) Strömungserregte Schwingungen (äolische Harfe) Seiltanzen bei Winderregung Instabilität von Rotoren Öl-Whirl (Gleitlager) Öl-Whip oder Wellenklettern (Gleitlager) Karman-Wirbelablösung (Wirbelstraße) Akustische Rückkopplung Schwingungen elektrischer Überlandleitungen Tabelle 1.18: Beispiele für Selbsterregung sind nicht immer ein unerwünschtes Phänomen, sie können durchaus auch funktionelle Bedeu‐ tung haben (Spalte Erwünscht). Besonders wichtig ist die Frage der Stabilität in diesem Sinne in der Rotordynamik. Dieses Thema wird noch in Abschnitt 13 ausführlich behandelt und vermittelt weiteres Verständnis für Instabilität und Selbsterregung. Einen entsprechenden zusammenfassenden Überblick findet man dort im Unterabschnitt 13.2.4. Geht man vom Gedankenmodell eines linearen gedämpften Schwingers aus, so treten im selbsterregten System Zusatzterme auf, die als negative Dämpfung oder negative Federsteifigkeit modelliert werden können. Überwiegt der negative Zusatzterm der eigentlichen Dämpfung, kommt es zu angefachten Schwingungen, wie in Bild 1.53 gezeigt. Das dargestellte Modell gilt allerdings nur im linearen Bereich, also für geringe Auslenkungen. Die Amplitude wird bei Selbsterregung stets rasch ansteigen, das System den linearen Bereich verlassen und schließlich in einem endlichen Grenzzyklus münden, der dann prinzipiell im nichtlinearen Bereich liegt. (Eine lineare Schwingung mit negativer Dämpfung müsste theoretisch unbegrenzt anwachsen.) Der Verlauf wird dann eher die Charakteristik von Bild 1.11 aufweisen. Im Gegensatz zu erzwungenen Schwingungen wird die Schwingungsenergie bei Selbsterre‐ gung einer kontinuierlichen Quelle entnommen, eine Erregerkraft entsprechender Frequenz tritt im System nicht auf. Der letztgenannte Effekt erschwert in der Praxis Diagnose und Suche nach der Grundursache. Einen Vergleich von Energiefluss und Taktung bei erzwungenen und selbsterregten Schwin- 170 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="171"?> Bild 1.53: Angefachte Schwingung gungen zeigt Bild 1.54. Aus diesem einfachen Schema geht das Fehlen einer Quelle bei selbster‐ regten Schwingungen intuitiv hervor. Bild 1.54: Energiefluss und Taktung bei erzwungener und selbsterregter Schwingung Eine Auswahl von Anregungsmechanismen ist in Tabelle 1.19 zusammengefasst. Anmerkung: Grundsätzlich lassen sich auch Schaltermechanismen wie bei Klingel und Pendeluhr in dieses Schema einordnen. Beispiel: Ein bekanntes und berühmtes Beispiel ist die Takoma Bridge, eine Hängebrücke, die im November 1940, sieben Monate nach Eröffnung, einstürzte. Grund waren selbsterregte Schwingungen durch Karman-Wirbel. 1.13.4 Vergleich von Selbsterregung und Resonanz Bekannt ist, dass Instabilitäten zu starken selbsterregten Schwingungen mit der Eigenfrequenz eines Systems führen können. Im Gegensatz zur Resonanzanregung wird man hier jedoch ver‐ geblich nach einer entsprechend periodischen Erregerkraft suchen. Das kann bei der Interpreta‐ tion solcher Schwingungen zu Problemen, Fehlinterpretationen oder Fehlern führen. Aus diesem Grunde werden solche Phänomene hier in ihrer Funktionalität nur skizziert. Bei Resonanzanregung ist im System eine anregende periodische Kraft mit der Resonanzfre‐ quenz vorhanden. Die Quelle kann meist identifiziert werden - eine Frage der Zustandsüberwa‐ chung. Die Energiezufuhr erfolgt über diese periodische Kraft (vgl. Bild 1.47). Bei selbsterregten Schwingungen erfolgt die Energiezufuhr gleichmäßig, die Energie wird einem kontinuierlichen Energiestrom entnommen (Strömung, Motorantrieb). Man wird demnach vergeblich nach einer Quelle entsprechender Anregungsfrequenzen im System suchen. 171 1.13 Nichtlineare Systeme, Instabilitäten <?page no="172"?> Parameter Charakteristik Beispiele Reibung Reibungskraft sinkt mit steigender Geschwindigkeit Haftreibung > Gleitreibung Stick-Slip Rattern Strömung Auftriebs- oder Vortriebsbeiwert abhängig von der Anströmrichtung Wechselwirkung Strömung - Schwingungsmoden Seiltanzen Propellerbrummen (→ Maschinenschwingung) Tragflügelflattern Wirbelablösung (Karmanwirbel) Wechselwirkung Strömung - Körperschallmoden Propellersingen (→ Körperschall) Bernoulli-Effekt Druck sinkt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit Öl-Whirl Öl-Whip Wellenklettern Lagerinstabilität Rückkopplung Rückführung des Ausgangssignals Oszillator Rotorinstabilität Verursacht durch innere Reibung Elektrische Maschinen Tabelle 1.19: Anfachungsmechanismen für selbsterregte Schwingungen Typische Merkmale selbsterregter Schwingungen sind ● starke Schwingungen mit der Eigenfrequenz (gleich Resonanzanregung), ● abruptes Auftreten mit großen Amplituden (im Gegensatz zu Resonanzanregung), ● geringe oder fehlende Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen wie Drehzahländerung (im Gegensatz zu Resonanzanregung). 1.14 Mechanismen der Schwingungsentstehung Tabelle 1.20 bringt eine Zusammenfassung der wichtigsten physikalischen Mechanismen, auf der die Entstehung von Schwingungen basiert, die für die Beurteilung von Maschinenzuständen von Bedeutung sind. Diese Zusammenstellung ist besonders wichtig bei der Suche nach Grundursachen (Root Cause Analysis), wie sie ja letztendlich für eine präventive Instandhaltung wesentlich ist. Die Zusammenstellung ist hier rein auf die Schwingungsphänomene gerichtet (Bottom-Up). In Abschnitt 12 werden im Anschluss an den Part über Fehlererkennung und Diagnose bekannte Phänomene, auf die man bei den Untersuchungen stößt, auf die hier ausgeführten Grundlagen zurückgeführt (Top-down). Dieses Wechselspiel soll die Erfahrung zur Schwingungsanalyse mehren. Abschließend sei noch eine Bemerkung zum Begriff des Chaos in Zusammenhang mit chaotischen Schwingungen ergänzt: Chaotische Schwingungen oder ganz allgemein chaotische Prozesse sind deterministische Prozesse, die jedoch trotz Determinismus nur beschränkt oder nicht prognostizierbar sind. Zwei Ursachen können in diesem Zusammenhang aufgeführt werden: ● Grundursachen sind teilweise nicht bekannt ● Unschärfe tritt auch in der klassischen Physik auf 172 1 Schwingungsgrundlagen - die Physik im Hintergrund <?page no="173"?> Phänomen Mechanismus Beispiele Ref. Freie Schwingungen, Eigenschwingungen 1 Einmaliger Anstoß Ausschwingen mit Eigenfrequenz Erzwungene Schwingungen 2 Rotorsynchron (Drehklang) Drehzahlharmonische Subharmonische Schaufelpassierfrequenzen Zahneingriffsfrequenzen 1.7.1.3 3 Drehzahlbezogene Körperschallanregung periodische, nichtharmonische Pulsfolge, Körperschallanregung Überrollfrequenzen bei Wälzlagern Riemenfrequenzen 0.7.1.4 5.12.2 Chaotische Körperschallanregung* 4 Stoßanregung durch lose Komponenten Getrieberasseln 0.7.6 5 Druckstöße im Abgasstrom Prasseln von Abgasanlagen oder Wasserkraftanlagen Externe Anregung 6 Äußere Kräfte Umgebung, Umwelt Windenergieanlagen 7.3.6 Parametererregte Schwingungen 7 Periodisch veränderliche Parameter Harmonische und Subharmonische der Parameterfrequenz Kolbenmotoren Zahnradgetriebe Kreuzgelenke Selbsterregte Schwingungen 8 Selbsterregte Schwingungen negative Steife magnetischer Zug elektrische Maschinen 5.9.7 9 negative Dämpfung trockene Reibung Rattern Stick-Slip-Schwingungen 1.13.3 10 Bernoullieffekt Öl-Whirl Whip (Wellenklettern) 5.12.1 * Als chaotisch oder Chaos werden Vorgänge bezeichnet, die zwar deterministisch, jedoch nicht exakt vorhersagbar sind. Der Begriff stammt aus der Meteorologie. Tabelle 1.20: Entstehung zustandsrelevanter Schwingungen Um zum Beispiel die Geschwindigkeit zu messen, muss das System eine bestimmte Zeit Δt beobachtet werden, in welcher es sich um den Betrag Δx bewegt. Das Ergebnis ist im Prinzip ein Mittelwert, jede darauf aufbauende Prognose hat den Charakter einer Wahrscheinlichkeit (die allerdings sehr groß, also praktisch eins sein kann). Das Chaos hingegen ist ein Endzustand maximaler Ausgeglichenheit, thermodynamisch formuliert, mit maximaler Entropie. Beide Begriffe zeigen keine gegenseitige Beziehung. 173 1.14 Mechanismen der Schwingungsentstehung <?page no="174"?> Abschnitt C Messung und Analyse ● Datenerfassung ● Signalverarbeitung ● Zustandsüberwachung <?page no="175"?> Aufgabe Ausführung Messgrößenauswahl Sensorik & Aufnehmer Zustandsgrößen (Zustandsparameter) Betriebsgrößen Sensorik Montage Messkette Signalbildung Digitalisierung Messbereich Filterung Triggerung Überwachungsstrategie mobil Tragbares Equipment fest installiert regelmäßig kontinuierlich (Echtzeit) Planung Versuchsplanung Messrouten Testprozeduren Routinemessungen Kalibrierung Plausibilität Datenqualität Auswertung Analyse Methodik Darstellung Darstellungsarten Archivierung Datenbanken Struktur Kennung Tabelle 2.1: Die Schritte zur Umsetzung der strategischen Konzepte 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis Kernstück jedes Instandhaltungsmanagements ist die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen. Dazu muss man sich zuallererst eine geeignete Strategie zurechtlegen, womit sich der einleitende Abschnitt schon sehr ausgiebig befasst hat. In diesem Abschnitt geht es um die systematische Umsetzung der Konzepte, den Einstieg in die Praxis: Man hat also eine Strategie festgelegt. Jetzt geht es um die Auswahl der Messgrößen und die Umsetzung in geeignete Signale. Einen Überblick zu diesem Sachkomplex, also über Inhalt und Struktur dieses Kapitels, zeigt zunächst einmal Tabelle 2.1. <?page no="176"?> An vorderster Stelle wird immer die Frage der Messgröße stehen: ● Welche Messgrößen sind zu erfassen? ● Wie sind sie zu erfassen - Schwingungsanteile? Gleichanteil? Oder beides? (im Fachjargon: AC-Anteil, DC-Anteil) ● Welche Messbereiche? ● Welche Messverfahren? Ganz vorne steht die Frage nach geeigneten Sensoren oder Aufnehmern entsprechend dieser genannten Kriterien. Dann wird entschieden, welche Messeinrichtung verwendet wird, wie zu messen ist und welche Ergebnisse erwartet werden. Waren anfangs die Vorgaben für Messanordnungen zur Zustandsüberwachung orientiert an Aufgabenstellung und einschlägigen Herstellerangeboten eher stringent strukturiert und weitge‐ hend vorgegeben, so steht diesen Anforderungen heute ein breites und zunehmend steigendes Angebot an Sensoren und Peripherie gegenüber. Die wachsende Breite ist nicht allein eine Folge des technischen Fortschritts, der Einsatz auf breitester Basis auf anderen Anwendungsgebieten, zum Beispiel Steuerung und Regelungen im Automobil, bringt ein steigendes und zugleich kostengünstiges Angebot von höchstem Qualitätsstandard mit sich. Dieser Breite soll in diesem Abschnitt Rechnung getragen werden, ohne dass die klare Gliederung dadurch verloren geht. Zurück zur Auswahl der Messgrößen. Aus den Anforderungen muss eine Strategie der Zustandsüberwachung entwickelt werden, die Strategie bestimmt dann die Auswahl der Mess‐ größen. Was ist dabei besonders zu beachten? Man hat schon erkannt, dass Zustandsüberwachung vor allem auf vergleichenden Konzepten aufgebaut ist. Alles muss über die Beobachtung und Auswertung langzeitlicher Tendenzen erfol‐ gen. Vergleichbar können Messergebnisse jedoch nur sein, wenn sie auch unter vergleichbaren Bedingungen gewonnen wurden, zum Beispiel unter identischen Betriebsbedingungen. Das erweitert den Umfang der zu erfassenden Messgrößen - was dann natürlich in die Systematik einfließt und vor allem in die Dokumentation mit einbezogen werden muss. Und außerdem sollte jedes Konzept skalierbar sein, das heißt, auf den jeweils aktuellen Stand der Technik erweiterbar sein. Auch dieser Gesichtspunkt ist in die Auswahl von Messgrößen und Parametern mit einzubeziehen. Der Schwerpunkt, das kann man vorab schon sagen, wird bei der Zustandsüberwachung nach wie vor auf den Schwingungen liegen. Zur Verarbeitung, Analyse und Beurteilung müssen neben den Schwingungen aber auch andere Messgrößen gezielt erfasst werden. Und man muss entscheiden, ob es sich um eine Datenerfassung in Zielrichtung Schutzsysteme oder in Richtung einer Zustandsdiagnose handelt. Im Allgemeinen wird man mit der Vorstellung eines Signals als direktes Abbild der Schwingung gut zurechtkommen. Dieser direkte Zusammenhang trifft jedoch nicht immer vollständig zu. Dazu ein paar markante Beispiele: ● Ein diskretisiertes Signal ist eine Folge von Zahlen, im Prinzip also eine Tabelle. Sie trägt allerdings die Informationen über die meisten Eigenschaften der Schwingung in sich. Damit ist eine grafische Darstellung des Verlaufs der Messgröße möglich - jedoch ● vor der Digitalisierung muss der Frequenzbereich eines Signals immer durch ein Tiefpass‐ filter (Antialiasingfilter) begrenzt werden. Bei zu niedriger Grenzfrequenz werden unter Umständen Signalteile (vor allem Spitzen) abgeschnitten, was bei der Beurteilung ggf. zu berücksichtigen - oder besser überhaupt zu vermeiden ist. 176 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="177"?> Komponente Funktion Task Aufnehmer Sensor Bildung eines elektrischen Signals Analoge Elektronik Vorverstärker (Anpasseinheit) Umsetzen des Signals in eine übertragbare Form (zum Beispiel Spannung, Strom) Verstärker Anpassung an Standardwerte Gewünschte Formate Filter Integratoren ADC Analog-Digital-Wandler Digitalisierung Analyseeinheit Filter Selektion bestimmter Eigenschaften Ermitteln der erforderlichen Informationen Signalverarbeitung im Zeitbereich Signalverarbeitung im Frequenzbereich Ausgabe Anzeige, Speicherung Ergebnis Tabelle 2.2: Allgemeine Komponenten einer Messkette (Bild 2.1) ● Messbereich und Amplitudenauflösung sind geeignet zu wählen, damit Übersteuerung und Untersteuerung (bis hin zum Bitrauschen) vermieden werden. ● Differentielle Analogeingänge sind für eine saubere Potenzialtrennung zu bevorzugen, um parasitäre Erdschleifen und Messwertverfälschungen zu vermeiden. ● Einige Aufnehmer liefern nur DC-Signalanteile, andere sind auf AC-Signalanteile be‐ schränkt. Zu bevorzugen sind Aufnehmer für beides (was auch bei der Projektierung zu berücksichtigen ist). ● Bei der Signalverarbeitung sind Vor- und Nachteile von diversen analogen und digitalen Filterarten sorgfältig abzuwägen und ihr teilweise konträres Zusammenwirken zu beachten. Eine Messeinrichtung zur Erfassung und Analyse von Schwingungen wird als sogenannte Messkette strukturiert, wie sie beispielhaft in Bild 2.1 skizziert ist. Die Messkette kann analog, digital oder kombiniert analog-digital konzipiert sein. Sie besteht im Wesentlichen aus den in Tabelle 2.2 zusammengestellten, typischen Komponenten. 177 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="178"?> Bild 2.1: Architektur moderner Condition Monitoring Systeme Dieses Kapitel befasst sich als Ausgangspunkt für ein Überwachungssystem zunächst einmal mit den wichtigsten Typen von Sensoren und Aufnehmern, ihrer Funktion und Handhabung (insbesondere Montage) und schließlich mit Messgeräten und Messanordnungen zur Schwin‐ gungsmessung im Zusammenhang mit einer Zustandsüberwachung - also Fragen der Instrumen‐ tierung. Weitere Punkte sind Datenformate (also aussagekräftige Darstellung), Datenqualität und Datenverwaltung. 2.1 Instrumentierung In eine Messkettenstruktur nach Bild 2.1 kann mit heutiger Technologie eine ganze Vielfalt von Applikationen integriert werden. Und so stellt sich auch die Struktur moderner Fernüberwa‐ chungsgeräte dar: Anstelle der früher üblichen eigenständigen Analysatoren mit angeschlossener Peripherie (Vorverstärker, vernetztem PC, Telefonanschluss, Modem) setzt man heute autarke Kompaktgeräte mit komplett integrierten Auswertesystemen ein. Einen Einblick in die Funk‐ tionalitäten eines modernen, leistungsfähigen Komplett-Überwachungssystems vermittelt die Aufstellung in Tabelle 2.3. Die Ausführungen dieses Abschnitts befassen sich mit den Grundkomponenten solcher Sys‐ teme, wie man sie in jeder Variante, von der kleinsten bis zur Hochleistungsvariante, finden wird. Analyse- und Auswerteverfahren sowie die Realisierung von Gesamtkonzepten folgen in den weiteren Abschnitten. Dann kommen Fragen der Messgrößen, der Auswahl und Montage von Messwertaufnehmern, die Ableitung von Messsignalen sowie Darstellungsformate und Überwachungskonzepte zur Sprache. 2.1.1 Konzepte einer Zustandsüberwachung Obwohl Strategien und Methodik einer Zustandsüberwachung erst Thema nach der Datenerfas‐ sung sein werden, müssen einschlägige Grundkonzepte hier schon vorab erstellt werden, da sie ja Einfluss auf Auswahl von Messgrößen und Instrumentierung haben. Maschinenzustände lassen sich, wie in Bild 2.2 zu sehen, über geeignete Zustandsparameter S beschreiben und verhalten sich in der Regel nach der dort dargestellten Badewannenkurve. 178 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="179"?> Online CMS-System VIBGUARD® IIoT Funktionsblöcke Datenerfassung Signalanpassung Messdatenspeicherung Mittelung, Kenngrößenermittlung Merkmalsextraktion, Merkmalvektoren Visualisierung Bewertung Überwachung, autarke Steuerung/ Regelung Datenkanäle max. 20 Analog-, 2 Impulssowie div. Digitalkänäle Verfahren Spektral- und Trendanalysen Zeit-Frequenz-Analysen Hüllkurvenanalyse Orbit- und Scorbitanalyse statistische Analysen Funktionen Überwachungs- und Schutzgerät Frequenzanalysator (zeit- und drehwinkelbezogen) Klassiergerät Eventrecorder mit Vor- und Nachgeschichte Phasenanalysen und Auswuchten Hoch- und Auslaufanalysen Modalanalyse (OMA, EMA) Geräuschanalysen Remote tragbar/ stationär / Fernzugriff (wahlweise) Telediagnosefunktionalitäten Kommunikation mit Steuer- und Regeleinrichtungen Digitale In und Outputs Modbus, TCP/ IP, NAS, MQTT und OPC-UA Einsatz Service- und Instandhaltungsanwendungen Condition- und Prozessmonitoring an Maschinen, Anlagen, Prozessen und Umgebungen Tabelle 2.3: Funktionen eines Advanced CMS 179 2.1 Instrumentierung <?page no="180"?> Bild 2.2: Typische Badewannenkurve während einer Nutzungsphase Ein geeignet gewählter Zustandsparameter kann einerseits eine quantitative Aussage über den jeweiligen Maschinenzustand liefern, er stellt aber gleichzeitig ein statistisches Maß für die aktuelle Ausfallhäufigkeit dar. Bei einer neuen oder frisch überholten Maschine können durch verschiedene Umstände wie Einlaufvorgänge oder als Folge von Montagefehlern erhöhte Zustandsparameter auftreten (Bereich 1 bis 2 in Bild 2.2). Nach dieser Anfangsphase sollte sich danach eine möglichst lange Periode mit stabilem Schwingungsbild und einer konstant niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit anschließen (Bereich 2 bis 3). In diesem mittleren „Badewannenbereich“ treten Ausfälle nur unkalkulierbar und mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit auf. Sofern die Maschine optimal betrieben wird und eine hohe inhärente Zuverlässigkeit hat, werden die Zustandsparameter jetzt lange niedrig und stabil bleiben. Dies kann vor allem durch prädiktive Instandhaltungsmethoden erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist aber auch der Einsatz ausschließlich qualitativ hochwertiger Komponenten oder Ersatzteile aus der Produktion von Premiumherstellern wichtig. Nach einer bestimmten Betriebszeit wird sich der Zustand infolge Alterung und Verschleiß zunächst allmählich, dann zunehmend verschlechtern, was sich typischerweise in einem Anstei‐ gen des Schwingungspegels zeigen wird (Bereich 3 bis 4). Wie steil dieser Anstieg sein wird, hängt dann auch von der kalkulierten Verfügbarkeit der Maschine und von der Betriebsweise ab. Spätestens nach Erreichen eines festzulegenden Grenzwerts ist eine Wartung oder Instandsetzung durchzuführen. In der Folge wird der ganze Zyklus immer wieder von neuem durchlaufen. Als geeigneter Parameter zur Quantifizierung des mechanischen Maschinenzustands haben sich insbesondere mechanische Schwingungen bewährt. Eine besondere Position nimmt dabei der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit wegen seiner unmittelbaren Energiebezogenheit ein. Geeignet ist jedoch auch eine ganze Reihe anderer Kenngrößen, oft basierend auf eigenen Erfahrungen mit der jeweiligen Maschine. Kernstück jeder Zustandsüberwachung wird jedoch auch eine Signalanalyse sein. Heute werden Frequenz- und Ordnungsanalysen bevorzugt als digitale Echtzeitanalysen zeit- oder drehwinkelbezogen ausgeführt. Eine Echtzeitanalyse liefert fortlaufend Spektren aus dem Eingangssignal. Echtzeit bedeutet dabei im Einzelnen: ● Die Analyse erfolgt synchron mit der Datenerfassung. ● Sämtliche Eingangsdaten werden für die Analyse lückenlos erfasst. 180 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="181"?> Anmerkung: Die präzise Definition von Echtzeit ist eine exakt definierte Verzögerung zwischen Datenanfall (Abtastung) und Auswertung (Ergebnis), zum Beispiel eine bestimmte Anzahl von Taktzyklen eines Digitalsystems. Bei zeitkritischen Systemen ist dadurch eine wohldefinierte Reaktionszeit gegeben. In Systemen, die auf einem Betriebssystem wie etwa Windows basieren, ist dies in dieser scharfen Definition nicht haltbar - aber in den meisten Fällen auch nicht unbedingt notwendig. Im Bereich der Zustandsüberwachung wird zur spektralen Signalanalyse praktisch ausschließlich die FFT-Analyse eingesetzt. Sie liefert ein Spektrum in einem für eine Diagnose mechanischer Fehler erforderlichen oder besser gesagt, einem optimalen Format, also ein Spektrum konstanter Bandbreite. Erwähnt sei an dieser Stelle, dass Terz/ Oktav-Analysatoren oder allgemeiner n-tel-Oktavanalysen in der Zustandsüberwachung nur noch vereinzelt zum Einsatz kommen. Sie sind vorwiegend bei akustischen Fragestellungen verbreitet, also zur gehörbezogenen Bewertung von Schall und Lärm. Ein grundlegendes Charakteristikum für die eingesetzte Messtechnik ist die Anzahl der Kanäle, genauer gesagt, der parallel eingesetzten Messkanäle mit der Möglichkeit einer streng zeitsynchronen Datenverarbeitung mehrerer Messgrößen. Dazu in der Folge einige Stichpunkte: Einkanalanalyse Einkanalanalysatoren sind zur Auswertung vor Ort meist in Datensammlern integriert, siehe Bild 2.3. Sie berechnen aus hochauflösend erfassten Zeitsignalen zum Beispiel das FFT-Spektrum eines einzelnen Signals (Kanals) nach den beschriebenen Anforderungen. Zweikanalanalyse Zur Berechnung von spektralen Kreuzbeziehungen zwischen zwei synchronen Signalen, zum Beispiel von Übertragungsfunktionen, wird zumindest eine Zweikanalanalyse benötigt. Sie erfasst zwei Signale zeitgleich, das heißt, die Abtastung erfolgt für beide Signale zeitsynchron. Neben dem FFT-Spektrum werden auch Kreuzleistungsspektren und verwandte Funktionen berechnet, die solche Kreuzbeziehungen beschreiben. Mehrkanalanalyse Mehrkanalanalysen sind wegen der simultanen, vor allem absolut zeitsynchronen Erfassung mehrerer Kanäle bzw. Messgrößen zweckmäßig, zum Teil sogar erforderlich für ● Modalanalysen (Untersuchung von Eigenfrequenzen und Eigenmoden), ● Betriebsschwingformanalysen (ODS), ● Analysen zur Fehlerdetektion an nichtstationär betriebenen Maschinen und Anlagen, ● Analysen bei nicht hinreichend exakt reproduzierbaren Vorgängen oder ● Untersuchung nicht exakt vorhersagbarer (chaotischer) Ereignisse. 2.1.2 Grundlegende Methodik einer Zustandsüberwachung Mobil oder fest installiert, manuell oder automatisiert - nicht nur eine Frage des Aufwands. 181 2.1 Instrumentierung <?page no="182"?> Bild 2.3: Schwingungstester und FFT-Schwingungsanalysator Aus den Ausführungen über die Strategie, insbesondere der Badewannenkurve Bild 2.2, ergibt sich die Konsequenz, dass eine kontinuierliche Zustandsüberwachung nicht immer erforderlich ist, sondern dass man in vielen Fällen mit einer regelmäßigen mobilen Kontrolle in bestimmten Zeitintervallen sein Ziel ebenfalls erreicht. 2.1.2.1 Intermittierende (mobile) Zustandsüberwachung Bei einer intermittierenden Zustandsüberwachung werden mit Hilfe von tragbaren Geräten, sogenannten Datensammlern, Messungen in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt, wozu eine Person bestimmte Messrouten abarbeitet (man spricht daher auch von mobilen Messungen). FFT-Datensammler bieten die Möglichkeit für direkte Auswertungen vor Ort, manche führen automatisch Vorauswertungen durch und informieren noch an Ort und Stelle über Unregelmä‐ ßigkeiten. Die Organisation der mobilen messtechnischen Überwachung erfolgt in Verbindung mit einem Rechner, dem sogenannten Hostrechner im Büro oder, in neueren Konzepten, über eine Cloud. In diesem Rechner sind organisatorische Daten wie Messrouten, Messintervalle, Maschinentabellen sowie Grenzwerte gespeichert und Datenbanken organisiert. Anmerkung: Eine Cloud (Rechnerwolke bzw. Datenwolke) ist eine IT-Infrastruktur, die beispielsweise über das Internet verfügbar gemacht wird. Beim Cloud-Computing muss eine Software nicht auf dem lokalen Rechner installiert sein, sie liegt vielmehr zentral auf einem Client-Server. Noch einmal zum Konzept: Solange sich die Messwerte über der Zeit stabil verhalten, kann von einem Normalzustand nach Bild 2.2 ausgegangen werden und es sind keine weiteren Aktionen notwendig. Stellt man eine Veränderung (zum Beispiel einen Anstieg) im zeitlichen Verlauf fest, lässt dies den Rückschluss auf einen entstehenden Fehler zu, der nach einer Vorlaufzeit zum Ausfall führen kann. Liegen genügend Erfahrungen vor, kann über Trendanalysen (Extrapolation) abgeschätzt werden, wieviel Restlaufzeit noch zur Verfügung steht (Prognose). Datensammler nach diesem Konzept sind beispielhaft in 2.3 zu sehen. Der gezeigte VIBXPERT hat aber auch Zusatzfunktionen für Sonderanalysen oder zum Betriebswuchten. 2.1.2.2 Kontinuierliche Zustandsüberwachung Eine kontinuierliche Zustandsüberwachung kann online über fest installierte Überwachungs- und Diagnosesysteme erfol‐ gen. Eine solche Überwachung ist sehr leistungsfähig, sie ist jedoch im industriellen Bereich wegen der anfallenden Datenmengen auch entsprechend aufwändig und erfordert eine sachgerechte Bedienung und Pflege. Und es sind eine Reihe von grundsätzlichen Zusatzanforderungen zu beachten: ● Robuste Installation: Im rauen Alltagbetrieb sind besondere Bauformen hinsichtlich Robust‐ heit und Umgebungseinflüssen notwendig. ● Besonderes Augenmerk ist auf die Auswahl von Aufnehmern und sichere Verkabelung zu legen (zum Beispiel speziell armierte Aufnehmerkabel). ● Zur Erfassung des Maschinenzustands ist es notwendig, neben Schwingungen eine Reihe zusätzlicher Messgrößen auszuwerten. 182 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="183"?> ● Das System muss für autarken Betrieb geeignet sein. ● Selbstüberwachung - das System muss seine eigene Funktion überwachen, sich nach einem Netzausfall selbständig aktivieren. ● Für den Fall eines Systemausfalls muss ein Selbstüberwachungskonzept existieren. ● Eigensicherheit - ein Ausfall des Überwachungssystems darf nur vordefinierte Reaktionen auslösen (keine automatische Maschinenabschaltung bei Ausfall einer Messgerätesiche‐ rung). ● Kennzeichnung und Dokumentation - es muss sichergestellt werden, dass Komponenten des Überwachungssystems bei allgemeinen Wartungsarbeiten nicht beschädigt oder von Wartungspersonal aus Unkenntnis gar entfernt werden. Anmerkung: … mein Überwachungssystem zeigt schon lange nichts an - funktioniert es überhaupt? Wegen des erhöhten Aufwands wurden Online-Fernüberwachungssysteme früher meist nur in besonders sensiblen Bereichen eingesetzt, also bei hohem Gefährdungspotenzial oder großem Kostenrisiko. Vor allem die speziellen Gegebenheiten und steigenden Anforderungen in der Windenergiebranche haben jedoch dazu beigetragen, dass die kontinuierliche Zustandsüberwa‐ chung generell mehr und mehr zum Stand der Technik auch im Maschinen- und Anlagenbau wurde. Anmerkung: Fest installiert muss nicht unbedingt kontinuierlich heißen. Bei schlechter Zugänglichkeit kann eine feste Installation auch für intermittierende Überwachung zweck‐ mäßig sein. 2.1.3 Messgrößen und Sensorprinzipien An der Spitze jeder Messkette befindet sich immer ein Sensor, dessen Aufgabe die Umsetzung der physikalischen Quantität in ein elektrisches Signal ist. Als Sensor wird das zentrale Element bezeichnet, in welchem die eigentliche Umsetzung stattfindet. Der Aufnehmer enthält in einem Gehäuse den Sensor mit Anschlüssen. Eventuell können noch weitere Peripherieelemente integriert sein wie spezielle Anpasseinheiten, Analog-Digital-Wand‐ ler oder eine spezielle Auswertelogik. Schon im Messwertaufnehmer ist festgelegt, wie die weitere Messwertübertragung erfolgt: Analog als Spannungs- oder Stromsignal, digital nach einer A/ D Wandlung oder inkrementell kodiert. Häufig werden die Begriffe Sensor und Aufnehmer synonym verwendet, was sich allerdings als unproblematisch erweist. Die Ausführungen dieses Abschnitts beginnen zunächst mit den Sensorprinzipien, also der Sensorik für die verschiedenen, für die Zustandsüberwachung wichtigen Messgrößen. Die Konfiguration von Aufnehmern auf Basis dieser Prinzipien wird daran anschließend vorgestellt. Anmerkung: Dass die Trennung Sensor - Aufnehmer nicht immer gelingt oder, besser gesagt, nicht konsequent eingehalten wird, liegt in der Natur der Sache, d. h. es verbessert bisweilen einfach die Verständlichkeit. Das trifft vor allem für solche Messgrößen zu, die nicht direkt einen Zustandsparameter erfassen - etwa viele Betriebsgrößen. 183 2.1 Instrumentierung <?page no="184"?> Bild 2.4: Grundsätzliche Verfahren zur Schwingungsmessung Für die verschiedenen Messgrößen steht eine breite und kontinuierlich wachsende Palette von Aufnehmern nach vielfältigen Funktionsprinzipien im Angebot. Zuvorderst ist zu unterscheiden zwischen ● aktiven Aufnehmern und ● passiven Aufnehmern. Der aktive Aufnehmer entnimmt die Signalenergie direkt dem physikalischen Prozess. Der passive Aufnehmer ändert in Abhängigkeit von der Messgröße einen elektrischen Parameter, diese Änderung wird über eine elektrische Messtechnik erfasst. Passive Aufnehmer benötigen demnach eine extern zugeführte, elektrische Hilfsenergie (zum Beispiel eine Speisespannung). Ein aktiver Aufnehmer ist selbst eine Spannungsquelle und erzeugt ein elektrisches Signal aufgrund des physikalischen Messprinzips (zum Beispiel piezoelektrisch oder elektrodynamisch); er benötigt demnach keine Hilfsenergie. Die richtige Auswahl des Messwertaufnehmers ist daher ein wesentlicher Gesichtspunkt und erfordert zumindest einschlägige Grundkenntnisse. Das Thema wird in diesem Sinne nachfolgend zuerst für die wichtigsten Schwingungskenngrößen und für die wichtigsten Betriebsmessgrößen abgehandelt. 2.1.3.1 Schwingungen Schwingungen sind zentraler Parameter jeder Zustandsüberwachung. Für Schwingungen, ge‐ nauer gesagt für die Schwingbewegungen von Maschinen, hat man die Wahl zwischen drei grundsätzlichen Messgrößen: ● Schwingweg s ● Schwinggeschwindigkeit v ● Schwingbeschleunigung a Physikalisch sind sie wegen des wechselseitigen Zusammenhangs über Integration bzw. Diffe‐ rentiation gleichwertig. Vom technischen Standpunkt, der praktischen Anwendung, ergeben sich diesbezüglich jedoch deutliche Prioritäten. Bild 2.4 veranschaulicht verschiedene Verfahren der Schwin‐ gungsmesstechnik. Man erkennt ● zwei berührungslose messende Schwingwegaufnehmer am linken Ende der Welle, ● einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer oben am Lagergehäuse sowie ● einen laserbasierten Drehimpulsgeber. Ein solcher Aufnehmer könnte auch als interferometrischer Aufnehmer zur Messung von Schwingweg oder der Schwinggeschwindigkeit auf der Wellenoberfläche ausgeführt sein. Schwingweg Der Schwingweg s betont die niederfrequenten Schwingungs‐ anteile und enthält zusätzlich auch Abstandsinformationen. Er wird dort vorgezogen, wo es gilt, die Bewegung einer drehenden Welle zu erfassen. Hier erhält man auch direkte Informationen 184 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="185"?> Bild 2.5: Berührungslose Temperatur‐ messung an einem Elektromotor hinsichtlich Fragen wie Spielüberbrückung, Luftspalt, Lagerspiel oder Anstreifvorgängen. Ganz allgemein erfasst man über den Schwingweg Größen wie ● sehr niederfrequente Maschinenschwingungen, ● Wellenschwingungen und Gehäusebewegungen, ● Verkippungen und Verzwängungen, ● Verlagerungen. Schwinggeschwindigkeit Die Schwinggeschwindigkeit v ist die wichtigste Beurteilungsgröße für Schwingungen und Basis vieler Beurteilungskriterien für die jeweilige Schwingstärke einer Maschine. Der auf dieser Basis oft verwendete Begriff der Schwingstärke (engl. Severity) ist ein Maß für das Schädigungspotenzial, also die einwirkende Schwingungsenergie. Schwingbeschleunigung Die Schwingbeschleunigung a betont hochfrequente Schwingungskomponenten. Sie steht nach dem Newtonsche Gesetz in engem Zusammenhang zu den inneren Kräften und wird daher ebenso verbreitet als Messgröße für die Schwingungsüberwachung verwendet. Für Körperschallmessun‐ gen ist sie wegen der hohen Frequenzen die bevorzugte Messgröße. Anmerkung: Auch Geräusche (Lärm) oder Inklination sind Schwingungserscheinungen, die man als Schwingkennwerte berücksichtigen und diagnostisch überwachen kann. 2.1.3.2 Temperatur Die Temperatur ist in der Maschinenüberwachung eine wichtige Größe. Sie kann im Rahmen des Condition Monitorings wertvolle zusätzliche Informationen über den aktuellen Maschinen‐ zustand liefern. Für Messungen im industriellen Bereich steht eine Reihe von aktiven und passiven Temperatursensoren, vorwiegend zur punktuellen Messung zur Verfügung. Erwähnt seien Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder die Infrarot-Temperaturmessung wie in Bild 2.5 gezeigt. 2.1.3.3 Drehzahl Eine Drehzahlmessung ist beim Condition Monitoring sowohl ein wichtiger Betriebsparameter für die Vergleichbarkeit und Trendaussagen von Messreihen als auch Grundlage zur Vo‐ rausberechnung bestimmter Kenngrößen wie zum Beispiel La‐ gerüberrollfrequenzen bei Wälzlagern oder zur Identifikation von Zahneingriffsfrequenzen. Bei drehzahldynamischen Ma‐ schinen ist eine zuverlässige Drehzahlerfassung sogar zwin‐ gend erforderlich. Zur Drehzahlmessung lassen sich Stroboskope, analoge Drehzahlgeber, optische Drehzahlsensoren, optische Inkrementalgeber, Encoder, elektromagne‐ tische Sensoren oder sogenannte Drehzahlschätzer einsetzen. Die verschiedenen Methoden zu 185 2.1 Instrumentierung <?page no="186"?> Messmethode Prinzip Impulszählmessung Messung der Anzahl der Impulse pro Umdrehung oder innerhalb eines bestimmten Messzeitraums (Torschaltung) Periodendauer Messung Zeitmessung zwischen zwei oder mehr Keyphasor-Pulsen über einen internen Referenzgenerator Stroboskopische Messung Beleuchtung und Beobachtung der Welle mit einem Stroboskop Spektrale Messung Ermittlung der Drehzahl aus Schwingungsspektren Tabelle 2.4: Methoden zur digitalen Drehzahlmessung digitalen Drehzahlmessung sind in Tabelle 2.4 zusammengestellt. Enthalten sind direkte und in‐ direkte Messverfahren. Bei digitalen Drehzahlmessern dient das Passieren einer oder mehrerer Referenzmarken am rotierenden Objekt als Signalquelle für einen Impulsgeber. Man unterscheidet dabei zwischen Impulszählverfahren und das Periodendauerverfahren. Beim Impulszählverfahren werden über eine elektronische Torschaltung die Pulse je Zeiteinheit gezählt. Die Genauigkeit kann man erhö‐ hen, indem die Anzahl der Impulse pro Maschinenumdrehung und die Messzeit erhöht wird. Beim Periodendauer-Messverfahren wird die Dauer zwischen zwei (oder mehr) aufeinanderfolgenden Drehzahlimpulsen über einen quarzstabilisierten Referenzgenerator gemessen. Diese Variante ist vor allem für sehr schnell veränderliche Drehzahlen geeignet. Bild 2.6: Mobiler Schwingungsdatensammler mit Stroboskopfunktion Bei der stroboskopischen Drehzahlmessung wird die Welle im Licht eines Stroboskops betrachtet. Bei Übereinstimmung von Drehfrequenz und Blitzfrequenz scheint das betrachtete Objekt still zu stehen. Bild 2.6 zeigt einen mobilen Schwingungsdatensammler, der sowohl mit einem Drehzahl‐ schätzer als auch mit einer zusätzlichen stroboskopischen Drehzahlmessung ausgerüstet ist. 2.1.3.4 Phase Die Pulse digitaler Drehzahlmesser sind zugleich als Phasenwinkelbezug nutzbar. Deshalb bezeichnet man diese Impulsgeber auch als Keyphasor (die entsprechende deutschsprachige Bezeichnung Phasenlagenaufnehmer wird praktisch nie verwendet). 186 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="187"?> Bild 2.8: DMS Bild 2.7: Laserbasierter Sensor zur digitalen Drehzahl- und Phasenmessung Der Sensor liefert die Phaseninformation als Bezugssignal in Relation zu einer bestimmten Winkellage der Welle (siehe Bild 2.7). Besondere Bedeutung kommt der Phasenmessung beim Betriebswuchten und bei der Wellenschwingungsmessung zu. 2.1.3.5 Dehnung Dehnungen, genauer gesagt Oberflächendehnungen, lassen sich über Dehnmessstreifen (DMS, engl. strain gauge) oder ähnliche piezoelektrische Sensorelemente, wie dem FDS-Sensor messen. Vielfach ist die Dehnung auch sekundäre Messgröße zum Beispiel beim Last‐ monitoring. Dabei wird im Aufnehmer die primäre (eigentliche) Messgröße, zum Beispiel Beschleunigung oder Kraft, zunächst in eine Dehnung umgesetzt. DMS, wie in Bild 2.8 gezeigt, sind Widerstände, deren Wert sich durch Dehnung oder Stauchung ändert. DMS werden mit einem Spezialkleber elektrisch isoliert auf die Oberfläche des zu vermessenden Bauteils oder des Messaufnehmers appliziert und in der Regel als Wheatstonsche Vollbrücke verschaltet. Je nach Messaufgabe existieren unterschiedliche Messanordnungen und Messsignalverschaltungen. Zum Kalibrieren eignet sich beispielweise die Shuntkalibrierung über einen zum Dehnmessstreifen parallelgeschalteten Präzisionswiderstand. DMS gibt es in vielen Ausführungsformen wie Folien-, Draht- und Halblei‐ ter-DMS. Über Mehrfach-DMS auf einer Folie (sogenannte DMS-Rosetten) lassen sich Installationen vereinfachen und Störgrößeneinflüsse kompensieren. Dehnmessstreifen können auch auf piezoelektrischer Basis ausgeführt sein. Da‐ bei ist auf der Folie ein Streifen aus piezoelektrisch aktivem Material angebracht. Die bei Dehnung entstehende elektrische Ladung wird dann in ein Spannungssignal umgesetzt (vgl. piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer). Dieser Messtreifen ist im Gegensatz zum klassischen DMS ein aktiver Aufnehmer. 187 2.1 Instrumentierung <?page no="188"?> Anmerkung: Der Effekt ist umkehrbar. Legt man den aufgeklebten piezoelektrischen DMS eine Wechselspannung an, wird die Struktur zu Schwingungen angeregt. FDS-Aufnehmer (Bild 2.9) sind eine spezielle Variante piezoresistiver Dehnmessstreifen, die zum Überwachen von Oberflächendehnungen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu DMS ist hier im Aufnehmer eine IEPE-Anschlusselektronik integriert. Anmerkung: IEPE-Aufnehmer mit integrierter Elektronik werden später im Zuge dieses Kapitels noch vorgestellt. Zwei solcher FDS- Aufnehmer wurden im Bild 2.9 direkt am Lagergehäuse in der Lastzone montiert, und erlauben es, Gleitlagerzustände von außen zu überwachen. Bild 2.9: Piezoelektrischer FDS 2.1.3.6 Lichtoptische Aufnehmer Solche Aufnehmer bieten den Vorteil, dass vor allem der Anschluss des Sensors an die Folgeelektronik auf optischem Weg erfolgt. Teilweise über Lichtleiter, bei Interferometern auch direkt über einen Lichtstrahl. Das Resultat sind sehr flexible, handliche Systeme, die sehr unempfindlich gegenüber Störeinflüssen aus der Umgebung sind. Unter dem Begriff Interferometrie werden Messmethoden zusammengefasst, welche die Überlagerung oder Interferenz von Wellen nutzen, um eine Messgröße zu erfassen. Diese Messverfahren funktionieren auf dem Interferenzprinzip zwischen einfallendem und reflektier‐ tem Lichtstrahl. Als Träger dient ein hochfrequent (im MHz-Bereich) modulierter Lichtstrahl. Die Information (zum Beispiel Verschiebung) ist im reflektierten Strahl als Interferenzmuster aufgeprägt. Faseroptische Aufnehmer tragen am sensorseitigen Ende des Lichtleiters einen kleinen optischen Sensorkopf. Der Sensor selbst besteht aus einem schwingungsfähigen System mit Spiegel. Die Ankopplung erfolgt über den Lichtleiter, ein Glasfaserkabel, geschützt durch einen 188 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="189"?> (2.1) Teflonmantel. Als Sensorprinzip kommt hier lediglich ein Inertialprinzip infrage, was den Frequenzbereich nach niedrigen Frequenzen hin beschränkt. FBG-Sensoren basieren ebenfalls auf einem Lichtleiter. Sie bestehen aus einem Lichtwellenleiter mit integriertem Faser Bragg-Gitter, welches mit einem starken UV-Laser in die Glasfaser eingebrannt wurde (siehe dazu Bild 2.10). Man erzeugt mit dieser Technik mehrere periodisch aufeinander folgende Schichten unterschiedlicher Brechungszahlen n, wodurch vom Koppler einfallendes Licht am Gitter unterschiedlich gestreut wird. Vom Koppler wird der Sensor über die Glasfaser mit breitbandigem Licht gespeist. Aus dem Spektrum des zum Koppler zurückgestreuten Lichts und den geometrischen Daten des Gitters kann die lokale Dehnung ermittelt werden. Bild 2.10: Prinzip des FBG-Sensors 2.1.3.7 Lastmessgrößen Weitere wichtige Zustandsgrößen sind Lastmessgrößen, also die präzise Erfassung der mecha‐ nischen Maschinenleistung. Denn es wurde eingangs schon festgestellt: Die meisten Überwa‐ chungsverfahren beruhen auf Vergleich und Beobachtung der Langzeittrends. Das erfordert identische oder zumindest vergleichbare Betriebsbedingungen. Heutige Condition Monitoring Systeme sind deshalb in der Lage, Betriebsklassen zu unterscheiden und in den unterschiedlichen Betriebsklassen mit angepassten Setups zu messen. Typische Lastmessgrößen sind Kräfte, me‐ chanische Drehmomente, elektrische Drehmomente, Motorströme oder die Maschinenleistung. Während bei elektrischen Maschinen sich die mechanische Maschinenleistung in kW recht genau elektrisch über den Motorstrom messen lässt, kann die präzise mechanische Maschinenleis‐ tung zum Beispiel von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen nur über die zeitgleiche Messung von Drehzahl n und mechanischem Drehmoment M erfasst werden. Die Maschinenleistung ergibt sich daraus nach der Formel P = Mω = M nπ 30 Das Durchführen von Drehmomentmessungen ist nicht trivial und gehört im Condition Monito‐ ring zu den Königsdisziplinen, die nur von wenigen beherrscht wird. Mechanische Drehmomente lassen sich zwar mit kommerziellen Drehmomentmesswellen ermitteln. Diese sind jedoch bei großen Maschinen teuer und sehr aufwändig, da die Messwelle erst in den Kraftfluss einge‐ baut werden muss, was nachträglich kaum möglich ist. Günstiger ist es dann, mechanische Drehmomente über Dehnmessstreifen (DMS) zu messen. Sie erfassen die Dehnung z. B. an der Wellenoberfläche rotierender Wellen. Zunehmend bieten elektrische Antriebstechniken die Möglichkeit zur direkten elektrischen Drehmomentmessung. Das Drehmoment wird dabei aus magnetischem Fluss und Ständerstrom 189 2.1 Instrumentierung <?page no="190"?> ermittelt und meist als Analogsignal mehr oder weniger dynamisch am Frequenzumrichter zur Verfügung gestellt. Motorströme werden bei großen industriellen Elektromaschinen in der Regel als galvanisch getrennte Analogsignale von 4 bis 20 mA zur Verfügung gestellt. Sind sie nicht verfügbar, kann man Motorströme auch kontaktlos über Stromzangen messen (siehe Bild 2.11). Dabei wird der Leiter umfasst, in ihm wird durch das Magnetfeld ein Messstrom induziert. Stromzangen gibt es in zahlreichen Varianten, flexibel oder mit drahtloser Messwertübertra‐ gung. Bild 2.11 zeigt Messungen im praktischen Einsatz. Vorteil von einigen Stromzangen ist, dass sie auch sehr hochfrequent messen können (bis zu 10 kHz). Damit lassen sich sogar Frequenzanalysen in allen drei Phasen durchführen und vergleichend bewerten. Bild 2.11: Messung von Motorstrom und Leistung mit Stromzangen 2.2 Signalqualität Schon aus den einführenden Betrachtungen wird ersichtlich, dass für eine leistungsfähige Zustandsüberwachung eine sehr vielfältige Messtechnik eingesetzt werden muss. Führt man spektrale Signalanalysen durch, wird die Signalqualität zum entscheidenden Merkmal. Das betrifft in erster Linie den Dynamikbereich und den Abstand zu störendem Hintergrundrauschen. 190 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="191"?> ADC bit Rauschabstand Eingangsspannung Auflösung 8 bit 48 dB 10 V 39,0625 mV 12 bit 72 dB 10 V 2,4411 mV 16 bit 96 dB 10 V 0,1529 mV 24 bit 144 dB 10 V 0,000596 mV Tabelle 2.5: Dynamikbereich von Analog-Digital-Wandlern (vgl. Tabelle 3.1) 2.2.1 Dynamikbereich Der Dynamikbereich ist das Verhältnis (Quotient) zwischen maximaler und minimaler Stärke einer physikalischen Größe. Das kann sich sowohl auf die Messgröße selbst, auf das über den Sensor abgeleitete Signal oder auf die Eigenschaft der Messkette beziehen. Der Dynamikbereich ist durch seine Grenzen festgelegt wie folgt: ● Die untere Nachweisgrenze ist durch das Grundrauschen gegeben, welches dem Nutzsignal überlagert ist. Es setzt sich zusammen aus Rauschen zufolge des Prozesses selbst, aber auch aus Rauschen in der Messkette (Aufnehmer, Aufnehmerkabel, Vorverstärker). ● Die obere Grenze ist durch Übersteuerung in der Messeinrichtung gegeben. Anmerkung: Übersteuerung ist vor allem in der Signalanalyse ein nicht zu unterschätzen‐ des Problem! Da bei der Schwingungsüberwachung Signale aus einer Vielzahl von Quellen zu erfassen und zu analysieren sind, sollte der Dynamikbereich der gesamten Messkette (und nicht nur des Auf‐ nehmers) möglichst groß sein. Vor allem ist zu beachten, dass bei Analyse und Trendauswertung auch untergeordneten Komponenten, also solchen mit geringer Amplitude, eine entscheidende Bedeutung zukommen kann, siehe dazu Bild 0.32 oder Bild 0.33. Der Dynamikbereich wird in Dezibel (dB) angegeben, siehe Abschnitt 1.4.4. Die wichtigsten Zusammenhänge findet man in Tabelle 2.5. Stand der Technik in der Messtechnik ist derzeit die 24 bit-Technologie. Sie ergibt eine sehr hohe Auflösung, was störende Messbereichsumschal‐ tungen vermeidet. Sie erfordert aber auch, besonders bei Schwingungsmessungen, entsprechend diagnostisches Verständnis, um die Überwachung auf signifikante Schwingungserscheinungen zu fokussieren. 2.2.2 Signal/ Rausch-Verhältnis (SNR) In der Signalanalyse hat man es immer mit einem Signal als Abbild der Schwingung zu tun - allgemein gesprochen dem sogenannten Nutzsignal. Dem überlagert sind Störsignale, vor allem Rauschsignale, die sowohl aus dem Prozess wie auch aus der Messkette stammen können (zum Beispiel thermisches Rauschen). Das Signal/ Rausch-Verhältnis (abgekürzt SNR aus dem englischen Signal to Noise Ratio) ist ein Maß für die technische Qualität eines Nutzsignals, welches von einem Rauschsignal (Störsignal) überlagert ist. Es ist definiert als das Verhältnis von mittlerer Leistung des Nutzsignals zu mittlerer Rauschleistung. Es wird ebenso in Dezibel (dB) angegeben. Für eine geforderte Signalqualität muss die Signalleistung in ausreichendem Maß über der Rauschleistung liegen. Auch notwendige elektrische Abschirmmaßnahmen lassen sich daraus ableiten und spezifizieren. 191 2.2 Signalqualität <?page no="192"?> 2.3 Aufnehmer Standen ursprünglich bei der Zustandsüberwachung und Signalanalyse lediglich elektrodynami‐ sche Geschwindigkeitsaufnehmer, piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer und Wirbelstro‐ maufnehmer im Fokus, so beginnt sich dieses Bild mehr und mehr zu wandeln. Das liegt einerseits an geänderten Strategien und Zielsetzungen bei der Instandsetzung, andererseits an den steigenden Anforderungen und den neuen technischen Möglichkeiten der digitalen Sensor- und Signalverarbeitung. Im ersten Teil dieses Abschnitts wird zunächst ein Überblick zu den gängigsten Sensorprinzi‐ pien gegeben. Im anschließenden Teil wird dann speziell das Thema Schwingungsaufnehmer behandelt. Besonders für Schwingungsaufnehmer zur spektralen Signalanalyse gibt es eine ganze Reihe von Sensorprinzipien. Tabelle 2.6 zeigt einen ersten Überblick. 2.3.1 Grundprinzipien Aus der Vielfalt verschiedener Schwingungsaufnehmer, wie sie in Tabelle 2.6 zusammengefasst sind (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), werden in diesem Abschnitt vor allem diejenigen her‐ ausgestellt, die in der Zustandsüberwachung und spektralen Signalanalyse in der Anwendung sind. Es sind Beschleunigungsaufnehmer und berührungslose Wegaufnehmer. Sie stehen überdies in engem Kontext mit den einschlägigen Normen und Richtlinien über Messung und Beurteilung von Maschinenschwingungen. Man unterscheidet bei Schwingungsaufnehmern aber auch zwi‐ schen Aufnehmern für absolute und solchen für relative Schwingungen. Bei denen für relative Schwingungen wird die relative Bewegung zwischen zwei materiellen Elementen der Struktur erfasst. Dabei wird vielfach das Strukturelement selbst funktioneller Bauteil des Aufnehmers wie zum Beispiel die Welle bei der Wellenschwingungsmessung. Anmerkung: Zur Vereinfachung spricht man in diesem Zusammenhang von Absolutauf‐ nehmern und Relativaufnehmern. Absolutaufnehmer erfassen die Bewegung relativ zur ruhenden Umgebung (physikalisch gespro‐ chen: einem Inertialsystem), sie arbeiten nach dem seismischen Prinzip, siehe dazu auch Abschnitt 1.7.1. Sie basieren meist auf einem Beschleunigungssensor. Aufgrund ihrer Funktion werden Ab‐ solutaufnehmer vielfach auch unter dem Sammelbegriff Inertialaufnehmer zusammengefasst. Bei Wellenschwingungsmessungen lassen sich Relativaufnehmer und Absolutaufnehmer zur Erfassung der absoluten Wellenbewegung kombinieren. Erwähnt seien an dieser Stelle aber auch neue Messmethoden wie die Vibrometrie mittels in‐ terferometrischen Lasern und die schwingungsbasierte Videopixeltechnologie, die sowohl rela‐ tive als auch absolute Schwingungsmessungen erlauben. 2.3.2 Sensorik von Messwertaufnehmern Zielsetzung dieses Abschnitts ist ein allgemeiner Überblick zur Sensorik von Messwertaufneh‐ mern, soweit sie für die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen von Bedeutung sind. Gemäß der Thematik wird auch hier ein gewisser Schwerpunkt auf die Schwingungsmessung gelegt. 192 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="193"?> Aufnehmertyp Messgröße Anwendung Frequenzbereich Dehnungssensoren Dehnung Dehnung Schwingungen Belastung 0 Hz - 10 kHz Wirbelstromsensoren Schwingweg Verlagerung Maschinenschwingungen 0 Hz - 10 kHz Wegsensoren induktiv Wegsensoren kapazitiv Seilzugaufnehmer Schwingweg Verlagerung Schwingweg Verschiebung Niederfrequente Schwingungen Bewegungen 0 Hz - 400 Hz Optische Sensoren Lasersensoren Schwingweg Verlagerung Abstand Maschinenschwingungen 0 Hz - 10 kHz Beschleunigungsaufnehmer mit Ladungsausgang Beschleunigung Maschinenschwingungen Körperschall 2 Hz - 10 kHz IEPE- Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigung Maschinenschwingungen Körperschall 0,1 Hz - 10 kHz CLD- Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigung Maschinenschwingungen Körperschall 0,1 Hz - 40 kHz MEMS- Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigung Verlagerung Drehwinkel Schwingungen Bewegungen Neigung 0 Hz - 1 kHz (oft bis 10 kHz) Faser-Bragg Aufnehmer Beschleunigung Niederfrequente Schwingungen 0 Hz - 1 kHz Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigung Niederfrequente Beschleunigungen 0 Hz - 1 kHz Servo- Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigung (kraftkompensiert) Seismische Überwachung 0 Hz - 200 Hz Mikrofon Schalldruck Luftschall 20 Hz - 20 kHz Ultraschall-Aufnehmer Schwingungen Ultraschall 20 kHz - 100 kHz Ultraschallmikrofon Schalldruck Ultraschall 20 kHz - 100 kHz AE-Aufnehmer Schalemission AE Pulse > 100 kHz Tabelle 2.6: Übersicht wichtiger Schwingungsaufnehmer 2.3.2.1 Wirbelstromsensoren Die in der Zustandsüberwachung gebräuchlichsten Wegaufnehmer sind berührungslos messende Wirbelstromsensoren (engl. Eddy Current Probe). Das Funktionsprinzip ist in Bild 2.12 links dar‐ gestellt. Über eine Spule im Sensorkopf wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, wel‐ ches in einem elektrisch leitfähigen Objekt Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, welches die Spule beeinflusst, was sich in einer Änderung der Induk‐ tivität zeigt. Ein nachgeschalteter Demodulator und eine elektronische Linearisierungsschaltung wandeln die Wirbelstromverluste in eine dem Abstand proportionale Spannung um, die dann bei 193 2.3 Aufnehmer <?page no="194"?> Parameter Relativschwingung Absolutschwingung Erfasste Bewegung Relativschwingung der Welle im Lager bzw. zwischen Welle und Gehäuse Absolutbewegung am Lagergehäuse Messgröße vorzugsweise Schwingweg über berührungslose Wegaufnehmer Schwinggeschwindigkeit oder Schwingbeschleunigung indizierte Größe Wellenbewegung, Lagerspalt, Ölfilmstärke, Spiel etc. charakteristisch für dynamische Lagerkräfte und für Maschinenbewegungen Prognosezeitraum kurzfristig und mittelfristig (spontane Fehler) langfristig (Fehlerfrüherkennung) Tabelle 2.7: Absolut- und Relativschwingungen der Zustandsüberwachung genutzt wird. Aus dem Funktionsprinzip ist unmittelbar ersichtlich, dass das Messobjekt Bestandteil des Aufnehmers ist, was bestimmte Anforderungen nach sich zieht. Wirbelstromsensoren sind unempfindlich gegenüber Medien wie Öl, Wasser und Staub im Messspalt. Das Messobjekt muss elektrisch leitfähig sein, muss jedoch nicht unbedingt aus ferromagnetischem Material bestehen. Bild 2.12: Funktionsweise induktiver Wegsensoren 2.3.2.2 Induktive Sensoren Induktive Sensoren nutzen die Induktivitätsänderung einer Spule bei Änderung des magnetischen Flusses. Sie können berührend als Messtaster oder berührungslos messend aufgebaut sein. Ein vom Sensor induziertes elektromagnetisches Wechselfeld wird über das Messobjekt geschlossen, das Feld hängt dabei vom Luftspalt und damit von der Verschiebung ab. Die resultierende Spulenimpedanz ist abhängig vom Abstand zwischen Sensor und Welle. 194 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="195"?> Die funktionsbedingte Nichtlinearität von induktiven Sensoren lässt sich mit geeigneten Anpasseinheiten kompensieren. 2.3.2.3 Piezoelektrische Sensoren Das Funktionsprinzip piezoelektrischer Sensoren beruht auf dem piezoelektrischen Effekt: Be‐ stimmte Materialen wie Quarzkristalle oder spezielle Keramikwerkstoffe bilden unter mechani‐ scher Spannung an der Oberfläche elektrische Ladungen aus, in einem Ladungsverstärker wird daraus eine elektrische Spannung gebildet. Anmerkung: Der piezoelektrische Effekt ist immer begleitet vom pyroelektrischen Effekt, bei welchem elektrische Oberflächenladungen auch durch Temperaturänderungen freige‐ setzt werden. Dieser Effekt tritt jedoch hier nur als Störgröße auf, die durch konstruktive Maßnahmen kompensiert werden. 2.3.2.4 Piezoresistive Sensoren Der piezoresistive Effekt bewirkt eine Veränderung des ohmschen Widerstandes unter Einfluss mechanischer Spannungen wie Druck oder Zug. Der Aufnehmer ist vom passiven Typ, der Widerstand wird meist über eine Brückenschaltung gemessen. Piezoresistive Beschleunigungssensoren arbeiten ähnlich wie piezoelektrische Systeme, sind jedoch bis in den statischen Bereich (0 Hz) einsetzbar. Das ist vor allem für sehr niederfrequente Schwingungen von Bedeutung. Dafür sind sie zu höheren Frequenzen hin begrenzt. (etwa 1 kHz). 2.3.2.5 Kapazitive Sensoren Schwingungs- und Abstandssensoren können auch auf kapazitiver Basis arbeiten. Der Sensor besteht im Prinzip aus zwei voneinander elektrisch isolierten metallischen Komponenten, welche die Elektroden eines Kondensators bilden. Primäre Messgröße (Sensorprinzip) ist die Kapazität, die vom Abstand und der gemeinsam überdeckten Fläche abhängt. Messgröße kann sowohl der Plattenabstand als auch die Verschie‐ bung in Querrichtung sein wie in Bild 2.13 gezeigt. Die Ausführung als Differenzialkondensator mit zwei gegensinnig veränderlichen Kapazitäten bietet erhöhte Störsicherheit. Bild 2.13: Prinzipien kapazitiver Sensoren Kapazitive Sensoren können für Messungen bis in den Nanometerbereich und bis zu hohen Frequenzen geeignet sein. Sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern. Ein Messsystem auf kapazitiver Basis zur Messung des Luftspalts in großen Generatoren ist in Bild 2.14 zu sehen. 195 2.3 Aufnehmer <?page no="196"?> Bild 2.14: Sensoren zur Luftspaltmessung (Quelle: Iris Power) 2.3.2.6 Optische Sensoren Zur Abstands- und Schwingungsmessung kommen insbesondere bei größeren Abstän‐ den optische Sensoren zur Anwendung. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Interferenz zwischen ausgesandtem und reflektiertem Licht. Als Lichtquelle kann auch ein Laser mit Lichtleiter eingesetzt werden (zum Beispiel bei faseroptischen Sensoren). Bei optischen Sensoren, die nach dem Interferometerprinzip arbeiten, sind auch di‐ rekte hochauflösende Schwinggeschwindig‐ keitsmessungen möglich. Eine Ausführungsart sind Laser-Doppler-Vibrometer, die in bis zu 30 m Entfernung berührungslos Schwingun‐ gen bis zu 100 kHz messen können. Eine korrekte Messung ist jedoch nur bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls gewährleistet. 2.3.2.7 Potenziometrische Wegaufnehmer Diese Wegaufnehmer werden beispielsweise als Seilzugaufnehmer verwendet und beruhen auf der Widerstandmessung. Die Länge der zugehörigen kreisförmigen Widerstandsbahn entspricht dabei der Seilzuglänge. 2.3.2.8 Inkrementelle Wegaufnehmer Solche Aufnehmer beruhen auf der Zählung von Impulsen, die beim Vorbeiführen eines Sensors an einer Maßverkörperung wie Striche auf einem Glasmaßstab, Zähne einer Zahnstange oder Pulse in einem Encoder erzeugt werden. Auch das Zählen von Interferenzen bei Laserinterferometrie kann dazu eingesetzt werden. Derartige Verfahren findet man vor allem zur Positionsmessung in Werkzeugmaschinen. 2.3.3 Schwingungsaufnehmer Nach den bisher eher allgemeinen Ausführungen über Sensoren wird in diesem Abschnitt die Thematik auf die Erfassung von Schwingungssignalen für die spektrale Analyse fokussiert. Es werden hier Schwingungsaufnehmer detaillierter behandelt, die vorzugsweise in der Zustands‐ überwachung zum Einsatz kommen. Dabei werden auch moderne Konzepte einbezogen, die vielleicht noch nicht in voller Breite in die Praxis Eingang gefunden haben, aber durchaus als zukunftsträchtig einzustufen sind. Begonnen hat die elektrische Schwingungsmessung mit dem elektrodynamischen Schwin‐ gungsaufnehmer, ein seismischer Aufnehmer bestehend aus einem federnd innerhalb einer Spule gelagerten Permanentmagneten. Dem einfach zu verstehenden Funktionsprinzip und der problemlosen Signalverarbeitung steht allerdings eine Reihe von Nachteilen gegenüber, sodass er heute auf diesem Gebiet weitgehend verdrängt ist. 196 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="197"?> Heute stehen der Beschleunigungsaufnehmer für die Messung von Gehäuseschwingungen und der Wirbelstromaufnehmer für die Messung Schwingweg und Verlagerung im Vordergrund - dementsprechend auch die Themenreihung in diesem Abschnitt. Allerdings: Die fulminante technische Entwicklung bringt eine Reihe neuer Prinzipien ins Spiel, die hier nicht unerwähnt bleiben sollen. 2.3.3.1 Beschleunigungsaufnehmer Wie schon im einführenden Abschnitt mehrfach zitiert, kommt dem Beschleunigungsaufnehmer in der Zustandsüberwachung besondere Bedeutung zu. Da die inneren Kräfte eigentliche Ziel‐ größe für die Bewertung von Schwingungen und die Prognose der Schädigung sind, ist die außen am Gehäuse gemessene Beschleunigung wegen ihres unmittelbaren Bezugs zu diesen Kräften die primär interessierende Messgröße. Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer ist auch heute noch der meistverwendete Aufnehmertyp für die Messung der Absolutbeschleunigung, und mit Integration auch für die Schwinggeschwindigkeit. Aus diesem Grund wird ihm hier die entsprechende Position und Detaillierung eingeräumt. Der piezoelektrische Effekt wurde schon zuvor beschrieben. Aufbau piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer Beschleunigungsaufnehmer werden in unterschiedlichen Konstruktionsvarianten angeboten. Bild 2.15 zeigt drei solche Grundprinzipien. Bild 2.15: Konstruktionsvarianten piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer Die ursprüngliche Bauart ist der Kompressionstyp im Bild links. Hier wird der longitudinale piezoelektrische Effekt umgesetzt, bei dem im Piezoelement Kraft und elektrische Polarisation parallel gerichtet sind. Beim Scherungstyp - mittleres Teilbild - sind Kraft (Scherung) und Polarisation senkrecht zueinander, was gewisse Vorteile hat. Kompressionstypen sind kompakter im Aufbau und können im Vergleich zum Scherungstyp deutlich niedrigere Schwingungen messen. Dafür sind sie empfindlicher gegenüber Störgrößen aus der Umgebung, insbesondere schnelle Temperaturänderungen (Temperatursprünge) können zu Fehlmessungen führen. 197 2.3 Aufnehmer <?page no="198"?> (2.2) Anmerkung: Temperatursprünge entstehen, wenn der Aufnehmer beispielsweise einer turbulenten Strömung aus der Umgebung ausgesetzt ist (Luftkühlung). Im Tandem-Piezoaufnehmer (rechtes Teilbild) werden die meisten Störgrößen kompensiert und die spezielle Anordnung der Piezoelemente macht diesen Aufnehmer nahezu unempfindlich gegen Temperatursprünge, Bodendehneffekte und Querschwingungen. Die Messfunktionalität ist bei allen Bauarten ähnlich. Piezoelektrische Elemente und seismische Masse bilden ein Feder-Masse-System. Liegt die Schwingungsfrequenz hinreichend weit unter‐ halb der Eigenfrequenz dieses Systems, wird die Beschleunigung direkt auf die seismische Masse übertragen (siehe dazu auch Bild 1.45 im niederfrequenten Bereich). Die im piezoelektrischen Element auf die seismische Masse m übertragene Kraft F ist nach dem Newtonschen Gesetz proportional der Schwingbeschleunigung a: F = ma a = F m Auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements entsteht eine elektrische Ladung q, die der Beschleunigung a in einem weiten Bereich mit hoher Genauigkeit proportional ist. In einem separaten Vorverstärker (Ladungsverstärker) wird diese Ladung in eine elektrische Spannung, das Messsignal, umgesetzt. Der Ladungsverstärker kann auch im Aufnehmer integriert sein (IEPE-Aufnehmer). Eigenschaften piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer Dynamikbereich Der piezoelektrische Effekt ist in einem weiten Bereich streng linear. Piezoelektrische Beschleu‐ nigungsaufnehmer zeichnen sich daher durch einen überaus hohen Dynamikbereich aus. Das Verhältnis von größter zu kleinster messbarer Größe liegt typischerweise bei 10 8 bzw. 160 dB. Frequenzbereich Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer haben bezüglich Schwingungen ein charakteristi‐ sches Funktionsverhalten, was in Bild 2.16 zu sehen ist. Nach tiefen Frequenzen ist der Frequenz‐ bereich vorwiegend durch Abfließen der elektrischen Ladung begrenzt, also im Wesentlichen durch den Eingangswiderstand der Folgeelektronik und den Isolationswiderstand im gesamten Eingangsteil. Nach hohen Frequenzen ist der Frequenzbereich durch die Resonanzfrequenz begrenzt. So hat jeder piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer abhängig von der Steifigkeit des piezoelektrischen Elements und abhängig von der seismischen Masse eine Resonanzfrequenz f 0 bzw. ω 0 , wo er mehr oder weniger stark überhöhte Signale liefert. Um diese hochfrequenten Anteile zu bedämpfen, wird in der Regel ein hinreichend dimensioniertes Tiefpassfilter im Vorverstärker integriert. 198 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="199"?> Bild 2.16: Theoretischer Frequenzgang eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers Welcher Frequenzbereich dann quantitativ nutzbar ist, ist abhängig von der geforderten Mess‐ genauigkeit. Die vom Hersteller spezifizierten Toleranzen können dem Kalibrierzeugnis des Aufnehmers entnommen werden. Bild 2.17 zeigt beispielhaft zwei mit Sensor-Kalibrierprüfstanden gemessene Frequenzgänge. Zusätzlich werden dort verschiedene Toleranzbereiche graphisch veranschaulicht. Bild 2.17: Auf einem Sensorkalibrierprüfstand gemessene Kennlinie für Beschleunigungsaufnehmer mit eingezeich‐ neten Toleranzbereichen 199 2.3 Aufnehmer <?page no="200"?> Wichtiger Hinweis: Während laut DIN ISO 13373 lineare Genauigkeitsklassen in Prozent angegeben werden sollten, sind in Datenblätter sehr oft die Angaben nur in dB enthalten, was leicht zu Fehleinschätzungen führen kann. Was das in der Praxis bedeuten kann, zeigt die Grafik in Bild 2.18. Eine Abweichung von +3dB bedeutet beispielsweise eine Amplitudenerhöhung von nahezu 50 %, was für mechanische Schwingungen nicht unbedingt als prinzipiell gering einzuschätzen ist. Anmerkung: In der Akustik wird eine Toleranz von 3 dB als normal oder eher gering eingestuft - das ist jedoch eine Beurteilung nach dem bloßen Hörempfinden. In der Beurteilung mechanischer Fehler trifft eine solche Beurteilung für eine Abweichung von 50 % keinesfalls zu, obwohl beide Aussagen physikalisch äquivalent sind. Bild 2.18: Toleranzangaben in Prozent und Dezibel Empfindlichkeit Empfindlichkeit und Frequenzbereich des Aufnehmers hängen in erster Linie mit der Baugröße zusammen. Eine große seismische Masse m bewirkt nach Gl. 2.2 eine höhere Kraft und damit eine höhere Empfindlichkeit des Aufnehmers, senkt aber zugleich die Eigenfrequenz und damit den nutzbaren Frequenzbereich nach unten. Ein schwererer Aufnehmer bedeutet jedoch auch eine höhere Massenbelastung des Objekts, was bei dünnwandigen Strukturen von Bedeutung sein kann. Nach dem primären Sensoreffekt, Umsetzung der Beschleunigung in eine Ladung, wäre die Empfindlichkeit des Aufnehmers in pC/ ms -2 anzugeben. Diese Größe ist für die Praxis sehr unhandlich, zumal die elektrische Ladung als Zwischengröße nicht direkt messbar ist. 200 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="201"?> (2.3) Bild 2.19: Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer Die Umsetzung in eine elektrische Spannung, das Messsignal, erfolgt im Vorverstärker über eine Kapazität nach der Formel Q = CU bzw. U = Q C Darin bedeuten Q = Ladung, C = Kapazität und U = Spannung (Messsignal) Die Typenvielfalt piezoelektrischer Aufnehmer Natürlich sind piezoelektrische Aufnehmer von der Funktion her immer Ladungsaufnehmer, da die primäre Messgröße eine elektrische Ladung ist. Vom Ladungsaufnehmer spricht man allerdings nur, wenn diese Ladung direkt vom Aufnehmer über ein Anschlusskabel an den Vorverstärker geführt wird. Vorwiegend werden in der Praxis Aufnehmer mit integrierter Elektronik, zum Beispiel Vorver‐ stärkern, eingesetzt (siehe Bild 2.19). Man spricht dabei allgemein von IEPE-Aufnehmern. Sie sind handlicher und auch unproblematischer im Einsatz im Vergleich mit dem erstgenannten Typ. Ladungsaufnehmer Ladungsaufnehmer implizieren hohe Anfor‐ derungen an die Folgeelektronik, beginnend schon mit dem Anschlusskabel. Ihr Einsatz ist daher vorwiegend auf spezielle Anforde‐ rungen konzentriert wie hohe Temperaturen (> 200°), extreme Beschleunigungen (Schock‐ messungen), Subminiaturaufnehmer oder als Bezugsnormale für Kalibrierzwecke. Zuerst wird der Aufnehmer mit direktem Ladungs‐ ausgang behandelt. Direktanschluss Beim Ladungsaufnehmer wird elektrische La‐ dung von den Elektroden des piezoelektri‐ schen Elements über ein Aufnehmerkabel zum Eingang eines Ladungsverstärkers über‐ tragen (mit gewissen Einschränkungen kann es auch ein Spannungsverstärker sein). Dabei sind neben der Aufnehmerkapazität und Eingangskapazität des Verstärkers auch die Kapazität des Aufnehmerkabels unbedingt zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass solche Aufnehmer mit ihrem Anschlusskabel immer gemeinsam zu kalibrieren und ausschließlich in dieser Kombination zu verwenden sind. Ein weiterer Störeinfluss ist der piezoelektrische Effekt im Isolationsmaterial des Aufnehmer‐ kabels. Bei Bewegung und Deformation dieses Kabels entstehen zusätzliche elektrische Ladungen als Störsignal, die dem Messsignal überlagert und vom eigentlichen Nutzsignal nicht zu trennen sind. Aus diesem Grund sind zum Direktanschluss spezielle, besonders rauscharme Aufnehmer‐ kabel zu verwenden. Das Kabel ist außerdem zu fixieren, um Bewegungen und Verformungen während der Messung so weit wie möglich zu vermeiden. 201 2.3 Aufnehmer <?page no="202"?> 23 Integrated Electronics Piezo Electric Eine praktische Alternative für den Routineeinsatz sind deshalb Aufnehmer mit integriertem Vorverstärker, die anschließend beschrieben werden. Abschirmung Gegen elektromagnetische Einstreuungen sollten Beschleunigungssensoren und vor allem die Aufnehmerkabel sorgfältig abgeschirmt werden. Aus diesem Grund werden bevorzugt Koaxial‐ kabel verwendet, wobei der Kabelschirm meist gleichzeitig mit der Messerde elektrisch verbunden ist. Besonders ist darauf zu achten, dass durch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Aufnehmer und Kabelschirm keine Erdschleife über das Aufnehmergehäuse entsteht. Dieses Problem wird später noch beim Thema Signalqualität erläutert. In jedem Fall ist eine elektrisch isolierte Montage des Aufnehmers dringend zu empfehlen, wenn nur einfach isolierte Beschleu‐ nigungssensoren verwendet werden. Anmerkung: Die elektrische Isolation durch eine Klebeschicht ist in dieser Hinsicht nicht ausreichend zuverlässig. Bei fest installierten Systemen werden oft zweiadrige Abschirmkabel mit verdrillten Leitungen eingesetzt, wobei keine elektrische Verbindung zwischen Abschirmung und Messerde bestehen muss. Eine solche Ausführung ist wegen ihrer elektrischen Symmetrie besonders robust gegen‐ über elektromagnetischen Einstreuungen, vor allem, wenn sie an einen Differenzverstärker angeschlossen werden. IEPE-Aufnehmer Im industriellen Condition Monitoring werden Beschleunigungsaufnehmer mit integriertem Vor‐ verstärker bevorzugt. Sie sind leichter handhabbar, die hohen Anforderungen an Kabelanschluss und Verstärker fallen weitgehend weg. Signalübertragungen sind problemlos über Standardkabel störungsfrei möglich. Gegenüber Ladungsaufnehmern besteht die Einschränkung, dass Tempe‐ raturbereiche bis maximal ca. 150°C erlaubt sind. Die Auslegung ist in einem Industriestandard für piezoelektrische Sensoren, dem IEPE 23 Stan‐ dard beschrieben. Daneben laufen verschiedene Firmenbezeichnungen wie ICP®, Deltatron®, Piezotron etc. CLD-Aufnehmer Ein CLD-Aufnehmer enthält einen integrierten Vorverstärker mit Stromausgang, d. h. der Aus‐ gangsstrom (Messstrom) ist der Beschleunigung proportional. Damit ist er besonders ausgelegt zur störsicheren Übertragung auch über große Distanzen. 202 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="203"?> Bild 2.20: Übertragungseigenschaften eines CLD-Aufnehmers Ein CLD-Aufnehmer enthält einen integrierten Vorverstärker mit Stromausgang, d. h. der Ausgangsstrom (Messstrom) ist der Beschleunigung proportional. Der besonders niedrige Signalverlust im hohen Frequenzbereich ist zurückzuführen auf die besonders niedrige Eingangsimpedanz, da die obere Grenzfrequenz umgekehrt proportional zu dieser ist. Gleiches gilt für Einstreuungen über elektromagnetische Felder aus der Umgebung. Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer Anstelle von piezoelektrischen Elementen werden bei diesem Typ piezoresistive Materialien eingesetzt. Das sind Materialien, die mit der mechanischen Belastung ihren ohmschen Widerstand ändern. Piezoresistive Aufnehmer sind passive Systeme, sie benötigen zum Betrieb eine Versor‐ gung bzw. einen speziellen Vorverstärker. Im tieffrequenten Bereich sind piezoresistive Aufnehmer bis hin zu statischen Beschleunigun‐ gen geeignet, was besonders für Messungen an Aufzugsanlagen interessant ist. Kapazitive Beschleunigungsaufnehmer Diese Beschleunigungsaufnehmer sind ebenso als seismisches System aufgebaut, das physikali‐ sche Prinzip wird auf eine Wegmessung zurückgeführt. Es wird bei sehr einfachen kapazitiven Beschleunigungssensoren verwendet, wenn geringe Ansprüche an die Messqualität bestehen und der Sensorpreis das entscheidende Auswahlkriterium ist. Messprinzip ist die gegenläufige Kapazitätsänderung der Kapazitäten C 1 und C 2 . 203 2.3 Aufnehmer <?page no="204"?> Bild 2.21: Prinzip eines kapazitiven Schwingungsaufneh‐ mers MEMS-Beschleunigungssensoren Beschleunigungssensoren nach dem MEMS-Prinzip (mikro-elektro-mechanische Systeme) gehören, je nach Bauart, ebenso zu den piezoresistiven und kapazitiven Schwin‐ gungsaufnehmern und gewinnen zunehmend auch im Condition Monitoring an Bedeutung. MEMS-Sensoren sind extrem stromsparend, lassen sich gezielt bedämpfen und ermögli‐ chen breitbandige Schwingungsmessungen sogar bis hin zum DC-Bereich. Sie werden auf einem integrierten Schaltkreis (IC) aufgebaut, auf dem auch die zugehörige Elektronik un‐ tergebracht ist. Vorteile sind äußerst geringe Baugröße, Robustheit, hohe Zuverlässigkeit und geringe Stückkosten. Des Weiteren haben sie ein gutes Drift- und Empfindlichkeitsverhalten und teilweise ein besseres Signal-Rauschverhältnis als piezoelektrische Beschleunigungssensoren. Meist wird zusammen mit dem Sensor auch der Analog-Digital-Wandler auf demselben Chip integriert, man erhält damit einen Sensor mit digi‐ talem Ausgang. Es existieren aber auch schon Ausführungen, wo zusätzlich noch Mikrocontroller mit einer anwendungsspezifischen Vorverarbeitung, Kommunikationsprotokolle, universelle Schnittstellen und diverse Schutzfunktionen enthalten sind. Diese Sensoren werden meist hergestellt aus Silizium. Es sind Masse-Feder-Systeme nach dem Prinzip von Bild 2.21, bei denen die Federelemente nur wenige Mikrometer breite Siliziumstege sind, die Masse wird aus dem gleichen Material gefertigt. Die Umsetzung erfolgt entweder über die Kapazität zwischen der zufolge der Beschleunigung ausgelenkten Masse und einer festen Bezugselektrode (siehe Bild 2.22) oder über einen piezoresistiven Widerstand nach dem Prinzip des Dehnmessstreifens (Abschnitt 2.1.3.5). Bild 2.22: Kapazitiver MEMS-Sensor MEMS-Sensoren werden nicht nur zur Messung linearer Beschleunigungen eingesetzt, Tabelle 2.8 zeigt dazu eine Zusammenstellung. Durch die geringe Baugröße und die Fertigungstechnologie 204 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="205"?> Messgröße Anwendung Lineare Beschleunigung Positionsmessung Winkelbeschleunigung Drehrate Statische Lagemessung Inklinometer (Wellenausrichten) Druck Schall/ Ultraschall MEMS-Mikrofon Tabelle 2.8: Einsatzgebiete für MEMS-Technologie lassen sich mehrere Systeme integrieren, zum Beispiel zum Aufbau drei- oder sechsachsiger Aufnehmer. MEMS Sensoren werden auf polykristallinen Wafern durch Ätzverfahren gefertigt. Mit der gleichen Methodik kann der Sensor durch anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC oder Mikro‐ prozessor) zu einem Aufnehmer mit Datenvorverarbeitung erweitert werden. Über MEMS-Technologien werden auch Aufnehmer produziert, die nach außen hin nur in kritischen Fällen aktiv werden und sich im Normalzustand nur in einem Stand-By-Betrieb (nach außen unsichtbar) befinden. Faseroptische Beschleunigungsaufnehmer Faseroptische Beschleunigungsaufnehmer nach dem Inertialprinzip tragen am sensorseitigen Ende des Lichtleiters einen kleinen optischen Sensorkopf. Der Sensor selbst besteht aus einem schwingungsfähigen System mit Spiegel, die Ankopplung erfolgt über den Lichtleiter, ein Glasfaserkabel, geschützt durch einen Teflonmantel. Die Elektronik des Kopplers erzeugt ein Lichtsignal, das über die Glasfaser zum Sensorkopf geführt wird. Am Spiegel des Sensorkopfes wird die Dämpfung des optischen Signals auf mechani‐ schem Weg moduliert, zum elektronischen Koppler reflektiert und dort in ein analoges Messsignal umgewandelt. Der Auslenkungswinkel des Spiegels ist dabei proportional zur Beschleunigung. (100 mV/ g bei 30 bis 350 Hz). Bei Umgebungstemperaturen von 20 bis 90°C zeigen sich nur geringe Temperaturabhängigkeiten. Der Sensor kann unabhängig vom Lichtleiter arbeiten, letzterer dient dabei lediglich der Übertragung von Speisung und Signal. Triaxialaufnehmer und mehrachsige Aufnehmersysteme Beschleunigungsaufnehmer werden auch in mehrachsiger Konfiguration angeboten, vorzugs‐ weise als Triaxialaufnehmer. Damit können mit einem Aufnehmer Schwingungen in drei orthogo‐ nalen Raumrichtungen erfasst werden. Üblich sind drei entsprechend konfigurierte Piezosysteme. Es werden jedoch auch kombinierte Systeme eingesetzt, zum Beispiel ein Piezosystem und zwei MEMS-Systeme - man spricht dann von hybriden Beschleunigungssensoren. Bild 2.23 zeigt einen Schwingungs-Analysesensor (Fluke 3563), der beide Technologien kombiniert und bei dem zusätzlich noch die Messdaten drahtlos an ein Gateway übertragen werden, das über zwei Netzwerkverbindungen verfügt-sowohl über Ethernet als auch über Wi-Fi. 205 2.3 Aufnehmer <?page no="206"?> Bild 2.23: Kabelloser Triaxialaufneh‐ mer Nach dem MEMS-Prinzip werden auch mehrachsige Sensoren zur Erfassung der gesamten Bewegung eines Messpunktes ausgeführt, im speziellen Fall aller 6 Freiheitsgrade einer Bewegung (3 Raumrichtungen und 3 Rotationsachsen). Seri‐ enmäßig werden solche Systeme zum Beispiel in der Stabili‐ tätsregelung bei Kraftfahrzeugen eingesetzt. 2.3.3.2 Berührungslos messende Wegaufnehmer Aufnehmer dieses Typs sind in der Zustandsüberwachung vor allem als Wellenschwingungsaufnehmer von großer Bedeu‐ tung. Die Funktionsprinzipien wurden schon bei der Sensorik in Abschnitt 2.3.2.1 behandelt. Am meisten verbreitet und auch bezüglich Gehäusebauformen genormt sind Wirbelstromaufnehmer. Wirbelstromaufnehmer Die für die Zustandsüberwachung von Wellenschwingungen gebräuchlichsten Wegaufnehmer sind berührungslos messende Wirbelstromsensoren. Sie sind für verschiedene Maschinengruppen und Montageausführung auch teilweise sogar per Normung vorgeschrieben und insbesondere an Rang 1-Maschinen mit Schutzüberwachung ab Herstellerwerk montiert. Erwähnt sei, dass zwischenzeitlich auch andere, kostengünstigere Wegmesstechnologien Genauigkeiten erreichen, die in Auflösung, Frequenz- und Arbeitsbereich Alternativen bieten, die jedoch normativ noch wenig erfasst sind. Das Funktionsprinzip wurde bereits in Bild 2.12 veranschaulicht. Induktive Aufnehmer Der induktive Aufnehmer ist eine kostengünstige Alternative zum Wirbelstromsensor. Er ist wegen der größeren Arbeitsbereiche für den mobilen Einsatz besonders gut geeignet. Die Anwen‐ dung ist allerdings auf ferromagnetische Objekte beschränkt und man muss Nichtlinearitäten im verwendeten Messgerät berücksichtigen. In Bild 2.24 sind solche Aufnehmer im mobilen Einsatz gezeigt. Bild 2.24: Induktive Wegaufnehmer in mobilem Einsatz 206 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="207"?> Bild 2.25: Veranschaulichung des Wellenorbits und der zugehörigen Einzelkomponenten bei Wellenbewegungsmes‐ sungen Messung von Wellenbewegungen Wellenbewegungen werden bei gleitgelagerten und schnell laufenden Maschinen hauptsächlich mit Wegsensoren nach dem Wirbelstromprinzip gemessen, wobei die Wellenbewegung mit Hilfe von zwei in 90°-Anordnung radial montierten Aufnehmern erfasst und als Wellenorbit ausgewertet wird, siehe Bild 2.25. 207 2.3 Aufnehmer <?page no="208"?> Mechanischer Runout Fehler auf der Wellenoberfläche (Rautiefe) Unrundheit (auch an Stromabnehmern bei elektrischen Maschinen) Exzentrizität Wellenschlag (gekrümmte oder verbogene Rotoren) Kratzer, Bohrungen, Kerben, Riefen Elektrischer Runout Gefügeunterschiede Eigenspannungen Restmagnetismus Metallurgische Inhomogenität Tabelle 2.9: Runout bei Wellenschwingungsmessungen Die speziellen Anforderungen für solche Wellenbewegungsmessungen mit Wirbelstromsenso‐ ren sind nachfolgend zusätzlich kurz erläutert: ● Je Messebene sind zwei Wegaufnehmer in radialer Richtung um 90° gegeneinander versetzt anzubringen, bevorzugt in vertikaler und horizontaler Messrichtung. ● Die unmittelbare Umgebung des Aufnehmers muss frei von feldbeeinflussenden Konstruk‐ tionsteilen sein. ● Möglichkeiten zur Kalibrierung des Aufnehmers sind vorzusehen. ● Die Welle muss hinsichtlich Exzentrizität, Rundheit und Rauigkeit den Anforderungen an die Messgenauigkeit genügen. Erforderlichenfalls ist die Welle mit einer speziell vorbereiteten Messspur auszustatten. ● Der Wellenwerkstoff muss in der Messspur des Wirbelstromsensors frei von Inhomogenitä‐ ten und Restmagnetismus sein. Die beiden zuletzt genannten Anforderungen dienen zur Reduzierung des sogenannten Runouts. Runout Da bei jedem berührungslosen Messprinzip die Welle Bestandteil des Aufnehmers ist, gehen Imperfektionen der Welle oder der Messspur in das Messergebnis ein, was ein Messsignal vortäuscht. Eine Zusammenstellung möglicher Einflüsse auf den Runout zeigt Tabelle 2.9. Sind die Ursachen mechanischer (geometrischer) Art, spricht man vom mechanischen Runout. Bei Wirbelstromaufnehmern dringen die Wirbelströme auch in die Wellenoberfläche ein, weshalb bei diesem Wegaufnehmer noch zusätzlich ein elektrischer Runout auftreten kann. Ursachen können Restmagnetismus oder Inhomogenität im Materialgefüge sein, kurz alles, was den Stromfluss beeinflusst, geometrisch jedoch nicht sichtbar ist. Runout-Nachweise gehören zum Abnahmekriterium bei neuen Turbomaschinen und sind insbeson‐ dere in API-Richtlinien sehr anspruchsvoll festgelegt. Beim Runout-Nachweis lässt man den Prüfling langsam drehen, zeichnet dabei die Wellenschwingungssignale (jetzt nur Runout) auf und vergleicht 208 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="209"?> diese mit den Vorgabewerten. Bei gleitgelagerten und sehr schnell drehenden Turbomaschinen sind diese so niedrig, dass in der Regel besondere Oberflächenbehandlungen wie Entmagnetisieren oder Prägepolieren (Burnishing) an der Messspur erforderlich werden, da der Runout nur 6 µm oder nicht größer als 10 % der laut Norm zulässigen Wellenschwingung sein darf. Anmerkung: Elektromaschinenhersteller nutzen solche Runout-Messungen mit kapaziti‐ ven oder faseroptischen Sensoren, um am Kommutator Runoutfehler zu identifizieren oder dortige Runoutgüten nachzuweisen. Kompensation von Runout Der Runout kann, wie schon ausgeführt, bei langsamer Drehung der Welle gemessen, digitalisiert und gespeichert werden, wobei davon ausgegangen wird, dass bei dieser Bewegung keine Wellenschwingungen auftreten. Das auf diese Weise gewonnene Signal repräsentiert demnach ausschließlich den Runout. Dieses Signal kann dann während der eigentlichen Schwingungsmes‐ sung vom Rohsignal zur Kompensation subtrahiert werden. Wird im Messprozess nachgewiesen, dass der Runout gegenüber dem Nutzsignal hinreichend klein ist, sollte man besser auf eine Runoutkompensation verzichten, um unerwünschte Verfälschungen zu vermeiden. Axiale Verlagerung und thermisches Wachstum Wegaufnehmer werden auch zur Messung und Überwachung von thermischem Wachstum und axialen Wellenverlagerungen verwendet. Um auch axiale Verkippungen zu erfassen, sollten jedoch mindestens zwei Wegaufnehmer eingesetzt werden. 2.3.3.3 Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer Aufnehmer für die Schwinggeschwindigkeit werden vorwiegend in drei Varianten angeboten, und zwar als Beschleunigungsaufnehmer mit eingebautem Integrationsnetzwerk, als elektrody‐ namische Geschwindigkeitsaufnehmer oder als interferometrisch messender Lasersensor in der Laser-Doppler-Vibrometrie. Letztere kann sowohl für berührungslose punktuelle Messungen (siehe Bild 2.26) wie auch zum Scannen ganzer Strukturen dienen. Bild 2.26: Axiale Schwingungsmessungen mit Laser-Doppler-System Anmerkung: Das gleiche Verfahren wird in der Laser-Doppler Anemometrie zur Geschwin‐ digkeitsmessung in Fluiden eingesetzt. 209 2.3 Aufnehmer <?page no="210"?> Sensorprinzip Messgröße Anmerkung Mikrofon Luftschall MEMS Piezoelektrisch Körperschall wie Beschleunigungsaufnehmer Laserbasiert Luftschall Dopplereffekt Optisch Luftschall Fabry-Perot Interferometer Tabelle 2.10: Aufnehmer für Ultraschall Beschleunigungsaufnehmer mit Integrationsnetzwerk Bei diesen Aufnehmern handelt es sich um IEPE-Aufnehmer, wobei im Vorverstärker zusätzlich noch ein elektronisches Integrationsnetzwerk enthalten ist. Elektrodynamische Geschwindigkeitsaufnehmer Der Aufnehmer besteht aus zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, einer Spule mit einem beweglichen Permanentmagnetkern. Bei Relativbewegung wird in der Spule eine geschwindig‐ keitsproportionale elektrische Spannung als Messsignal induziert. Der Aufnehmer kann auch als Inertialaufnehmer konfiguriert werden. Aufnehmer dieses Typs weisen gegenüber piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern einen deutlich geringeren Frequenzbereich auf und sind stark lageempfindlich. Sie werden meist angepasst an die Anforderungen für normgerechte Breitbandmessungen angeboten. 2.3.3.4 TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) TEDS ist ein elektronisches Datenblatt, welches in einem im Aufnehmer integrierten Datenspei‐ cher abgelegt werden kann. Von einem solchen Aufnehmer können dann alle Identifikationsdaten des Sensors, die Kalibrierdaten und weitere Sensordaten ausgelesen werden. Darüber hinaus können dort auch noch bestimmte Anwenderdaten abgelegt werden. Der Vorteil liegt in der Vereinfachung von Messaufbauten vor allem bei großen Kanalzahlen sowie in einer erhöhten Zuverlässigkeit, da die Sensoren automatisch identifiziert werden können. Viele Messsysteme verfügen über Sensoranschlüsse, die das Auslesen von TEDS erlauben. Anmerkung: Ein praktisches Beispiel - bei nicht plausiblen Messwerten lässt sich die Kalibrierung des Aufnehmers sofort überprüfen und nachvollziehen. TEDS ist in IEEE 1451.2 und IEEE 1451.5 beschrieben. 2.3.4 Ultraschall Zur Erfassung von Ultraschall werden sowohl piezoelektrische Aufnehmer, laserbasierte Ultra‐ schallmikrofone, optische Interferometer und neuerdings auch MEMS-basierte Schwingungssen‐ soren eingesetzt. Eine Zusammenstellung der verschiedenen Aufnehmertypen zeigt Tabelle 2.10. Ultraschallmikrofone werden meist als Bestandteil von vollständigen Prüfsets angeboten. Ein komplettes Set für mobile Ultraschalluntersuchungen mit allem erforderlichen Zubehör ist in Bild 2.27 zu sehen. 210 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="211"?> Bild 2.27: Ultraschall-Prüfset für mobilen Einsatz Eine sehr interessante und vielfältige Anwendung ist die akustische Ultraschallkamera von Bild 2.28, links als mobiles Gerät und im rechten Teilbild in einer online Version. Diese mobile Einheit dient zur Erkennung von Teilentladungen in elektrischen Anlagen, zum Aufspüren von Koronaentladungen sowie zum schnellen und zielsicheren Auffinden von Leckagen. Über ein Mikrofonarray bestehend aus einer Vielzahl von MEMS-Mikrofonen in spezieller Anordnung wird das Schallfeld in einem Frequenzbereich von 2 - 100 kHz erfasst. Bild 2.28: Akustische Ultraschallkamera - mobiles Gerät und Online-Version In Hochspannungsanlagen können damit Entladungen aus einer Entfernung von bis zu 120 m erkannt werden, wobei nicht einmal eine direkte Sichtverbindung erforderlich ist, also auch ohne Öffnen von Schaltschränken oder Unterverteilern (zusätzlich auch ein ganz wesentlicher Sicherheitsaspekt). Bei der Lecksuche werden lokale Maxima in Schallfeld, wie sie durch Aus‐ strömgeräusche entstehen, am Display dem Bild des Assets punktgenau überlagert und damit unmittelbar lokalisierbar (man spricht dabei von sogenannten Hot Spots). Vielfach ist zusätzlich eine quantitative Erfassung der Leckage möglich, zum Beispiel in Litern/ Minute. Optische Ultraschallaufnehmer arbeiten als Fabry-Pérot Interferometer. In einem aus zwei halbdurchlässigen Spiegeln aufgebauten optischen Resonator wird als Sensoreffekt die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften eines Gases vom Druck, genauer gesagt von den Druckschwankungen eingesetzt. Da solche Aufnehmer keine bewegten Teile aufweisen, arbeiten sie in einem sehr hohen Frequenzbereich (bis in die Größenordnung von 1 MHz). Körper-Ultraschall spielt in der Wälzlagerdiagnose eine bedeutsame Rolle. Die Stoßimpuls‐ methode (SPM-Methode) zur Wälzlagerdiagnose, die bei etwa 36 kHz arbeitet, beruht zum Beispiel auf diesem Effekt. Auch andere am Markt verfügbare Ultraschall-Prüfsets arbeiten auf der Basis 211 2.3 Aufnehmer <?page no="212"?> Messprinzip Messgröße Anmerkung Dehnungsmesstreifen Drehmoment Oberflächendehnung Magnetisch Drehwinkel Permanent magnetisierte oder ferromagnetische Struktur Inkremental Zebratape lichtoptisch Interferometer, Stroboskop Seismisch Tangentialbeschleunigung Tabelle 2.11: Methoden zur Drehschwingungsmessung von hochfrequentem Körperschall. Dabei muss man der Ankopplung des Aufnehmers an das Messobjekt besondere Aufmerksamkeit widmen, da die Wellenlängen von Oberflächenwellen im Ultraschallbereich kleiner sind als die üblichen Aufnehmerabmessungen. Definierte Koppel‐ bedingungen sind mit Tastspitzen oder über Kontaktmedien (Gele) erzielbar. 2.3.5 Schallemissionsaufnehmer Schallemissionsaufnehmer arbeiten nach dem piezoelektrischen Prinzip, die für den hohen Frequenzbereich oberhalb 100 kHz ausgelegt sind. Sie erfordern besondere Montagemethoden, vor allem wegen der im Vergleich zu den Aufnehmerabmessungen jetzt sehr kleinen Wellenlängen des Ultraschalls in diesem Frequenzbereich. Der mechanische Kontakt kann entweder punktför‐ mig über eine Halbkugelkalotte an der Aufnehmerbasis oder flächig über ein Kontaktmedium (Kontaktgel) erfolgen. Bei flächiger Montage ist darauf zu achten, die Signalverluste durch Reflexionen an Trennflä‐ chen zu minimieren. Dies erfolgt durch kraftschlüssige Methoden über Magnete oder Kleben. Sofern möglich, sollte die Kopplung durch ein Kontaktgel verbessert werden. 2.3.6 Erfassung von Drehschwingungen Mechanische Drehschwingungen lassen sich in rotierenden Maschinen quantitativ am genau‐ esten über die Messung des mechanischen dynamischen Drehmoments an den Stellen hoher Beanspruchung erfassen. Geeignet ist auch die Erfassung von Drehwinkeln. Wegen der teilweise übergreifenden Messtechnik wird die Methodik hier zusammengefasst. Eine Aufstellung der üblichen Methoden zur Drehschwingungsmessung bringt Tabelle 2.11. 2.3.6.1 Drehschwingungsmessung mit DMS Bei dieser Methode wird das übertragene Drehmoment über die Oberflächendehnung an einer Welle mit Dehnmessstreifen gemessen. Aus den Dehnungen kann bei bekannten geometrischen und technologischen Daten der Welle das Drehmoment in Nm quantitativ ermittelt werden. Die Messanordnung ist in Bild 2.29 zu sehen. 212 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="213"?> Bild 2.30: Drehschwingungsmessung mit Zebratapes Bild 2.29: Drehschwingungsmessung mit Dehnmessstreifen Dehnmessstreifen wurden in Abschnitt 2.1.3.5 beschrieben. Die DMS sind bei Drehmomentmes‐ sungen mit ihrer Messrichtung um 45° gegen die Achsenrichtung versetzt zu montieren. Zur Kompensation von Biegeschwingungen, Längsdehnungen und Temperatureinflüssen verwendet man vier DMS in Vollbrückenschaltung wie in Bild 2.29 gezeigt. Speisung der DMS und Übertragung der Messsignale erfolgen in der Regel drahtlos auf induktivem Weg oder über Funk. 2.3.6.2 Inkrementelle Drehschwingungsmessung Drehschwingungsmessungen können auch über die Erfassung regelmäßig über den Umfang ver‐ teilter Strukturen mit induktiven Aufnehmern erfolgen, zum Beispiel Zähne eines Zahnrads. Eine weitere Möglichkeit zur Drehschwingungsmessung bietet die optische Abtastung sogenannter Zebratapes, das sind selbstklebende Streifenbänder mit sehr exakter schwarz/ weiß Teilung. Eine Anordnung von zwei axial versetzten Tapes zur Drehwinkelmessung an einer Kupplung zeigt Bild 2.30. Bänder dieser Art werden im Fachhandel angeboten, ebenso Software zur Kompensation von Stoßstellenfehlern. 2.3.6.3 Lichtoptische Drehschwingungsmessung An hochelastischen Kupplungen lässt sich die torsionale Verformung zufolge des übertragenen Drehmoments auch stroboskopisch erfassen, wie in Bild 2.31 gezeigt. Dort wer‐ den zusätzlich beidseitig einer hochelastischen Kupplung die Drehimpulsfolgen hochaufgelöst gemessen und entsprechend mathematisch zur Drehschwingungsauswertung nachverar‐ beitet. 213 2.3 Aufnehmer <?page no="214"?> Bild 2.31: Stroboskopische und inkrementale Drehschwingungsmessung 2.3.6.4 Seismische Drehschwingungsmessung Drehschwingungen lassen sich auch durch seismische Beschleunigungsaufnehmer zur Messung der Tangentialbeschleunigung an Rotorelementen messen, das Messsignal ist drahtlos von der Welle zu übertragen. Probleme könnte hier die starke Zentripetalbeschleunigung bereiten, die für den Aufnehmer als Querbeschleunigung wirkt. 2.3.7 Digitale Messwertaufnehmer Besonders bei MEMS-Aufnehmern bietet sich die Integration einer digitalen Eingangslogik in den Sensor an, die beide auf demselben Chip in Siliziumtechnik aufgebaut sind. Der Sensor ist ein seismisches System in Miniaturausführung und arbeitet vorwiegend auf kapazitiver Basis. Die digitale Logik kann neben der Analog/ Digital-Wandlung auch verschiedene Berechnungen und Auswertungen in Echtzeit durchführen, so dass man mit dieser Technik einen digitalen Messwertaufnehmer erhält. Die Logikschaltung kann als ASIC (mit fester Funktionalität) oder über einen Mikrocontroller erstellt werden. Eine besonders flexible konfigurierbare und program‐ mierbare Variante ist das FPGA. Ein Field Programmable Gate Array, kurz FPGA, ist ein integrierter Schaltkreis mit digitalen Logikelementen (Gattern), die über externe Programmierung vor Ort (im Feld) zu anwendungs‐ spezifischen digitalen Funktionsblöcken, zum Beispiel digitalen Filtern oder schnellen Alarmmel‐ dern verschaltet werden können (Bild 2.32). 214 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="215"?> 24 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language Bild 2.32: Schema eines FPGA Anders als bei der Programmierung von Computern oder Steuerungen bezieht sich hier der Begriff Programmierung nicht auf die Realisierung zeitlicher Abläufe, sondern auf die Erstellung einer Schaltungsstruktur. Diese wird über eine eigene Hardwarebeschreibungssprache VHDL 24 definiert. FPGAs arbeiten wegen ihrer direkten Schaltfunktion sehr schnell und sind bestens geeignet für Echtzeitanwendungen. Wegen ihrer Schnelligkeit werden sie bevorzugt unmittelbar im Sen‐ sorkreis eingesetzt und sind vor allem in Zusammenhang mit der MEMS-Technologie interessant. In Mehrkanalsystemen können über VHDL auch hochgenaue synchrone Parallelsysteme mit Echtzeitverhalten realisiert werden, zum Beispiel für Notabschaltungen in hochkritischen Systemen. 2.3.8 Intelligente Sensorik Eine logische Weiterentwicklung geht in Richtung intelligente Nachverarbeitung durch Integra‐ tion weiterer Informationstechnologien. Zielsetzung ist insbesondere, Sensoren netzwerkfähig und plattformunabhängig zu machen. Ergänzend dazu, vor allem für den Einsatz in IoT und IIoT, ist derzeit ein ISO IEC Standard für Single-Pair-Internet (SPE) im Entstehen. Dadurch können Sensoren sogar zu aktiven Netzwerk‐ komponenten, die Daten, je nach Anforderungen, in einem festgelegten Takt oder überhaupt nur bei Auffälligkeiten wie Grenzwertüberschreitungen liefern. Die Daten selbst werden dann als echte Messwerte einschließlich Einheiten geliefert. Die sehr aufwändige generische Auslegung analoger Eingangsstufen für diverse Sensorarten kann damit entfallen. Eine direkte Einbindung zum Beispiel an übliche Apps oder gleich in die Cloud wird möglich. Anmerkung - wieder einmal historisch: Durch Massenanwendungen können sehr kom‐ plexe Systeme solcher oder ähnlicher Art sehr schnell auch für andere Anwendungen mit hoher Qualität und kostengünstig zur Verfügung stehen. Als Beispiel sei hier der 24 Bit ADC genannt, ein Bauteil mit enormer Auflösung, welches weitgehend aus den Anforderungen 215 2.3 Aufnehmer <?page no="216"?> Bild 2.33: Screening Schwingungssensor der Konsumelektronik entwickelt wurde. Heute erübrigt er die Ausstattung von Messgeräten mit aufwändigen Bereichsumschaltungen über mechanische Messbereichsumschalter, die früher oft entscheidendes Qualitätsmerkmal der Messgeräte waren. 2.3.8.1 Smart-Sensoren Bei Smart-Sensoren (zu Deutsch intelligenter Sensor) ist neben der eigentlichen Messgrößenerfas‐ sung und Digitalisierung auch die Signalaufbereitung, Signalverarbeitung und Signalweiterlei‐ tung in einem Gehäuse integriert. Solche Sensoren beinhalten zusätzliche leistungsfähige digitale Komponenten wie Mikropro‐ zessor, Mikrocontroller, DSP und weitere komplexe Logikeinheiten. Damit wird bereits auf Sensorebene Software als Firmware integriert. Eine Echtzeitkommunikation wird mit übergeord‐ neten Systemen möglich, wenn geeignete Schnittstellen existieren, egal ob Leitungsgebunden, optisch oder induktiv oder über aktive Funktechniken. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der integrierten Nachverarbeitung ist die starke Reduk‐ tion der zu übertragenden Datenmengen, was zu einer deutlichen Entlastung der Datennetze führt. Und smarte Sensoren lassen sich im Automatisierungssystem relativ schnell austauschen, neu anmelden und auf Basis der letzten zwischengespeicherten Daten konfigurieren. Bild 2.33 zeigt den Fluke 3562 Screening Schwingungssensor. Seine Besonderheit besteht darin, dass er batterielos misst, mittels FFT automatisch die 9 dominierenden spektralen Schwingge‐ schwindigkeitskomponenten berechnet und die Werte mit einem speziellen energiesparenden Protokoll über eine IIoT-Plattform Accelix® zur Cloud überträgt, wo die Ergebnisse direkt über emaint® dokumentiert und visualisiert werden. 2.3.8.2 Softsensor Softsensoren verarbeiten mehrere software‐ seitig verfügbare Messgrößen zu einer einzi‐ gen Zielgröße oder sind sogar in der Lage, nicht direkt zu messende Parameter abzu‐ schätzen. Damit sind sie eine Vorstufe, wenn nicht sogar bereits eine Variante multivariater Datenverarbeitung. Anmerkung: Multivariate Systeme werden in späteren Abschnitten noch behandelt. 2.4 Aufnehmermontage, Aufnehmer-Eigenfrequenz Speziell Beschleunigungsaufnehmer haben eine ganze Reihe hervorragender Eigenschaften: Sowohl einen hohen Frequenzbereich wie auch einen großen Dynamikbereich. Allerdings - durch eine schlechte Montage des Aufnehmers am Messobjekt können diese guten Eigenschaften schnell verloren gehen. In der Anwendung ist aus physikalischer Sicht nämlich nicht der Aufnehmer allein für sich, sondern immer in Verbindung mit dem Messobjekt zu betrach‐ ten. Entsteht bei der Montage ein Kippeln oder eine nachgiebige elastische Zwischenschicht, so wird die Eigenfrequenz des kombinierten Systems Aufnehmer-Zwischenschicht-Objekt erheblich 216 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="217"?> Montage Parameter Fehler Messort nicht reproduzierbar Keine Vergleichbarkeit ungewöhnliche Richtung Reduzierte Beurteilung quellenfern Schlechte Signalqualität Montage mangelnde Steifigkeit Reduzierter Frequenzbereich ungeschützte Einrichtung Gefahr von Beschädigung klaffende Kontaktfläche Messfehler (Skislope) Elektrische geerdeter Aufnehmer Leitende Montage Erdschleifen Tabelle 2.12: Fehlerquellen bei der Aufnehmermontage reduziert und damit zugleich der messbare Frequenzbereich. Wie sich für die gesamte Messkette der resultierende Frequenz- und Dynamikbereich zusammensetzt, ist in Bild 2.34 skizziert. Bild 2.34: Einflüsse der Messkette auf das Messergebnis Nachlässige Montage kann aber auch Skislope-Effekte nach sich ziehen (das wird in Abschnitt 2.12.5 bei der Datenqualität noch behandelt). Der Inhalt dieses Abschnitts ist in Tabelle 2.12 kurz zusammengefasst. 2.4.1 Positionierung der Aufnehmer Beschleunigungsaufnehmer sollten möglichst nahe zur Schwingungsquelle positioniert werden, sodass eine optimale Schwingungsübertragung von der Quelle zum Aufnehmer gewährleistet ist. Vorzugsweise möglichst dort, wo die Kräfte und die damit verbundenen Schwingung direkt in die Konstruktion des Gehäuses eingeleitet werden. Bild 2.35 zeigt dazu einige Skizzen. Dünnwandige Gehäuseteile oder Deckel sind als Messorte für quantitative Messungen nicht geeignet, da auf solchen Teilen leicht Verfälschungen durch Gehäuseresonanzen auftreten. 217 2.4 Aufnehmermontage, Aufnehmer-Eigenfrequenz <?page no="218"?> Bild 2.35: Optimale Positionierung von Beschleunigungsaufnehmern Vor allem bei größeren Maschinen sollten die auf die Welle bezogenen Messrichtungen ● radial horizontal (h), ● radial vertikal (v) und ● axial (a). möglichst eingehalten werden. Das vereinfacht oft Beurteilung und Vergleichbarkeit. Bei kleinen Maschinen und mobilen Messgeräten lässt sich durch den Einsatz triaxialer Beschleunigungsauf‐ nehmer Zeit und Aufwand einsparen. Ungenaue Positionierung kann bei mobilen vergleichenden Messungen eine große Fehlerquelle sein. Deshalb sollte man stationäre Montageelemente wie Montageplättchen etc. vorsehen, welche die Reproduzierbarkeit sicherstellen. Bei online-Installationen ist zu beachten, dass man die Beschleunigungsaufnehmer bevorzugt an vom Hersteller vorbereiteten Messorten positioniert. Feste Montageeinrichtungen sind gut zu kennzeichnen und gegen unbeabsichtigte Beschädigung, etwa bei anderen Wartungsarbeiten, zu schützen. 218 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="219"?> Bild 2.36: Montagemöglichkeiten und Einfluss der Ankopplung eines Beschleunigungsaufnehmers auf den erfass‐ baren Frequenzbereich 219 2.4 Aufnehmermontage, Aufnehmer-Eigenfrequenz <?page no="220"?> Montage Typischer Frequenzbereich Beurteilung Stiftschraube bei ebener Montagefläche ca. 0,1 Hz bis >20 kHz * (je nach Aufnehmertyp) optimal Klebung ca. 0,1 Hz bis >20 kHz sehr gut Bienenwachs ca. 1 bis 18 kHz sehr gut (nur bis 40°C) Permanentmagnet, stark ca. 0,1 Hz bis 10 kHz gut Taststift (Handsonde) < 1 kHz eingeschränkt * bei Schockaufnehmern mit wesentlich höherer Grenzfrequenz können durch solide Montage natürlich auch entsprechende höhere Frequenzbereiche abgedeckt werden. Tabelle 2.13: Montagemethoden für Beschleunigungsaufnehmer Bild 2.37: Magnetfuß für gekrümmte Oberflächen 2.4.2 Montage von Beschleunigungsaufnehmern In Tabelle 2.13 sind für einige Montagevarianten Erfahrungswerte für die nutzbaren Frequenzbe‐ reiche von Beschleunigungsaufnehmer eingetragen. Dazu zeigt Bild 2.36 entsprechende Techni‐ ken und quantitative Angaben über den Einfluss diverser Montagemethoden für einen typischen Beschleunigungsaufnehmer. Genauere Angaben und nutzbare Frequenzbereiche findet man in den Herstellerdokumentationen. Zur Montage von Aufnehmern auf stark gekrümmten Oberflächen sind entweder mechanische Vorbereitungen oder spezielle Adapter erforderlich. Bild 2.37 zeigt für mobile Messungen eine bewährte Ausführung mit mittig verstellbarem Magnetfuß. Bei online Installationen ist zu entscheiden, ob axiale oder seitliche Steckverbindungen am Aufnehmer sinnvoll sind, oder ob man Beschleunigungsaufnehmer mit integriertem An‐ schlusskabel vorzieht. Bezüglich Kabelausführung sind ther‐ mische und chemische Verträglichkeit zu beachten. Hingewie‐ sen sei an dieser Stelle auf kabellose Wireless Sensoren, die allerdings geeignete intelligente Versorgungs- und Daten‐ übertragungskonzepte erfordern. 2.4.3 Querempfindlichkeit Infolge von Abweichungen der Hauptachse des Kristalls (piezoelektrisches Element) können Beschleunigungsaufnehmer mehr oder weniger hinsichtlich Querschwingungen empfindlich sein. Es gibt Aufnehmer am Markt, wo deshalb die Richtung minimaler Querempfindlichkeit am Aufnehmer durch einen Farbpunkt markiert ist, siehe Bild 2.38. 220 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="221"?> 25 Abtasten = Sampling (engl.), daher das übliche Symbol f s für die Abtastfrequenz. Bild 2.38: Querempfindlichkeit eines Beschleunigungsaufnehmers Bei triaxialen Beschleunigungssensoren ist die Querempfindlichkeit ein entscheidendes Quali‐ tätskriterium, damit eine korrekte Trennung der richtungsabhängigen Beschleunigungskompo‐ nenten gewährleistet ist. Hier ist eine eindeutige und klar erkennbare Richtungskennzeichnung der Messrichtungen notwendig und zu beachten. 2.5 Maximalfrequenz und Messzeit Wie schon mehrfach ausgeführt, ist die spektrale Signalanalyse Basis nahezu jeder Schwingungs‐ analyse. Da der interessante Frequenzbereich für Schwingungsanalysen sehr hoch sein kann, müssen auch die Messgeräte und Analysatoren einen hinreichend weiten Frequenzbereich abdecken. In modernen Geräten kommt meist die FFT-Analyse zum Einsatz, weshalb die Ausführungen dieses Abschnitts auf dieses Verfahren fokussiert sind. Die Darstellungen dieses Abschnitts beschränken sich lediglich auf die grundlegenden Ein‐ stellungen des Messgeräts. Speziell gilt das für die obere Grenzfrequenz, für welche ja schon aufnehmerseitig eine Limitierung vorgegeben ist. Der FFT-Prozess selbst wird an späterer Stelle noch eigens behandelt (Abschnitt 3.4). 2.5.1 Bandbreite und Blocklänge Im FFT-Analysator wird eine blockweise Signalverarbeitung durchgeführt, d. h. es wird ein Zeit‐ signalblock der Länge T gespeichert und in ein Spektrum der Bandbreite Δf transformiert. Das Zeitsignal wird zunächst diskretisiert, das heißt, es werden im Rhythmus einer Abtastfrequenz f s bzw. in regelmäßigen Zeitintervallen Δf Proben entnommen 25 . 221 2.5 Maximalfrequenz und Messzeit <?page no="222"?> Dyade n Zeitsignal (Länge T) Spektrum (Linienzahl L) Blockgröße N (Abtastwerte) Frequenzstützstellen (Linien) 15 32768 12800 16 65536 25600 17 131072 51200 18 262144 102400 Anmerkung: Die Stufung von Blockgröße und Linienzahl nach Werten von 2 n rührt vom klassischen FFT-Algorithmus her. Tabelle 2.14: Typische FFT-Konstellationen (2.4) (2.5) Aus Blocklänge T und Abtastfrequenz f s erhält man N Abtastwerte für einen Block, was nach der Transformation N/ 2 spektrale Werte (Frequenzstützstellen) ergibt. Wegen des vor jeder Diskretisierung notwendigen Antialiasingfilters (Bild 2.39) ist jedoch nur eine reduzierte Anzahl dieser Frequenzstützstellen verwertbar. Typische Konstellationen zeigt Tabelle 2.14, die Reduktion der Frequenzstützstellen ist zur Erklärung auch in Bild 2.39 eingetragen. Sie entsteht infolge der endlichen Steilheit der Filterflanke zur sicheren Vermeidung von Aliasing. Zur Einstellung des FFT-Analysators ist zunächst der Frequenzbereich passend zu wählen. Er ergibt sich aus den Betriebsparametern (Drehzahlen) und den daraus abzuleitenden Arbeitsfre‐ quenzen. Danach ist die obere Grenzfrequenz f max am FFT-Analysator mindestens einzustellen. Die Frequenzauflösung Δf im Spektrum ergibt sich als Quotient von Maximalfrequenz f max und Linienzahl L nach Tabelle 2.14. Sofern am FFT-Analysator eine wählbare Linienzahl zur Verfügung steht, kann die Frequenzauflösung Δf darüber noch variiert werden. Da der FFT-Algorithmus implizit auf einer periodischen Fortsetzung des Zeitsignalblocks T beruht, also einem Ersatzsignal mit der Periodendauer T, gilt für den Zusammenhang zwischen Blocklänge und Frequenzauflösung die Beziehung Δf = B = 1 T Für die Frequenzauflösung wurde dabei die Bandbreite B eingeführt. Man erhält daraus unmit‐ telbar die Beziehung B × T = 1 Diese Beziehung wird auch als Unschärferelation der Frequenzanalyse bezeichnet. Sie ist eine der wichtigsten grundlegenden Beziehungen auf diesem Gebiet. In Worten besagt sie, dass für eine Messung (Analyse) mit einer Bandbreite B mindestens eine Messzeit von 1/ B erforderlich ist. Anmerkung: Die quantitativ identische Unschärferelation entsteht bei Filtern (analog wie digital) durch das endliche Einschwingverhalten. 222 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="223"?> (2.6) Auflösung Δf 10 Hz 1 Hz 0,1 Hz 0,01 Hz 0,001 Hz Messzeit T 0,1 s 1 s 10 s 100 s 1000 s Tabelle 2.15: Frequenzauflösung und Messzeit beim FFT-Analysator Bild 2.39: Antialiasingfilter Für die systematische Wahl der Analyseparameter ergibt sich also folgende Vorgangsweise: ● Wahl der Maximalfrequenz f max ● Auswahl der Linienzahl L (wenn verfügbar) Daraus ergeben sich folgende Analyseparameter: Frequenzauflösung: Δf = f max / L Blocklänge (Messzeit): T = 1/ Δf Tabelle 2.15 zeigt dazu einige Eckdaten. Anmerkung: Man kann daraus entnehmen, dass eine übergenaue Frequenzanalyse mit hoher Frequenzauflösung sehr schnell zu unrealistisch großen Messzeiten führt. So führt etwa eine sehr enge Bandbreite von 1/ 1000 Hz zu einer Messzeit von 1000 Sekunden (was auch die Frage aufwirft, ob die Drehzahl der Maschine in diesem Zeitraum überhaupt entsprechend stabil bleibt). 2.5.2 ZOOM-FFT Grundsätzlich liefert die einfache FFT immer ein Spektrum in einem Frequenzbereich von 0 bis f max , das sogenannte Basisbandspektrum. Durch die Wahl von f max und durch die Linienzahl des FFT-Analysators wird die Bandbreite (Auflösung) der Analyse bestimmt, wie im vorigen Abschnitt ausgeführt. Reicht die Frequenzauflösung im Basisbandspektrum für eine genaue Analyse nicht aus, hilft eine sogenannte ZOOM-FFT oder Frequenzlupenanalyse, die eine Frequenzanalyse zwischen zwei beliebigen (positiven) Frequenzen f 1 und f 2 bei gleichbleibender Linienzahl L liefert. Das Schema ist in Bild 2.40 zu sehen. 223 2.5 Maximalfrequenz und Messzeit <?page no="224"?> (2.7) (2.8) Bild 2.40: Basisbandspektrum und ZOOM-Spektrum Anmerkung: Auch im ZOOM-Spektrum wird die Messzeit T nach wie vor durch die Frequenzauflösung Δf bestimmt, es gilt also: Δf = fmax L T = 1 Δf = L fmax Basisbandspektrum Δf = f2 − f1 L T = 1 Δf = L f2 − f1 ZOOM-Spektrum 2.6 Konventionen für berührungslose Wegaufnehmer Berührungslose Wegaufnehmer spielen in der Maschinenschutzüberwachung und zunehmend auch bei der Zustandsüberwachung eine bedeutende Rolle. Bei einer ganzen Reihe von großen gleitgelagerten Maschinen und Anlagen sind solche Aufnehmer von Beginn an standardmäßig vorgesehen, also im Lieferzustand bereits eingebaut. Messung und Beurteilung sind überdies fast ausschließlich auf Normen basiert. Der Montage- und Installationsaufwand ist für solche Messeinrichtungen beträchtlich und hinsichtlich der Zuordnung der Messpunkte oft fehlerbehaftet. Aus diesem Grund wurden erfahrungsbasierte Konventionen definiert, um solche Zuordnungsfehler vermeiden zu können. Sie sind in Bild 2.41 grafisch veranschaulicht und sollten selbsterklärend sein. Diese Konventionen sind auch in API 670 genormt und gelten laut API unabhängig von der Drehrichtung. 224 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="225"?> Bild 2.41: Konventionen nach API 670 2.7 Triggerung In vielen Fällen - man kann ruhig sagen, meistens - wird das vom Aufnehmer gelieferte Messsignal freilaufend verarbeitet, d. h. in möglichst dichter Folge. Andererseits ist oft ein bezogen auf den Prozess definierter Zeitpunkt oder Zeitraum für die Analyse von Interesse oder überhaupt erst von Bedeutung. Das ist der Fall zum Beispiel ● für Messungen nach Betrag und Phase, ● zur gezielten messtechnischen Erfassung bestimmter Ereignisse, ● zur deckungsgleichen Erfassung regelmäßiger Ereignisse zwecks Zeitbereichsmittelung oder ● als Grundlage und Bezug für statistische Analysen. Für eine phasenrichtige Messung ist das schon aus der Definition ersichtlich. Zum zweiten Punkt wäre etwa das Anfahren einer Pumpe oder das Öffnen einer Einlassklappe zu nennen. Deckungsgleich wären aufeinanderfolgende Zündfolgen eines Verbrennungsmotors oder das damit verbundene Öffnen und Schließen der Ventile sowie Kolbenkippen. In all diesen Fällen ist eine Datenerfassung exakt zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einer bestimmten Prozessphase auszulösen extrem wichtig. Die Methodik einer solchen Auslösung nennt man Triggerung, der Auslösevorgang heißt Trigger. Ganz allgemein bedeutet Triggerung das definierte Auslösen einer Funktion. Bei der Datenerfassung wird sie ausgelöst durch ein Triggersignal. Das kann aber auch das Messsignal selbst sein oder daraus abgeleitete Kriterien. Durch die Triggerung wird ein Signalblock mit zeitlich genau definierter Lage relativ zum Trigger erfasst. 225 2.7 Triggerung <?page no="226"?> Anmerkung: Man spricht auch gelegentlich von Triggerung, wenn überhaupt nicht getrig‐ gert wird - das ist die sogenannte freilaufende Triggerung. 2.7.1 Methodik der Triggerung Es gibt verschiedene Methoden der Triggerung, abhängig von Signaleigenschaften und Ziel der Untersuchung. Oft wird das Auftreten eines Ereignisses direkt im Signal evident, der Zeitpunkt ist jedoch vielleicht dort nicht mit der erforderlichen Präzision ersichtlich. Der Keyphasor als Phasenreferenzgeber wurde bereits vorgestellt. Manchmal stehen geeignete Signale von der Maschinensteuerung zur Verfügung. Dementsprechend gibt es auch eine Reihe von verschiedenen Methoden zur Triggerung. 2.7.1.1 Freilaufende Triggerung Bei freilaufender Triggerung werden die Signalausschnitte ohne weitere Maßnahmen in unmit‐ telbarer Aufeinanderfolge erfasst und analysiert, wie in Bild 2.42 gezeigt. Kann die FFT für die einzelnen Blöcke synchron zur Triggerung ohne Datenverlust (ohne Lücken) ausgeführt werden, spricht man von Echtzeitanalyse. Bild 2.42: Freilaufende Triggerung Echtzeitanalyse Für eine Echtzeitanalyse müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: ● Die Daten müssen lückenlos erfasst sein. ● Zwischen Datenerfassung und Ergebnis der Auswertung muss ein definierter und auch garantierter Zeitraum liegen (zum Beispiel eine bestimmte Anzahl von Systemtakten); die dadurch auftretende, ebenfalls definierte Zeitverzögerung beeinträchtigt NICHT das Echtzeitverhalten. Inwieweit diese Bedingungen in voller Schärfe erfüllt werden (oder überhaupt erfüllt werden müssen), hängt von der Anwendung ab. So wäre ein Betriebssystem wie Windows grundsätzlich nicht voll echtzeitfähig, die Bedingungen könnten nur mittels Signalprozessor erreicht werden. Meist wird man sich wohl mit der lückenlosen Datenerfassung bei fortlaufender Analyse 226 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="227"?> begnügen (die Zeit zur FFT ist kürzer als die Länge des Signalblocks). Dementsprechend kann der Begriff Echtzeit etwas lockerer gehandhabt werden. Anmerkung: Bei großen Messanlagen, zum Beispiel Vielkanal-Ordertracking, treten solche Anforderungen jedoch durchaus auch in der Praxis zutage, weshalb sie hier erwähnt sind. Overlap Durch die Erfassung überlappender Zeitsignalblöcke, siehe Bild 2.43, kann die Kontinuität der fließenden Anzeige verbessert werden. Bei der FFT erhält man dadurch zusätzlich eine erhöhte statistische Sicherheit der Ergebnisse. Bild 2.43: Freilaufende Triggerung mit Overlap Anmerkung: Durch die Anwendung von Zeitfenstern wie Hanning und die dadurch entstehende Abschwächung des Zeitsignals entsteht ein Informationsverlust und als Folge eine reduzierte statistische Sicherheit der Ergebnisse. Durch überlappende Zeitfenster wird dieser Informationsverlust kompensiert. Bei Hanning ist die Kompensation bei einer Überlappung von 67 % vollständig (siehe Bild 2.43). Eine stärkere Überlappung bringt keine weitere Verbesserung in diesem Sinne, kann jedoch zur Glättung einer Bildschirmanzeige durchaus von Vorteil sein. Zeitfenster werden später, in Abschnitt 3.6, noch ausführlich behandelt - an dieser Stelle scheint jedoch zumindest dieser Hinweis angebracht. 2.7.1.2 Interne Triggerung Interne Triggerung wird durch bestimmte Signaleigenschaften ausgelöst, siehe Bild 2.44. In der Regel erfolgt die Auslösung bei Über- oder Unterschreiten eines definierten Signalpegels, dem Triggerpegel. Triggerpegel, Triggerflanke (positiv oder negativ) und Triggerverzögerung (positiv oder negativ) sind am Messgerät einstellbar. 227 2.7 Triggerung <?page no="228"?> Bild 2.44: Interne und externe Triggerung mit Triggerverzögerung Anmerkung: Um bei interner Triggerung mehrfaches Auslösen durch überlagertes Rau‐ schen zu unterdrücken, werden solche Trigger künstlich mit Hysterese oder Totzeit ergänzt. 2.7.1.3 Externe Triggerung Bei externer Triggerung erfolgt die Auslösung über ein eigenes Triggersignal, siehe Bild 2.44. Dies kann, wie im Bild angedeutet, über einen Keyphasor von der Welle abgeleitet werden. Mit Hilfe dieser Triggerung erfasste Signalblöcke sind synchron bezüglich der Winkellage des Rotors. Anmerkung: Eine nützliche Anwendung ist die Zeitbereichsmittelung. 2.7.1.4 Triggerverzögerung Zur gezielten Erfassung bestimmter Ereignisse wie zum Beispiel des Zündungsvorgangs in Kol‐ benmotoren kann eine vorauseilende oder nachlaufende Triggerverzögerung eingesetzt werden, wie in Bild 2.44 gezeigt. Dabei wird eine zeitliche Differenz zwischen Trigger und Signalerfassung definiert, zum Beispiel in Vielfachen der Blocklängen (Records). Die Verzögerung wird dann skaliert in Records after Triggerung (RAT). Das Eingangssignal durchläuft zunächst kontinuierlich den Eingangsspeicher (FIFO-Prinzip - First In/ First Out). Nach Auslösen des Triggers wird die gewählte Verzögerung abgewartet, der dann im Speicher gezielt vorhandene Signalausschnitt wird ausgewertet. Im Bild sind markante Werte von RAT skizziert. ● Bei RAT = 0,0 wird der Block unmittelbar vor dem Trigger analysiert. ● Bei RAT = 0,5 liegt der Trigger in Blockmitte. ● Bei RAT = 1,0 wird der Block unmittelbar nach dem Trigger analysiert. Bei größeren Werten kann die Verzögerung beliebig sein. 228 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="229"?> Anmerkung: Diese Methode ist nur eine von mehreren Möglichkeiten zur definierten Triggerverzögerung. 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms Dieser Abschnitt befasst sich mit der strukturierten Vorgangsweise zur Aufstellung eines Pro‐ gramms zur Zustandsüberwachung hinsichtlich Messablauf und Dokumentation. Hier wird, aufbauend auf den bisher erworbenen Kenntnissen die Struktur der Zustandsüberwachung festgelegt, also der Rahmen - eine wesentliche Voraussetzung für die letztendliche Umsetzung in Ablaufpläne. Als Hilfestellung kann die Norm DIN ISO 17359 dienen, in welcher allgemeine Konzepte vorgestellt werden und wo auch zahlreiche Mustervorlagen zur Dokumentation zu finden sind. Wichtigste vorzubereitende Punkte eines Condition Monitoring Programms sind: ● Analyse der Anlagenstruktur ● Dokumentation der Betriebsmittel ● Auswahl und Bewertung der zu überwachenden technischen Assets ● Priorisierung und Festlegen der Rangfolge ● Auswahl geeigneter CM-Methoden und Messparameter ● Konfiguration der Messsysteme ● Festlegen von Messrouten und Messhäufigkeiten ● Festlegen von zulässigen Grenzwerten und Handlungsschritten ● Festlegungen zur Dokumentation und zum Alarmmanagement ● Einschätzen von Risiken und von Auswirkungen bei Diagnosefehlern In der Zustandsüberwachung kommt allen diesen Punkten große Bedeutung zu. Messungen und Analysen werden über große Zeiträume durchgeführt, die Bewertung erfolgt weitgehend auf Vergleichsbasis. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass im Lauf der Zeit Messpersonal und vielleicht auch Messeinrichtungen wechseln bzw. erneuert werden. Eine sorgfältige und vollständige computergestützte Dokumentation ist daher Grundvoraussetzung, damit auch ältere Messergebnisse nachvollziehbar und vergleichbar bleiben. Die typischen Planungsschritte einer Condition Monitoring Programms werden nachfolgend am Beispiel eines einfachen Pumpenaggregats nach Bild 2.45 beispielhaft erläutert. Anmerkung: Die Anleitungen dieses Abschnitts beziehen sich vorwiegend auf Messablauf und Dokumentation. Die grundsätzliche Strategie zur Zustandsüberwachung sollte jedoch schon im Vorfeld erfolgt sein. Dieser Punkt wird erst in Abschnitt 4 behandelt. 2.8.1 Anlagenstruktur und Überwachungskonzept Bevor man beginnt, Vorgehensweisen für die Zustandsüberwachung zu definieren, sollte man im ersten Schritt eine Kritikalitätsanalyse ausführen und die zu überwachenden technischen Assets definieren und priorisieren. Die Priorisierung kann prozessbezogen, sicherheitsbezogen oder bezogen auf das technische Asset sein. Ein technisches Asset kann ein Objekt, eine Anlage, ein Aggregat, eine Antriebs- oder eine Arbeitsmaschine, eine Baugruppe, eine Komponente oder auch nur ein betriebskritisches Bauteil sein. Des Weiteren kann ein Objekt sich aus mehreren Objekten 229 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms <?page no="230"?> Bild 2.45: Schema eines Pumpenaggregats Pumpenaggregat Antrieb Elektromotor Asynchronmaschine, 1485 min -1 , 15 kW, wälzgelagert Kopplungselemente Kupplungstyp Doppelmembrankupplung Anbindung Prozessseite Kompensator im Auslauf Lastmaschine Kreiselpumpe Fluid horizontal fliegend, stationäre Betriebsweise, 6 Schaufeln Prozess und Medien Pulsierend, Fluid druckgeregelt Rohrleitung Stahl DN 150/ 600 Rohrleitungsführung an Gebäude angepasst Installation und Aufstellung Antriebsmaschine einfach elastisch Lastmaschine starr Tabelle 2.16: Beschreibung eines Aggregats zusammensetzen, die miteinander in Funktion stehen oder sich sogar gegenseitig benötigen. Deshalb ist im nächsten Schritt zu erarbeiten, welche Objekte eine übergeordnete Funktion, welche Objekte eine untergeordnete Funktion und welche Objekte funktionell nur unterstützend sind. Dazu muss man das stationäre und instationäre Betriebs- und Funktionsverhalten der jeweiligen Assets kennen, mögliche Störungen verstehen und mit technischem oder sogar mit ingenieurtechnischem Sachverstand bewerten. Als Musterbeispiel für eine Asset-Analyse wird nachfolgend ein einfaches Kreiselpumpenag‐ gregat nach Bild 2.45 zugrunde gelegt. Dieses Aggregat besteht aus mehreren Komponenten, im gegebenen Beispiel aus ● Antriebsmaschine (Kraftmaschine), ● Übertragungselemente, ● Lastmaschine/ Arbeitsmaschine, ● Prozess und Medium, ● Rohrleitungen, ● Grundrahmen und Fundamentierung. Vorbereitende Aufgabe für eine spätere Schwingungsanalyse ist es, bereits im Vorfeld abzuklären, welche Art von Maschinenkom‐ ponenten im Einsatz sind und unter welchen Prozessbedingungen produziert wird. Über‐ blickshafte Beschreibungen, wie sie in Tabelle 2.16 zusammengestellt sind, sollten deshalb stets Bestandteil von Condition Monitoring Programmen, insbesondere bei der Dokumen‐ tation sein. 230 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="231"?> Elektromotor Motordrehzahl konstant geregelt Nenndrehzahl Betriebsdrehzahlbereich n/ min n 1 / min bis n 2 / min Motortyp Drehstrom/ Gleichstrom Asynchronmotor/ Synchronmotor/ Reluktanzmotor/ Kurzschlussläufer/ Schleifringläufermotor/ Servomotor Nebenschluss-/ Reihenschlussmaschine Umrichtertyp PWM-, U-Umrichter, I-Umrichter Antriebsleistung P in kW Motorlager und Design Gleitlager/ Wälzlager und Typen Festlager/ Loslager/ Spiele Motorkühlung Lüfterrad auf der Welle Fremdkühlung Motorfundament und Einbaulage Betonfundament / elastische Unterbauten horizontal, vertikal, Position Motorfüße Tabelle 2.17: Strukturdaten des elektrischen Antriebs Kupplung Nicht lösbar drehstarr, axial beweglich Klauenkupplung Lamellenkupplung Drehstarr, gering beweglich Zahnkupplung Metallbalgkupplung dreh- und querelastisch Gummikupplung drehnachgiebig mit Schlupf Strömungskupplung knickbar Kardangelenk Lösbar Überlastschutz Magnetkupplung selbsttätiges Lösen Fliehkraftkupplung Freilaufkupplung Tabelle 2.18: Strukturdaten der Kupplung Für die einzelnen Komponenten sind dann die technischen Ausführungen und möglichst auch die Typenschilder zu dokumentieren. Für das angenommene Muster könnte dies beispielhaft nach den Vorgaben von Tabelle 2.17 bis Tabelle 2.20 oder über entsprechend vorbereitete Checklisten erfolgen. 231 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms <?page no="232"?> Kreiselpumpe Bauform Kreiselpumpe horizontal fliegend Kreiselpumpe doppeltgelagert 2 stufige Kreiselpumpe Verdrängerpumpe Lager Wälzlager Gleitlager Magnetlager Schmierung ölgeschmiert / fettgeschmiert Tabelle 2.19: Strukturdaten der Lastmaschine Fundament/ Rohrleitung/ Lagerung Aufbau Fundamentkonzept und Art der Montage Rohrleitungsgestaltung Art der Kompensatoren, Entkopplung, Dämpfer Aufstellung starr elastisch Tabelle 2.20: Strukturdaten zu Installation und Aufstellung Ergänzend sollten dann technische Daten, technische Zeichnungen, Hersteller, Bedienungs- und Wartungsvorschriften usw. zum jeweiligen Asset am besten im CMMS hinterlegt werden. Auch Betriebserfahrungen mit dem jeweiligen technischen Asset und im Leitsystem verfügbare Be‐ triebs- und Prozessdaten können bei der Vorbereitung des Programms zur Zustandsüberwachung hilfreich sein. 2.8.2 Auswahl der Maschinen Im Allgemeinen wird man über die Kritikalitätsbewertung schon eine Auswahl getroffen haben, welche Assets mit welcher Rangfolge in die Zustandsüberwachung einzubeziehen sind. Gesichts‐ punkte dafür sind ● Wichtigkeit (Schweregrad) und Kritikalität bezogen auf den Prozess, ● Sensitivität gegenüber Fehlern, ● Instandsetzbarkeit, ● Ausfallwahrscheinlichkeit, ● Mögliche Folge- und Kollateralschäden, ● Kostenkalkulation, ● Maschinenhistorie. 232 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="233"?> Hinsichtlich der Wichtigkeit kann man bestimmte Prioritäten setzen wie folgt ● Rang 1: Fehler beeinflussen unmittelbar die Produktion und führen zum Herunterfahren mehrerer Vorgänge oder Systeme. Da keine Redundanz existiert, müssen erkannte Probleme sofort behoben werden. Online-Überwachung ist zwingend erforderlich. ● Rang 2: Fehler führen zu Produktionseinschränkungen oder zum Herunterfahren einzelner Systeme. Diese Assets können auch redundant ausgeführt sein. Empfohlen sei eine online Überwachung oder ein mobiles diagnostisches Messen in kürzeren Abständen. Festgestellte Abweichungen oder Probleme sollten jedoch mit höherer Priorität abgearbeitet werden. ● Rang 3: Diese technischen Assets sind in der Regel redundant ausgeführt und ein Ausfall hat keine unmittelbaren Auswirkungen auf die Produktionskapazität. Dennoch stellen diese Assets einen gewissen Assetwert dar, welcher ein regelmäßiges mobiles Messen rechtfertigt. ● Rang 4 bekommen technische Assets, die schnell instandsetzbar oder ersetzbar sind. Hier ist eine Messung nicht erforderlich und es genügt eine zeitbasierte Instandhaltung oder ein Betreiben bis zum Ausfall. 2.8.3 Messpunkte 2.8.3.1 Auswahl der Messpunkte War in einem früheren Abschnitt die Frage beantwortet, wie die Aufnehmer zu montieren sind, liegt hier der Schwerpunkt mehr auf dem Was und Wo. Die Messpunkte sollten so gewählt werden, dass eine bestmögliche Zustandserfassung und Schadenserkennung sichergestellt werden. Die Lage der Messpunkte ist sorgfältig zu dokumen‐ tieren (Bezeichnung, Anbringen von Beschriftungen oder Schildern am Messpunkt), damit die Vergleichbarkeit der Messungen gesichert ist. Die Vergleichbarkeit kann durch feste Montageein‐ richtungen (fest montierte Montageplatten) verbessert werden. An schwer zugänglichen Stellen können auch fest montierte Aufnehmer mit Fernzugriff (Fernmessstellen) eingesetzt werden. Für die Auswahl der Messpunkte sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: ● Sicherheit ● Zugänglichkeit ● Hohe Empfindlichkeit gegenüber Zustandsänderungen (Fehlern) ● Geringe Empfindlichkeit gegenüber Störgrößen ● Gute Reproduzierbarkeit der Messungen ● Umgebungsbedingungen Für Schwingungsmessungen muss zunächst festgelegt werden, welche Messgröße erfasst werden soll. In Frage kommen bei rotierenden Maschinen ● die Schwingung am Maschinengehäuse in radial vertikaler (v), radial horizontaler (h) und in axialer Messrichtung (a), ● die Schwingung des Rotors relativ zum Gehäuse, ● die Wellenlage und Wellenverlagerung während des Betriebs relativ zum Gehäuse, ● die absoluten Wellenschwingungen. Die Aufnehmer sollten bei rotierenden Maschinen möglichst an den Lagerungen oder in unmit‐ telbarer Umgebung der Lager angeordnet werden. Die Hinweise von Abschnitt 2.4.1 sind zu 233 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms <?page no="234"?> Bild 2.46: Typische Schwingungsmesspunkte an einem vertikalen Pumpenaggregat beachten. Zu beachten sind ebenfalls Vorgaben der entsprechenden Richtlinien, Standards und Abnahmevorschriften. Insbesondere bei Messungen an vertikal montierten Maschinen ist grundsätzlich auch um 90 Grad versetzt zu messen und es sollten Messpunkte fotografisch dokumentiert werden. Bild 2.46 veranschaulicht die Bezeichnungen an einem solchen vertikalen Pumpenaggregat. 2.8.3.2 Messpunktbezeichnung Eine möglichst eindeutige Bezeichnung aller Messpunkte ist für eine Identifizierung wich‐ tig. Sie ist einerseits die Basis für die Durch‐ führung einer systematischen Zustandsüber‐ wachung und andererseits unerlässlich für das Auffinden und Identifizieren der richtigen Messpunkte, auch bei Wechsel des Personals von Messung zu Messung. Zur Weiterverar‐ beitung muss überdies ein eindeutiger Bezug zur Datenbank des Überwachungssystems si‐ chergestellt werden. Von besonderer Bedeu‐ tung sind solche Bezeichnungssysteme vor allem beim Flottenmanagement mit Fernüber‐ wachung. Des Weiteren wird die Notwendig‐ keit solcher Konventionen durch die zuneh‐ mende Automatisierung steigen. In diesem Abschnitt werden einige Kon‐ zepte vorgestellt, die sich im praktischen Ein‐ satz bewährt haben und teilweise auch stan‐ dardisiert sind. Ein universelles Bezeichnungsschema Ein einfaches, aber alltagstaugliches Schema, wie es im industriellen Bereich üblich ist, ist in Bild 2.47 zu sehen. Die Messpunkte werden in aufsteigender Folge in Richtung des Kraftflusses in der Anlage nummeriert, also beginnend mit Punkt 1 an der Antriebsmaschine und endend mit Punkt 8 an der Lastmaschine. Die Nummerierung wird von Komponente zu Komponente fortgeführt, also nicht immer wieder bei 1 neu begonnen. Parallele Komponenten werden der Reihe nach durchnummeriert, nach wie vor in aufsteigender Zahlenfolge. Zusätzlich zur Nummer wird die Messrichtung durch ein alphanumerisches Zeichen kodiert. Bei Wellenschwingungen in Anleh‐ nung an dieses Bild, bei Gehäuseschwingungen ergänzt man oft die Messrichtungsbezeichnungen v, h und a. Weitere Kurzcodes können vereinbart werden, müssen jedoch dokumentiert sein. Ergänzend zu einem solchen einfachen Bezeichnungsschemas nutzt man in der Anwendung gern zusätzlich klartextbeschreibende Bezeichnungen wie in dem zugehörig erstellten Daten‐ bankbaum. 234 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="235"?> Bild 2.47: Übliches Bezeichnungsschema mit erläuternden Bezeichnungen im Strukturbaum der DB Messpunktbezeichnungen nach MIMOSA MIMOSA (Machinery Information Management Open Systems Alliance) ist eine gemeinnützige Organisation zur Entwicklung und Pflege offener Informationsstandards für Betrieb und Instand‐ haltung in Industrie und Marine. Dort wurde schon vor mittlerweile einigen Jahrzehnten eine Konvention über Messpunktbezeichnungen vorgeschlagen, die sich jedoch nicht durchgesetzt hat. Sie wird hier dennoch kurz vorgestellt. Ein Beispiel für diese Kodierung ist in Bild 2.48 skizziert, weitere Erläuterungen bringt Tabelle 2.21 für einen Beschleunigungsaufnehmer an Messpunkt 7. Code PMPA007AC090RN bezeichnet einen Beschleunigungsaufnehmer auf Messpunkt 7 an Pumpe A. Bild 2.48: Messpunktkodierung nach MIMOSA 235 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms <?page no="236"?> Definition Länge Beispiel Kommentar Anforderung 1 1 Position 2 Komponentenname beliebig PmpA- Tabelle 3 M Andere Identifikation Pos1- Freier Text 2 Aufnehmertyp 2 AC Tabelle 2.23 O 3 Winkelorientierung 3 090 000 - 360 O 4 Orientierung der Aufnehmerachse 1 R radial O 5 Bewegungsrichtung / +1 Zeichen / N Tabelle3 O 1 M - mandatory (verpflichtend) O - optional C - conditional (bedingt) 2 muss von - gefolgt sein 3 durch weitere Tabellen im Dokument festgelegt Tabelle 2.22: Aufnehmerkennung nach IEC 61400-25-6 Code Zeichen Code Beispiel Komponente 4 PMPA Pumpe mit Welle A Messpunktnummer 3 007 Messpunkt 7 Aufnehmertyp 2 AC Beschleunigungsaufnehmer einachsig Winkellage 3 090 90° Lage der Messachse 1 R radial Bewegungsrichtung 1 N negativ Tabelle 2.21: Messpunktkodierung nach MIMOSA Bezeichnungsschema für Windenergieanlagen Ein Bezeichnungsschema speziell für Windenergieanlagen wurde in der Norm IEC 61400-25-6, “Wind turbines - Part 25-6: Communications for monitoring and control of wind power plants - Logical node classes and data classes for condition monitoring” festgelegt. Diese Norm ist ein sehr ausführliches Dokument betreffend die IT-Organisation zur digitalen Vernetzung von Windenergieanlagen. Die Konventionen zur Kodierung und Dokumentation von Messwertaufnehmern werden in Abschnitt 5.8 dieser Norm behandelt. Wird der gleiche Aufnehmer vom vorherigen MIMOSA Beispiel kodiert, lautet der Code PmpA-AC090R/ N. Die Tabellen 2.22 und 2.23 erlauben ein gewisses Nachvollziehen dieser Kodierung. Beim Condition Monitoring von Triebsträngen in WEA hat sich auch dieses Bezeichnungs‐ schema nicht durchgesetzt und Hersteller bzw. Anwender haben in Anlehnung an ISO Normen und DNV GL Richtlinien eigenen Bezeichnungen entwickelt und nach wie vor in der Anwendung. 236 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="237"?> Code Aufnehmertyp AC Beschleunigungsaufnehmer einachsig AV Beschleunigungsaufnehmer mit integrierter Integration AT Beschleunigungsaufnehmer dreiachsig … Tabelle 2.23: Abkürzungen für Aufnehmertypen (Auszug) Anmerkung: Die Norm DIN EN 61400-25-6 definiert Klassen logischer Knoten und Daten‐ klassen zur Kommunikation für die Überwachung und Steuerung von Windenergieanlagen. Die Kodierung der Messpunkte ist dabei eine Untermenge. 2.8.3.3 Messpunktausrüstung Für eine mobile Überwachung ist die Ausrüstung der Messpunkte im Hinblick auf reproduzierbare Messungen wichtig. Das beginnt bereits mit einer eindeutigen Bezeichnung an der Maschine, die das Wiederauffinden des richtigen Messpunkts von Messung zu Messung sicherstellt. Eine sehr sichere Methode zeigt Bild 2.49. Hier sind für Routenläufer Identifikation und Repro‐ duzierbarkeit in optimaler Weise sichergestellt. Dabei wird über einem am Objekt permanent montieren Messbolzen der Aufnehmer angekoppelt und über ein Bajonettsystem fixiert. Über einen Kodier-Ring am Messbolzen erkennt das zugehörige Messsystem sogar die Messstelle und nimmt im Datensammler automatisch die richtigen Einstellungen vor. Bild 2.49: Intelligente Montagevorrichtung VIBCODE ® 2.8.4 Erstellen eines Condition Monitoring Programms Nachdem Überwachungsstrategie, Auswahl von Messgrößen und Aufnehmern sowie Positionie‐ rung und Bezeichnung festgelegt wurden, ist ein Programm für die Zustandsüberwachung festzulegen. Für die Zustandsüberwachung sind Asset- und qualitätsbezogene Ziele und Methoden zu de‐ finieren. Diese Definitionen werden oft auf Erfahrungen, Prioritäten und Kritikalitäten beruhen. 237 2.8 Versuchsplanung - Entwicklung eines Programms <?page no="238"?> Ziel Methodik - Dynamischer Gesamtzustand Breitbandüberwachung DIN ISO 10816 DIN ISO 7919 DIN ISO 20816 und andere Unwucht Frequenzanalyse Ordnungsanalyse DIN ISO 21940-11 Restunwucht Wälzlager Frequenzanalyse Ordnungsanalyse Hüllkurvenanalyse Diagnose Lagerstörungen Schmierung Gleitlager Frequenzanalyse Ordnungsanalyse Diagnose Lagerstabilität Schmierung Ausrichtzustand Phasenanalysen an Rotoren Orbitmessungen an Rotoren Kupplungsvermessungen Diagnose Getriebe Frequenzanalyse Ordnungsanalyse Zeitbereichsanalysen Cepstrum Diagnose Getriebestörungen Lärm Elektrische Maschinen Frequenzanalyse Ordnungsanalyse Cepstrum Wicklungsfehler Tabelle 2.24: Allgemeine Zielsetzungen für die Zustandsüberwachung Für größere Anlagen sollten sie im Vorfeld entweder im Rahmen von ACR (Asset Criticality Ranking)-Analysen oder auf Basis von FMEA ermittelt worden sein. Für die betrachtete Maschine oder Anlage ist dann auf Grundlage dieser Definitionen ein Mess- und Auswerteprogramm zu erstellen, welches in der Folge routinemäßig durchzuführen ist. Eine zeitgemäße Software berücksichtigt dabei Perspektiven für die Administration, Konfiguration, Kommunikation, Maschinenvorlagen für die Analyse sowie für die Administration der Bericht‐ erstattung. Von Beginn an ist eine sorgfältige Dokumentation Grundlage jedes Überwachungsprogramms, damit bei jeder Messung nicht nur die Testprozeduren korrekt und vollständig ausgeführt, sondern auch sorgfältig dokumentiert werden. Zur Vorbereitung gehören nicht nur vordefinierte Arbeitsabweisungen, in welchen die durchzuführenden Arbeiten aufgeführt sind. Im Dialog mit der eingesetzten Software sind die ermittelten Daten einzutragen. Maschinenbezogene Vorlagen wie Kinematiktabellen, aus denen die Erreger für Lagerungen und Verzahnungen in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl abgelesen werden können, sollten hinterlegt sein. Auf diese Weise ist eine einwandfreie Komponentenzuordnung auch unter schwierigen Arbeitsbedingungen sicherzustellen. Condition Monitoring Programme und die Messdatenverwaltung werden über einen daten‐ bankgestützten Leitrechner verwaltet, der auch cloudbasiert sein kann. 238 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="239"?> 2.9 Testprozeduren Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit Routineaufgaben, die im Zuge des Tagesgeschäfts bei der regelmäßigen Zustandsüberwachung typischerweise anfallen. Sie sollen Inhalt eines Messpro‐ gramms sein, welches dem Messpersonal als Anleitung bei der Durchführung seiner Arbeit zur Verfügung steht. 2.9.1 Routinemessungen 2.9.1.1 Standard-Messroutinen Die Ausführungen dieses Abschnitts beschränken sich auf Routinemessungen mit einem mobilen Datensammler. Man geht davon aus, dass Referenzdaten und Messroutinen in einem Hostrechner abgelegt sind, meist auch zusammen mit der Messroute. Hinweise zur Einrichtung einer Daten‐ bank sowie zum Upload und Download der Daten folgen in Abschnitt 2.11. Vor Beginn der Messroute sind die Daten in den Datensammler zu laden. Danach ist die Messroute abzuarbeiten, nach Abschluss werden die Ergebnisse in den Hostrechner wieder hochgeladen. Die Messpunkte sollten sorgfältig für die Messung vorbereitet sein, um vergleichbare Ergeb‐ nisse sicherzustellen. Die Punkte sind deutlich zu markieren und zu bezeichnen. Die Kontaktflä‐ chen für die Aufnehmermontage sind entsprechend vorzubehandeln und gegen Beschädigung durch anderwärtige Arbeiten zu schützen, möglichst durch Abdeckung. Das gleiche gilt für fest montierte Montageplättchen oder für fest installierte Aufnehmer an schwer zugänglichen Stellen. 2.9.1.2 Plausibilitätskontrolle Während der Messung sind die Daten laufend auf Plausibilität zu prüfen. Dazu gehört das Erkennen von Messfehlern. Die Betriebsbedingungen (Drehzahl, Leistung etc.) sind während der Datenerfassung zu kontrollieren und gegebenenfalls im Datensammler zu dokumentieren. Die wichtigsten Kontrollpunkte sind in Tabelle 2.25 zusammengestellt. Anmerkung: Eine bekannte Fehlerquelle ist das Eintragen von Nennwerten anstelle von Istwerten in das Protokoll. 2.9.1.3 Grenzwertvergleich Oftmals sind im Zuge der Routenmessung die ermittelten Kennwerte mit vorgegebenen Grenz‐ werten zu vergleichen. Im Fall von Überschreitungen können zusätzliche Diagnosemessungen vor Ort nach Anleitung erforderlich sein; die notwendigen Anleitungen sind in der Konzeptphase zu definieren. 2.9.1.4 Mustererkennung Sofern bei der Messung Spektren oder dynamische Zeitsignale angezeigt werden, sollte vom Be‐ diener oder vom Datensammler eine erste Interpretation erfolgen. Typische Aktivitäten sind in Tabelle 2.26 zusammengestellt. 239 2.9 Testprozeduren <?page no="240"?> Kontrollpunkt Bemerkung Plausibilität Messergebnis sollte Erwartungen entsprechen Passende Betriebsbedingungen eingestellt Referenzbedingungen Richtiger Messpunkt gewählt Messpunktbezeichnung Messeinstellungen prüfen Aussteuerung Richtige Wahl der Messparameter Messzeit Mittelungsparameter Außergewöhnliche Ereignisse Protokollierung ev. Wiederholung der Messung Prüfung auf schlechte Datenqualität siehe Abschnitt 2.12 Vollständigkeit der Datenerfassung Protokoll Tabelle 2.25: Plausibilitätsprüfung Aktivität Beispiel Interpretation typischer spektraler Komponenten Drehzahl Vergleich der Istwerte mit historischen Werten Trend Korrelation mit sonstigen Beobachtungen Fremdgeräusche Leckagen Tabelle 2.26: Dateninterpretation 2.9.1.5 Sichtkontrolle Eine Sichtkontrolle ist begleitend zu den Messungen durchzuführen. Auffällige Beobachtungen sind ins Inspektionsprotokoll einzutragen und, falls möglich, im Datensammler abzuspeichern. Insbesondere ist auf Leckagen von Dichtungen und andere Undichtigkeiten zu achten. 2.9.1.6 Bilddokumentation Eine Ergänzung der Dokumentation durch aussagekräftige Fotos oder sogar Videos kann für spätere Aussagen hilfreich sein. Dabei sollten alle wichtigen Details der Maschine einwandfrei erkennbar und nicht durch Verschmutzung etc. verdeckt sein. 2.9.1.7 Kommunikation Es kann hilfreich sein, eine Kommunikationsmöglichkeit zwischen Messpersonal und Leitstelle einzurichten, zum Beispiel über Remotezugriff. Einige Datensammler sind dafür speziell einge‐ richtet. 240 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="241"?> Begriff Bedeutung Kalibrierung Messtechnische Feststellung der Abweichung eines Messgeräts vom Normalwert Kalibrieren umfasst keine Korrekturen Justierung Korrektur einer Abweichung vom Normalwert (zum Beispiel Nullpunkteinstellung) Eichung Amtliche, vom Gesetzgeber vorgeschriebene Kalibrierung Hier ist keine Korrektur durch Justieren zulässig TEDS Transducer Transducer Electronic Data Sheet (Abschnitt 2.3.3.4) Tabelle 2.27: Begriffe zur Qualitätssicherung von Messungen 2.9.2 Kalibrierung Regelmäßige Kalibrierung ist eine wichtige Grundlage aller Messungen. Sie stellt nicht nur die Gültigkeit und Genauigkeit einer Messung sicher, sie ist auch gleichzeitig die beste Funktionskon‐ trolle für die gesamte Messkette. Man unterscheidet dabei zwischen vergleichenden und absoluten Kalibrierverfahren. Einschlägige Arbeiten sind regelmäßig durchzuführen, die Prozeduren sind im Qualitätshandbuch zu beschreiben. Auf das integrierte elektronische Datenblatt TEDS sei in diesem Zusammenhang hingewiesen. Besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang Kenntnis und Anwendung einschlägiger Begriffe nach Tabelle 2.27. 2.9.2.1 Routinekalibrierung bei Schwingungsmessungen Eine Routinekalibrierung kann über einen batteriebetriebenen Kalibrator erfolgen, auf welchen der Schwingungsaufnehmer montiert und einem definierten Schwingungspegel ausgesetzt wird. Eine solche Kalibrierung ist gleichzeitig ein Funktionstest für die gesamte Messkette. Er be‐ schränkt sich bei einfachen Kalibratoren jedoch auf eine einzige Frequenz (siehe dazu Bild 1.24) und einen definierten Schwingungspegel (meist 10 m/ s²). Kalibratoren mit mehreren Frequenzen oder sogar durchstimmbare Kalibratoren sind am Markt verfügbar, jedoch relativ teuer. Wesentlich einfacher ist das Kalibrieren von MEMS-Beschleunigungssensoren, da sie sich auch mittels der Erdbeschleunigung kalibrieren lassen. DIN ISO 16063-16 beschreibt die betragsmäßige Kalibrierung des Übertragungskoeffizienten bei 0 Hz mit Bezug auf die örtlich vorliegende Erdbeschleunigung. Ähnliches gilt für Wellenschwingungssensoren. Hier wird auch nur bei 0 Hz statisch bezüglich der Abstände kalibriert. Bei Abweichungen müssen solche Sensoren ersetzt werden. Eine Kalibrierung über ein elektrisches Testsignal stellt nur die korrekte Einstellung der Messbereiche sicher, umfasst jedoch nicht die Funktion von Aufnehmer und Anschlusskabel (die sensibelsten Teile der Messkette). Der in Geräten wie in 2.3 integrierte Offsetabgleich und die sogenannte Kabelbrucherkennung ist ebenso keine Kalibrierung, sondern nur eine Maßnahme, um eine einwandfreie Messfunktionalität sicherzustellen. Eine Routinekalibrierung unmittelbar vor und nach jeder Messdurchführung ist bei der Zustandsüberwachung (bisher) gesetzlich nicht vorgeschrieben. Sie ist bei Schwingungsmessun‐ gen nur in der Akustik und bei Geräuschabnahmemessungen Pflicht. Auf jeden Fall sollten Routinekalibrierungen bei einem Verdacht möglicher Schädigungen ausgeführt werden, zum Beispiel nach Herabfallen eines Aufnehmers oder bei ungewöhnlichen Messergebnissen! 241 2.9 Testprozeduren <?page no="242"?> 2.9.2.2 Qualitätssicherung Zur ISO 9001 gerechten Qualitätssicherung sind Schwingungsmessgeräte regelmäßig zu kalibrieren. Diese Kalibrierungen müssen im Qualitätshandbuch der Firma beschrieben sein. Als Zeitraum werden bei Schwingungsmesstechnik Kalibrierungen spätestens nach zwei Jahren beim Hersteller oder in einem Kalibrierlabor empfohlen. Der Hersteller oder das Kalibrierlabor sind dann verantwortlich, dass eine metrologisch rückführbare Kalibrierung durch Vergleich mit einem rückführbaren Normal erfolgen kann. Zitat: Rückführbarkeit einer Kalibrierung ist nur dann erreicht, wenn alle bei der Kalibrierung eines Prüfmittels verwendeten Normale einen eindeutigen Bezug zu nationalen Normalen haben. Dazu müssen die verwendeten Normale entweder direkt mit den nationalen Normalen oder mit ihrerseits rückführbaren Normalen kalibriert und diese Kalibrierungen dokumentiert werden. So entsteht von jedem Prüfmittel eine ununterbrochene Kette (Rückführkette) zum zugehörigen nationalen Normal. Sind nationale Normale nicht verfügbar, können stattdessen auch internationale Normale, physikalische Naturkonstanten oder vorgegebene Prozeduren zur Verkörperung einer Größe verwendet werden. Nur durch die Rückführbarkeit sind eindeutige Messungen möglich, die auch international reproduzierbar bleiben. Die wesentlichen physikalischen Größen und Genauigkeitsklassen im Kalibrierzeugnis einer gesamten Messkette mit piezoelektrischem Beschleunigungsaufnehmer sind in Bild 2.50 zusam‐ mengefasst. Bild 2.50: Genauigkeitsklassen nach DIN ISO 13373 für die gesamte Messkette Zwei Ansichten von Kalibrierständen bei Fluke Deutschland GmbH sind in Bild 2.51 zu sehen. Im linken Bild ist eine Kalibriereinrichtung für zentrifugale Bewegungen und für die Inklination gezeigt und im rechten Bildteil ein Blick in das Kalibrierlabor, wo Beschleunigungssensoren mit Frequenzdurchlauf von 0,1 Hz bis 50 kHz sowohl kalibriert als auch getestet werden können. 242 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="243"?> Bild 2.51: Kalibrierprüfstände - links für Inklination und zentrifugale Bewegung, rechts für Beschleunigung mit Frequenzdurchlauf von 0,1 Hz bis 50 kHz 2.10 Datenformate Warum im Kapitel Datenerfassung? Erst durch eine Dokumentation, in welcher Form auch immer, wird eine Messung zur Datener‐ fassung. Wie dokumentiert werden soll, entscheidet sich zuerst einmal schon von der Messgröße her, vielfach stehen auch Normen, Richtlinien oder andere Standards im Hintergrund. Eine erste Entscheidung fällt also schon in diesem Stadium - darum! Auch bei bester Datenerfassung sind Daten wertlos ohne entsprechende Dokumentation und Darstellung. Angepasst an die Aufgabe gibt es eine Vielzahl von Datenformaten zur Darstellung, welche die erforderliche Beurteilung erleichtern und besondere Eigenschaften hervorheben. Dieser Abschnitt ist vor allem der graphischen Dokumentation von Schwingungsdaten für das routinemäßige Condition Monitoring gewidmet. Einen Überblick zu den verschiedenen Datenformaten zeigt zunächst Tabelle 2.28. Sie beginnt mit Kennwerten, also einfachen Zahlenwerten, die keiner besonderen Vertiefung bedürfen. Hier ist dem Anwender lediglich nahezulegen, vordefinierte Formulare zu verwenden, was ein Vergessen einzelner Messungen oder Werte wirksam verhindert. Zweidimensionale Darstel‐ lungen (2D-Formate) sind einfache ebene Diagramme. Übergreifende Darstellungen, etwa von Diagrammen über größere Betriebsbereiche, erfolgen bevorzugt als 3D-Darstellungen. Eine Sonderstellung nehmen auf diesem Sektor Phasendarstellungen, also die grafische Darstellung von Schwingungen nach Betrag und Phase ein. Da hier jede Einzelmessung ein doppelwertiges Ergebnis liefert, wurden dafür spezielle Formate entwickelt. 2.10.1 Allgemeine Gesichtspunkte Alle Darstellungen müssen ausreichend beschriftet und bezeichnet sein, damit die Möglichkeit einer vollständigen Interpretation der Ergebnisse gewährleistet ist. Für die Dokumentation sollte man von der Vorstellung ausgehen, dass zu einem beliebig späteren Zeitpunkt ein anderer An‐ wender, der an der Messung selbst nicht beteiligt war, die gespeicherten Daten zweifelsfrei in‐ terpretieren und mit seinen aktuellen Ergebnissen vergleichen kann. 243 2.10 Datenformate <?page no="244"?> Datenformat Parameter Größe Abschnitt Kennwerte Einzahlenwert Effektivwert 2.10.2 Spitze-Spitze-Wert Statistik (Min, Median, Max) Zweidimensionale Darstellungen x-t-Diagramme linear 2.10.3.1 logarithmisch x-y-Diagramme Orbit Darstellung von Abhängigkeiten Darstellung von Häufigkeiten 2.10.3.2 Spektren linear 2.10.3.3 logarithmisch doppeltlogarithmisch Campbelldiagramm Frequenz über Drehzahl 2.10.3.4 Bode/ Nyquistdiagramm Frequenz/ Phase über Drehzahl 2.10.3.5 Histogramm Klassierte Häufigkeitsverteilung 2.10.3.8 3D-Darstellungen Spektrogramm Wasserfall Höhenkarte Schaubild 2.10.4 Phasendarstellung Zeigerdiagramm Polardarstellung 2.10.3.6 2.10.3.7 Blasendiagramm diverse punktweise Darstellung 1.6.2.2 Tabelle 2.28: Gebräuchliche Datenformate für die Darstellung von Schwingungsdaten Die Koordinatenachsen müssen in jedem Fall so beschriftet werden, dass die Diagramme in Sinne der Darstellung (qualitativ oder quantitativ) vollständig interpretiert werden können - qualitativ wie quantitativ. Grafiken, Bilder, Tabellen und Darstellungen sind durch die erforderlichen Angaben, in der Regel in Textform, zu beschreiben und zu beschriften. Eine Zusammenstellung bringt Tabelle 2.29. Weitere Hinweise findet man in der Richtlinie VDI 4550 Blatt 1. 2.10.2 Kennwerte Kennwerte sind Einzahlenwerte, zum Beispiel die Angabe des Effektivwerts der Schwingge‐ schwindigkeit v eff . Sie sind nach Zahl und Dimension anzugeben, bei Pegelwerten auch der Be‐ zugspegel. Bei standardisierten Kennwerten sollte der Bezug auf die Richtlinie oder Norm er‐ scheinen. 244 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="245"?> Parameter Bemerkung (Beispiel) x Beschriftung von Diagrammachsen Einheiten x Angaben zur Messung (Datum, Uhrzeit, Messort) Datum, Uhrzeit, Messort (Zeitstempel) ggf. Messzeitraum x Eindeutige Bezeichnung der dargestellten Größen Drehzahl, 1.Ordnung, ggf. Cursorwerte x Angabe der Einheiten und des Verfahrens x Kenngrößenbewertung zum Beispiel x eff , x (p-p) x dB Referenz falls nicht genormt x Setups (Mittelung, Zeitdauer, Frequenzbereiche) wenn sinnvoll o Detailangeben zur Messung Betriebszustand Standard o Durchgeführte Zusatzanalysen Ölkontrolle o Beobachtungen Dämpfer feucht x verpflichtend o optional Tabelle 2.29: Angaben in Dokumentationen Die Eintragung der Kennwerte kann oder vielmehr sollte in vordefinierte Formulare erfolgen. Wesentlich informativer ist es, das Verhalten temporär aufzuzeichnen und dann auch mit seinen Schwankungen mit den Kennwertvorgaben zu vergleichen. Eine Reihe von Mustervorlagen für solche Dokumentationen findet man in Anhang C der übergeordneten Norm DIN ISO 17359. Oft wird es vorgezogen, das Verhalten, also den Kennwerttrendverlauf, temporär aufzuzeich‐ nen, statistisch zu bewerten und dann mit Kennwertvorgaben zu vergleichen. Generell wird zunehmend anstelle einzelner Kennwerte das Kurzzeitverhalten, also die Schwankungsbreite, in die Beurteilung mit einbezogen (→ Zweidimensionale Darstellungen). Anmerkung: Solche Beurteilungen erinnern an die Statistische Prozesskontrolle SPC in der Qualitätssicherung. 2.10.3 Zweidimensionale Darstellungen Zweidimensionale Darstellungen sind Darstellungen in einer Bildebene in einem zweidimensio‐ nalen kartesischen Koordinatensystem. Dargestellt wird entweder ● der Verlauf von Variablen (zum Beispiel x-t-Diagramm) oder ● die gegenseitige Abhängigkeit von zwei Variablen (x-y-Diagramm). Markierungen ausgewählter Messwerte (zum Beispiel Triggerpunkt, Phasenreferenz) können in solchen Darstellungen hilfreich sein. Die Achsen kartesischer Diagramme werden als Abszisse und Ordinate bezeichnet. 245 2.10 Datenformate <?page no="246"?> 26 Time Waveform Anmerkung: Die Bezeichnungen x- und y-Achse sollten vermieden werden. Bei Verlaufsdarstellungen wird im Allgemeinen auf der Abszisse die Verlaufsvariable aufgetragen, auch als unabhängige Variable bezeichnet (zum Beispiel die Zeit t). Auf der Ordinate werden eine oder mehrere abhängige Variablen aufgetragen. Im zweiten Fall können auch mehrere Skalierungen der Ordinate verwendet werden, jedoch möglichst nicht mehr als zwei. 2.10.3.1 x-t-Diagramme Solche Diagramme stellen den Verlauf eines Zeitsignals x(t) über der Zeit t dar. Die Skalierung der Achsen ist in der Regel linear. Für die Zeit trifft dies aus rein logischen Gründen zu, für die Ordinate wegen des im Allgemeinen wechselnden Vorzeichens der Funktion. Ausnahme könnte in diesem Zusammenhang die Darstellung von Betragsgrößen eines Zeitsignals sein, die stets positiv sind. Bild 2.52: x-t-Diagramm (dynamisches Zeitsignal oder TWF 26 -Signal) 2.10.3.2 x-y-Diagramme Dieses Diagramm ist die gemeinsame Darstellung zweier in orthogonalen Richtungen gemesse‐ nen Zeitsignalen in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem. Bekannteste Darstellung dieser Kategorie ist der Wellenorbit, der die Umlaufbahn des Wellenmittelpunkts einer rotierenden Welle in einer Ebene zeigt. x-y-Diagramme eignen sich aber auch zur Darstellung von Abhängigkeiten von Schwingungen zu Maschinendaten wie der Drehzahl oder der Belastung. 246 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="247"?> Bild 2.53: Monatliches Diagramm von drehzahlabhängigen Pumpenschwingungen Ein Beispiel zeigt Bild 2.53, wo für ein Pumpenaggregat die über einen Monat im Sekundentakt gemessenen Effektivwerte der Schwinggeschwindigkeit über der Drehzahl dargestellt sind. Anhand der Farben im Schaubild lassen sich hier auch die Häufigkeiten ablesen. 2.10.3.3 Spektren Spektren werden wie x-t-Diagramme dargestellt, jedoch mit dem Verlauf der Amplitude über der Frequenz oder der Drehzahlordnung, siehe Bild 2.54. Je nach Art der Analyse werden die Diagrammachsen linear oder logarithmisch skaliert. Das gilt sowohl für die Abszisse wie auch für die Ordinate. Bei FFT-Spektren kommt vorwiegend lineare Skalierung zum Einsatz. Bei logarithmischer Abszissenskalierung lassen sich allerdings Eigenfre‐ quenzbereiche besser identifizieren, da das Resonanzverhalten schwachgedämpfter Strukturen am ehesten diesem Maßstab entspricht (Schwinger konstanter Güte). Wesentlich weiter verbreitet sind logarithmische Abszissenskalierungen bei akustischen Ana‐ lysen (Terz/ Oktavspektren, siehe Bild 2.55). 247 2.10 Datenformate <?page no="248"?> Bild 2.54: Ordnungsspektrum eines Motors mit initialen Lageranregungen Bild 2.55: Terzspektrum in doppeltlogarithmischer Balkendarstellung 248 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="249"?> 2.10.3.4 Campbelldiagramm Das Campbelldiagramm zeigt in einem ebenen Diagramm (Abszisse ist die Drehzahl des Bezugs‐ rotors, Ordinate die Schwingungsfrequenz) die Eigenfrequenzen einer Struktur in Abhängigkeit von Anregungsfrequenzen. Dazu werden noch ausgewählte Ordnungen der Drehfrequenz des Rotors eingetragen siehe Bild 2.56. Anmerkung: Eigenfrequenzen können auch drehzahlabhängig sein - ein Spezifikum der Rotordynamik. Bild 2.56: Campbelldiagramm mit vier Eigenfrequenzen Das Campbelldiagramm dient zur Bestimmung kritischer Drehzahlen sowie zur Festlegung von resonanzfreien Betriebsdrehzahlen oder Betriebsdrehzahlbereichen. Besonders im Fall drehzahlabhängiger Eigenfrequenzen (f 03 und f 04 im Bild) wird der Vorteil des Campbelldiagramms bei der Suche nach kritischen Drehzahlen (Schnittpunkte Drehzahlordnung mit Eigenfrequenz) wichtig. Im sogenannten erweiterten Campbelldiagramm werden zusätzlich die Amplituden als Höhen‐ karte eingetragen, was zur Ursachensuche von Schwingungen, vor allem in der Rotordynamik dienen kann. Diese Variante wird noch im Zuge der Signalverarbeitung erläutert (vorab zu sehen in Bild 3.13). Eine Gegenüberstellung von Campbell- und Wasserfalldiagrammen wird anwendungsbezogen in Abschnitt 13.1.7.6 vorgestellt (Bild 13.27 - Bild 13.28). 2.10.3.5 Bode- und Nyquistdiagramm Bode- und Nyquistdiagramm (Bild 2.57) sind zweidimensionale Darstellungen zum Frequenzgang und zum Systemverhalten. Sie eignen sich besonders zum Überwachen von Systemresonanzen, die instationär durchfahren werden. Verwendet werden beim Bode-Doppeldiagramm meist drehfrequent gefilterte Schwingungen und drehfrequent gemessene Phasenwinkel (siehe Bild 5.13). Bodediagramme eignen sich aber auch zum Veranschaulichen von komplexen Frequenz‐ 249 2.10 Datenformate <?page no="250"?> gangfunktionen, also einer komplexen Funktion mit Realteil und Imaginärteil, in Abhängigkeit von der Frequenz. Anmerkung: In den Darstellungen einer Übertragungsfunktion wird auf der Abszisse meist eine bezogene Frequenz, also bezogen auf die Eigenfrequenz, aufgetragen - daher das Symbol η. Im Nyquistdiagramm - Bild 2.57 rechts - werden Realteil und Imaginärteil als x-y-Diagramm dargestellt. Diese Darstellung eignet sich besonders zur Beurteilung der Stabilität und wird vorzugsweise in der Regelungstechnik eingesetzt. Es stellt dort die Ortskurve der Ausgangsgröße eines Regelkreises, also eines Systems mit Rückkopplung dar. In der Mechanik könnte man diese Darstellung auch zur Beurteilung der Stabilität von selbst‐ erregungsfähigen Systemen einsetzen. Allerdings sind dort (im Gegensatz zur Regelungstechnik) die physikalischen Parameter der Rückkopplung meist nicht explizit bekannt. Das Verfahren wird daher hier nicht weiter vertieft. Bild 2.57: Darstellung komplexer Frequenzgangfunktionen Ein Beispiel für ein Nyquistdiagramm aus einer Messung mit einem FFT-Analysator zeigt Bild 2.58. Die Skalierungsgröße ist hier der Phasenwinkel. Man erkennt gut beim Auslaufvorgang das Auftreten einer Resonanz bei 713 min -1 . 250 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="251"?> Bild 2.58: Nyquistdiagramm eines Auslaufvorgangs Bild 2.59: Polardiagramm einer Getriebeschwingung 2.10.3.6 Zeigerdiagramme Das Zeigerdiagramm zur Darstellung einer harmonischen Komponente wurde schon in Abschnitt Bild 1.32 von Abschnitt 1.5.2.1 dar‐ gestellt und diskutiert. Es erleichtert vor allem die graphische Addition mehrerer phasenver‐ schobener Komponenten gleicher Frequenz. 2.10.3.7 Polardiagramm Ein Polardiagramm zeigt die Richtungs- oder Winkelabhängigkeit einer Größe in Polar‐ koordinaten, Bild 2.59. Bei rotorsynchroner Datenerfassung lassen sich anhand solcher rotierender Kreisdiagramme fehlerhafte Kom‐ ponenten, zum Beispiel lokale Zahnanregun‐ gen eines Zahnrads, lokalisieren. 2.10.3.8 Histogramm Ein Histogramm ist die Darstellung einer Häu‐ figkeitsverteilung von skalierten Merkmalen. Die Häufigkeiten werden in Klassen (engl. Bins) eingeteilt. Die Klassenbreite kann kon‐ stant oder variabel sein. Die Darstellung er‐ folgt in Form von Balken. Die Breite des Bal‐ kens entspricht der Klassenbreite, die Fläche der Klassenhäufigkeit und die Höhe die Häu‐ figkeitsdichte (= Häufigkeit/ Klassenbreite). Ein Beispiel für die Darstellung mit einer statistischen Bewertung von Schwingkenn‐ werten zeigt das Bild 2.60. In solchen Darstel‐ lungen lassen sich sowohl relative Häufigkei‐ ten (Histogramm) als auch kumulative Wahrscheinlichkeiten veranschaulichen. Be‐ sonderheit solcher Grafiken ist, dass sogar multivariate Bewertungen möglich sind. 251 2.10 Datenformate <?page no="252"?> Bild 2.60: Monatliches Schwingungshistogramm eines Generators auf einer Windenergieanlage 2.10.4 3D-Darstellungen Zur überblickshaften Darstellung einer gan‐ zen Serie von Spektren werden 3D-Darstel‐ lungen eingesetzt, in denen die Abfolge der Spektren in Abhängigkeit von einem Parame‐ ter, meist Drehzahl oder Zeit, veranschaulicht wird. Im Wasserfall- oder Kaskadendiagramm wird eine Folge von Spektren in Abhängigkeit von Zeit, Drehzahl, Frequenz oder Ordnung etc. etc. als dreidimensionales Diagramm dar‐ gestellt. Die Darstellung erfolgt meist in gera‐ der Axonometrie (Parallelprojektion). Dabei verlaufen die Grundlinien der Spektren hori‐ zontal, die Maßstäbe sind für alle Spektren identisch (keine Perspektive). Ein Beispiel zeigt Bild 2.61. Anmerkung: Darstellungen in schräger Axonometrie und Zentralprojektion sind für Präsentationen zwar attraktiver, jedoch messtechnisch weniger gut auswertbar. Vergleiche Bild 1.29. 2.10.4.1 Wasserfalldiagramm Insbesondere bei Troubleshooting-Einsätzen und bei Abnahmemessungen lässt sich anhand von Wasserfallspektren schnell und zielsicher prüfen sowie eindeutig nachweisen, wie sich Frequenzspektren oder Ordnungsspektren über Minuten, Stunden oder Tage verändern, wie sich eine Maschine nach einer Instandsetzung verändert hat, ob die Maßnahme erfolgreich war. Bild 2.61 zeigt ein solches Wasserfalldiagramm von Abnahmemessungen an einer Dampfturbine, wo auch Weitbereichsspektren vor und nach der Instandsetzung verglichen wurden. Solche Spektren decken eine sehr hohen Frequenz- oder Ordnungsbereich mit hoher Auflösung ab, was einen hervorragenden Überblick schafft. Messgröße ist bei solchen Darstellungen meist die Beschleunigung. Im hinteren Teil des Bildes ist das Wasserfalldiagramm vor der Instandsetzung dargestellt, im vorderen Teil danach. Schon dieser bloße Vergleich zeigt unmittelbar, dass die erhöhte Anregung der axialen Schaufelpassierfrequenzen deutlich reduziert werden konnte. 252 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="253"?> Bild 2.61: Weitbereichsspektren als Wasserfalldiagramm vor und nach einer Instandsetzung Das Bild vermittelt einen sehr guten Eindruck über die Mächtigkeit solcher Darstellungen. Hier sind sehr viele Messungen (im Beispiel fast 14 Tage lang in Zehnminutenintervallen! ) zu einem aussagekräftigen und kompakten Dokument zusammengefasst. Eine Gegenüberstellung von Campbell- und Wasserfalldiagrammen wird anwendungsbezogen noch in Abschnitt 13.1.7.6 vorgestellt (Bild 13.27 - Bild 13.28). 2.10.4.2 Höhenkarte (Spektrogramm) Höhenkarte Eine Alternative zum Wasserfalldiagramm, die Darstellung eines Spektrenfeldes in einem ebenen x-y-Diagramm, wird als Höhenkarte bezeichnet. Die Bezeichnung wurde aus dem englischen map übernommen. Auf der Abszisse wird die Zeit oder eine andere Führungsgröße aufgetragen, auf der Ordinate die Frequenz. Der Amplitudenwert wird als Graustufe oder in einer Farbskala kodiert. Solche Darstellungen sind für verschiedene Anwendungen zweckmäßig und auch gebräuchlich: Ein Spektrogramm für FFT-Leistungsspektren, das Full-Spektrogramm für komplexe FFT-Spektren oder das Skalogramm für Spektren konstanter relativer Bandbreite (CPB-Spektren). In Bild 2.62 ist beispielhaft ein zweiseitiges (Full)-Spektrogramm eines anfahrenden Motors zu sehen. Anmerkung: Die Bezeichnung Spektrogramm ist genau genommen eine zeitlich konti‐ nuierliche Folge von FFT-Spektren. Sie wird jedoch auch gerne für diskontinuierliche, also stufenweise Folgen verwendet. Man sollte dieses durch ein entsprechendes Präfix kennzeichnen, zum Beispiel Gabor-Spektrogramm, Campbell-Spektrogramm etc. 253 2.10 Datenformate <?page no="254"?> Bild 2.62: Höhenkarte (Zweiseitiges Full-Spektrogramm) eines Spezialmotors beim Anfahren Als weiteres Beispiel für 3D-Visualisierungen sei mit Bild 2.63 auf Schaubilder verwiesen, wie sie bei maschinellen Lernverfahren in Anwendung sind. Bild 2.63: Monatliche Schaubilder zum Betriebs- und Schwingungsverhalten einer Windenergieanlage 2.11 Computerdatenbank - Upload und Download Zentrum eines Systems zum Condition Monitoring- und Instandhaltungsmanagement gleich welchen Umfangs wird immer eine Datenbank sein. Dort werden Daten abgespeichert, Referenzwerte vorgehalten, Maßnahmen dokumentiert und Messabläufe vorgegeben. Oder, kurz gesagt: Über die Datenbank wird das gesamte Management gesteuert und kontrolliert. Heute werden am Markt kommerzielle Datenbanken mit den notwendigen Strukturen angebo‐ ten, die auch mit den erforderlichen Algorithmen ausgestattet sind. Man kann sich daher an dieser Stelle auf die Vorstellung der wichtigsten Grundlagen beschränken und sie anhand praktischer Beispiele erläutern. 254 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="255"?> 27 Host (engl.) - Gastgeber, Hausherr, auch Moderator 28 Software as a Service (SaaS) ist ein Bereich des externen Cloud Computing. SaaS basiert auf dem Grundsatz, dass die Software und die IT-Infrastruktur bei einem externen IT-Dienstleister betrieben und vom Kunden als Dienstleistung genutzt werden. Anmerkung: Strukturloses Speichern von Massendaten, die praktisch kaum wirklich aus‐ gewertet werden und nach absehbarer Zeit dann überhaupt nicht mehr auswertbar waren, gehört der Vergangenheit an. Diese Aussage wird durch den Begriff des Datenfriedhofs untermauert, der sich für diese Art von IT-Technologie entwickelt hat. 2.11.1 Datenbanken Unter einer Datenbank, auch Datenbanksystem (DBS) genannt, versteht man einen logisch zusammenhängenden Datenbestand, der in der Regel in einem Computer abgelegt und dort gepflegt, d. h. laufend aktualisiert wird. Organisiert ist eine Datenbank als Sammlung von Tabellen, die miteinander verknüpft sind. Innerhalb eines Instandhaltungsmanagements wird eine mobile Zustandsüberwachung als Kombination eines oder mehrerer Datensammler mit einem Rechner, dem sogenannten Hostrech‐ ner oder kurz Host 27 , betrieben. Bei Datenbanksystemen, die als SaaS-Lösung 28 angeboten werden, entfällt für den Benutzer sogar jegliche Pflege des Hostrechners, man bezahlt nur die monatlichen Nutzungsgebühren. Nachfolgend einige typische Aufgaben des Hostrechners: ● Speichern und Verwalten von Messdaten ● Verwaltung der Referenzdaten ● Organisation der Überwachungszyklen ● Speicherung von Messgerätekonfigurationen ● Verwaltung der Messgerätekalibrierung Folgende Daten sollten in der Datenbank abgelegt sein: ● Liste aller zu überwachenden Maschinen und Aggregate ● Alarmwerte und Grenzwerte ● Messdaten (aktuelle und frühere) ● Messrouten ● Verwaltung der Messzyklen Bei der online Zustandsüberwachung kann ähnlich vorgegangen werden. Nur beim Verarbeiten zeitkritischer Daten zum Beispiel aus Steuerungen oder beim Nutzen großer Datenmengen für maschinelle Lernverfahren macht es Sinn, ein lokales Edge-Cloud Computing zu betreiben und in der externen Cloud nur Ergebnisse abzulegen, die dann standortübergreifend benutzt werden. Edge-Computing ist eine dezentrale Datenverarbeitung am Rande des lokalen Netzwerks, der sogenannten Edge (engl. für Rand). Dabei werden Datenströme zumindest teilweise an Ort und Stelle verarbeitet und nur diese Ergebnisse in die Cloud geschickt. Die Methode ist einerseits ressourcenschonend und sichert andererseits die Vorteile einer Cloud. 255 2.11 Computerdatenbank - Upload und Download <?page no="256"?> 2.11.2 Messablauf Mobile Zustandsmessungen erfolgen lokal über sogenannte FFT-Datensammler, welche die entsprechenden Vorgaben (Messroute, Messanweisungen) im Zuge der Tour anzeigen und bestimmte Bewertungen schon vor Ort ermöglichen. Die notwendigen Daten sind vor jedem Rundgang vom Hostrechner auf den Datensammler zu laden (Download). Nach dem Abschluss des Rundganges werden die erfassten Daten auf dem Hostrechner abgelegt (Upload). Dazu ist jeweils der FFT-Datensammler mit dem Rechner oder dem jeweiligen Netzwerk zu verbinden, die Anweisungen werden vom Programm gegeben. Datenerfassung und Schnellauswertung erfolgen routinemäßig in regelmäßigen Messzyklen. Empfohlen sind bei stabilen Schwingungsverhalten Messzyklen alle 4 Wochen bei Rang 2-Ma‐ schinen (nach Abschnitt 2.8.2) und alle 3 Monate bei Rang 3-Maschinen. Bei festgestellten Veränderungen sind die erforderlichen Messzyklen aus den Ergebnissen der Schwingungsanalyse abzuleiten und die Intervalle der Messzyklen zu verkürzen. 2.12 Erkennen schlechter Datenqualität Während der Messung ist unbedingt auf die erforderliche Datenqualität und vor allem auch auf die Plausibilität der Messergebnisse zu achten. (Sieht nach einem Fehler aus - kann das überhaupt sein? ) Bei ausreichender Erfahrung wird man schlechte, also fehlerhafte Daten in den meisten Fällen erkennen und kann dann auch entsprechend handeln. Aber wenn nicht? Sind schlechte Daten erst einmal weitergegeben und „dokumentiert“, wurde kein Fehler entdeckt, sondern ein Fehler erzeugt. Viele Fehler können durch ihr typisches Erscheinungsbild vor Ort erkannt, diagnostiziert und in den meisten Fällen sofort behoben werden. Im Zweifelsfall jedoch, wenn das nicht möglich ist, wenn Daten also nicht plausibel sind, ist nach der Ursache zu suchen - schlechte Daten! Der Fehler liegt dann nicht in der Maschine, er liegt an der Messung. Auf jeden Fall ist eine unkommentierte Weitergabe schlechter Daten unbedingt zu vermeiden. Die häufigsten Ursachen schlechter Datenqualität sind ● Abweichungen von den Sollwerten, welche nicht vom Zustand der Maschine verursacht werden sondern durch Fehler im Messsystem, ● Übersteuerung zufolge fehlerhafter Einstellung des Messgeräts, ● Untersteuerung zufolge fehlerhafter Einstellung des Messgeräts, ● Überschwingen durch schlechte Einstellung des Messgeräts, ● Störung des Messsignals durch externe Einflüsse, insbesondere durch Fremdpotenzial, ● Nichtbeachten der Bürde. Dazu im Folgenden detaillierte Ausführungen über einige Fehler, die man als typisch ansehen kann. 256 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="257"?> 2.12.1 Übersteuerung und Überschwingen Übersteuerung Beim Übersteuern ist durch zu hohe Werte des Eingangssignals das Ausgangssignal nicht mehr proportional dem Eingang. Werden zum Beispiel piezoelektrische Sensoren zu hohen Beschleunigungen ausgesetzt, erzeugen sie zu viel Ladung, der Verstärker geht in die Sättigung, d. h. er kann diese Spannung nicht mehr richtig verarbeiten. Das Problem scheint zunächst unerheblich. Aber was zum Beispiel bei einer FFT-Analyse übersteuerter Signale dann „beurteilt“ wird, ist nicht mehr absehbar. Zur Übersteuerungsanzeige sind die Messgeräte in der Regel mit einer meist optischen Übersteuerungsanzeige (LED) ausgerüstet. Ist eine solche Anzeige nicht vorhanden, kann Über‐ steuerung auch am Zeitsignal erkannt werden, wenn zum Beispiel Signalspitzen abgeschnitten werden (Sichtkontrolle). Im Falle einer Übersteuerung ist zuerst eine etwaige automatische Bereichswahl (Autoscaling) zu deaktivieren, sodann ist die Empfindlichkeit der Messkette entsprechend zu reduzieren (Messbereichsumschaltung), bis keine Übersteuerung mehr auftritt. Anmerkung: Bei Langzeitmittelungen und, oder vielmehr besonders bei einer anschlie‐ ßenden FFT können auch sehr kurzzeitige Übersteuerungen grobe Messfehler erzeugen. Eine gute Übersteuerungsanzeige oder -detektion ist daher ein wichtiges Qualitätsmerkmal, besonders in automatisierten Anlagen (wo der Blick auf die LED vielleicht gar nicht erfolgt). Überschwingen Überschwingen ist ein weiterer Fehler, welcher in der Messkette entstehen kann. Er äußert sich, wie schon die Bezeichnung aussagt, durch einen kurzzeitig überproportionalen Anstieg des Ausgangssignals nach einer sprunghaften Änderung am Eingang. Für diesen Fall, geeignet als Testsignal, ist der Effekt im Zeitsignal unmittelbar zu erkennen. In der Regel ist es ein Effekt von unpassendem (zu niedrigen) Frequenzbereich. Anmerkung: Auf das Gibbsche Phänomen, ein Überschwingen an Sprungstellen, welches bei der Fouriertransformation an Sprungstellen auftritt, sei in diesem Zusammenhang lediglich verwiesen. Es ist nach dem amerikanischen Physiker Josiah Willard Gibbs benannt, der es bereits um 1898 entdeckt hat - also bereits deutlich vor dem Zeitalter der FFT. Es wird in der Signaltechnik auch als Ringing bezeichnet. Es ist dem allgemeinen Überschwingen zwar ähnlich, jedoch nicht damit zu verwechseln. Es kann bei einer Fouriertransformation zu der Erscheinung führen, dass ein sprungerregtes System scheinbar schon vor dem Eingangssprung reagiert. 2.12.2 Untersteuerung und Bitrauschen Bei zu niedrigem, genauer, bei permanent zu niedrigem Signalpegel ist der Messverstärker untersteuert. Die Folge ist ein zu geringer Abstand vom unvermeidlichen Hintergrundrauschen des Verstärkers. Signal und Rauschen sind nur unzureichend oder überhaupt nicht mehr zu unterscheiden. 257 2.12 Erkennen schlechter Datenqualität <?page no="258"?> Bei digitaler Signalverarbeitung wird dabei die Schrittweite der Digitalisierung zu groß im Vergleich zur Dynamik des Signals, im Extremfall erhält man nach dem A/ D-Wandler lediglich ein durch die Digitalisierung trapezförmiges Bitrauschen. Anmerkung: Eine solche Erscheinung ist auch für den Totalausfall eines Messkanals typisch. Es ist immer zu beachten, dass die kleinste noch messbare Amplitudenstufe einem Bit entspricht (das findet man in Tabelle 2.5). Ursachen von Untersteuerung sind ● unpassender Messbereich, ● schlechte Aufnehmermontage oder ● Unterbrechung in der Messkette, meist in Aufnehmerkabel oder Aufnehmerstecker. Der Fehler sollte unmittelbar behebbar sein. Anmerkung: Der Anschlussstecker des Aufnehmers ist im täglichen Einsatz meist das anfälligste Element in der Messkette. 2.12.3 Übersprechen und Erdschleifen Diese beiden Themen sind nicht von ungefähr in einem Unterabschnitt zusammengefasst, da sie in zueinander enger Beziehung stehen. Jedenfalls zwei wichtige Punkte in der Ausführung von Messketten, besonders im Bereich der Sensoren und Aufnehmer. Übersprechen Bei ungenügender Abschirmung können sich elektrische Signale in parallel geführten Leitungen durch Induktion gegenseitig beeinflussen. Es kommt zum sogenannten Übersprechen. Das kann zu unerwünschtem Übertragen von Signalen zwischen den einzelnen Kanälen einer Messkette führen, oder aber zur elektromagnetischen Einstreuung von Störsignalen. Aus diesem Grund sollte man Messsignalkabel nicht ungeschützt unmittelbar neben Leitungen von Frequenzum‐ richtern oder anderen potenziellen Störquellen verlegen. Maßnahmen wie symmetrische Mess‐ leitungen, verdrillte Messleitungen sowie Abschirmung und Erdung reduzieren solche Störungen. Im einfachsten Fall wird die Messleitung, das ist die Leitung, welche das Signal vom Sensor zum Messverstärker führt, in einem abgeschirmten Kabel geführt. Die Abschirmung wird zur Optimierung ihrer Wirkung geerdet. Meist ist der Erdanschluss elektrisch leitend mit dem Aufnehmergehäuse verbunden. Über die sachgemäße Erdung wird noch zu reden sein. Die erhöhte Störsicherheit durch symmetrische Messleitungen wurde schon bei den piezoelektrischen Aufnehmern angesprochen. Dabei werden die beiden Anschlüsse des Sensors elektrisch getrennt vom Gehäuse herausgeführt und in einem zweiadrigen Kabel zum Messverstärker ge‐ führt. Dadurch sind eventuelle elektromagnetische Einstreuungen weitgehend identisch für beide Adern. Hat der Messverstärker symmetrische Eingänge, werden sie dort durch Differenzbildung eliminiert (bis auf die sogenannte Gleichtaktunterdrückung). Eine weitere Verbesserung kann durch Verdrillen der Leitungen erfolgen, was die Symmetrie bezüglich Einstreuung noch verbessern kann. 258 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="259"?> Anmerkung: In dieser Weise waren viele Verdrahtungen in früheren analogen Telefonen ausgeführt. Eine weitere Verbesserung bringt eine Abschirmung, wobei die Messleitung bzw. die Messleitun‐ gen durch ein Drahtgeflecht vollständig umhüllt werden. Zur Minimierung von Kabeleinflüssen, besonders der Kabelkapazität, werden Koaxialkabel vielfach bevorzugt. Für beste Wirksamkeit ist die Abschirmung zu erden, also leitend mit einer elektrischen Erde zu verbinden. Abschirmung und Erdung Erdungspunkte bieten sich unterschiedlich an, ● Erdkontakte von Schutzkontakt-Steckern (SCHUKO), ● Maschinengehäuse oder ● Messerden. Wird eine Erdung an mehreren Punkten einer Messkette durchgeführt, entsteht, elektrisch gesehen, eine Schleife, die Ursache von starken elektromagnetischen Einstreuungen sein kann (und meistens auch ist). Dass die Möglichkeit auf der Hand liegt, ist an der obigen Aufzählung leicht zu erkennen. Die Schleife kann schon durch Anschluss von Messgeräten einer Kette an verschiedene Steckdosen entstehen, vornehmlich jedoch über an Maschinengehäusen geerdete Messaufnehmer. Anmerkung: Zusätzlich sei noch erwähnt, dass an verschiedenen Erdungspunkten in Industrienetzen oft merkliche Potenzialunterschiede auftreten, was dann zusätzlich zu Ausgleichsströmen als Fehlerquelle für die Messung führen kann. Erdschleifen entstehen durch eine geschlossene Masseverbindung einer elektrischen Verkabe‐ lung, wenn also die Messkette mehrfach geerdet wird. Häufigste (unbeabsichtigte) Ursache ist die direkte (nicht elektrisch isolierte) Montage des Aufnehmers auf einem leitfähigen Objekt, welches selbst geerdet ist bei gleichzeitiger (automatischer) Erdung des Messsystems über einen SCHUKO-Anschluss. Bei Problemen ist die Erdung so aufzutrennen, dass eine elektrische Erdverbindung nur an einer einzigen Stelle besteht. Eine weitere Maßnahme ist die isolierte Montage der Messaufnehmer. Anmerkung: Bei tragbaren, also batteriegespeisten Messgeräten ist diese Gefahr weniger gegeben. Gleiches gilt für schutzisolierte Geräte, die an einem zweipoligen Anschlusskabel zu erkennen sind. Viele Messgeräte weisen überdies eine trennbare Verbindung zwischen Messerde und Schutzerde auf (das hat also seinen Grund). Erdschleifen äußern sich in der Regel durch Anzeige eines starken Störsignals meist bei der einfachen oder vorzugsweise der doppelten Netzfrequenz. Sie können auch vom jeweiligen Belastungszustand abhängig sein. In Festinstallationen lassen sich Erdschleifen am wirkungsvollsten durch Triaxialkabel (eine Sonderform des Koaxialkabels mit 3 konzentrischen Leitern, Bild 2.65) vermeiden. Bild 2.64 zeigt ein solches Schutzkonzept für Multiplexer-Anwendungen in elektromagnetisch verseuchter Umgebung (zum Beispiel bei einstreuenden Frequenzumrichter). Die Verschaltung 259 2.12 Erkennen schlechter Datenqualität <?page no="260"?> Bild 2.65: Typischer Aufbau eines Triaxialkabels erfolgt dabei über Koaxialkabel mit zusätzlicher metallischer Verrohrung (ein zusätzlicher Schutz gegen Beschädigung). Wichtig ist, dass nur einmal geerdet wird und sowohl die Sensoren, die Koppelstücke und die Multiplexer isoliert montiert werden. Optimal sind auch paarweise verdrillte Messleitungen und doppeltisolierte Schwingungsaufnehmer, bei denen Messerde und Schutzerde elektrisch sicher getrennt sind. Empfehlenswert ist außerdem, externe Prozesssignale nur über galvanisch entkoppelte Trenn‐ verstärker in das Messsystem einzukoppeln. Damit wird eine Wechselwirkung zwischen Mess‐ anordnung und Maschinensteuerung sicher vermieden. Bild 2.64: Beispielhafter Anschlussplan für elektromagnetisch stark kontaminierte Umgebungen zur Vermeidung von Erdschleifen 2.12.4 Unstrukturiertes Signal Zeigt das Messsignal, besonders im Spektrum, nicht das den Maschinenschwingungen entsprechende Schwingungsbild, liegt in der Regel Untersteuerung vor (siehe Abschnitt 2.12.2). Es kann auch den Ausfall eines Mess‐ kanals anzeigen insbesondere bei Messtech‐ niken mit nicht differentiellen Analogeingän‐ gen. 2.12.5 Skislope-Effekt Durch hochfrequente Stöße kann ein Beschleunigungsaufnehmer in seinem Resonanzbereich kurzzeitig in Sättigungsbereiche gelangen, was einen Offset vortäuscht. Als Folge entstehen im 260 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="261"?> niederfrequenten Bereich des Beschleunigungsspektrums Störanteile, die nach Integration zur Schwinggeschwindigkeit in ihrer Form an eine Skisprungschanze erinnern (eine niederfrequente Scheinkomponente, die mit steigender Frequenz mehr oder weniger schnell abklingt). Ein solcher Effekt kann auch durch Kontaktfehler im Aufnehmerkabel oder -stecker, durch elektromagneti‐ sche Störeinflüsse, bei Montage des kalten Aufnehmers auf eine heiße Oberfläche oder durch Probleme im Messgerät selbst entstehen. 2.12.6 Falsche Kanalzuordnung Bei mehrkanaligen Messungen besteht die Gefahr der Verwechslung von Aufnehmern oder Aufnehmerkabeln. Eine Überprüfung des korrekten Anschlusses kann über einen tragbaren Kalibrator erfolgen. Oft genügt ein kurzes Trennen oder ein Anstoßen des Aufnehmers (Klopfen) und Beobachten der Anzeige. 2.12.7 Fehlerhafte Bürde Als Bürde bezeichnet man den gesamten Widerstand, mit dem der Ausgang eines Messgerätes belastet wird (Lastwiderstand am Ausgang). Bei Spannungsbetrieb ist die minimal zulässige Bürde, bei Strombetrieb die maximale Bürde zu beachten. Anderenfalls kann es zu untypischen Signaleinbrüchen oder sogar zu Fehlfunktionen kommen. 2.13 Zusammenstellung einer Messroute 2.13.1 Grundlegende Systematik Im Zuge eines Condition Monitoring-Programms fällt eine Vielzahl und Vielfalt von Daten an, die auch zukunftssicher zu dokumentieren sind. Zukunftssicher heißt in diesem Zusammenhang, dass jede Messung zu jedem späteren Zeitpunkt nachvollziehbar und wiederholbar sein sollte, auch nach einem Wechsel des Personals. Insbesondere Trendanalysen, die eine wertvolle Methode zur Zustandsüberwachung und spektralen Signalanalyse sind, verlangen das Erfüllen dieser Anforderungen. Dies gilt sowohl für online Condition Monitoring als auch für offline Condition Monitoring. Bei mobilen Messungen ist eine besonders strenge Systematik erforderlich, um ein vollständi‐ ges Erfassen der Daten sicherzustellen. Dazu zählt, ganz am Beginn das Erstellen einer Messroute mit folgenden Anforderungen: ● Eine Messroute ist sorgfältig zu planen, der Ablauf sollte konsequent eingehalten werden. ● Die Messpunkte müssen für das Personal zu den erforderlichen Zeitpunkten ohne Gefähr‐ dung zugänglich sein. ● Routen sollten optimiert werden, um Umwege zu vermeiden. ● An schwer zugänglichen oder gefährlichen Messpunkten sollten fest montierte Aufnehmer mit ungefährlicher Anschlussmöglichkeit installiert werden. ● Messpunkte müssen an Ort und Stelle eindeutig und dauerhaft bezeichnet werden. ● Die Messroute muss dokumentiert werden, am besten mit bildlichen Darstellungen von Maschinen und Messpunkten. 261 2.13 Zusammenstellung einer Messroute <?page no="262"?> ● Messberichte sind während oder unmittelbar im Anschluss an eine Routenmessung zu erstellen. ● Eine umfassende und vor allem vollständige Berichterstattung ist Grundlage des Erfolges. 2.13.2 Formulare und Mustervorlagen Für Messroute, Datenerfassung, Beurteilung und Dokumentation sollten von Beginn an einheit‐ liche Arbeitsanweisungen und Formulare erstellt werden. Musterformulare findet man zum Beispiel in den Anhängen der Norm DIN ISO 17359. 262 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis <?page no="263"?> 3 Signalverarbeitung Mit der Methodik von Abschnitt 2 wurde aus der Schwingung ein Signal erzeugt, im Wesentlichen ein (in der Regel elektrisches) Abbild des physikalischen Vorgangs. Schwingung und Signal sind zeitlich meist rasch veränderliche Größen. Die Signalverarbeitung, Thema dieses Abschnitts, kann in zwei Grundaufgaben zusammengefasst werden: ● Charakterisierung von Eigenschaften wie Schwingstärke oder Häufigkeiten durch exakt definierte Kennwerte - konstant oder langsam veränderlich, ● Signalanalyse, vornehmlich Frequenzanalyse. Signalverarbeitung und weitere Datenverarbeitung erfolgen vorwiegend im Messgerät oder zentral in einem Rechner, dem sogenannten Host-Rechner, was schon an Abschnitt 2.11 angesprochen wurde. In größeren Systemen wird die Verarbeitung zunehmend in einer Cloud organisiert, einer IT-Infrastruktur, die über ein Netz (zum Beispiel Internet) verfügbar gemacht wird. Sie bietet Speicherplatz, Rechenleistung und Anwendersoftware als Dienstleistung (SaaS). Über technische Schnittstellen kann die Cloud mehreren Partner Zugriff zum Aufbau agiler Arbeitsgruppen gewähren. Um Datenströme ressourcenschonend zu optimieren, wird eine Datenverarbeitung zunehmend direkt vor Ort durchgeführt. Anmerkung: Bei lokaler Vorverarbeitung der Daten unmittelbar am Messort (Aufnehmer) spricht man auch vom EDGE-Computing. In größeren Systemen werden oft mehrere solcher EDGE-Systeme in einem lokalen Netz, dem sogenannten MESH vernetzt. Dort können neben einer lokalen Auswertung oder Beurteilung die Daten weiter verdichtet werden, bevor sie an die Zentrale, zum Beispiel in eine Cloud, weitergeleitet werden. Durch diese Methodik kann ein Big Data Konzept in überschaubaren Grenzen gehalten werden. 3.1 Effektivwert- und Spitzenwertdetektor Die Ermittlung der wichtigsten Kennwerte aus dem Schwingungssignal erfolgt im sogenannten Detektor. Dabei handelt es sich um speziell konfigurierte Gleichrichter, die als Analogschaltungen oder digital realisiert werden können. Kennwerte für Schwingungen wurden bereits in Abschnitt 1.1.3 vorgestellt; eine Zusammenstellung findet man in Tabelle 1.2. Zur Bestimmung des Effektivwerts ist genau nach Formel vorzugehen: Das Signal wird quadriert, das Ergebnis zeitlich gemittelt, durch Radizieren dieses Mittelwerts wird der Effektivwert gebildet. Für die digitale Ermittlung von Spitzenwerten sind eine hohe Abtastfrequenz und damit eine hohe Grenzfrequenz des Messsystems zu wählen, da durch die vor einer Digitalisierung notwendige Tiefpassfilterung des Signals vor allem kurzzeitige Spitzenwerte verfälscht werden. Das betrifft auch eine visuelle Beurteilung von Signalen am Bildschirm, sofern es sich um ein digitales Messgerät handelt. <?page no="264"?> 3.2 Analog-Digital-Umsetzung Die Umwandlung eines analogen Signals in eine diskrete Zahlenfolge zur weiteren Datenverar‐ beitung ist Aufgabe des Analog-Digital-Wandlers, abgekürzt ADC (engl.: Analog Digital Converter) oder A/ D-Wandler. Das vom Sensor gelieferte analoge Signal wird in eine Folge von Zahlen umgewandelt. Intern handelt es sich um Binärzahlen bestehend aus einer Kombination von Nullen und Einsen (man spricht von Digits - Ziffern). Der Prozess wird demnach Digitalisierung genannt. Anmerkung: Manche modernen Aufnehmer, vor allem MEMS-Systeme, haben diese Stufe bereits integriert. Bei zeitlich schnell veränderlichen Signalen wie Schwingungen erfolgt die Digitalisierung anhand von regelmäßig abgetasteten Stichproben. Das Ergebnis ist eine diskrete Zahlenfolge als Reprä‐ sentant des Signals, man spricht demnach von Diskretisierung. Diskretisierung und Digitalisierung bringen eine Reihe von Einschränkungen mit sich, die bei der Auswahl der entsprechenden Parameter zu berücksichtigen sind. 3.3 Analoge Aufnahme, Abtastung (Sampling) 3.3.1 Messkette Bild 3.1: Messkette zur Schwingungsanalyse Bild 3.1 zeigt im Schema eine Messkette zur Messung und Analyse von Schwingungen. Der Beschleunigungsaufnehmer liefert ein analoges Messsignal, welches im ADC digitalisiert und im Computer weiterverarbeitet wird. Anmerkung: Sensoren, welche direkt ein digitales Signal liefern, werden in den Ausfüh‐ rungen dieses Abschnitts nicht mehr speziell behandelt. 264 3 Signalverarbeitung <?page no="265"?> 29 Sampling ist die englische Übersetzung von Abtastung. Wie so häufig in der Digitaltechnik, werden auch in deutschsprachigen Texten englische Fachbegriffe oft bevorzugt oder in den deutschen Wortschatz übernommen. Auflösung Anzahl der Stufen Messeingang Auflösung 12 bit 212 = 4096 10 V 2,4411 mV 14 bit 214 = 16384 10 V 0,61035 mV 16 bit 216 = 65635 10 V 0,15258 mV 20 bit 220 = 1048576 10 V 0,0095367 mV 24 bit 224 = 16777216 10 V 0,0005960 mV Tabelle 3.1: Auflösung verschiedener Analog-Digital-Wandler 3.3.2 Diskretisierung Das zu erfassende, analoge Messsignal ist kontinuierlich in Zeit und Messwert. Durch die Digitalisierung wird es diskretisiert in Zeit und Frequenz, d. h. durch eine Folge von Stichproben in regelmäßigen Zeitabständen ersetzt, den sogenannten Abtastwerten, siehe Bild 3.2. Das Zeitintervall der Stichprobenentnahme wird Abtastintervall oder Samplingintervall 29 genannt. Bild 3.2: Digitalisierung eines Signals Die Stichprobe selbst wird als Zahlenwert dargestellt und weiterverarbeitet. Digitalisieren heißt, dass eine dem Momentanwert entsprechende Zahl ermittelt wird, der sogenannte Abtastwert. Da eine Zahl nur eine vorgegebene Stellenzahl hat, entstehen die digitalen Werte in gleichmäßigen Stufen, den Digitalisierungsstufen. Die Anzahl der Stufen legt die Auflösung des ADC fest. Eine Zusammenstellung typischer Daten findet man in Tabelle 3.1. Die Auflösung begrenzt die maximal mögliche Genauigkeit der Messung. 265 3.3 Analoge Aufnahme, Abtastung (Sampling) <?page no="266"?> (3.1) Wird der Messbereich des ADCs überschritten, entsteht durch die abrupte Begrenzung das soge‐ nannte Clipping, ein Messfehler. Besonders empfindlich ist das System gegenüber kurzzeitigen Spitzenwerten. Diese werden durch Clipping stark verfälscht. Dort, wo die Beurteilung auf der Spitzenhaltigkeit basiert, können grobe Fehler die Folge sein (zum Beispiel bei der Beurteilung von Wälzlagern). Durch die Diskretisierung entsteht auch eine Reduktion der zeitlichen Information, da keine Informationen über Zwischenwerte zwischen den einzelnen Stichproben vorliegen. Um hier Eindeutigkeit zu erzielen, ist vor der Digitalisierung das Signal noch im Analogteil über ein Tiefpassfilter, das sogenannte Antialiasingfilter zu filtern. Dort wird der Frequenzbereich in der Weise beschränkt, dass diese Unsicherheit beseitigt ist. Der Effekt des Aliasing und die Funktion des Antialiasingfilters werden in Abschnitt 3.8 noch im Detail beschrieben. Anmerkung: Originärer Zweck des Antialiasingfilters ist eigentlich ein anderer, nämlich die Vermeidung von Mehrdeutigkeiten im Frequenzspektrum. Das Unterdrücken von Spitzen zwischen den Abtastungen ist nur ein Nebeneffekt. Gehen durch die Digitalisierung kurzzeitige, für eine Beurteilung wichtige Spitzenwerte verloren, so kann dies nur durch eine erhöhte Abtastrate vermieden werden. Hier ist ggf. eine Sichtkontrolle des unverarbeiteten (analogen) Zeitsignals hilfreich. 3.4 FFT-Berechnung Die Frequenzanalyse, wichtigstes Werkzeug der Schwingungsanalyse, wurde in ihren Grund‐ sätzen schon früher eingeführt. In digitalen Systemen, wie sie auf diesem Gebiet praktisch ausschließlich eingesetzt werden, erfolgt sie numerisch durch Berechnung der Fouriertransfor‐ mation. Die FFT (Fast Fourier Transformation) ist ein dazu besonders effizienter Algorithmus. 3.4.1 Fouriertransformation Die Fouriertransformation ist eine Integraltransformation, die ein Zeitsignal x(t) in eine Spektralfunktion X(f) transformiert. Sie bildet die mathematische Grundlage der Frequenzanalyse. Wenn auch tiefgehende mathematische Ableitungen nicht Thema dieses Abschnitts sind, werden die Transformationsgleichungen hier angeschrieben, da sich viele Eigenschaften der Frequenzanalyse daraus direkt ablesen lassen: X (f ) = ∫ −∞ +∞ x(t) · e − j2πf t dt = F x(t) Fouriertransformation x(t) = ∫ −∞ +∞ X (f ) · e j2πf t df = F −1 X (f ) Rücktransformation Für die unabhängige Variable im Frequenzbereich wurde hier die Frequenz f eingesetzt. Folgendes lässt sich direkt aussagen: ● Die Fouriertransformation ist umkehrbar ● Vorwärts- und Rücktransformation sind symmetrisch 266 3 Signalverarbeitung <?page no="267"?> (3.2) (3.3) (3.4) 3.4.2 Fourierreihe Die für die praktische Anwendung wichtige Fourierreihe wurde bereits in Abschnitt 1.1.4 eingeführt. Für die mathematische Darstellung gibt es zwei Ansätze, die trigonometrische Reihe und die komplexe Reihe. 3.4.2.1 Trigonometrische Fourierreihe Jede mit einer Periode T periodische Funktion, also eine Funktion x(t) mit der Eigenschaft x t + nT = x(t) lässt sich in eine Fourierreihe entwickeln nach der Gleichung x(t) = a 0 + ∑ k = 1 ∞ a k cos2πf k t + b k sin2πf k t = A 0 + ∑ k = 1 ∞ A i cos 2πf k t − φ k 3.4.2.2 Komplexe Fourierreihe In komplexer Schreibweise hat die Fourierreihe folgendes Aussehen: x t = k = − ∞ +∞ x k e j2πfkt Die Koeffizienten x k sind darin komplexe Zahlen, x k und x −k bilden jeweils ein konjugiert komplexes Zahlenpaar. Bild 3.3: Zweiseitiges Spektrum mit Zeigerdarstellung Eine grafische Darstellung des komplexen Spektrums zeigt Bild 3.3 als dreidimensionales Schau‐ bild (links im Bild). Dargestellt sind Realteile Re und Imaginärteile Im der Komponenten über der Frequenz f. Für jede Frequenz f i erhält man ein konjugiert komplexes Zeigerpaar, einmal für die positive Frequenz, einmal für die negative. Die Summe der beiden ist reell und identisch 267 3.4 FFT-Berechnung <?page no="268"?> mit der entsprechenden Komponente der trigonometrischen Reihe (mit ausschließlich positiven Frequenzen). Jede Komponente kann auch als Zeiger in der komplexen Zahlenebene dargestellt werden, siehe Bild 3.3 rechts. Das Vorzeichen der Frequenz f i bzw. -f i zeigt sich in der Drehrichtung des Zeigers (positiv bzw. negativ). Eine gleichartige Kodierung wird im sogenannten Fullspektrum verwendet, nur wird dort die Drehrichtung eines Orbits auf diese Weise kodiert, siehe Abschnitt 5.5.2. Anmerkung: Die Zeigerdarstellung harmonischer Schwingungen wurde bereits in Ab‐ schnitt 1.5.2.1, Bild 1.32. eingeführt und ausführlich erläutert. 3.4.2.3 Einseitiges und zweiseitiges Spektrum Vergleicht man die beiden Reihendarstellungen, so kann man direkt folgende Zusammenhänge ablesen: 1. Beide Darstellungen sind äquivalent und ineinander überführbar (sie repräsentieren schließ‐ lich die gleiche Zeitfunktion x(t)). 2. Die trigonometrische Darstellung ist reell und liefert nur positive Frequenzen. Man spricht daher vom einseitigen Spektrum. Diese Formulierung entspricht dem praktischen Erschei‐ nungsbild von Bild 1.19. 3. Die komplexe Darstellung liefert positive und negative Frequenzen. Diese Formulierung liegt der Fouriertransformation formal näher. Man spricht in diesem Fall vom zweiseitigen Spektrum. 4. Die Energie einer Frequenzkomponente ist im zweiseitigen Spektrum symmetrisch auf po‐ sitiven und negativen Frequenzanteil verteilt. Diese Aussage ergibt sich aus der Bedingung, dass die Summe der Reihe für jeden Zeitpunkt t reell sein muss, nämlich x(t). Diese Aussagen wurden an dieser Stelle getroffen, da im späteren Verlauf beide Formen der Fourierreihe parallel verwendet werden, je nach mathematischem Algorithmus. Als praktisches Beispiel sei hier die Hüllkurvenanalyse nach Abschnitt 0.10.6 zitiert, deren Berechnungsalgorith‐ mus auf dem zweiseitigen Spektrum basiert. 3.5 FFT-Anwendung Für eine FFT ist, je nach Messaufgabe eine Reihe von Parametern zu wählen. Die wichtigsten sind ● Frequenzbereich, ● Frequenzauflösung, ● Messzeit, ● Mittelungsparameter. Die typischen Frequenzbereiche für verschiedene Messaufgaben sind in Tabelle 3.2 eingetragen. Meist wird eine Basisbandanalyse eingesetzt, eine FFT-Analyse im Frequenzbereich von 0 Hz (statische Verlagerung, Gleichspannung) bis zu einer Maximalfrequenz f max . Zu wählen ist also zunächst diese Maximalfrequenz. Sie ist aus den höchsten noch interessanten Frequenzen der Maschine zu bestimmen. In der Regel sind dies Zahneingriffsfrequenzen oder Schaufelpassierfre‐ quenzen, möglichst einschließlich zweiter und dritter Harmonischer. 268 3 Signalverarbeitung <?page no="269"?> (3.5) Messgröße Einheit Schwingung Frequenzbereich Perzeption Schwingweg µm Wellenschwingungen Kupplungsschwingungen Fundamentschwingungen 0,1 Hz - 0,4 kHz visuell Schwinggeschwindigkeit mm/ s Gehäuseschwingungen Maschinenschwingungen 2 Hz - 1 kHz tasten Schwingbeschleunigung m/ s 2 Körperschall Zahneingriffsschwingungen 10 Hz - 20 kHz akustisch Tabelle 3.2: Typische Frequenzbereiche zur Schwingungsanalyse an allgemeinen Maschinen Die Frequenzauflösung Δf wird durch die Anzahl der Linien N der FFT bestimmt nach der Formel Δf = fmax N Für die Wahl der optimalen Frequenzauflösung sind drei Gesichtspunkte wesentlich: ● Etwa die Hälfte der niedrigsten Drehfrequenz sollte im Spektrum noch gut identifizierbar und auflösbar sein. ● Seitenbänder von Zahneingriffsfrequenzen im Abstand von Vielfachen der Drehfrequenz müssen im Spektrum deutlich getrennt erscheinen. ● Schlupffrequenzen zum Beispiel bei Asynchronmaschinen sollten erkennbar sein. Nach den technischen Daten moderner FFT-Analysatoren sollten sich diesbezüglich im Allgemei‐ nen keine Probleme ergeben (siehe Tabelle 2.14). Anderenfalls bietet eine ZOOM-FFT Abhilfe, siehe Abschnitt 2.5.2. 3.6 Zeitfenster (Rechteck, Hanning, Flat) 3.6.1 Einfluss des Zeitfensters Zur Transformation wird aus dem diskretisierten Zeitsignal ein Block fester zeitlicher Länge T ausgeschnitten, aus welchen anschließend das Spektrum über eine FFT berechnet wird. Implizit entspricht der Algorithmus einer periodischen Fortsetzung des Blocks nach beiden Seiten und einer Berechnung der Fourierreihe aus diesem (periodischen) Ersatzsignal. Das Prinzip der Zeitfensterung ist in Bild 3.4 am einfachsten Beispiel eines Sinussignals skizziert. Oben das Originalsignal, in Bildmitte das durch Fensterung und periodische Fortsetzung (hypothetisch) gebildete Ersatzsignal. Die an den Fenstergrenzen entstehenden Sprungstellen (Markierungspfeile) erzeugen in der Analyse Nebeneffekte, die durch Fensterbewertungen unter‐ drückt werden können (Bild 3.4 unten). Diese Bewertungen oder genauer gesagt, Zeitbewertungen reduzieren den Signalpegel an den Fenstergrenzen zu null, sodass die Sprungstellen eliminiert werden. 269 3.6 Zeitfenster (Rechteck, Hanning, Flat) <?page no="270"?> Bild 3.4: Prinzip der Zeitfensterung am Beispiel eines harmonischen Signals Natürlich wird durch die Fensterung das Messsignal verzerrt, was Einfluss auf das Spektrum haben muss. Diese Einflüsse werden im Folgenden behandelt. Als Demonstrationsobjekt dient ein reines Sinussignal, das Signal einer harmonischen Schwingung. Bei der Reihenentwicklung stellt sich das Spektrum hier als einzelne Linie dar, siehe Bild 1.26. Der Einfluss der Fensterung mit Hilfe eines Rechteckfensters, also durch bloßes Ausschneiden des Zeitfensters, wird in Bild 3.5 am Beispiel einer Sinusfunktion verdeutlicht. Dargestellt sind drei Grenzfälle, linke Bildhälfte. Im obersten Fall a) passt eine volle Anzahl von Perioden exakt in das Zeitfenster, man spricht auch von einem synchronen Fall. Die periodische Fortsetzung nach Bild 3.4 schließt nahtlos an den Ausschnitt, die Fourierentwicklung ergibt wie erwartet eine einzige Linie im Spektrum (rechte Bildspalte). Im Fall b) von Bild 3.5 ergibt die periodische Fortsetzung einen Knick im Verlauf des Ersatzsignals. Man erkennt, dass in diesem Fall - einer der ungünstigsten Fälle - im Zeitfenster die Anzahl der positiven Halbschwingungen um eins größer ist als die der negativen. An der Nahtstelle an den Fenstergrenzen wird durch die Fortsetzung ein Knick eingeführt. Das Spektrum ist wieder rechts davon dargestellt. Es enthält unter anderem einen Gleichanteil (was aus dem Zeitsignalausschnitt direkt nachvollziehbar ist). In Beispiel c) von Bild 3.5 - wieder einer der ungünstigsten Fälle - wird durch die Fortsetzung ein Sprung eingeführt (siehe auch Bild 3.4, mittlere Reihe), welcher im Spektrum vor allem zu ausgeprägten hochfrequenten Komponenten führt. Vom energetischen Standpunkt betrachtet, kann man diese Entstehung von Seitenlinien im Spektrum durch Randeffekte im Zeitbereich als Ausfließen von Energie im Spektrum interpre‐ tieren (die Gesamtenergie innerhalb des Zeitsignalblocks muss im Spektrum erhalten bleiben). Man spricht daher hier von sogenanntem Leakage, im Deutschen manchmal auch als Leckage bezeichnet. Man kann diese Interpretation auch anhand von Bild 3.5 gut nachvollziehen: Die Spitzenpegel in den Spektren mit ausgeprägtem Leakage, Beispiel b) und Beispiel c), sind gegenüber dem leakagefreien Fall a) niedriger. Anmerkung: Das Beispiel macht auch einen oft übergangenen Unterschied zwischen der Reihenentwicklung einer periodischen Funktion und der FFT eines periodischen Signals 270 3 Signalverarbeitung <?page no="271"?> deutlich. Bei der Reihenentwicklung ist die Periode ausschließlich durch die Funktion selbst bestimmt, das Spektrum ist daher ein reines Linienspektrum; Leakage tritt in diesem Fall nicht auf. Bei der FFT ist die Periode durch das Zeitfenster bestimmt (→ Linienspektrum), das Spektrum eines periodischen Messsignals zeigt demzufolge Leakage. Bild 3.5: Auswirkung des Rechteckfensters auf das Spektrum 3.6.2 Zeitfensterfunktionen Um den Einfluss des Zeitfensters auf das Spektrum zu optimieren, können verschiedene Fens‐ terfunktionen eingesetzt werden. Das bloße Ausschneiden eines Zeitfensters entspricht einem Rechteckfenster. Seine Eigenschaften auf das Spektrum wurden in Bild 3.5 bereits gezeigt. 271 3.6 Zeitfenster (Rechteck, Hanning, Flat) <?page no="272"?> 30 hanning ist ein englischsprachiges Kunstverb mit der Bedeutung ‚Anwendung des Hann-Fensters‘. Die Zeitfensterung entspricht einer Multiplikation des Zeitsignalausschnitts mit einer Fenster‐ funktion w(t). Um den Fenstereinfluss zu optimieren, setzt man Fensterfunktionen ein, deren Wert an den Rändern verschwindet. Die wichtigsten sind in Bild 3.6 zusammen mit dem Rechteckfenster zu sehen. Die Auswirkungen kann man an den Spektren eines Sinussignals studieren, in der mittleren Spalte ein synchrones Signal (Frequenz genau auf Kanalmitte), in der rechten Spalte für eine Frequenz genau zwischen zwei Kanälen. Das Hann-Fenster, umgangssprachlich meist als Hanning-Fenster bezeichnet 30 hat die Form einer cos²-Funktion und ist damit auch mathematisch gut handzuhaben. Das Flat-Top-Fenster ist über ein Polynom definiert. Es zeichnet sich durch besondere Amplitudentreue im Spektrum aus. Die Zeitfenster werden üblicherweise als normierte Zeitfenster skaliert, sodass der Pegel eines synchronen Signals (Sinus auf Kanalmittenfrequenz) im Spektrum korrekt wiedergegeben wird. Der Skalierung ist jeweils für das Fenstermaximum in Bild 3.6 eingetragen. Bild 3.6: Die wichtigsten Zeitfenster im Überblick 272 3 Signalverarbeitung <?page no="273"?> Zeitfenstertyp Effektive Bandbreite b eff (relativ zum Linienabstand) Maximaler Amplitudenfehler in dB Rechteck 1,00 3,7 Hanning 1,5 1,4 Flat Top 3,77 < 0,01 Exponential - - Tabelle 3.3: Eigenschaften verschiedener Zeitfenster Anmerkung: In der Signalanalyse gibt es eine Reihe weiterer Zeitfenster, die jedoch für die Analyse kontinuierlicher Signale von untergeordneter Bedeutung sind, zumindest im gegebenen Zusammenhang. Durch die Zeitfensterung erzielt man einen optimalen Kompromiss hinsichtlich Leakage. Zur Analyse kontinuierlicher stationärer Signale wird vorwiegend das Hann-Fenster eingesetzt. Das Flat-Top-Fenster kann dann eingesetzt werden, wenn die Bestimmung der Amplitude Priorität hat. Die effektive Bandbreite ist hier das 3,2-fache des Linienabstands. Die wichtigsten Eigenschaften der Zeitfenster von Bild 3.6 sind in Tabelle 3.3 zusammengefasst. Die Verbreiterung des Peaks im Spektrum ist interpretierbar als erhöhte Bandbreite der Analyse zur sogenannten effektiven Bandbreite b eff . Die effektive Bandbreite ist im Fall des Hann-Fensters zum Beispiel gleich dem 1,5-fachen des Linienabstands. Sie kann anhand der Spektren in der rechten Spalte von Bild 3.6 abgeschätzt werden. Genaue Werte findet man in Tabelle 3.3. 3.6.3 Exponentialfenster Zur Erfassung von langen Transienten verwendet man oft ein Zeitfenster mit exponentiell abfallender Bewertung. Damit kann bei sehr schwach gedämpften Strukturen ein Abschneiden des Ausschwingvorgangs mit den damit verbundenen, unvermeidlichen Leakageeffekten vermieden werden. Die Methode wird hauptsächlich bei Anschlagtests und zur Messung von Übertragungs‐ funktionen mit der Impulshammermethode eingesetzt - etwa bei der Modalanalyse. Die Fensterung ist in Bild 3.7 veranschaulicht: Die ungefensterte Funktion ist am Ende des Zeitfensters nicht abgeklungen, bei der FFT tritt dadurch Leakage auf. Das Exponentialfenster drückt die Funktion gegen null. 273 3.6 Zeitfenster (Rechteck, Hanning, Flat) <?page no="274"?> (3.6) Bild 3.7: Exponentialfenster 3.6.4 Schmalbandkorrektur Liegt ein harmonisches Signal mit seiner Frequenz genau auf Kanalmitte, erhält man als Resultat den korrekten Pegelwert. Liegt die Frequenz zwischen den Kanälen, ergibt sich ein Amplituden‐ fehler. Der maximale Fehler ist in Tabelle 3.3 zu finden. Der Effekt ist in Bild 3.6 zu beobachten. Der Fehler kann durch Addition der benachbarten Linienpegel korrigiert werden. Bei der Ad‐ dition ist allerdings eine Korrektur der effektiven Bandbreite erforderlich, da die Gesamtenergie im Spektrum wegen der Fensternormierung überschätzt wird. Anmerkung: Eigentlich tragen zur Energie auch sämtliche Seitenbänder einer Komponente bei! Bei einer energetischen Summation mehrere Linien mit Pegeln L i zu einem Bandpass- oder Breitbandpegel L ges ist demnach eine Korrektur nach folgendem Algorithmus notwendig: L ges = 10log 1 bef f ∑ i 10 Li 10 3.6.5 Statistische Sicherheit Durch ein Zeitfenster wird die statistische Sicherheit jeder Messung (also auch der FFT) reduziert, da die Information im Zeitsignal durch die Fensterung reduziert ist. Auf diesen Effekt wurde schon bei der Triggerung in Abschnitt 2.7 hingewiesen. Bei der Analyse stationärer Signale kann dieser Effekt durch überlappende Zeitfenster reduziert oder sogar vollständig kompensiert werden. 274 3 Signalverarbeitung <?page no="275"?> 3.7 Filter (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) Filter sind Elemente der Messkette, die für bestimmte Frequenzanteile oder Frequenzbereiche durchlässig sind und andere sperren sollen. Bild 3.8 zeigt als Repräsentanten ein Bandpassfilter. Filter können analog oder digital aufgebaut werden. Ein analoges Filter besteht aus passiven Bauelementen wie Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen, meistens als Be‐ schaltung eines Operationsverstärkers. Digitale Filter werden aus Logikelementen aufgebaut. Wesentliches Element sind dabei Verzögerungsglieder, die bestimmte physikalischen Eigenschaf‐ ten (Impulsantwort) simulieren. Konzept und Filterparameter sind am Beispiel des Bandpassfilters in Bild 3.8 zu sehen. Das ideale Filter sollte für einen bestimmten Frequenzbereich durchlässig sein und Frequenzen außerhalb dieses Durchlassbereichs sperren. Bild 3.8: Bandpassfilter, ideal und real Das ideale Filter (im Bild links) erfüllt diese Aufgabe vollständig. Reale Filter (rechts im Bild) weisen demgegenüber Imperfektionen aus, nämlich ● endliche Flankensteilheit und ● Welligkeit. Filter werden quantitativ beschrieben durch die Parameter ● Mittenfrequenz und Grenzfrequenz(en), ● Flankensteilheit, ● Welligkeit im Durchlassbereich. Anmerkung: Der Nennwerte der Durchlassdämpfung wird hier immer mit 0 dB entspre‐ chend einer Verstärkung von 1 angenommen. Wie jede schwingungsfähige Struktur weisen auch Filter ein Einschwingverhalten auf, vgl. dazu Bild 1.11. Für ein Bandpassfilter nach Bild 3.8 gilt für Einschwingzeit T und Bandbreite B mit guter Näherung die Unschärferelation nach Abschnitt 2.5.1. 275 3.7 Filter (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) <?page no="276"?> (3.7) B × T = 1 Das heißt in Worten ausgedrückt: Vor jeder Messung muss zunächst mindestens die Einschwing‐ zeit T abgewartet werden bzw. für eine Messung mit einer Bandbreite B benötigt man mindestens eine Zeit von T Sekunden. Anmerkung: Ein äquivalenter Zusammenhang gilt auch für die Fouriertransformation: Zur Transformation muss erst ein Zeitsignalblock der Länge T gesammelt werden, die Transformation ergibt ein Spektrum der Bandbreite 1/ T. 3.7.1 Konfigurationen Die wichtigsten Filterkonfigurationen sind in Bild 3.9 zusammengestellt. Ideale Filter sollten Anteile außerhalb des Durchlassbereichs vollständig sperren, jedoch Anteile innerhalb des Durchlassbereiches unmodifiziert durchlassen. Begrenzt wird diese Anfor‐ derung durch Imperfektionen, im Speziellen die Flankensteilheit und Welligkeit im Durchlassbe‐ reich. Bild 3.9: Hochpass, Tiefpass und Bandpass Nach der Charakteristik des Durchlassbereichs unterscheidet man zwischen folgenden verschie‐ denen Filtertypen: Bandpassfilter Diese Filter sind nominell zur Extraktion eines bestimmten Frequenzbereichs geeignet. Sie können demnach auch zur Frequenzanalyse eingesetzt werden, entweder als Filterbank oder als durchstimmbares Filter mit variabler Mittenfrequenz. Besondere Bedeutung haben sie für die Konfiguration von Filtern mit konstanter relativer Bandbreite bei CPB-Analysatoren (Constant Percentage Bandwidth). Sie werden vor allem in der Akustik als Terz/ Oktav Analysatoren eingesetzt. Bandsperrfilter Diese Filter blenden einen bestimmten Frequenzbereich, ein Frequenzband, aus. 276 3 Signalverarbeitung <?page no="277"?> Tiefpassfilter Diese Filter blenden hohe Frequenzanteile oberhalb ihrer Grenzfrequenz f g aus. Wichtigste Anwendung ist das Antialiasingfilter vor einer Digitalisierung. Dieses Thema wird in Abschnitt 3.8 ausführlich behandelt. Hochpassfilter Hochpassfilter blenden tiefe Frequenzanteile unterhalb ihrer Grenzfrequenz f g aus. 3.7.2 Anwendungen Im Zusammenhang mit Schwingungsanalyse und CM findet man hauptsächlich folgende Anwen‐ dungen: ● Extrahieren von Maschinenfrequenzen, zum Beispiel bei Messungen nach DIN ISO 20816 (zum Beispiel Breitbandmessung im Bereich 10 Hz - 1 kHz) ● Ausblenden von Maschinenfrequenzen bei Körperschallmessungen ● Ausfiltern hoch- und tieffrequenter Störanteile ● Antialiasingfilter ● Terz-Oktav-Analyse 3.7.3 Vergleich Filter - FFT Frequenzanalysatoren werden sowohl als FFT-Analysatoren wie auch als Filterbanken aufgebaut. Beide Varianten weisen charakteristische Eigenschaften auf, die hier zusammenfassend gegen‐ übergestellt sind: ● Filter lassen die gesamte Signalenergie innerhalb ihres Durchlassbereichs passieren. Das Ausgangssignal entspricht dieser Energie als Gesamtwert, unabhängig von der Verteilung über der Frequenz innerhalb des Durchlassbereichs. So können im Grenzfall ein breitbandiges Rauschen und eine schmalbandige Einzelkomponente den gleichen Ausgangswert erzeugen, eine Unterscheidung ist nach der Filterung nicht mehr möglich. ● Die FFT erzeugt ein Linienspektrum, d. h. eine Serie schmalbandiger Frequenzanteile. Man spricht daher, im Gegensatz zu einer Filterbank, bei der FFT immer von Schmalbandspektren. ● Die FFT ist eine umkehrbare Prozedur (siehe Gl 3.1), für Filter trifft dies nicht zu. 3.7.4 Mitlauffilter Bei diesem Filtertyp wird die Mittenfrequenz durch eine externe Taktfrequenz vorgegeben. Sie können eingesetzt werden, um das Filter mit der Drehfrequenz eines Rotors zu synchronisieren und auf diesem Weg eine Ordnungsanalyse durchzuführen. Die Mittenfrequenz des Filters liegt dann immer auf einer bestimmten Ordnung der Rotordrehzahl. Als Mitlauffilter eignen sich digitale Filter ganz hervorragend, da sich ihre Filtercharakteristik nach Bild 3.8 proportional mit der Samplingfrequenz verändert. Dadurch lassen sich mit einem einzigen Filter komplette Filterbänke konfigurieren, zum Beispiel Terz-Oktav-Analysatoren. Zur Ordnungsanalyse werden meist digitale Verfahren auf Basis einer FFT oder des Vold-Kal‐ man-Algorithmus vorgezogen, siehe dazu die Ausführungen von Abschnitt 0.12. 277 3.7 Filter (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) <?page no="278"?> 3.8 Aliasing - Antialiasingfilter 3.8.1 Der Aliasingeffekt Als Aliasing werden in der Signalanalyse Effekte bezeichnet, durch welche in der Analyse Komponenten erscheinen, die im Signal nicht vorhanden sind. Sie entstehen durch Abtastung des Signals mit zu niedriger Abtastfrequenz. Bekannt sind solche Effekte bei der Betrachtung einer scheinbar verlangsamten oder stillstehenden Bewegung im Licht eines Stroboskops. Der Effekt ist in Bild 3.10 im Detail dargestellt. Bild 3.10: Aliasing Teilbild a) zeigt zunächst das Abtastsignal, eine Serie von Pulsen, in deren Rhythmus die Stich‐ proben aus dem Signal entnommen werden. In den folgenden Teilbildern werden harmonische Signale mit steigender Frequenz abgetastet. Teilbild b) entspricht dem korrekten Fall. Aus den Abtastwerten kann das Originalsignal eindeutig wiederhergestellt werden. Das Spektrum ist im rechten Teil dargestellt. In Teilbild c) ist die Signalfrequenz zu groß. Die Rekonstruktion des Zeitsignals könnte neben dem Originalsignal auch eine Aliassignal mit geringerer Frequenz ergeben. Im Spektrum ist dieser Effekt verdeutlicht: Neben der eigentlichen Frequenzkomponente erhält man ein Alias, eine im Zeitsignal nicht vorhandene Komponenten. Bei einer Rücktransformation existiert keine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen Original und Alias. Teilbild d) zeigt die Verhältnisse für eine weiter erhöhte Frequenz. Man erkennt, dass die Aliaskomponente als Spiegelung um die halbe Abtastfrequenz f s interpretiert werden kann. Diese Frequenz wird als Nyquistfrequenz bezeichnet. 278 3 Signalverarbeitung <?page no="279"?> Bild 3.11: Antialiasingfilter Ganz deutlich wird der Effekt im untersten Teilbild e), wo die Abtastfrequenz identisch ist mit der Signalfrequenz. Man erhält bei der Abtastung immer den gleichen Wert, was einen Gleichanteil im Signal vortäuscht. Bedenkt man jetzt, dass ein Analysator nur den Frequenzbereich unterhalb der halben Abtast‐ frequenz anzeigt, so erhält man in den Fällen c) bis e) ein falsches Ergebnis der Analyse. Der dabei entstehende Fehler ist weder gering noch korrigierbar. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass im Signal keine Komponenten mit Frequenzen oberhalb der Abtastfrequenz enthalten sind. Anmerkung: Der Fehler gilt für jede Digitalisierung, unabhängig ob darauf eine Frequenz‐ analyse aufgebaut wird oder eine andere Signalverarbeitung erfolgt. Im Spektrum wird der Effekt deutlich sichtbar. 3.8.2 Nyquist-Shannon-Abtasttheorem Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem oder kurz Shannon-Theorem besagt, dass ein auf eine Frequenz f max bandbegrenztes Signal aus einer Folge von äquidistanten Abtastwerten exakt re‐ konstruiert werden kann, wenn es mit einer Frequenz von mehr als 2× f max abgetastet wurde. Oder umgekehrt: Ein zu diskretisierendes Signal darf keine Frequenzen oberhalb der Abtastfrequenz enthalten. Antialiasing-Filter Um das Shannon-Theorem einzuhalten, ist vor der Abtastung ein Tiefpassfilter als Antialia‐ singfilter einzuschalten, siehe Bild 3.11. We‐ gen der endlichen Flankensteilheit des Filters muss seine Grenzfrequenz tiefer gesetzt wer‐ den, als es das Abtasttheorem verlangt. Damit soll vermieden werden, dass Frequenzanteile innerhalb der Filterflanke noch in den Dyna‐ mikbereich des Messgeräts gespiegelt werden. Die Auswirkung auf die nutzbare Linien‐ zahl der FFT wurde bereits in Abschnitt 2.5.1 behandelt. Anmerkung 1: Die Einschränkung der nutzbaren Linienzahl im Spektrum be‐ schränkt sich auf die Kombination von Abtastung und Antialiasingfilter. Sie ist keinesfalls ein allgemeines Prinzip der FFT. Anmerkung 2: Das Shannon-Theorem beschränkt sich nicht auf die Diskretisierung von Analogsignalen, es trifft auch für das Resampling digitaler Signale zu. Wird etwa die Abtastfrequenz durch Weglassen von Samples reduziert (Dezimation), so ist zuvor ein entsprechendes digitales Tiefpassfilter als Antialiasingfilter einzuschalten. Siehe dazu Bild 0.35. 279 3.8 Aliasing - Antialiasingfilter <?page no="280"?> Parameterwahl der Frequenzanalyse Parameter Symbol Kriterien Maximalfrequenz f max Zu wählen entsprechend der höchsten interessierenden Signalfrequenz Linienzahl der FFT L Bestimmt die Frequenzauflösung Frequenzauflösung Δf = fmax L Erkennbarkeit der niedrigsten Frequenzkomponenten Trennung von Seitenbändern (> 10 Linien) Blocklänge T = 1 Δf minimale Messzeit Samplingfrequenz f s = 2f max × OSF Ergibt sich aus der gewählten Maximalfrequenz Abtastintervall Δt = 1 fs zeitliche Auflösung Oversamplingfaktor OSF = fs / 2 fmax endliche Flankensteilheit des Antialiasingfilters Rauschminderung Auswahlparameter bestimmt vom Messsystem Tabelle 3.4: Auswahl der Analyseparameter 3.9 Bandbreite und Auflösung In diesem Abschnitt werden noch einmal alle Gesichtspunkte zur Wahl der Analyseparameter zusammengefasst. Von Seiten des FFT-Analysators wurden die Zusammenhänge bereits in Ab‐ schnitt 2.5 behandelt. In diesem Abschnitt geht es um die Auswahl aus der Sicht der Messaufgabe. Im ersten Schritt sind die Parameter der Frequenzanalyse zu wählen. Die Maximalfrequenz f max ergibt sich aus der höchsten Signalfrequenz, die erfasst werden soll. Beispiele sind ● Zahneingriffsfrequenzen inklusive 2. und 3. Harmonische, ● Schaufelfrequenzen (dito), ● Körperschallfrequenzen. Die Linienzahl L der Analyse (falls wählbar) bestimmt die Frequenzauflösung im Spektrum. 280 3 Signalverarbeitung <?page no="281"?> (3.8) Die weiteren Parameter ergeben sich aus den Eigenschaften des Analysators: ● Die Blocklänge T gibt die minimale Messzeit vor. ● Die Samplingfrequenz liegt um den Faktor OSF oberhalb der Nyquistfrequenz. ● Aus der Samplingfrequenz ergibt sich die zeitliche Auflösung. Details zwischen den Abtast‐ punkten sind nach der Tiefpassfilterung des Antialiasingfilters nicht vorhanden. ● Der Oversamplingfaktor OSF verhindert Aliasing im Bereich der Filterflanke. Traditionell wird ein OSF von 2,56 bevorzugt. Erhöhung des OSF reduziert nicht nur die Anforderungen an die Güte des Antialiasingfilters, es reduziert auch das Rauschen in Analog-Di‐ gital-Wandlern. Üblich sind Werte zwischen 2,56 und 4,0. 3.10 Rauschminderung Im Messsignal überlagertes Rauschen kann die Genauigkeit einer Messung bisweilen stark beeinträchtigen. Quellen für Rauschen sind ● externe Nebengeräusche, ● stochastische Hintergrundprozesse in der Maschine (Strömungsgeräusche, Reibung), ● elektrisches Rauschen im Aufnehmer, ● Digitalisierungsrauschen im ADC. Quantitativ wird Rauschen im Signal/ Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) auf Basis der physikalischen Leistung spezifiziert: SN R = Nutzsignalleistung Rauschleistung = PSignal PRauscℎen Die Skalierung erfolgt meist in Dezibel. Rauschen lässt sich vermindern durch ● Filterung, ● Mittelung oder ● Oversampling. 3.10.1 Reduktion der Rauschleistung Hochfrequente und tieffrequente Rauschanteile können durch Tief- und Hochpassfilter aus‐ geblendet werden. Durch Bandpassfilterung um eine Komponente bekannter Frequenz wird Hintergrundrauschen reduziert. Eine Verringerung der Bandbreite ergibt einen verbesserten SNR. Durch Mittelung wird das Spektrum von Rauschen geglättet. Dadurch verbessert sich die Unterscheidungsmöglichkeit zwischen deterministischen Komponenten und störendem Hinter‐ grundrauschen. Das durch die Digitalisierung eines Analogsignals entstehende Rauschen lässt sich durch Oversampling, also eine Erhöhung der Abtastfrequenz vermindern. 281 3.10 Rauschminderung <?page no="282"?> (3.9) 3.11 Mittelung (linear, zeitsynchron, exponentiell) Zur Erhöhung der statistischen Sicherheit der Messergebnisse und zur Verbesserung des Signal/ Rausch-Verhältnisses werden im Zuge der Messung Mittelungen durchgeführt. Mittelwertbildun‐ gen können sowohl im Zeitbereich wie auch im Frequenzbereich erfolgen. Grundsätzlich kann man die Verfahren in folgende Kategorien einteilen: ● Mittelung im Frequenzbereich (Mittelung von Spektren), ● Mittelung im Zeitbereich, ● Zeitsynchrone Mittelung. Hinsichtlich der rechnerischen Verfahren kann man wählen zwischen ● linearer Mittelung und ● exponentieller Mittelung. 3.11.1 Mittelung im Zeitbereich Mittelung im Zeitbereich dient, vor allem bei stark schwankenden Signalen, der Gewinnung repräsentativer Mittelwerte sowie zur Signalglättung in der Anzeige. Neben den Signalwerten (Abtastwerten) selbst können auch bestimmte Funktionen (Kennwerte) gemittelt werden, wie zum Beispiel quadratischer Mittelwert oder Effektivwert. Die Mittelung erfolgt immer über ein bestimmtes Zeitfenster. Setzt man das Zeitfenster kontinuierlich im Zeitbereich fort, spricht man von einer Mittelung mit gleitendem Zeitfenster, siehe Bild 0.23. Dabei können die Werte innerhalb des Zeitfensters unterschiedlich gewichtet werden, zum Beispiel für eine exponentielle Mittelung. Ein Sonderfall ist die zeitsynchrone Mittelung von Abschnitt 3.11.3. Sie wird zwar im Zeitbe‐ reich ausgeführt, dient jedoch der Verbesserung der Qualität von Frequenzspektren. 3.11.2 Mittelung von Spektren Mittelung von Spektren erfolgt komponentenweise, also getrennt für jede Frequenz. Gemittelt werden die spektralen Energien, also die quadratischen Amplitudenwerte x 2 . 3.11.2.1 Lineare Mittelung von Spektren Lineare Mittelung von Spektren erfolgt nach dem Algorithmus x = 1 n k = 1 n x k2 Zur linearen Mittelung von Pegelspektren ist zuvor eine Umrechnung in Energien erforderlich. Sie erfolgt nach dem Algorithmus 282 3 Signalverarbeitung <?page no="283"?> (3.10) (3.11) L = 10log 1 n ∑ k = 1 n 10 Lk 10 Bei statistisch schwankenden Signalen erhöht man durch die Mittelung die statistische Sicherheit der Ergebnisse. Anmerkung: Der Begriff linear bezieht sich hier auf die zeitliche Gewichtung, gemittelt wird nach wie vor energetisch, siehe Gl 3.9 bzw. 3.10. Für sinusförmige Komponenten (harmonische Schwingungen), wie sie der Zustandsüberwachung in der Regel zugrunde liegen, wäre eine ausreichende Mittelung bereits durch die Blocklänge der FFT gegeben, da dadurch das Spektrum schon von vornerein einen Mittelwert über die Blocklänge darstellt. Dennoch wird auch in diesem Fall meist über mehrere Spektren gemittelt, weil damit die Anteile von meist vorhandenem, stochastischem Hintergrundrauschen geglättet werden und damit vom eigentlichen Schwingungssignal besser zu unterscheiden sind. 3.11.2.2 Exponentielle Mittelung von Spektren Exponentielle Mittelung ist ein Spezialfall der sogenannten gleitenden Mittelung. Dabei werden zeitlich zurückliegende Werte mit zunehmendem zeitlichen Abstand durch einen exponentiell abnehmenden Faktor gewichtet. Diese Art der Mittelung ergibt eine Glättung der Anzeige, die aktuellen Werte werden dadurch betont. Mathematisch ergibt sich der exponentielle Mittelwert x ∼ durch x ∼ t = 1 τ 0 t e t − ξ τ x 2 ξ dξ Die Konstante τ entspricht dabei der Abklingkonstante. 3.11.3 Zeitsynchrone Mittelung Bei einer Zeitbereichsmittelung werden äquivalente (theoretisch deckungsgleiche) Zeitsignalblöcke übereinandergelegt und vor der Analyse Sample für Sample im Zeitbereich gemittelt. Anschließend wird auf das so gemittelte Zeitsignal die FFT angewendet. Man erhält dadurch ein besonders hochwertiges Spektrum, da das Hintergrundrauschen im Zeitbereich nullpunkt‐ symmetrisch auftritt (positive und negative Werte) und damit durch Mittelung beliebig weit unterdrückt werden kann. Anmerkung: Bei der Mittelung von Spektren nach Abschnitt 3.11.2 ist die Reduktion des Hintergrundrauschens bestenfalls bis auf die mittlere Rauschleistung möglich, da hier die (stets positiven) Leistungen gemittelt werden. Als Bezeichnungen für diese Mittelungsart sind auch die Begriffe Zeitbereichsmittelung sowie Enhanced Averaging von Spektren gebräuchlich. Ein Beispiel ist in Bild 3.12 anhand der Polardarstellung der Schwingungen eines Zahnkranzes zu sehen: das im Rohsignal sichtbare, starke Rauschen wird durch die Zeitbereichsmittelung praktisch vollständig unterdrückt, was die Schärfe einer Diagnose nicht unbeträchtlich erhöht. 283 3.11 Mittelung (linear, zeitsynchron, exponentiell) <?page no="284"?> (3.12) (3.13) Bild 3.12: Polardarstellung der Schwingungen eines Zahnkranzes links - Rohsignal, rechts - Zeitbereichsmittelung 3.11.4 Kumulative Mittelung Die kumulative Mittelung, auch als negative Mittelung bezeichnet, ist eine fortlaufende lineare Mittelung diskreter Stichproben, wobei der Mittelwert nach jeder Stichprobe aktualisiert wird. Geht man von einem Mittelwert über n Stichproben aus x n = 1 n ∑ 1 n x i , so ergibt sich der aktualisierte Mittelwert mit einer neuerlichen Stichprobe x n+1 x n + 1 = n n + 1 x n + xn + 1 n + 1 = x n + xn + 1 − xn n + 1 Nach jeder Stichprobe kann dadurch der aktualisierte Mittelwert beobachtet werden. Das Verfahren ist zweckmäßig bei der Auswertung von Anschlagtests, um Mittelwert und Kohärenz fortlaufend nach jedem Schlag zu verfolgen und zu beurteilen. 3.12 Dynamikbereich Unter Dynamikbereich versteht man das Verhältnis von größtem zu kleinstem Wert einer physi‐ kalischen Größe. Er wird meist angegeben in Dezibel. Für eine Messkette ist der Dynamikbereich bestimmt durch ● Rauschen in der Messkette (bestimmt die Untergrenze) und ● Übersteuerung der Messkette (bestimmt die Obergrenze). Zur Erzielung nutzbarer Ergebnisse muss der Signalpegel hinreichend über der Untergrenze liegen, so dass der ADC noch genügend Auflösung liefert. 284 3 Signalverarbeitung <?page no="285"?> Je nach Art des Messsignals ist für den maximalen Signalpegel noch eine Übersteuerungsre‐ serve einzukalkulieren, so dass auch bei hohem Crestfaktor noch keine Übersteuerung auftritt. 3.13 Signal-Rausch-Abstand Als Signal-Rausch-Abstand wird das Verhältnis von Nutzsignalleistung zur Rauschleistung bezeichnet. Dieses Thema wurde bereits in Abschnitt 3.10 ausgeführt. 3.14 Spektrenfelder Zur Analyse instationärer Prozesse wie Hochläufe von Maschinen wird oft eine Serie von Spektren über den gesamten Vorgang aufgenommen und als 3D-Schaubild dargestellt, siehe Abschnitt 2.10.4. Man spricht in diesem Fall von Spektrenfeldern. 3.14.1 Spektrogramm Als Spektrogramm wird nach DIN ISO 13373-2 die Darstellung von Frequenzspektren über der Zeit bezeichnet. Dargestellt wir das Spektrogramm als Wasserfalldiagramm (Bild 2.61) oder als Landkartendarstellung, dem sogenannten Spektrogramm (Bild 2.62). Anmerkung: Häufig wird der Begriff Spektrogramm auch für die Darstellung anderer Spektrenfelder wie Spektren über Drehzahl oder Ordnungsspektren verwendet. Nach DIN ISO 13373-2 ist dieser Begriff für die Zeit als Scharparameter festgelegt. Man sollte andere Varianten daher durch ein Präfix differenzieren, zum Beispiel Campbell-Spektrogramm oder Ordnungs-Spektrogramm. 3.14.2 Campbelldiagramm Das Campbelldiagramm ist eine zweidimensionale Darstellung der spektralen Frequenz über der Drehzahl, in welcher der Verlauf von Drehzahlordnungen und Resonanzfrequenzen über der Drehzahl eingetragen werden. Ergänzt man es durch eine dritte Dimension durch spektrale Pegelwerte, erhält man das erweiterte Campbelldiagramm nach Bild 3.13. Es ist ein wertvolles Instrument zu Identifizierung und Differenzierung von Drehzahlordnungen, Systemresonanzen und Instabilitäten. 285 3.13 Signal-Rausch-Abstand <?page no="286"?> Bild 3.13: Erweitertes Campbelldiagramm nach VDI 4550-1 286 3 Signalverarbeitung <?page no="287"?> 31 Computerized Maintenance Management System zur Speicherung und Beschreibung digitaler Objekte 4 Zustandsüberwachung Aufbauend auf die nach der Methodik der vorhergehenden Abschnitte erfassten und verarbeiteten Daten wird jetzt das Thema Zustandsüberwachung behandelt, ein Kernthema jedes zukunfts‐ orientierten Managementsystems. Ein zuverlässiger Maschinenbetrieb und das Gewährleisten einer gesicherten Produktion und Performance sind immer die eigentlichen Aufgaben, die im Hintergrund stehen. Die teilweise umfangreichen und oft detaillierten Ausführungen dieses Abschnitts mögen bisweilen überzogen erscheinen, besonders bei kleineren Systemen oder Assets. Dennoch sollte man sich mit dieser Thematik in jedem Fall befassen, da sie vor allem das überaus wichtige strategische Denken bei der Konzeption eines Überwachungssystems darlegt - und das gilt auch für diese kleineren Assets. Zustandsüberwachung ist keineswegs nur eine Frage von Fehlererkennung und Diagnose. Wie schon im Übersichtskapitel Abschnitt 0.6.6 ausgeführt, ist Zustandsüberwachung Werkzeug eines übergeordneten Instandhaltungs- und Reliability-Managements. Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über die wichtigsten Schritte. Am Markt werden diverse Condition Monitoring Systeme (CMS) mit verschiedenen Leistungs‐ merkmalen angeboten. Zwei Varianten sind in den Bildern Bild 4.1 und Bild 4.2 als Eckpfeiler gezeigt: Einmal eine Condition Monitoring Software (OMNITREND) für ein schwingungsbasier‐ tes Condition Monitoring, zum anderen, als Gegenüberstellung, ein umfassendes, zentrales CMMS 31 (emaint®) für vernetzte Zuverlässigkeit, vorbeugende, vorausschauende und präventive Instandhaltung - also ein System auf höchster Ebene; umfassend von der kontinuierlichen Erfassung von Feldmessdaten bis hin zur regelmäßigen, datenbankbasierten Berichterstattung. Bild 4.1: Condition Monitoring Software OMNITREND Center (db-Prüftechnik) <?page no="288"?> Bild 4.2: Universelles CMMS emaint® (Fluke Reliability) 4.1 Computerdatenbank - Einrichtung und Pflege Datenablage und Verwaltung sollten grundsätzlich systematisch und strukturiert in Datenbanken abgewickelt werden. Da Zentrum eines erfolgreichen Instandhaltungs- und Reliability-Manage‐ ments immer eine gute Datenbank sein wird, steht dieser Punkt hier an vorderster Stelle. 4.1.1 Definition einer Datenbank Eine Datenbank, engl. database, auch als Datenbanksystem (DBS) bezeichnet, ist ein System zur elektronischen Datenverwaltung, welches mit großen Datenmengen effizient, widerspruchsfrei und dauerhaft umgehen muss und logische Zusammenhänge abbilden kann. Es unterstützt die Speicherung und Verwaltung der Daten und stellt bestimmte Teilmengen in unterschiedlichen, bedarfsgerechten Darstellungsformen für Benutzer und Anwendungsprogramme zur Verfügung. Ein DBS besteht aus zwei Hauptkomponenten: ● Das Datenbank-Managementsystem (DBMS) sowie ● die Datenbasis (DB), also die Datenbank im engeren Sinn. Das DBMS ist eine Verwaltungssoftware, welche die strukturierte Speicherung der Daten und alle Zugriffe (Lesen und Schreiben) organisiert. Die DB ist die Menge der zu verwaltenden Daten. Cloud Computing Cloud Computing (zu Deutsch Rechnerwolke oder Datenwolke) ist eine IT-Infrastruktur, die über das Internet oder andere Netzwerke auf breiter Basis verfügbar gemacht wird. Es umfasst in der Regel Speicherplatz, Rechenleistung oder Anwendungssoftware als Dienstleistung und ermöglicht erst Anwendungen von Schlüsseltechnologien wie künstliche Intelligenz. Oder, aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, ist Cloud-Computing ein Konzept, IT-Infrastrukturen über ein Rechnernetz zur Verfügung zu stellen, ohne dass diese auf dem lokalen Rechner installiert sein müssen. 288 4 Zustandsüberwachung <?page no="289"?> Während frühere Datenbanken nur auf lokalen Rechnern oder auf firmeninternen Servern abgelegt waren, sind heutzutage zunehmend Datenbanken in einer oder miteinander vernetzten Clouds stationiert. Dies hat bei der Public Cloud, die quasi von jedem per Internet erreichbar ist, den besonderen finanziellen Vorteil, dass Datenbanksoftware nicht mehr gekauft werden muss, sondern sich nach Herunterladen einer kleinen Client-Software als Software as a Service (SaaS) mit attraktiven und aber festen Kosten nutzen lässt. Derartige cloudbasierte Software wurde aber auch so entwickelt, dass Anwender sie exklusiv im eigenen Haus oder in externen Rechenzentren nutzen können. Man spricht dann von einer Private Cloud. Erwähnt sei an dieser Stelle beim Cloud-Computing noch die Tendenz zum Infrastructure as a Service (IaaS), wo Amazon (Amazon Webservice (AWS), Microsoft (Azure Cloud), Alibaba, Google (Google-Cloud-Plattform (GCP) und IBM (Red Hat) führend sind. In Europa versuchen insbesondere Frankreich und Deutschland mit Gaia-X unter Berücksichtigung der europäischen Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) Standards zu schaffen und Lösungskonzepte zu zerti‐ fizieren, um auch kleinere europäische Cloud-Anbieter miteinander zu vernetzen. Datenbanken selbst gibt es in verschiedenen Varianten. Der gängigste Ansatz ist die relationale Datenbank. Dabei handelt es sich um eine Sammlung von Tabellen, in denen die Daten so organisiert sind, dass sie auf unterschiedliche Arten abgerufen, geordnet und dargestellt werden können. Schon in Abschnitt 2.8.3.2 wurde auf das Zusammenspiel von Messpunktbezeichnung und Datenbank hingewiesen, ein wesentlicher Gesichtspunkt dieses Konzepts (siehe 2.47). 4.1.2 Datenbanken für das Condition Monitoring Jede Organisation, jedes Management, jedes System und auch jede Messtechnik hat seine eigene Struktur, die sich auch im DBS widerspiegeln sollten. Oft steht hier schon eine Reihe von Lösungen zur Verfügung, die Anwender kennen und auch nutzen sollten. 4.1.2.1 Organisation eines DBS Der Aufbau und die Organisation eines DBS für das schwingungsbasierte Condition Monitoring sind in den folgenden Abbildungen ausschnittsweise dargestellt. Bild 4.3 zeigt die Basisebene mit dem Maschinenbaum. Enthalten sind alle Maschinen und Aggregate mit Kennungen und Messstellen. In Bild 4.4 ist die Konfigurationsebene mit einigen Messaufgaben und zugeordneten Messpunkten einschließlich Messrichtungen dargestellt. Man erkennt bereits an diesem Ausschnitt die hierarchische Struktur des DBS, was eine praktisch unbegrenzte Skalierbarkeit ermöglicht. Anmerkung: Unter Skalierbarkeit versteht man die Eignung zur Größenveränderung. In der Datenverarbeitung bedeutet Skalierbarkeit die Fähigkeit eines Systems aus Hard- und Software, die Leistung durch das Hinzufügen von Ressourcen in einem definierten Bereich proportional (bzw. linear) zu steigern. Hat man demnach von Beginn an die geeignete Struktur gewählt, ist eine spätere Erweiterung ohne Neubeginn immer möglich. 289 4.1 Computerdatenbank - Einrichtung und Pflege <?page no="290"?> Bild 4.3: Datenbank - Organisation der zu überwachenden technischen Assets Bild 4.4: Datenbank - Konfiguration der Messaufgaben an den festgelegten Messpunkten 290 4 Zustandsüberwachung <?page no="291"?> 32 Es wurden intensive Überlegungen für eine prägnante Übersetzung des Begriffs Performance angestellt - ohne Ergebnis. Also wird auch in deutschsprachigen Richtlinien der englische Begriff verwendet. 4.1.2.2 Datenauswertung und Betriebsanzeige aus dem DBS Neben den Messergebnissen sollten in einem Datenbanksystem für das Condition Monitoring auch die Auswertungen laufend in der Datenbank abgelegt werden. Dazu gehören in Anlehnung an ISO 13374-1 folgende Betriebsanzeigen (bezogen auf das Muster von Bild 4.5): ● Zustandserkennung (Bereich 1): Information über die aktuelle Situation. Es werden Trenddaten wie der Verlauf der Kennwerte über der Zeit zusammen mit Alarmwerten gezeigt. ● Zustandsbeurteilung (Bereich 2): Anzeige des Gesundheitsgrades, des Performance-In‐ dex 32 nach VDI 4550-3, einer Kritikalität oder von KPIs sowie Benennen von möglichst bedienerzentriert kodierten Kurzbezeichnung der Diagnoseergebnisse (wie Ausrichtfehler, Unwucht, Lagerfehler). ● Prognosen und Prioritäten (Bereich 3): Prognose, Festlegen von Prioritäten und idealer‐ weise Angabe der verbleibenden Restlaufzeiten (RUL). ● Handlungsanweisungen (Bereich 4): Empfohlene Maßnahmen zur Korrektur und Vor‐ schläge zu Instandsetzung oder zu veränderten Betriebsweisen. ● Identifikation und Dokumentation (Bereich 5): Identifikation der Anlage bis hin zur Subkomponente sowie zeitbezogene Dokumentation der Auffälligkeiten und Handlungen. Die Realisierung einer Betriebsanzeige nach diesem Konzept erfordert eine Langzeitspeicherung vielfältiger Informationen und Daten. Damit diese Daten auch übergreifend verwertbar sind, ist eine strukturierte Ablage in Datenbanken erforderlich. Solche Konzepte werden auch unter dem Begriff Data Mining geführt. Sie ermöglichen das schnelle und gezielte Auffinden bestimmter Informationen. Das Vorhalten der Auswertungen, zum Beispiel Trendanalysen, für eine im Feh‐ lerfall erforderliche Anzeige ist unter den Begriff (Buzzword) Knowledge Discovery in Databases (KDD) einzuordnen. Empfehlenswert ist des Weiteren ein Fernzugriff oder eine Übertragung in Clouds, um unternehmensübergreifend Auswertungen durchführen zu können. Anmerkung: Setzt man Konzepte dieser Art in einer Peer-to-Peer-Vernetzung von Kompo‐ nenten um, spricht man von Smart Data (intelligente Daten). Peer-to-Peer (kurz P2P) ist eine Bezeichnung für eine Kommunikation unter Gleichen, in diesem Fall bezogen auf ein Rechnernetz. In einem reinen P2P sind alle Computer gleichberechtigt und können sowohl Dienste in Anspruch nehmen als auch zur Verfügung stellen. 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen In diesem Abschnitt geht es zuerst um die Fähigkeit zum systematischen Überblicken von Anlagen auf Basis von Master-Asset-Listen (MAL) und um prozessbezogene Wirtschaftlichkeits- und Risi‐ kobetrachtungen auf Basis von z. B. Asset-Kritikalitäts-Ranglisten (ACR). Aber auch komponen‐ tenspezifische Bewertungen mit Hilfe von Fehlerbaumanalysen (FTA), Fehlerursachenanalysen (RCFA), von Gefährdungsanalysen, von Fehlermode- und -auswirkungsanalysen (FMEA) und von Fehlerbeschreibungs- und korrektiven Handlungs-Systemen (FRACAS) ermöglichen es, Anlagen, deren Fehler und Risiken im Detail zu bewerten und zu priorisieren. 291 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="292"?> Bild 4.5: Betriebsanzeige für ein multivariates Überwachungssystem 4.2.1 Überblick Will man ein Projekt zur Zustandsüberwachung von Grund auf neu erstellen, ist eine systemati‐ sche Vorgangsweise notwendig, um kostspielige Fehlinvestitionen zu vermeiden und von Anfang an ein wirksames Konzept zur Zustandsüberwachung zu realisieren. Das beginnt mit einer globalen Prozess- und Systemanalyse und dem Erstellen von Master-Asset-Listen (MAL). Dann sind Betriebserfahrungen und Überwachungsziele über ein Brainstorming zusammenzutragen und in ihrer Rangfolge zu bewerten. Nützlich ist in dieser Phase auch das Berücksichtigen vorhandener Risiko- und Gefährdungsanalysen für den Prozess, für die Umwelt, für Menschen 292 4 Zustandsüberwachung <?page no="293"?> und für die technischen Assets. Erst dann beginnt man zu definieren, welche Vorgehensweisen und Aufbauten für eine systematischen Zustandsüberwachung zielführend sind. Die im einführenden Abschnitt 0.23 angesprochenen Prinzipien und Bewertungsverfahren sollten natürlich mit einfließen. In Bild 4.6 findet man zunächst eine Zusammenstellung von Systemfaktoren, die für das jeweilige technische Asset zu berücksichtigen sind. Es handelt sich dabei, wie auch in den weiteren Darstellungen, um ein prinzipielles Schema. Das heißt einerseits, nicht alle der Komponenten müssen einfließen, andererseits könnte auch eine sinngemäße Erweiterung angebracht sein. Bild 4.6: Systemfaktoren für eine Zustandsüberwachung Das damit logisch verknüpfte Flussdiagramm, Bild 4.7, beschreibt die Phasen der Projektierung eines Überwachungssystems für eine industrielle Anlage. Hier sollten auch die einleitend zitierten wirtschaftlichen Gesichtspunkte wie Kosten-Nutzen Betrachtungen bereits eingearbeitet sein. 293 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="294"?> Bild 4.7: Strategie zur Projektierung einer Zustandsüberwachung Der typische Ablauf von Zustandsüberwachung ist schließlich in Bild 4.8 dargestellt. Enthalten sind darin auch möglicherweise erforderlich werdende Modifikationen im Konzept, die bis auf die Projektierungsphase zurückführen. 294 4 Zustandsüberwachung <?page no="295"?> Bild 4.8: Typisches Ablaufdiagramm einer Zustandsüberwachung 4.2.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Machbarkeitsstudien sowie eine Kosten-Nutzen-Analyse ganz zu Beginn sind die Basis, präzise Indikatoren zur Bewertung von Projekten zur Zustandsüberwachung zu ermitteln. Dazu gehört eine Reihe von Detailbetrachtungen. Sie werden hier nur genannt und nicht weiter erläutert: ● Ausführen einer Kosten-Nutzen-Analyse ● Ermitteln der Lebenszykluskosten (LCC) ● Abschätzen von Produktionsausfallskosten ● Bewerten von Folgeschäden, auch bezogen auf die Produktqualität ● Ermitteln möglicher Kollateralschäden ● Bewerten von Gewährleistung und Haftung 4.2.3 Anlagenaudit Ein Audit ist ein Werkzeug des Qualitätsmanagements, welches feststellen soll, ob für ein System, für einen Prozess, für ein technisches Asset oder für Handlungen bestimmte Standards erfüllt werden und welche Risiken für Mensch, Maschine, Prozess, Material und Umwelt bestehen. Ursprünglich angewendet im Personalbereich, werden Audits heute vor allem zur Produkt- und Prozessprüfung (zum Beispiel nach ISO 9000) eingesetzt. Die bereits erwähnten Master-Asset-Listen sind ein Bestandteil von Anlagenaudits und dienen zur Identifikation von Einrichtungen. Funktionsbeschreibungen, Pflichten- und Lastenhefte ermöglichen es einzuschätzen, ob die zu auditierende Anlage bestimmungsgemäß betrieben wird 295 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="296"?> und welche potenziellen Risiken und Gefährdungen bestehen. Auch dies sind wichtige Informa‐ tionen, um die Anforderungen an das zu projektierende Überwachungssystem zu definieren (siehe auch DIN ISO 17359). 4.2.3.1 Identifikation von Einrichtungen Zur Identifikation sind sämtliche Anlagenteile aufzulisten, funktionell grob zu beschreiben, zu priorisieren und die herstellerspezifischen Maschinenbezeichnungen und wichtigen Maschi‐ nendaten zu dokumentieren. Hat man von den Anlagenteilen vom Hersteller zusätzlich noch Stücklisten, Verbrauchslisten und Ersatzteillisten verfügbar, sollten vor allem die verschleißbehaf‐ teten Komponenten exakt erfasst und gekennzeichnet werden. Zusatzkomponenten wie Steue‐ rungssysteme, Regelungs- und Überwachungseinrichtungen oder die Energieversorgung sind ebenfalls aufzulisten und mit eindeutigen Identifikationen bzw. Kodierungen zu versehen. Auch umgebende Komponenten wie Gebäude und Gebäudestruktur, Fundamentierung, Rohrleitungen und Nebenaggregate sind mit einzubeziehen. Findet man zum Beispiel eine Messeinrichtung zum Erfassen von Wellenschwingungen wie in Bild 4.9 vor, kann darauf eine Zustandsüberwachung problemlos mit geringem Aufwand aufgesetzt oder erweitert werden. Bild 4.9: Vorhandene Wellenschwingungs-Messeinrichtung und zusätzliche Gehäusemesspunkte Tätigkeitsbezogene Dokumente wie allgemeine und spezifische Sicherheitshinweise, Nutzungs‐ hinweise, Betriebs- und Instandhaltungsanleitungen, Normen und Richtlinien und ähnliches sind den Herstellerinformationen zu entnehmen und im DBS zu dokumentieren. Ein Beispiel für eine typische Struktur wurde bereits Bild 4.6 vorgestellt, Detaillierungen dazu findet man in Tabelle 4.1. Idealerweise nutzt man zur vollständigen Datenermittlung entsprechende vorbereitete manuelle, besser noch digitale Checklisten. Komponenten Einzelkomponenten Beispiele Maschinen/ Aggregate Antriebsmaschinen Turbine, Elektromotor, Kolbenmaschinen etc. Getriebe/ Kupplung Kupplung, Getriebe, Riemenantrieb etc. Arbeitsmaschinen Generator, Pumpe, Kompressor etc. 296 4 Zustandsüberwachung <?page no="297"?> Komponenten Einzelkomponenten Beispiele Fundamentierung Plattform Fundamente fest aufgestellt elastisch aufgestellt doppelt elastisch aufgestellt Gebäude und Struktur Aufbau Materialen Resonanzen Eigenschwingungen Rohrnetz und Nebenaggregate Ein- und Auslässe Abgas, Wasser Nebenaggregate Wärmetauscher, Kühler, Kondensatoren Ventile Rohrnetz Resonanzen Schmierung Schmierstoff Öle, Fette, Feststoffe, Wasser Steuerungssysteme mechanisch elektrisch hydraulisch pneumatisch Prozessleitsystem Fernüberwachung Schutzeinrichtungen Überwachungseinrichtungen Wellenschwingungs- Messeinrichtung Betriebseinstellungen Betriebszustände Drehzahl(en), Druck, Bereiche Temperatur Geräusch Betriebsgeräusch, Lärm Umgebung Nachbarmaschinen Übersprechen Klima Temperatur, Feuchte Örtlichkeit Zugänglichkeit Sicherheit Umgebungsbedingungen CM-Technik aktuell geplant Sichtkontrolle Schwingungsüberwachung Tribologie Thermografie etc. Tabelle 4.1: Systemkomponenten zur Vorbereitung einer Zustandsüberwachung 297 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="298"?> 4.2.3.2 Beschreibung der Funktion der Anlage Während die zuvor benannten Aspekte sich mehr auf Schädigungsdiagnosen beschränken, ermöglichen Funktionsdiagnosen das Ermitteln optimaler Funktionsfähigkeiten von technischen Assets im jeweiligen Prozess. Folgende Fragen stellen sich in diesem Zusammenhang: ● Wozu ist die Anlage vorgesehen? ● Wie sind die Betriebsbedingungen? ● Was ist der typische Bereich der Betriebsbedingungen? ● Welche ist die wirtschaftlichste und effizienteste Betriebsweise? Schon diese 4 Fragen lassen erkennen, dass Funktionsdiagnosen auch das Messen von Funktions- und Betriebsparametern beinhalten sollten, um einschätzen zu können, wie einwandfrei das technische Asset funktioniert, wie gut Produktqualitäten sind und wie wirtschaftlich und effizient produziert wird. Wie bereits im Einführungskapitel erwähnt, können dazu auch Schwingungen eine wertvolle Informationsquelle oder sogar ein signifikanter Funktionsparameter sein. Projek‐ tiert man dann das online- Zustandsüberwachungssystem in der Weise, dass auch Abweichungen vom typischen Funktionsverhalten in Echtzeit gemeldet werden, kann nicht nur der Prozess frühzeitig optimiert werden, sondern es wird auch das jeweilige technische Asset geschont. Oder man erreicht sogar bessere Produktqualitäten und höhere Produktionsleistungen (ein Beispiel dazu ist in Bild 6.42 dokumentiert). Sollen Probleme im Prozess oder während der Funktion der Anlage analysiert werden, spricht man von Root-Cause-Analysen (RCA) oder von Root-Cause-Fehleranalysen (RCFA). Als Methoden seien die 5x Warum Technik, die Fehlerbaumanalysen (FTA)-Methode oder die Fischgräten-Technik erwähnt. Sie ermöglichen es, Ursachen zu identifizieren und zu erkennen, warum die Fehler entstanden sind. Als Ergebnis entsteht dann ein Fehlerbeschreibungs- und korrektives Handlungs-System, im englischen FRACAS (Failure reporting, analysis, and corrective action system) genannt. 4.2.4 Zuverlässigkeits- und Gefährdungsaudit Die Zuverlässigkeit von Systemen lässt sich modellhaft mit Hilfe von Zuverlässigkeitsblockdiagrammen beschreiben und auditieren. Eine Einführung zu diesem Thema wurde bereits in Abschnitt 0.6.6 gegeben. Gefährdungen zu auditieren erfordert Gefährdungs- und Risikoanalysen. Dabei sind aus Anwendersicht aber auch Kosten-, Planungs- und Machbarkeitsbetrachtungen unbedingt zu berücksichtigen. Potenzielle Schadens- und Fehlerquellen und Engpässe sind bereichsübergreifend aufzuspüren und über individuelle Risikobeurteilungen zu bewerten. Bei Audits nutzt man in der Regel zuerst einfache Fehlerbaumanalysen (FTA) mit entsprechenden Risikobewertungen und leitet daraus Empfehlungen zur Risikominderung ab. Mit welcher Methode Gefährdungsaudits auch durchgeführt werden - Risiken lassen sich niemals vollständig beseitigen. Trotz aller Schutzmaßnahmen und aller Sorgfalt wird stets ein gewisses Restrisiko verbleiben. Es sollte deshalb vorbereitende Aufgabe von Gefährdungsaudits sein, Fehlerhistorien nach den Wie-, Wann- und Warum-Kriterien zu ergründen und Rangfolgen von Kritikalitäten zu ermitteln. Bild 4.10 veranschaulicht eine derartige Vorgehensweise mit Hilfe einer CMMS-Datenanalyse. 298 4 Zustandsüberwachung <?page no="299"?> Bild 4.10: Ermitteln der Asset-Kritikalitäts-Rangfolge (Quelle: CMMS emaint®) Systeme zur Zustandsüberwachung sind in der Lage, für die identifizierten Assets mit hoher Kritikalität Gefährdungen zu mindern und die Verfügbarkeit zu erhöhen. Das gilt sowohl für technische Assets mit hoher Komplexität als auch für Assets, die weniger komplex sind, dafür aber eine höhere Priorität oder eine schlechte Instandhaltbarkeit haben. Nutzt man dann bei der Projektierung der geplanten Zustandsüberwachung eine Asset-Kri‐ tikalitätsmatrix wie in Bild 4.11gezeigt, kann fundiert entschieden werden, ob es genügt, mit einem einfachen mobilen Datensammler in Stufe 1 zu arbeiten oder ob Stufe 5 mit beispielsweise zusätzlicher Drehmomentmesstechnik erforderlich wird. So würde Stufe 5 zum Beispiel bei der Rissfortschrittsüberwachung einer angerissenen rotierende Turbinenwelle zwingend erforderlich sein. Doch auch hier werden gewisse Restrisiken verbleiben, wie das folgende Anschauungsbei‐ spiel erläutert. Anschauungsbeispiel: Wie groß ist das Risiko (die Wahrscheinlichkeit), auf einer Wüsten‐ expedition durch Reifenschaden liegen zu bleiben, wenn man einen Reservereifen mitführt? Die Wahrscheinlichkeit eines Defekts ist sowohl für die eingesetzten Reifen wie auch für den Reservereifen zu berücksichtigen. (und mit zwei Reservereifen? ) 299 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="300"?> Bild 4.11: Asset-Kritikalitäts-Matrix aus Sicht eines Condition Monitoring 4.2.5 Gefährdungspotenzial Die Entscheidung, ob ein technisches Asset in ein Zustandsüberwachungsprogramm einzubezie‐ hen ist, sollte man nicht nur rein technisch treffen, sondern auch andere Beeinflussungen und deren Gefährdungspotenziale berücksichtigen. Das Ursache-Wirkungs-Diagramm, Fischgrätendi‐ agramm oder einfach nur Ishikawadiagramm (Bild 4.12) ermöglicht recht anschaulich solche Einschätzungen zum Gefährdungspotenzial. In der ursprünglichen Version hatte Ishikawa in den 1940er-Jahren vier übergeordnete Kategorien von Ursachen definiert: Mensch, Maschine, Material und Methode. Man spricht dabei auch von der 4M-Methode - im Fischgrätendiagramm entspricht jeder Kategorie eine Gräte. Später wurde die Anzahl der Kategorien erweitert auf 6M (Mensch, Material, Mitwelt, Maschine, Management und Methode) oder sogar auf 8M (6M + Messung und Money). Bild 4.12: 6M-Ishikawadiagramm 300 4 Zustandsüberwachung <?page no="301"?> Zielpunkt Zielobjekt Kosten Maschinenausfall Produktionsausfall Ersatzteile, Instandsetzung Maschinenersatz Folgekosten Lebenszykluskosten Überwachung Sicherheit Personen, Umwelt Produktion Schäden Folgeschäden Sekundärschäden Reputationsverlust Häufigkeit Ausfallhäufigkeit (Ausfallrate) durchschnittliche Reparaturdauer Redundanz Ersatzmaschinen Komponenten Ersatzteile Tabelle 4.2: Gefährdungspotenzial Neben den in Bild 4.12 genannten Einflüssen kann man zusätzlich aber auch noch die verschie‐ denen Gesichtspunkte nach Tabelle 4.2 einbeziehen. Die Bewertung der einzelnen Punkte muss dann im Detail im Rahmen einer Nutzwertanalyse, einer Risikobewertung oder über ein RAMS/ LCC-Management erfolgen. Zunehmend kann man mittlerweile verschiedene, eine Reihe zielgerichteter Umsetzungen dieses an sich sehr umfassenden Gesamtkonzepts beobachten. Zitiert seien in diesem Zusammenhang: ● PHA (Process Hazard Analysis) - eine Bewertung oder Analyse der Prozessgefährdung. Sie zielt auf die Untersuchung potenzieller Ursachen und Folgen von zum Beispiel Explosionen, Bränden, Freisetzung gefährlicher Chemikalien etc. und konzentriert sich auf Ausrüstung, In‐ strumentierung, Versorgungseinrichtung, menschliche Handlungen oder externe Einflüsse. ● HAZOP (Hazard and operability study) - eine Gefahren- und Funktionsstudie von kom‐ plexen, geplanten oder bestehenden Prozessen, welche Risiken für Personal und Ausrüstung darstellen können. Im Prinzip eine zielgerichtete Prozess-FMEA. ● EHHS (Enviromental, Health, Safety and Security) - praktische Aspekte des Umwelt‐ schutzes und der Aufrechterhaltung von Gesundheit und Sicherheit am Arbeitsplatz oder ganz allgemein im Beruf. Kurz gesagt, Umwelt, Gesundheit und Sicherheit. 301 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="302"?> 4.2.6 Priorität von Instandhaltungsmaßnahmen Bei der anschließend anstehenden Entscheidung, wo und mit welcher Priorität die jeweiligen Instandhaltungsmaßnahmen zu realisieren sind, eignet sich die sogenannte RIME-Zahl. Sie ermöglicht es, eine sinnvolle zeitliche Rangfolge auch unter Berücksichtigung des Instandhal‐ tungsbudgets festzulegen. Definitionen und Systematik sind in Tabelle 4.3 zusammengestellt. Berücksichtigt werden dabei sowohl die Kritikalität der betroffenen Ausrüstungen als auch die Priorität der Instandhaltungsarbeiten. Natürlich haben potenzielle Risiken (zum Beispiel für den Arbeitsschutz) dabei die höchste Einstufung. Wenn dann noch Gefahr besteht, dass die gesamte Produktionsanlage abfährt, ergibt sich eine RIME-Zahl von 100, was bedeutet, dass man unmittelbar ohne Zeitverzug tätig werden muss, um diese Gefährdungen zu reduzieren. Tabelle 4.3: Definition der RIME-Zahl 302 4 Zustandsüberwachung <?page no="303"?> 4.2.7 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) Die FMEA war früher lediglich eine vorbeugende Methode zur Qualitätssicherung, um Ferti‐ gungsfehler zu vermeiden. Sie wird jedoch zunehmend auch für Kritikalitätsanalysen und zur frühzeitigen Fehleranalyse noch in der Entwurfsphase von Systemen eingesetzt. FMEAs bestehen im Wesentlichen darin, dass man in einer hierarchischen Struktur, beginnend auf der Systemebene und in Stufen (Ebenen) bis hin zu den einzelnen Subkomponenten Fehlfunktionen der jeweiligen Ebene und Fehlfunktionen des Systems analysiert und bewertet. Ein solches Schema ist in Bild 4.13 dargestellt. Die Untersuchung von Fehlereinflüssen kann absteigend, also beginnend auf der Systemebene erfolgen (Top-down). In dieser Weise ist auch die Darstellung im Bild strukturiert: Beginnend mit der obersten Systemebene 0 und weiter über Ebene 1, Ebene 2 usw. Alternativ ist auch eine aufsteigende Interpretation möglich (Bottom-up), also beginnend bei der Komponente. Im ersten Fall also mit dem Aspekt, wie wirkt sich ein Systemfehler auf die Komponente aus, im zweiten Fall, welche Auswirkung hat ein Komponentenfehler auf das betrachtete System. Bild 4.13: Schema einer FMEA Die FMEA lässt sich auch in der Zustandsüberwachung und beim Instandhaltungsmanagement einsetzen. Entsprechende Ziele wurden bereits im einführenden Abschnitt 0.23 systematisch entwickelt, in Abschnitt 14 wird die FMEA noch mehr im Detail erläutert. Durch den hierarchischen Aufbau ist jedes FMEA-Konzept beliebig skalierbar, das heißt, es lässt sich auf neue Fragestellungen erweitern. Anders gesprochen: Dort, wo eine FMEA bereits erstellt ist, vielleicht schon in der Entwurfsphase, lässt sich das Instandhaltungsmanagement unschwer integrieren. Und viele Antworten auf Fragen einer Zustandsbeurteilung und Fehlerbewertung liegen dort möglicherweise bereits vor. 303 4.2 Bewertung und Priorisierung von Anlagen <?page no="304"?> Parameter Elektromotor Dampfturbine Flugturbine Gasturbine Pumpe Kompressor Generator Kolbenmaschine Ventilator Temperatur ● ● ● ● ● ● ● ● ● Druck ● ● ● ● ● ● ● Förderhöhe ● Kompressionsverhältnis ● ● ● Druck (Vakuum) ● ● Luftstrom ● ● ● ● ● Kraftstofffluss ● ● ● Fluidstrom ● ● ● Strom (elektrisch) ● ● Spannung ● ● Widerstand ● ● Phase (elektrisch) ● ● Eingangsleistung ● ● ● ● ● Ausgangsleistung ● ● ● ● ● ● Geräusch ● ● ● ● ● ● ● ● ● Schwingungen ● ● ● ● ● ● ● ● ● Schallemission ● ● ● ● ● ● ● ● ● Ultraschall ● ● ● ● ● ● ● ● ● Öldruck ● ● ● ● ● ● ● ● ● Ölverbrauch ● ● ● ● ● ● ● ● ● Tribologische Ölprobe ● ● ● ● ● ● ● ● ● Thermografie ● ● ● ● ● ● ● ● ● Drehmoment ● ● ● ● ● ● Drehzahl ● ● ● ● ● ● ● ● ● Länge ● Winkellage ● ● ● ● Wirkungsgrad ● ● ● ● ● ● ● zeigt an, dass der Parameter Informationen zur Zustandsüberwachung liefern kann Tabelle 4.4: Allgemeine Überwachungsparameter im Maschinenbetrieb 304 4 Zustandsüberwachung <?page no="305"?> Maschinenart: Elektromotor Strom Spannung Widerstand Teilentladung Leistung Drehmoment Drehzahl Schwingungen Temperatur Auslaufzeit Axialfluss Ölpartikelzählung Kühlgas Schadensart Rotorwicklung ● ● ● ● ● ● ● ● Statorwicklung ● ● ● ● ● Exzentrischer Rotor ● ● ● Bürstenfehler ● ● ● ● ● Lagerschaden ● ● ● ● ● ● Isolation Verschlechterung ● ● ● ● ● Phasenverlust Eingangsleistung ● ● ● ● Unwucht ● Ausrichtfehler ● ● zeigt an, dass das Symptom oder die Parameteränderung im Schadensfall auftritt Tabelle 4.5: Fehlertabelle - Beispiel Elektromotor Das Grundkonzept sei bezogen auf das Finden geeigneter Parameter zur Zustandsüberwachung nachfolgend grob auf Basis von zwei beispielhaften Mustertabellen (aus der Norm DIN ISO 17359) veranschaulicht. Tabelle 4.4 enthält eine Aufstellung, welche Maschinen in eine Zustands‐ überwachung einzubeziehen sind und welche Parameter für jede dieser Maschinen geeignete Überwachungsparameter sein können. Tabelle 4.5 geht am Beispiel eines Elektromotors eine Ebene tiefer und definiert in Abhängigkeit von spezifischen Fehlererscheinungen die zu erfas‐ senden Messgrößen oder zu erfassenden Symptome. Eine Kollektion von Mustertabellen ist in der Norm DIN ISO 17359 zu finden. 4.3 Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms Aufbauend auf die Bewertung und Priorisierung der Maschinen und Anlagen wird ein Überwa‐ chungsprogramm zur Erfassung und Diagnose von Fehlern aufgestellt. 4.3.1 Die Grundstruktur Die Grundprinzipien für die Projektierung eines wirksamen Überwachungskonzepts wurden für die wichtigsten Komponenten bereits erläutert. In der Folge wird die Anwendung dieser Konzepte zum Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms in kondensierter Form zusammengefasst. Bild 4.14 zeigt zunächst vorab den grundsätzlichen Aufbau eines datengetriebenen Condition Monitoringsystems (CMS). Gelingt es, Datenerfassung, Aufbereitung und Merkmalsextraktion, Klassifizierung, Priorisierung gleich im CMS auszuführen und bereits aufbereitete Ergebnisse für weiterführende wissensbasierte Diagnosen weiterzuleiten, dann spricht man vom hybriden Condition Monitoring Prozess. 305 4.3 Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms <?page no="306"?> Bild 4.14: Aufbau eines datengetriebenen Online-Condition Monitoring Systems (CMS) Ein besonders wichtiger Punkt ist dabei die gezielte Merkmalsextraktion - dieser Frage widmet sich der folgende Unterabschnitt. 4.3.1.1 Merkmale (Deskriptoren) Was sind im gegebenen Zusammenhang eigentlich Merkmale eines Fehlers? Ein Merkmal, auch als Deskriptor bezeichnet, ist ein Skalar mit Zeitstempel, der in einem einfachen Format gespeichert werden kann. Über solche Merkmale werden wichtige Informatio‐ nen aus Messignalen oder Beobachtungen extrahiert. Beispiele sind ● Drehzahlschwankungen ● Prozessabhängigkeiten ● Resonanzschwingungen ● Energiegehalt einer Seitenbandfamilie 4.3.1.2 Symptome Ein Merkmal kann über bestimmte Symptome einen Fehlermode oder einen Fehler indizieren. Beispiele für Symptome sind ● Auftreten oder Fehlen eines Merkmals ● Ansteigen oder Abfallen von Pegeln ● Änderungsrate (kontinuierlich oder sprunghaft) In der Zustandsüberwachung werden die meisten Merkmale aus Schwingungsmessungen abge‐ leitet. Wichtige Quellen sind aber auch Prozess- und Betriebsparameter (zum Beispiel abgegebene Leistung, Wirkungsgrad) sowie Parameter aus der Schmierstoffüberwachung (zum Beispiel Partikelanzahl). 306 4 Zustandsüberwachung <?page no="307"?> 33 aus dem Griechischen syn = zusammen und ptoma = Fall 4.3.1.3 Fehlersymptomatik - FMSA Aus der Medizin: Ein Symptom 33 ist ein Anzeichen einer Erkrankung oder Verletzung, es ist die kleinste beschreibbare Untersuchungseinheit. Die Gesamtheit der aus einer Krankheit resultierenden Symptome ergibt die Symptomatik. Fehler oder Fehlmoden werden bei der Überwachung durch Symptome von Merkmalen (Deskrip‐ toren) sichtbar. Im Allgemeinen wird sich ein Fehler jedoch nicht in einem einzigen, sondern in mehreren Merkmalen zeigen. Die im Hinblick auf Merkmale gesamtheitliche Fehlerdiagnose ist Gegenstand der FMSA, der Fehlermode- und Symptomanalyse. Diesem aufbauenden Verfahren ist Abschnitt 15 gewidmet. 4.3.2 Konzepte und Funktionalität Im ersten Schritt muss man die gewünschten Funktionalitäten eines geplanten Condition Moni‐ toring Systems definieren. Als Stichpunkt seien dazu genannt: ● Permanente oder periodische Überwachung ● Funktionsdiagnostik oder Schädigungsdiagnostik ● Fehlerfrüherkennung oder Prozess- und Qualitätsüberwachung ● Trendanalyse oder diagnostische Schutzüberwachung ● Prognostik Die reine Zustandsüberwachung dient lediglich der Feststellung, dass ein Fehler oder eine Ab‐ weichung vom Normalzustand vorliegt und liefert eine Beurteilung, meist nach standardisierten Grenzwerten (zum Beispiel DIN ISO 20816). Eine Diagnose erfolgt im Allgemeinen nicht, die Standards liefern lediglich Handlungsanweisungen. Die Zustandsdiagnostik ist die Gesamtheit der Verfahren, um Fehlerdiagnosen und Fehlfunk‐ tionsdiagnosen zu liefern. Diese Verfahren sind meist schon in heutigen softwaregestützten Condition Monitoring Systemen enthalten, oder zumindest nachrüstbar. Einige Gesichtspunkte für die grundlegende Systemauswahl sind in Tabelle 4.6 zusammengestellt. 4.3.3 Schwingungen als Basis einer Zustandsüberwachung Die zentrale Rolle von Schwingungen zur Beurteilung des Maschinenzustands wurde schon ein‐ gangs in Abschnitt 0.4.2 erläutert. Ebenso der Zusammenhang zwischen inneren Kräften und durch sie erregten Schwingungen (siehe dazu Bild 0.31). Dieses Konzept kommt jetzt bei der Definition von schwingungsbasierten Condition Monitoring Systemen zum Tragen. Alternative oder ergänzende Methoden werden in Abschnitt 4.7 vorgestellt. 4.3.4 Messkonzepte und Messparameter Die Erstellung des Messkonzepts für die einzelnen Komponenten beginnt mit der Wahl der Fre‐ quenzbereiche für typische und für fehlerbedingte Schwingungserscheinungen. Zugehörig dazu 307 4.3 Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms <?page no="308"?> Faktoren CMS Fehler Kritikalität Ersatzkosten Zugänglichkeit Vorlaufzeit Breitband FFT Aufnehmer Breitband tragbar Breitband online FFT tragbar FFT online mobil fest Einfach niedrig niedrig gut lang ● ○ ● ● niedrig hoch gut lang ● ○ ● ○ ● niedrig hoch schlecht kurz ● ● ● hoch hoch gut lang ● ● ● ○ ● hoch hoch schlecht kurz ● ● ● ○ alternativ Tabelle 4.6: Auswahltabelle für CMS zeigt Bild 4.15 eine Zusammenstellung der typischen Frequenzbereiche zur Fehlererkennung an verschiedenen Elementen in rotierenden Maschinen. Bild 4.15: Frequenzbänder zur schwingungsbasierten Fehlererkennung Bei den auszuwählenden Messparametern ist zu unterscheiden zwischen Bewegungen, Verlage‐ rungen, Wellenschwingungen und Gehäuseschwingungen. Erfasst man bei den Gehäuseschwin‐ gungen von Anfang an die frequenzbezogenen Weitbereichsschwingungen, lassen sich aus einem 308 4 Zustandsüberwachung <?page no="309"?> Spektrum Informationen zu den Maschinenschwingungen und zu den Körperschallschwingungen ableiten. Will man Bezug zu existierenden oder vereinbarten Standards herstellen, muss zusätzlich noch entschieden werden, ob Schwingwege, Schwinggeschwindigkeiten oder Schwingbeschleu‐ nigungen zu messen und zu bewerten sind. Nach diesen Entscheidungen hat man eine solide Basis geschaffen, um auch die passenden Schwingungsaufnehmer auszuwählen. 4.3.5 Auswahl von Analyse- und Auswerteverfahren Die Auswahl von Analyse- und Auswerteverfahren hängt von der jeweiligen Aufgabe ab und steht in direktem Zusammenhang mit Messgröße und Schwingungskategorie. Details werden im Zuge der weiteren Ausführungen erläutert. 4.3.6 Setups und Konfigurationen Schon in der Planungsphase sollte eine Grundsatzentscheidung fallen, in welchem Umfang eine Zustandsüberwachung eingesetzt wird. Der Bogen spannt sich vom einfachen, mobilen Datensammler bis hin zur ganzheitlichen und vollautomatisierten Online-Überwachung. 4.3.6.1 Online CM-System Das Konzept eines modernen Online Edge-basierten Condition Monitoring Systems ist in Bild 4.16 dargestellt (siehe dazu auch Tabelle 2.3 und die Ausführungen am Ende von Abschnitt 2.11.1). Es zeichnet sich durch eine Reihe von Eigenschaften aus, insbesondere: ● Synchrone Schnellabtastung über mehrere Kanäle ● Automatische Berücksichtigung mehrerer Betriebszustände ● Fähigkeit zur kontinuierlichen Überwachung von Anlagen mit vielen Einflussparametern und hochdynamischem Bewegungsverhalten ● Unterschiedliche Kanalvarianten für analoge, inkrementale und digitale Sensoren ● Integrierte intelligente multimodale Datenverarbeitung ● Mehrere Montagevarianten (Schutzgehäuse IP 65, Schaltschrankmontage) ● Intelligente Datenreduktion und Datenaufbereitung ● Standardisierte digitale Schnittstellen ● Netzwerk- und WLAN-Fähigkeit ● Verwenden von sicheren Protokollen und Verschlüsselungstechniken Mit der Fähigkeit, mehrere Messkanäle parallel und synchron abzutasten, lassen sich auch sehr komplexe Maschinen und Anlagen kontinuierlich überwachen und vor ungeplanten Stillständen schützen. Solche CMS arbeiten autonom und führen die erforderlichen Messaufgaben vollauto‐ matisch aus. Die Messdaten, wie zum Beispiel Zeitsignale, Kennwerte, FFT-Spektren, Orbits oder Wellenbewegungen werden parallel und praktisch in Echtzeit verarbeitet und können dadurch mit dem laufenden Produktionsprozess korreliert werden. Die schnelle Datenverarbeitung erlaubt es, auch Anlagen mit kurzen Betriebszyklen, wie zum Beispiel Kräne, Werkzeugmaschinen, Pressen, oder Maschinen mit ausgeprägt dynamischen Prozessen, wie Prüfstände, Windenergieanlagen oder Kettenförderer zu überwachen. Die unterschiedlichen Betriebszustände einer Maschine werden mit intelligent verknüpften Alarmschwellen berücksichtigt. Diese Alarmschwellen passen sich automatisch an die wech‐ 309 4.3 Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms <?page no="310"?> selnden Bedingungen an. Damit kann in jedem Betriebszustand der Maschine eine optimale Überwachung sichergestellt werden. Bild 4.16: Konzept eines modernen Edge-CM-Systems Das in Bild 4.16 gezeigte CMS verfügt über zusätzliche Funktionen zur Kennwertüberwachung und zur Alarmierung, wie zum Beispiel variable Bandalarme und Alarmtrends. So können typische Maschinenfehler wie Unwucht, Ausrichtfehler, Verzahnungsfehler und Lagerschäden gezielt erfasst werden. Für eine umfassende Überwachung und Analyse von Turbomaschinen lassen sich solche Sys‐ teme problemlos auch an die gepufferten Ausgänge eines Maschinenschutzsystems anschließen (siehe Bild 4.9). Die aufbereiteten und vorbewerteten Diagnosegrößen können dann zum Beispiel über eine Modbus-Schnittstelle direkt an die Prozesssteuerung oder über MQTT in das cloud‐ basierte Asset-Managementsystem weitergeleitet werden. Eine intelligente Datenaufbereitung und ein integriertes Datenmanagement sorgen dafür, dass das Datenvolumen in tolerierbarer Größenordnung bleibt. Anmerkung: Modbus ist ein Kommunikationsprotokoll, ursprünglich für die Anbindung speicherprogrammierbarer Steuerungen. Es hat sich mittlerweile zu einem De-facto-Stan‐ dard entwickelt und ist in der Norm IEC 61158 beschrieben. Wie sich ein solches CMS dem Betreiber im Dashboard auf der Maschinenwarte oder im Smartphone präsentieren kann, zeigt beispielhaft die Ansicht von Bild 4.17. 310 4 Zustandsüberwachung <?page no="311"?> 34 Radio Frequency Identification ist ein System zur automatischen und berührungslosen Identifikation von Objekten mit Radiowellen. Das Objekt wird mit einem RFID-Transponder ausgestattet (ähnlich Strichcode), das Messgerät enthält ein Lesegerät zur Identifikation. Bild 4.17: Dashboard zur Zustandsanzeige eines Turbo‐ satzes 4.3.6.2 Mobile FFT-Datensammler Der mobile FFT-Datensammler ist neben dem FFT-Analysator zentrales Messgerät bei einer mobilen Zustandsüberwachung. Diese trag‐ baren Messgeräte führen den Bediener über die Messroute, steuern und überwachen die Messungen und liefern ggf. Sofortauswertun‐ gen. Sie werden über einen Zentralrechner in die Überwachung eingebunden. Zu Routenbe‐ ginn erfolgt ein Download von Messroute, Be‐ zugsdaten etc. vom Host, abgeschlossen wird die Route mit einem Upload der Ergebnisse zum Host. Ein Beispiel für einen mobilen Datensamm‐ ler zeigt Bild 4.18. Der Bediener wird über ein Touch-Display visuell durch die Messroute geleitet. Vor Ort werden Maschine, Mess‐ punkte und Verlauf der Messung am Display angezeigt. Ein RFID-System kann zusätzlich für eine schnelle und fehlerfreie Identifikation der Messpunkte sorgen. Nach Abschluss der Messroute werden die Daten zum Auswertezentrum zwecks Aus‐ wertung und Archivierung übertragen. Bild 4.18: Mobiler FFT-Datensammler - Messroute und Messpunktanzeige 311 4.3 Aufbau eines Zustandsüberwachungsprogramms <?page no="312"?> Anforderungen an den Datensammler Robuster, praxisgerechter Aufbau Visuelle Routenführung Schnelle und umfassende Datensammlung Automatische Messpunktidentifikation über RFID 34 Dreiachsen-Datensammlung Tacholose Drehzahlerfassung Minimale Messzeit Flexibler Datentransfer zum Auswertezentrum (Host) Keine Schulung erforderlich Tabelle 4.7: Anforderungsprofil an einen Datensammler 4.4 Warn- und Alarmeinstellungen Die Festlegung von Schwellwerten für Kenngrößen, die Warnung oder Alarm indizieren sollen, ist bei einer Schwingungsüberwachung weitgehend Erfahrungssache. Im Prinzip beruhen auch genormte oder standardisierte Kriterien letztendlich auf statistisch hinterlegten Erfahrungen, die im industriellen Betrieb gewonnen wurden. Anmerkung: Für unmittelbare Kriterien, wie Schmierspaltdicke oder Anstreifen, die direkt überwacht und interpretiert werden können, treffen diese Überlegungen nicht zu. Liegen keine standardisierten Kriterien vor, müssen zunächst vorläufige Kriterien für Warnung und Alarm gesetzt werden. Wenn möglich, kann man als Ausgangspunkt die Werte ähnlicher oder gleichartiger Maschinen heranziehen, für die bewährte Kriterien bereits vorliegen. Grundsätzlich sollten vorläufige Warn- und Alarmkriterien so gewählt werden, dass sie so früh wie möglich das Auftreten eines Schadens anzeigen. Es können Einzelschwellen, aber auch mehrfache Schwellen, sowohl in aufsteigender wie auch in absteigender Folge gesetzt werden. Sprunghafte Änderungen innerhalb der gesetzten Grenzen, bei welche die Schwellenwerte jedoch nicht überschritten werden, sollten getrennt untersucht werden (vgl. dazu DIN ISO 20816-1, Kriterium I und Kriterium II). Die Kriterien werden durch Auswertung mehrerer Messungen gewonnen oder aus Einhüllen‐ den dynamischer Messwerte abgeleitet. Sie sollten im Laufe der Betriebszeit in einem iterativen Verfahren optimiert werden und dann als Bezugswerte für die Überwachung dienen. 4.5 Bestimmung von Basiswerten, Trendanalyse Grundlage der Zustandsüberwachung sind Bezugswerte oder Basiswerte. Das sind solche Kenn‐ größen, die einen einwandfreien, einen guten Maschinenzustand repräsentieren. Auf sie wird in der laufenden Beobachtung immer wieder Bezug genommen. 312 4 Zustandsüberwachung <?page no="313"?> Theoretisch würde man davon ausgehen können, dass eine neue oder gerade überholte Maschine immer in einwandfreiem Zustand ist und daher solche Bezugswerte liefert. Das ist jedoch nicht immer der Fall, weshalb die Bestimmung eine gewisse Sorgfalt erfordert. 4.5.1 Basiswerte Bezugswerte sind Einzelwerte oder Datensätze, die bei einem als fehlerfrei und stabil beurteilten Betriebszustand gemessen wurden. Die Ergebnisse laufender Messungen können mit diesen Bezugswerten verglichen werden, um Änderungen festzustellen. Die Bezugswerte sollten den stabilen Anfangszustand der Maschine vorzugsweise im üblichen Betriebszustand genau definie‐ ren. Bei Maschinen mit unterschiedlichen Betriebszuständen sollten für jeden dieser Zustände eigene Basiswerte definiert werden. Bei neuen oder neu instandgesetzten Maschinen kann eine Einlaufphase auftreten, die eine Änderung der Messwerte während der ersten Betriebsphase nach sich ziehen kann, siehe dazu Bild 2.2. Diese Einlaufphase sollte bei der Festlegung von Bezugswerten berücksichtigt werden. Bei Maschinen, die vor der ersten Messung schon eine nennenswerte Zeit in Betrieb stehen, ist bei der Festlegung von Bezugswerten besondere Sorgfalt angebracht, da der aktuelle Zustand aus den aktuellen Messungen zunächst nicht oder nicht ausreichend beurteilt werden kann. Es könnten schließlich bereits gewisse Vorschädigungen enthalten sein. Oft ist es zweckmäßig, Referenzwerte von Beginn an auch für Messpunkte zu speichern, die nicht in die Routineüberwachung einbezogen sind. Im Fehlerfall hat man damit eine Basis für weiterführende Untersuchungen. Anmerkung: Hier könnten auch die Abnahmemessungen als Referenz herangezogen werden. 4.5.2 Trendanalyse Trendbeobachtung und Trendanalyse sind Verfahren der Zeitbereichsanalyse. Trends entstehen, wenn ein Bezugswert sich zeitlich verändert und aus der Veränderung eine Entwicklungsrichtung erkennbar wird. Die Trendanalyse ist ein Regressionsverfahren, mit welchem aus dem Verlauf einer Zeitreihe, also einer zeitlichen Aufeinanderfolge von Mess- oder Kennwerten, ein mittlerer Verlauf be‐ rechnet wird, aus dem ein typisches Zeitverhalten abgeleitet werden kann. Die Varianz gibt dabei Auskunft über die Güte der Regression. Einzelwerte mit ungewöhnlichen Abweichungen (Ausreißer) können aus der Regression ausgeblendet werden. Die Regression basiert auf einem analytischen Ansatz über das Entwicklungsverhalten eines möglicherweise zugrundeliegenden Fehlers. In der Regel wird ein zeitlich linearer Verlauf oder ein exponentieller Verlauf angesetzt. Wendet man ein solches Regressionsverfahren auf die typische Zustandsentwicklung nach Bild 2.2 an, so wird man (die Einlaufphase ausgenommen) einen linearen Ansatz für den normalen Betriebszustand und einen exponentiellen Ansatz für die Verschleißphase (bei Entwicklung eines Fehlers) wählen. Es ist jedoch zu beachten, dass Schwingungstrends nicht immer nur ansteigen. Sie können stabil bleiben, abfallen oder sogar stark ansteigen oder stark abfallen oder aber sich sprunghaft ändern. Diese Variationen erlauben es, bei der Trendbewertung ein entsprechend gestuftes Bewertungskonzept einzuführen. 313 4.5 Bestimmung von Basiswerten, Trendanalyse <?page no="314"?> 4.6 Messrouten- und Aufgabenplanung Einfach einmal loszulegen, dort wo es am interessantesten ist oder am wichtigsten scheint, ist nicht der optimale Weg. Planlosigkeit zu Beginn kann sich rächen, kann teuer zu stehen kommen. Nachfolgend werden entsprechende Gesichtspunkte kurz beschrieben. 4.6.1 Auswahl der Messpunkte Nachdem die Auswahl der zu überwachenden Komponenten erfolgt ist, sind die Messpunkte festzulegen. Sie sollten grundsätzlich so gewählt werden, dass eine möglichst gute Fehlererken‐ nung sichergestellt ist. Bei der Messpunktauswahl sind aber auch Zugänglichkeiten, mögliche Störeinflüsse und die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Würde man bereits jetzt die FMEA-Methode konsequent einsetzen, könnte man über den dort definierten Faktor Entde‐ ckungswahrscheinlichkeit E einschätzen, ob sich mit den gewählten Messpunkten auch wirklich signifikante Zustandsdaten erfassen lassen. Hinweise zur Auswahl der Messpunkte findet man auch in den Normen DIN ISO 13373-1 sowie für bestimmte Maschinengruppen in der Normenreihe DIN ISO 20816 (10816). Die zu berücksichtigenden Montageeinflüsse wurden bereits in Abschnitt 2.4 behandelt. Erwähnt sei schließlich noch, dass Messpunkte zur Identifikation mit eindeutigen Kennungen zu versehen und entsprechend auch zu bezeichnen sind. 4.6.2 Planung der Messroute Bei mobilen Systemen ist eine sorgfältige Routen- und Einsatzplanung Rückgrat einer effizienten Zustandsüberwachung. Dazu gehören Lagepläne der Räumlichkeiten mit den jeweiligen techni‐ schen Assets, die dort auch eindeutig und permanent bezeichnet sind. Messpunktpositionen und Messpunktbezeichnungen sollten in den Plänen ebenfalls enthalten sein. Da die meisten Systeme, ob mobil oder fest installiert, mit einer Datenbasis in Hostrechner kombiniert sind, können diese Informationen oder sogar Bilder im Routenplan ergänzt werden. Vor jeder Messtour können dann die notwendigen Informationen heruntergeladen werden. 4.6.3 Ausführbarkeit der Zustandsüberwachung Hinsichtlich der Ausführbarkeit sind folgende weitere Gesichtspunkte in Betracht zu ziehen: ● Zugang zum Messort ● Umfang der nötigen Datenverarbeitung ● Sicherheits- und Qualifikationsanforderungen ● Einbezug vorhandener Messeinrichtungen im Steuerungssystem ● Kosten 4.6.4 Betriebsbedingungen während der Messung Eine Messung sollte unter festgelegten Betriebsbedingungen (Betriebstemperatur, typische Be‐ triebslast) erfolgen. Bei transienten Betriebsbedingungen sind Start- und Endbedingungen und ein Betriebsprofil aufzuzeichnen und möglichst prägnant zu beschreiben (zum Beispiel stoßartige Betriebsweise). Auf diese Weise sind die Vergleichbarkeit und Trendbeobachtung sicherzustellen. 314 4 Zustandsüberwachung <?page no="315"?> Eine Trendverfolgung der Messergebnisse kann dann auch bei wechselnden oder instationären Betriebsbedingungen zur Aufdeckung von Schadensentwicklungen dienen. Die Messung verschiedener Parameter sollte möglichst zeitgleich, zumindest jedoch immer bei identischen Betriebsbedingungen erfolgen. Bei Maschinen mit variablen Betriebsarten sind vergleichbare Bedingungen durch Variieren von Drehzahl, Last etc. einzustellen. Bei Parameteränderungen ist festzustellen, ob diese fehlerbedingt oder die Folge abweichender Betriebsbedingungen sind. 4.6.5 Messintervall Zur Festlegung der Messintervalle ist zunächst einmal zwischen kontinuierlichen und intermit‐ tierenden Messungen zu unterscheiden. Wesentlich für die Entscheidung des Messintervalls sind neben dem Asset-Rang aber auch erwartete Schadensart, Schadensfortschritt und Fehlerschwere als auch die Vorlaufzeit LTTF. Hinweis: Die zwischen Fehlerentdeckung und Ausfall liegende Zeit wird als Vorlaufzeit (Lead Time to Failure, LTTF) bezeichnet. Im Zusammenhang zum P-F-Diagramm spricht man auch von ETTF (Estimated Time to Failure, siehe Bild 0.42). Die Auswahl des Messintervalls kann durch weitere Faktoren wie Betriebsbedingungen, Kosten oder Gefährdungspotenzial beeinflusst werden. Bewährt haben sich bei Rang 2-Assets monatliche Messungen und bei Rang 3-Assets quartalsweise Messungen. Gab es Anzeichen für Veränderun‐ gen, sind die Messintervalle zu verkürzen oder ein temporäres Online-CMS zu installieren, um den Schadensfortschritt bis zum nächsten geplanten Stillstandstermin zu überwachen. 4.6.6 Datenerfassungszeit Die Datenerfassungszeit im CMS muss ausreichend lang sein, um reproduzierbare und reprä‐ sentative Ergebnisse zu erhalten. Für eine stabile Frequenzermittlung sollten mindestens 10 Schwingungsperioden, für stabile Amplituden idealerweise 50 Ereignisse erfasst werden. Konkret: Bei Rotorunwuchten an einem mit 1800 U/ min drehenden Rotor sind etwa 0,3 Sekunden Messzeit für stabile Frequenzen und etwa 1,5 Sekunden für stabile Amplituden einzuplanen. Verwendet man mehrkanalige und auch zeitgleich messende FFT-Analysatoren, wird schon bei der Datenerfassung sichergestellt, dass gleiche Betriebszustände während der Messung vorlagen, was die Reproduzierbarkeit deutlich verbessert. Dieser Vorteil der Mehrkanalität gilt natürlich besonders für instationäre oder nicht exakt reproduzierbare Prozesse. 315 4.6 Messrouten- und Aufgabenplanung <?page no="316"?> 4.6.7 Registrierung Es ist darauf zu achten, dass sämtliche Informationen für eine Zuordnung und Nachverarbeitung einer Messung, zum Beispiel für Trendbeobachtungen, registriert und im Messprotokoll festge‐ halten werden. Dazu zählen: ● Beschreibung der Maschine ● Betriebsbedingungen ● Messpunkte ● Messgrößen und Einheiten ● Referenzgrößen ● Messsystem ● Datum und Uhrzeit der Messung ● Zusätzliche Beobachtungen (Leckagen, auffällige Geräusche etc.) Eine Reihe von Anforderungen an das Messprotokoll mit Musterbeispielen findet man in der Norm DIN ISO 17359. 4.7 Alternative und ergänzende Techniken Der Schwerpunkt einer Zustandsüberwachung beruht in der Regel auf mechanischen Schwingungen (es geht ja vorwiegend um mechanische Fehler). Tendenziell zeigt sich, dass daneben zu‐ nehmend zusätzliche Techniken zum Einsatz kommen, sei es in der Routineüberwachung oder zur Ursachenanalyse veränderter Maschinenzustände bzw. eines veränderten Maschinenverhaltens. Nachfolgend werden einige ergänzende Techniken zur Zustandsüberwachung beschrieben. 4.7.1 Schmierstoffanalyse Schmierstoffanalysen werden sowohl zur Überwachung des Schmierstoffzustands (Verschlechte‐ rung und Verschmutzung) als auch zur Zustandsbeurteilung der geschmierten Komponenten (Lager, Zahnräder, Wellen) eingesetzt. Diagnosesicherheiten können sich signifikant erhöhen, wenn zum Beispiel Analyseergebnisse von im Schmieröl enthaltenen Abriebmaterialien mit schwingungsbasierten Zustandsdiagnosen korrelieren. Die meisten Schmierstoffanalysen werden offline in Laboratorien durchgeführt. Systeme zur Online-Überwachung werden zwar angeboten, stehen jedoch vielfach noch in der Entwicklungsphase. Schmierstoff-Tiefenanalysen werden meist nur als Folge von ungeklärten Schadensereignissen oder auf jährlicher Basis als Teil eines routinemäßigen Instandhaltungsprogramms durchgeführt. Welche umfangreichen Aufgaben Schmierstoffe zu erfüllen haben, ist in Tabelle 4.8 zusammen‐ gefasst. Die Erfahrung zeigt, dass nahezu die Hälfte aller vorzeitigen Ausfälle von Wälzlagern durch Mängel in der Schmierung entsteht. Eine regelmäßige Überwachung der Schmierung sollte deshalb angestrebt werden, was jedoch ein sehr komplexes Thema ist. In diesem Abschnitt wird lediglich ein Überblick gegeben. Weitere Ausführungen über die Schmierstoffbewertung findet man im Kapitel Schweregrad, Abschnitt 12.4. 316 4 Zustandsüberwachung <?page no="317"?> Aufgaben Schmieröl Schmierfett Schmierung (Reibungs- und Verschleißminderung) gut Verbesserung durch Additive nicht schlechter als Schmieröl eher besser durch Einfluss der Verdicker Korrosionsschutz gut Verbesserung durch Additive nicht schlechter als Schmieröl eher besser durch gute Adhäsion und Abdichtung Abdichten gut schlechter bei hohen Temperaturen besser als bei Schmierölen Kühlung gut insbesondere durch Wärmeabfuhr schlechter als bei Schmierölen dafür geringere Reibungswärme Reinigen gut Verbesserung durch Additive deutlich schlechter als bei Schmierölen Tabelle 4.8: Aufgaben von Schmierölen und Schmierfetten 4.7.1.1 Überwachung und Analyse von Schmierstoffen Methodik der Schmierstoffüberwachung Mit einer Schmierstoffanalyse lassen sich sowohl physikalische und chemische Eigenschaften des Schmierstoffs als auch der Verschmutzungsgrad der jeweiligen Maschine überwachen. Große Abriebpartikel, auch als Debris bezeichnet, entstehen durch Verschleiß oder Schädigung der geschmierten Komponenten. Anmerkung: Bei Triebwerken in Hubschraubern nutzt man zur Debris-Erkennung einfache Magnetschrauben, die regelmäßig visuell bezüglich Abrieb geprüft werden. Schmierölanalysen können bei einigen Schmierstoffparametern online oder offline durchgeführt werden. Bei der Offline-Analyse werden Proben entnommen, die Untersuchung erfolgt entweder vor Ort oder im Labor. Eine Zusammenstellung der zumeist bewerteten Parameter findet man in Tabelle 4.9. 317 4.7 Alternative und ergänzende Techniken <?page no="318"?> Verfahren Parameter Details Physikalisch Viskosität Festkörperpartikel (Debris) Abrieb Fremdkörper (Verschleiß) Wassergehalt Korrosionsgefahr Chemische Zusammensetzung Säuregehalt Rückschluss auf Additivabbau Basenzahl Alkalische Reserve gegen Säuren Grundölzustand Oxidation Hydrolyse Thermische Zersetzung Additive Antioxidantien Detergenzien Tabelle 4.9: Verfahren der Ölanalyse Metallabrieb online überwachen Ein Partikelgrößenzähler kann zur permanenten Überwachung des in Schmierölen transportier‐ ten Verschleißabriebs eingesetzt werden, wie in Bild 4.19 für einen Gasmotor gezeigt. Es ist auch Erfahrung der Autoren, dass sich bei langsam drehenden Lagern und Zahnradgetrieben mit Partikelzählern Fehler frühzeitiger erkennen lassen, als es mit schwingungsbasierter Zustands‐ überwachung möglich ist. Eine größenbezogene Klassierung der Partikel könnte dann zusätzlich noch nach ISO 16232 erfolgen, was Rückschlüsse auf den aktuellen Verschleißzustand erlaubt. Bild 4.19: WEARSCANNER im Einsatz zur Überwachung eines Gasmotors Partikel analysieren Größere Abriebpartikel entstehen durch progressiven Verschleiß. Die Untersuchung erfolgt in der Regel durch mikroskopische Untersuchungen und ev. zusätzliche chemische Analysen. Aus Form und Zusammensetzung der Partikel oder Ausbrüche können Experten auf potenzielle Verursacher schließen. 318 4 Zustandsüberwachung <?page no="319"?> 35 Anmerkung: Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist die visuelle Überwachung des Atembewegung eines Säuglings in der Intensivmedizin: Die Bewegungsanteile des Brustkorbs mit Atemfrequenz erscheinen im Video mit stark überhöhten Amplituden und damit dem freien Auge gut sichtbar. Verfahren Methodik Anmerkung Sichtkontrolle visuell routinemäßig bei der Datenerfassung Betriebsschwingformanalyse grafisch Frequenzanalyse Zeitlupenanimation Zeitlupendarstellung überhöht Motion Amplification bildgebend Videobild mit überhöhten Amplituden Euleran Video Magnification Videobild frequenzselektiv Tabelle 4.10: Visuelle Verfahren 4.7.2 Visuelle Analyse von Maschinenbewegungen Visuelle Kontrollen und Analysen von Maschinenbewegungen sind eine wichtige Ergänzung in der Zustandsüberwachung. Einige Verfahren sind in Tabelle 4.10 zusammengestellt. Besonders hingewiesen sei dabei auf die Euleran Video Magnification EVM. Mit dieser Methode können aus den Pixelschwingungen der Videoaufnahmen Schwingbewegungen herausgefiltert werden, die sich mit einer bestimmten Frequenz bewegen. Diese Bewegungen werden anschlie‐ ßend dem Originalbild überhöht überlagert, wodurch gezielt diese Bewegungsanteile im Video verstärkt (überhöht) erscheinen 35 . Die Videoaufnahme kann für Tiefenanalysen ausschnittsweise einer FFT unterzogen werden. Markante oder gezielt gewählte Frequenzbereiche werden im Spektrum ausgefiltert, rücktransfor‐ miert und ebenso mit überhöhten Amplituden dem Originalvideo überlagert. Die Empfindlichkeit geht bis in den µm-Bereich. Man hat mit dieser Methode eine schnelle Alternative zu herkömmlichen Betriebsschwing‐ formanalyse in der Hand. Es lassen sich damit sehr effizient Strukturresonanzen oder Probleme in Rohrleitungssystemen analysieren. 4.7.3 Seebeck-Effekt Eine Methode zum Erkennen von metallischem Kontakt zwischen bewegten Teilen basiert auf dem thermoelektrischen Effekt, dem sogenannten Seebeck-Effekt. Bei Auftreten von trockener Reibung zwischen metallischen Komponenten mit unterschiedlichen elektrochemischen Poten‐ zialen treten zufolge von Temperaturdifferenzen in den Reibungspartner elektrische Spannungen auf. Auch bei gleichen Grundwerkstoffen der Partner (zum Beispiel Stahl auf Stahl) kann dieser Effekt meist durch Legierungs- oder Gefügeunterschiede auftreten. Das Verfahren wird in verschiedenen Diagnosesystemen für Lager und Getriebe angeboten (BeCOMS, GDMS). Konzipiert ist es vor allem zum Einsatz bei Kolbenmaschinen. Die Spannung wird an Lagerschalen und der Kurbelwelle (über Schleifringe) abgegriffen. 319 4.7 Alternative und ergänzende Techniken <?page no="320"?> Verfahren (engl.) Verfahren (deutsch) Code Acoustic Emission Testing Schallemission AT Eddy Current Testing Wirbelstrom ET Infrared Thermography Testing Infrarot-Thermographie TT Leak Testing Leckage LT Magnetic Testing Magnetpulverprüfung MT Penetrant Testing Eindringprüfung PT Radiographic Testing Radiographie RT Strain Gauge Testing Dehnmessstreifen ST Ultrasonic Testing Ultraschall UT Visual Testing Sichtprüfung VT Tabelle 4.11: Zerstörungsfreie Prüfverfahren nach DIN EN 9712 4.7.4 Zerstörungsfreie Prüfverfahren Als Ergänzung einer Zustandsüberwachung werden verschiedene alternative Techniken angeboten, die unter dem Thema zerstörungsfreie Prüfung zusammengefasst sind. Sie sind in DIN EN ISO 9712, Zerstörungsfreie Prüfung - Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung definiert. Aus dieser Norm sind auch die in Tabelle 4.11 angeführten Kurzcodes entnommen. Diese alternativen (in Bezug auf Schwingungsanalyse) Methoden sind nicht für Überwachungs‐ zwecke konzipiert und eignen sich daher zumindest nur bedingt zur Zustandsüberwachung bei laufendem Maschinenbetrieb. Vergleichbar sind dagegen wieder die zugehörigen Zertifizierungsverfahren für das ausführende Personal. Diese sind in DIN EN 9712 und in der Normenreihe ISO 18436 Teil 4 bis Teil 8 beschrieben. 4.7.4.1 Schallemissionsanalyse Unter starker Belastung können in Werkstoffen oder Strukturen sehr kurzzeitige spontane, impulsartige Schallemissionen im sehr hochfrequenten Bereich oberhalb ca. 100 kHz (bis mehrere Megahertz) auftreten. Zu den Schallemissionsquellen zählen ● Rissausbreitung, ● Spontane kristalline Umformungen (Zwillingsbildung) im Bereich der Streckgrenze, ● Trockene Reibung. Obwohl Rissausbreitung und plastische Verformung bereits Materialschäden im Mikrobereich darstellen, wird dieses Verfahren unter die zerstörungsfreien Prüfverfahren eingeordnet, da damit Schädigungen im Frühstadium sichtbar werden. Die emittierten, hochfrequenten Schallwellen breiten sich als Longitudinalwellen oder als Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) in der Struktur aus und können über spezielle Aufnehmer erfasst werden. Schäden lassen sich oft bereits in der Keimbildung identifizieren. Über Ortungs‐ verfahren (Triangulierung) können die Schadstellen sogar lokalisiert werden. 320 4 Zustandsüberwachung <?page no="321"?> 4.7.4.2 Wirbelstromprüfung Dieses Verfahren nutzt magnetische und elektrische Eigenschaften leitfähiger Bauteile zur Rissprüfung. Es wird vorwiegend zur Prüfung zylindrischer Strukturen (Wellen) eingesetzt. Zur Prüfung wird über eine Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches in der zu untersuchenden Struktur Wirbelströme induziert. Zur Messung wird das durch den Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld über eine Sonde vermessen, welches von Beschädigungen (Rissen), Eigen‐ spannungen oder Verunreinigungen im Material beeinflusst wird. 4.7.4.3 Infrarot-Thermographie Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten. Es wird dabei die Intensität der ausgesandten Infrarotstrahlen als Maß für die Oberflächentemperatur verwendet. Zur Zustandsüberwachung wird die passive Thermographie eingesetzt, mit welcher lokale Temperaturerhöhungen durch schadensbedingte Erwärmung von darunterliegenden Elementen (Rotorblätter, Wälzlager) identifiziert und lokalisiert werden. 4.7.4.4 Lecksuche Diese Methoden dienen zur Entdeckung von Lecks in Oberflächenstrukturen. Als Methoden werden eingesetzt: ● Blasentest ● Halogensonden ● Ultraschallkamera ● Massenspektrometer Zur Zustandsüberwachung sind diese Methoden nur bedingt geeignet, da sie entweder das Eintauchen der Struktur in ein Flüssigkeitsbad oder das Befüllen unter Druck mit Testgasen erfordern. Erwähnt soll in diesem Zusammenhang die Prüfung auf Leckagen von Dichtungen nach DIN 3760 werden. 4.7.4.5 Magnetpulverprüfung Das Verfahren dient zum Nachweis von Rissen in oder nahe der Oberfläche bei Strukturen aus ferromagnetischen Werkstoffen. Zum Test wird die Struktur magnetisiert, der Verlauf der magne‐ tischen Feldlinien wird über aufgestreutes Magnetpulver sichtbar gemacht. Der Feldlinienverlauf macht Risse und oberflächennahe Fehlstellen unmittelbar sichtbar. 4.7.4.6 Eindringprüfung Bei der Eindringprüfung nach DIN EN 3452-1 werden feine Oberflächenrisse und Poren über Kapillarkräfte sichtbar gemacht. Man unterscheidet zwischen ● Farbeindringprüfung (bei Tageslicht) sowie ● Fluoreszierender Eindringprüfung (bei Dunkelheit). Diese Methode eignet sich besonders zur Erkennung von Anrissen. 321 4.7 Alternative und ergänzende Techniken <?page no="322"?> 4.7.4.7 Radiographie Die Methode ist eine Durchstrahlungsprüfung mit Röntgenstrahlung oder radioaktiven Isotopen (Gammastrahlen). Damit können interne Strukturen untersucht werden. 4.7.4.8 Messung von Oberflächendehnungen Bei diesen Methoden werden Oberflächendehnungen von Strukturen durch Dehnmessstreifen (DMS, engl. Strain Gauge) untersucht. Auf diesem Weg können auch Rissausbreitungen überwacht werden. Dehnmessstreifen wurden in Abschnitt 2.1.3.5 beschrieben. 4.7.4.9 Ultraschall Ähnlich wie mit Körperschall kann auch Ultraschall zur Zustandsüberwachung und zur Fehlersu‐ che eingesetzt werden. Die hochfrequenten Ultraschallsignale werden über spezielle Aufnehmer erfasst und können auch demoduliert werden, um Informationen über initiale Anregungen z. B. von Wälzlagern zu ermitteln. Ultraschallmethoden werden auch zur Suche nach Leckagen im Mikrobereich (Strömungsgeräu‐ sche), im Makrobereich (Undichtigkeiten) und zur Detektion stiller elektrischer Entladungen (Isola‐ tionsfehler) eingesetzt. Weitere Anwendungen von Ultraschall sind in Bild 4.20 zusammengestellt. Anmerkung: Die hier vorgestellten Verfahren sind passive Verfahren (der Ultraschall wird durch den Vorgang oder Fehler erzeugt und aufgespürt) und nicht zu verwechseln mit dem Ultraschall Testing (UT) der zerstörungsfreien Prüfung, bei welchem der Prüfling durchschallt wird. Bild 4.20: Anwendungen von Ultraschall in der Zustandsüberwachung 4.7.4.10 Sichtprüfung Diese Prüfung ist eine visuelle Prüfung hinsichtlich bestimmter Qualitätsmerkmale. Besonders erwähnt sei die Endoskopie oder Videoskopie, die vorwiegend zur Untersuchung auf Schau‐ 322 4 Zustandsüberwachung <?page no="323"?> felschäden an Turbinen oder Verdichtern oder zur Zustandsinspektion an Planetengetrieben verwendet wird. 4.8 Erkennen von Fehlerzuständen Nachdem die Grundkonzeption einer Zustandsüberwachung festliegt, sollte man grundsätzlich zuerst über Orientierungsmessungen und Weitbandspektren prüfen, ob bestimmungsgemäße Betriebsweisen, übliche Maschinenschwingungen und auch komponententypische Schwingungs‐ anregungen vorliegen. Erst anschließend beginnt man, sich auf bestimmte Fehler und Fehlerarten zu fokussieren. Aus Erfahrung wird man dann eine Reihe von Standardfehlern bereits kennen, seien es Erfahrungen aus Normen und Richtlinien, eigene Erfahrungen, solche mit ähnlichen Maschinen oder einfach aus ingenieurmäßigem Allgemeinwissen. Daraus sind dann, basierend auf den bisherigen Ausführungen, zum Beispiel Messgrößen, Aufnehmer und Messsetups auszuwählen bzw. die geeigneten Strategien zur Datenerfassung und Auswertung festzulegen. Um Fehldiagnosen zu vermeiden, sind zuerst die spektralen Maschinenschwingungen (Schwing‐ geschwindigkeiten) und ggf. die spektralen Wellenschwingungen hinsichtlich Plausibilität zu bewerten, bevor mit anderen schwingungsbasierten Analysemethoden begonnen wird. 4.8.1 Standardfehler Die Ausführungen dieses Abschnitts befassen sich zunächst mit Fehlern, wie sie im allgemeinen Maschinenbetrieb typischerweise am häufigsten auftreten (deswegen wurde die Bezeichnung ‚Standardfehler‘ gewählt - Fehler sollten allerdings kein Standard sein! ). Bezug wird hier nur auf die Festlegung von Strategien genommen, die Basis für Fehlererkennung und Diagnose sind. Die eigentliche Fehlererkennung beginnt dann mit dem folgenden Hauptabschnitt 5. Die häufigsten Fehler sind in Tabelle 4.12 sachlich aufgegliedert. Bei Maschinen und Anlagen der Rangfolge 1 (siehe Abschnitt 2.8.2) sollte für die Messung der jeweiligen Wellenschwingungen eine standardisierte Messeinrichtung bereits vom Maschinenhersteller installiert sein, da ein normgerechter, späterer Einbau oft nur mit großem Aufwand möglich ist. (Die Prioritäten wurden schon in Abschnitt 2.8.2 bei der Auswahl der Maschinen definiert). Aus der Tabelle ist erkennbar, wie sich typische Fehler in der Schwingungssignatur zeigen und wie sie zu kategorisieren sind. Aus diesen Angaben können Aufnehmer und Analyseverfahren vorab gewählt werden. 4.8.2 Betriebsgrößen Die Erfassung und Dokumentation von Betriebsgrößen und sekundären Prozessparametern sind für vergleichende und tendenzielle Beurteilungen, vor allem für Trendanalysen und Prognosen von großer Bedeutung. Eine entsprechende Zusammenstellung findet man in Tabelle 4.13. 4.8.3 Weitere Messgrößen Eine Reihe weiterer Überwachungsgrößen ist in Tabelle 4.14 aufgelistet. 323 4.8 Erkennen von Fehlerzuständen <?page no="324"?> Fehlerart Frequenz Typ 1 Mess‐ größe 2 Phase Orbit Analyse Schwingstärke M v ● ISO 208163 Unwucht 1X M s, v ○ ○ t, f Fehlausrichtung 1X, 2X … M, B s ● ○ f Verbogene Welle s ● f Wellenanstreifen 1X, 2X, 3X, 4X … s ● t, f Resonanz M, B s, v ○ f Wälzlager Überrollfrequenzen Breitbandgeräusch M, K v, a, u f Temperatur T T Lagerstrom i f Gleitlager < 1X, 1X, 2X M s ● ● t, f Kupplung 1X, 2X M s, v ○ ○ Riementrieb Umlauffrequenz M, B v Zahnradgetriebe ZEF, 2x ZEF, 3x ZEF M v, a Rotordynamik 1X, 2X M s 1 B M K T I Bewegung Maschinenschwingung Körperschall Temperatur elektrischer Strom 2 s v a u T Schwingweg Geschwindigkeit Beschleunigung Ultraschall Temperatur ● ○ erforderlich optional t f Zeitbereich Frequenz 3 vom Hersteller installiert Tabelle 4.12: Standardfehler Parameter Messgröße Dimension Anmerkung Drehzahlen Frequenz min -1 auch Drehzahlbereiche oder -stufen Leistung Leistung kW auch Lastbereiche oder -stufen Wirkungsgrad 1 Betriebstemperatur Temperatur °C Kalt/ Warmzustand Tabelle 4.13: Betriebsgrößen 324 4 Zustandsüberwachung <?page no="325"?> Parameter Verfahren Methode Anmerkung Schmierstoffanalyse Partikelzähler online chemisch/ physikalisch Labor Dienstleistung Lecksuche Ultraschall kein Trendparameter Elektrische Teilentladung Thermografie Wärmebildkamera Tabelle 4.14: Weitere Überwachungsgrößen 325 4.8 Erkennen von Fehlerzuständen <?page no="326"?> Abschnitt D Fehleranalyse ● Signalanalyse - jetzt fokussiert auf Fehleranalyse ● Fehler und ihre Symptome <?page no="327"?> Themenkreis Abschnitte Fehlerbezogene Analyseverfahren 5.1 bis 5.7* Grundlegende Fehlerbilder 5.8 bis 5.16* Erweiterte Analyseverfahren und komplexe Fehlerbilder 5.17 bis 5.21 * Nummerierung entsprechend DIN ISO 18436-2 Tabelle 5.1: Struktur von Abschnitt 5 5 Fehleranalyse Nachdem in Abschnitt 4.8 ein Überblick über einige Fehlerarten gegeben wurde, beschäftigt sich dieses Kapitel eingehend mit Fragen der schwingungsbasierten Fehleranalyse. Einen ersten Eindruck von der Vielfalt von Schwingungseinflüssen und Fehlermöglichkeiten kann Bild 5.1 vermitteln. So vielfältig, wie die Fehlerbilder sind auch die Analysemethoden, die hier zuerst behandelt werden. Bild 5.1: Fehlermöglichkeiten an einer Wasserkraftanlage Dieser Abschnitt ist grundlegend für den Diagnose- und Analyseprozess und ist nach den Vorgaben der Zertifizierungsnorm DIN ISO 18436-2 strukturiert, siehe Tabelle 5.1. Die Überschrif‐ tennummerierung von Ebene 1 und Ebene 2 entspricht dem Syllabus dieser Norm. Über den dort vorgegebenen Inhalt hinausgehende Themen werden ab Abschnitt 5.17 behandelt. 5.1 Spektralanalyse, Harmonische und Seitenbänder Die Spektralanalyse ist eine wichtige Grundsatzmethode in der Zustandsüberwachung und Feh‐ lerdiagnose. Ursprünglich weitgehend fokussiert auf die Frequenzanalyse, stehen heute Frequenz- und Ordnungsanalyse Seite an Seite, zusammengefasst unter dem Oberbegriff Spektralanalyse. <?page no="328"?> Bild 5.2: Frequenzanalyse und Trendverfolgung 5.1.1 Frequenzanalyse in der Zustandsüberwachung Ein zentrales Standbein der schwingungsbasierten Fehleranalyse sind in jedem Fall die Spektren. Sie sind vorwiegend ein Werkzeug zur Identifizierung von Details. Ein anderer Effekt, eröffnet durch die Leistungsfähigkeit moderner Messtechnik, ist die Darstellung von Weitbereichsspektren, also Spektren über einen großen Frequenzbereich, aber dennoch mit sehr hoher Auflösung. Weitbereichsspektren ermöglichen oft eine aussagekräftige Beurteilung schon auf den ersten Blick und erleichtern es, bei der Schwingungsanalyse gleich gezielter in Details zu gehen. Dabei spielt es keine Rolle, ob man Weitbereichsfrequenzspektren oder Weitbereichsord‐ nungsspektren auf Basis der Fast Fourier Transformation (FFT) ermittelt. Hat man interessierende Frequenzen oder Ordnungen identifiziert, vereinfacht eine anschlie‐ ßende schmalbandige Trendverfolgung wesentlich die automatisierte Zustandsüberwachung. Bild 5.2 veranschaulicht einen Vergleich zwi‐ schen schmalbandigen Verfahren (Frequenz‐ analyse) und breitbandiger Trendverfolgung. Da der Breitbandpegel im Wesentlichen von der höchsten spektralen Komponente be‐ stimmt wird, werden Fehler damit oft erst sehr spät in einem fortgeschrittenen Stadium er‐ kannt. Erhöhte Breitbandpegel weisen ledig‐ lich auf die Verschlechterung des dynami‐ schen Gesamtzustands in der Maschine hin und erlauben keine Fehleranalysen. Im Allgemeinen wird man im Spek‐ trum mehrere überlagerte Schwingungskom‐ ponenten vorfinden. Eine spektrale und schmalbandige Schwingungsüberwachung zeigt Fehleranstiege wesentlich früher an, aus der Frequenz oder Ordnung kann zusätzlich eine Diagnose erstellt werden. Wegen der frühen Erkennung bekommt man damit eine verbesserte Möglichkeit zur Trendanalyse und zum Ableiten von Kritikalitäten. 5.1.2 Modulation und Seitenbänder Als Modulation wird eine regelmäßige Veränderung oder Schwankung von Parametern einer an sich harmonischen Schwingung bezeichnet, entweder der Amplitude oder der Frequenz (im Allgemeinen tritt meist beides gekoppelt auf). Die modulierte Schwingung wird signaltheoretisch als Träger bezeichnet, die Änderung als Modulation. Modulation heißt, dass eine Information oder ein Fehler einen Träger beeinflusst, wodurch sich im Fall von Amplitudenmodulation die Amplitude einer Komponente systematisch und gleichmäßig über der Zeit ändert. In Tabelle 5.2 sind Modulationstechniken gegenübergestellt, wie sie einerseits in der Nachrichtentechnik eingesetzt werden und andererseits bei Wälzlagern und Zahneingriffen auftreten können. Amplitudenmodulation nutzte man in der Vergangenheit zum Beispiel bei der analogen Nachrichtenübertragung, indem die Information, also Sprache oder Musik, auf ein hochfrequentes Trägersignal aufmoduliert wurde, um sie per Funk übertragen zu können. Bei mechanischen Fehlern ist es dagegen der Fehler, der sich in der Modulation eines hochfrequenten Grundsignals in typischer Weise im Körperschall zeigt. 328 5 Fehleranalyse <?page no="329"?> Begriff (Bild 5.3) Nachrichtentechnik Wälzlager Zahnradstufen Träger Sendefrequenz Eigenfrequenz Zahneingriffsfrequenz Modulation Sprache/ Musik Überrollfrequenz Drehfrequenz Tabelle 5.2: Fachspezifische Bezeichnungen der Modulationstechnik Die wirkenden Schwingungsbilder sind in Bild 5.3 veranschaulicht. Durch die Modulation erscheint das Spektrum der Modulation mit seinem Ursprung aufgeprägt auf die Trägerfrequenz (mathematisch handelt es sich dabei um eine Faltung). Die Information zum Fehlerverursacher steckt in diesem Fall in den Seitenbändern. Bild 5.3: Zusammenhang zwischen Modulation (Zeitbereich) und Seitenbändern (Frequenzbereich) 329 5.1 Spektralanalyse, Harmonische und Seitenbänder <?page no="330"?> (5.1) Anmerkung 1: Bei den Spektren in Bild 5.3 handelt es sich um zweiseitige Spektren, die in Abschnitt 3.4.2.3 erläutert wurden. Anmerkung 2: Die Entstehung von Seitenbändern durch Modulation lässt sich rechnerisch wie folgt nachvollziehen: x t = 1 + Am AT cos ω m t A T cos ω T t = A T cos ω T + A m cos ω m t cos ω T t = A T cos ω T + Am 2 cos ω T + ω m t + Am 2 cos ω T − ω m t Anmerkung 3: Nach den vorigen Ausführungen sollten die Amplituden der Seitenbänder immer symmetrisch zur Trägerfrequenz liegen. Dass dies in der Praxis meist nicht der Fall ist, liegt im gleichzeitigen Auftreten einer Frequenzmodulation, also von Schwankungen der Frequenz des Trägersignals im gleichen Rhythmus. Es entstehen dadurch zwar qualitativ gleiche Seitenbandmuster, die Phasenlage von Amplituden- und Frequenzmodulation ist jedoch unterschiedlich. Daraus resultiert in der Realität eine Asymmetrie der Seitenbänder. Des Weiteren liefert auch die stark frequenzabhängige Übertragungsimpedanz von der Quelle zum Messpunkt einen zusätzlichen Beitrag zur Asymmetrie. 5.1.3 Ordnungsanalyse Bei schwankenden Drehzahlen sollte anstelle der Frequenzanalyse die Ordnungsanalyse nach Abschnitt 0.12 verwendet werden. Drehzahlbezogene spektrale Komponenten bleiben dabei auf festen Linien im Spektrum (kein Verschmieren über den Schwankungsbereich), Leakage tritt nicht auf. Bei drehzahlvariablen Maschinen werden dadurch Auswertung, Vergleich und Trendanalysen beträchtlich vereinfacht. Ein Beispiel für den Vergleich der beiden Analysemethoden ist in Bild 5.4 zu sehen. Hier wurden die über einen längeren Zeitraum gemessenen Wellenschwingungen einer drehzahlver‐ änderlichen Kesselspeisepumpe nach beiden Methoden ausgewertet. In der Wasserfalldarstellung der Ordnungsspektren lassen sich im Vergleich zu den Frequenzspektren Anregungen bei der 1. und 2. Ordnung wesentlich präziser erkennen, zuordnen und interpretieren. Wird die Ordnungsanalyse lediglich zur Kompensation von Drehzahlschwankungen von Mes‐ sung zu Messung eingesetzt (im Gegensatz etwa zu Hochlaufanalysen), können die Fehlerkriterien der Frequenzanalyse, wie sie in diesem Abschnitt erläutert sind, unverändert übernommen werden. 330 5 Fehleranalyse <?page no="331"?> (5.2) Bild 5.4: Vergleich von Frequenzanalyse (oben) mit Ordnungsanalyse (unten) in Wasserfalldarstellung 5.1.4 Cepstrumanalyse Das in Abschnitt 0.15 bereits eingeführte Cepstrum erhält man durch Rücktransformation des logarithmischen Leistungsspektrums C(τ ) = ℱ −1 log F (f ) Die Funktion F (f ) bedeutet darin eine Spektralfunktion, die Variable τ hat die Dimension einer Zeit. Von Bedeutung in der Zustandsüberwachung ist vor allem das Leistungscepstrum. Es dient zum Aufdecken regelmäßiger Strukturen im Spektrum, vor allem von Harmonischen und Seitenbändern. Letztere entstehen durch Modulation, wie eingangs bereits ausgeführt wurde. Zur Berechnung des Leistungscepstrums wird das logarithmische Leistungsspektrum F xx (f ) einer Fourier-Rücktransformation unterzogen. Regelmäßige Strukturen des Spektrums, zum Beispiel eine ganze Seitenbandfamilie, treten dort als diskrete Linien auf, was gerne bei der Online-Überwachung ausgenutzt wird. 331 5.1 Spektralanalyse, Harmonische und Seitenbänder <?page no="332"?> (5.3) C(τ ) = ℱ −1 log F xx (f ) Bild 5.5 zeigt das Verfahren im Schema. Bild 5.5: Leistungscepstrum und Leistungsspektrum Eine weitere Anwendung des Leistungscepstrums ist die Glättung (Entrauschung) von Leistungs‐ spektren durch Filterung im Cepstrum (das sogenannte Lifterung). Dazu werden lediglich höhere Komponenten (in Bild 5.5 repräsentiert durch 2/ Δf und 3/ Δf ) aus dem Cepstrum eliminiert. Das dann durch Rücktransformation berechnete Leistungsspektrum erscheint deutlich geglättet, was bei einer Beurteilung von Vorteil sein kann. 5.1.5 Terz-/ Oktavanalyse Terz- und Oktavanalysen oder allgemein n-tel Oktavanalysen werden zumeist für Analysen mit akustischem Hintergrund eingesetzt. Die entsprechenden Verfahren und Geräte wurden in Abschnitt 0.7.3 kurz vorgestellt. Für diagnostische Zwecke ist diese Methode heute von untergeordneter Bedeutung, weshalb sie hier nicht weiter vertieft wird. 5.2 Signalanalyse im Zeitbereich Zeitbereichsanalysen dienen sowohl zur quantitativen Bewertung von Schwingbeanspruchungen wie zum Beispiel der Schwingstärke, als auch als Zeittrendanalyse zur Zustandsüberwachung und zur Kritikalitätsbewertung. Zeitbereichsanalysen sollen aber auch bestimmte Eigenschaften von Schwingungen, die vorzugsweise im Zeitsignal sichtbar sind, hervorheben. Man spricht dann im Englischen von Time-Wave-Form-Analysen (TWF-Analyse) oder im Deutschen von dynamischen Zeitsignalanalysen. Ein erster Überblick über Signalanalysen im Zeitbereich wurde bereits in Abschnitt 0.10 gegeben. Für die unmittelbare Fehlerdiagnose sind von Bedeutung: ● Das Messen von Spitzenwerten und deren Abhängigkeiten von der Messrichtung ● Das Erkennen von Periodizität und das Bewerten der Signalform kurzzeitiger Spitzen ● Periodendauermessung und gezielte Auswertungen 332 5 Fehleranalyse <?page no="333"?> 5.2.1 Spitzenwerte Bei Analysen im Zeitbereich sind vorwiegend die Spitzenwerte, die Verteilung der Maxima und Minima sowie die Spitzenhaltigkeit in einer Schwingung Ziel der Bewertungen. Daraus abgeleitete Verfahren werden vor allem bei der Prozess-, Wälzlager- und Gleitlagerüberwachung eingesetzt. Als aus dem Zeitsignal abgeleitete Kennwerte seien hier genannt: ● 0-p-Schwingwerte (Scheitelwerte) ● p-p- Schwingwerte (Schwingungsbreite) ● Maxima und Minima ● Crestfaktor ● Crestfaktor Plus ● K(t)-Wert ● BSO-Wert 5.2.2 Periodische Spitzenfolgen Diskrete Einzelfehler wie Pittings in Wälzlagern oder lokale Zahnschäden in Getrieben zeigen sich im dynamischen Zeitsignal als kurzzeitige Spitzen in periodischer Folge. Diese Charakteristik kann nur im hochauflösend gemessenen Zeitsignal beobachtet und messtechnisch ausgewertet werden. Im Spektrum geht sie wegen der inhärenten Mittelungseigenschaften der Frequenzana‐ lyse verloren. Richtungsabhängigkeiten (Richtcharakteristik) und Verzerrungen der Spitzen infolge von Zwängen, zum Beispiel bei großen Ausrichtfehlern oder bei Instabilität von Rotoren, lassen sich ebenfalls am besten im dynamischen Zeitsignal untersuchen. Für eine genaue messtechnische Auswertung ist jedoch eine hinreichend hohe Abtastfrequenz erforderlich, damit die Signalkontur auch entsprechend genau zu verfolgen ist. Es wird oft die Frage gestellt, ob durch Digitalisierung kurzzeitige Spitzen (zwischen zwei Abtastungen) verloren gehen könnten. Einerseits ist dies nicht oder nur sehr eingeschränkt der Fall, da die vor der Abtastung notwendige Tiefpassfilterung zur Vermeidung von Aliasing den Frequenzbereich im gefilterten Signal beschränkt. Eine Verzerrung der Spitzen erfolgt allerdings schon durch dieses Antialiasingfilter. Da die Eckfrequenz dieses Filters mit der Abtastfrequenz verknüpft ist, führt dies umgekehrt auf die Forderung nach hinreichend hoher Abtastfrequenz, damit die Spitzen im digitalisierten Zeitsignal sichtbar bleiben. Bei heutiger moderner Messtech‐ nik tritt diese Problematik jedoch nicht mehr auf. Anmerkung: Der Effekt des Aliasing wird in der Regel immer durch seine Auswirkung im Spektrum interpretiert. Er gilt jedoch prinzipiell für jede Form der Digitalisierung, also auch hinsichtlich der Auswirkungen im Zeitbereich. 5.2.3 Periodendauermessung Besonders bei sehr langsamen Vorgängen eignen sich zur Frequenzermittlung auch Perioden‐ dauermessungen. Gemessen wird dabei die Zeit für eine vorwählbare Anzahl von Perioden, vorzugsweise 1, 10, 100 usw. Die Frequenz kann mit dieser Methode und nach Kehrwertbildung sehr genau bestimmt werden. 333 5.2 Signalanalyse im Zeitbereich <?page no="334"?> Analyse Darstellung Abschnitt Betriebsschwingformanalyse Animation 5.3.1 Modalanalyse 5.3.2 Analyse von Transienten Bodediagramm Nyquistdiagramm 5.4.2 Hoch- und Auslaufanalysen Resonanzanalysen Rotordynamik Rissüberwachung Orbit Corbit 5.5 5.5.3 Tabelle 5.3: Aspekte der Phasenanalyse Voraussetzung für diese Messtechnik sind entsprechend gut reproduzierbare Triggerbedingun‐ gen. Erfolgt die Triggerung über einen Keyphasor, ist eine sorgfältige Signalformung bei der Triggerung erforderlich. 5.3 Phasenanalyse Analyseverfahren, bei denen die Phasenanalyse essenzieller Bestandteil ist, sind in Tabelle 5.3 zusammengestellt. Wer sich mit Schwingungsanalyse befasst, sollte alle diese Verfahren kennen, denn sie können bei bestimmten Anwendungen entscheidend für die Fehleranalyse sein. Sehr wertvoll sind Phasenanalysen sowohl bei der Überwachung und Analyse drehfrequenter Rotorschwingungen als auch bei Resonanzbewertungen. Der Gedanke soll anhand von Bild 5.6 verdeutlicht werden. Angenommen, es tritt bei einem Rotor eine ausgeprägte drehfrequente Schwingungskomponente auf, was ein Hinweis auf Un‐ wucht sein könnte. Eine Phasenmessung, bei der an zwei Stellen des Rotors gemessen wird, zeigt die Phasenlage der Schwingungen an den beiden Lagerstellen relativ zueinander an. Damit kann dann zwischen statischer Unwucht (Gleichphasigkeit, linkes Teilbild), Momentenunwucht (Gegenphasigkeit, rechtes Teilbild) oder dynamischer Unwucht (andere Phasenlage) unterschie‐ den werden. Mehr noch - eine Reihe weiterer Fehler zeigt sich primär ebenfalls im Auftreten drehfrequenter Schwingungskomponenten. Erst sorgfältige Phasenmessungen geben hier Hinweis auf die zuge‐ hörige Bewegungsform und damit auf die Fehlerursache. Was in Bild 5.6 angedeutet wird, ist eine bildliche Darstellung der Schwingungsform bei der Drehfrequenz, die einfachste Form der Betriebsschwingformanalyse. Am Bildschirm könnte diese Schwingungsform sogar in animierter Form dargestellt werden. Phasenwerte nutzt man auch bei Resonanzanalysen, um auch schon sehr kleine Veränderungen der Eigenfrequenz zu erkennen. Zeigen sich dann bei der Maschinenüberwachung plötzliche Phasenänderungen, erhält man zusätzlich noch einen präzisen Hinweis auf unerwünschte Strukturveränderungen oder eine mögliche Rissbildung. In den wenigsten Fällen ist die Phase allein hinreichend aussagekräftig. Meist ist eine Darstel‐ lung zusammen mit der Amplitude, vorzugsweise des Schwingwegs, die beste Wahl. Neben ani‐ mierten Grafiken sind markante Diagrammformate wie Bodediagramm oder Nyquistdiagramm 334 5 Fehleranalyse <?page no="335"?> verfügbar, die sich schon in der Regelungstechnik bewährt haben. Sie wurden bereits im Zuge der allgemeinen Signalerfassung unter den Datenformaten vorgestellt (Abschnitt 2.10 und Bild 2.57) und werden nachfolgend anwendungsbezogen vertieft. 5.3.1 Betriebsschwingformanalyse Bild 5.6 zeigt die einfachste Form einer frequenzselektiven Betriebsschwingformanalyse. Durch synchrone Darstellung von Betrag und Phase an unterschiedlichen Punkten einer Struktur kann die gesamte Schwingungsform bei einer bestimmten Frequenz bildlich dargestellt und beurteilt werden. Anmerkung: Die frequenzselektive Betriebsschwingformanalyse gibt nur Hinweis auf bestimmte Frequenzkomponenten. Die tatsächliche Betriebsschwingungsform kann sich davon beträchtlich unterscheiden. Vgl. dazu Bild 5.8. Bild 5.6: Phasenbild bei statischer Unwucht (links) und bei Momentenunwucht (rechts) Dass sowohl Betrag als auch Phase sich überdies noch lastabhängig ändern können, veranschau‐ licht Bild 5.7. In diesem Beispiel musste dann über temporäre online-Schwingungsmessungen und Erfassung von Leistungsdaten das Laufverhalten des Turbogenerators näher analysiert werden. Bild 5.7: Wandern der Phasenlage der drehfrequenten Komponente an beiden Seiten eines Generators 335 5.3 Phasenanalyse <?page no="336"?> 5.3.2 Modalanalyse Mit Hilfe der Modalanalyse wird das dynamische Verhalten einer schwingungsfähigen Struktur experimentell oder rechnerisch erfasst. Als Ergebnis erhält man die Eigenfrequenzen und die zu‐ gehörigen Eigenformen der Struktur. Ziel ist die Bestimmung der modalen Parameter der Struktur, im Prinzip eine Modellierung als diskretes lineares Feder-Masse-System (Mehrkörpersystem, MKS), welches das dynamische Verhalten mit sehr guter Näherung beschreibt. Ähnlich wie bei der Betriebsschwingformanalyse können auch bei der Modalanalyse die Eigenformen bildlich dargestellt und zur Fehleranalyse, zum Beispiel als animierte Grafik, genutzt werden. Der Vergleich der Ergebnisse von Betriebsschwingformanalyse und Modalanalyse kann Hin‐ weise auf Resonanzprobleme liefern. 5.3.2.1 Experimentelle Modalanalyse Bei der experimentellen Modalanalyse (EMA) wird die Struktur durch punktweise, definierte Krafteinleitung zu Schwingungen erregt. Erregerkraft und Schwingungsantwort werden dabei simultan gemessen. Aus den Messungen werden die Übertragungsfunktionen bestimmt und die Eigenschwingungen und Eigenformen berechnet. Da das Modell durch die Messung von Kraft und Schwingungen vollständig bestimmt ist, können aus den Ergebnissen Modifikationen von Systemparametern, zum Beispiel Versteifungen, simuliert und hinsichtlich der Wirksamkeit von Maßnahmen auf die dynamischen Eigenschaften beurteilt werden. 5.3.2.2 Operationelle Modalanalyse Diese Methode basiert auf der Erregung durch breitbandige Kräfte aus dem Anlagenbetrieb, zum Beispiel breitbandiges Strömungsrauschen bei Windanregung. Auch die Mittelung über größere Betriebsbereiche etwa in Hochlaufvorgängen kann für dieses Verfahren herangezogen werden. Die Erregerkräfte werden hier im Gegensatz zur experimentellen Modalanalyse nicht gemessen, es werden lediglich bestimmte Annahmen über die Charakteristik getroffen. Da sie jedoch quantitativ nicht bekannt sind, ist die Simulation von Korrekturmaßnahmen nicht möglich. 5.3.3 Darstellung von Betriebsschwingungen Da bei einer Erfassung von Betriebsschwingungen schon wegen der großen Zahl von Messpunk‐ ten entsprechend große Datenmengen anfallen, kommt der Darstellung der Ergebnisse mehr und mehr Bedeutung zu. Vor allem auch deshalb, weil sie das Schwingungsverhalten der gesamten Struktur auf einen Blick zeigen muss. Das gilt gleichermaßen für Betriebsschwingungen wie auch für Moden. (Meist verwendet man sogar identische Messpunkte und dieselben Grafikroutinen - das ergibt eine optimale Vergleichsmöglichkeit) Wie schon erwähnt, können auf der Basis von Amplituden- und Phasenmessungen auch animierte Darstellungen von Bewegungs- und Schwingungsformen generiert werden. Gezeigt werden meist animierte Bildschirmgrafiken, die zur Fehleranalyse herangezogen werden können. Die Detaillierung hängt von der Anzahl der Messpunkte ab, die auch als Stützstellen der Bilddarstellungen dienen. In Bild 5.8 sind einfache Beispiele zur Animation skizziert. Dargestellt sind die Bewegungen eines quaderförmigen starren Körpers. Im linken Bild beruht die Darstellung auf schmalbandigen 336 5 Fehleranalyse <?page no="337"?> Daten, die nur den Bewegungsanteil einer bestimmten Frequenz erfasst. Sie kann Drehungen eines starren Körpers nicht realistisch wiedergeben; eine solche Darstellung müsste auch höher‐ frequente Komponenten einschließen. Man erhält im Wesentlichen eine parallelogrammförmig verzerrte Darstellung. Die breitbandigen Animationen (rechtes Teilbild von Bild 5.8) sind praktisch Zeitlupendarstel‐ lungen der Bewegung mit überhöhten Auslenkungen, basierend aus ungefilterten Messsignalen. Möglich ist auch eine ähnliche Darstellung auf Basis von Videoaufnahmen, welche die Pixel‐ schwingungen als Informationsträger benutzen (siehe dazu auch Abschnitt 4.7.2). Bild 5.8: Schmalbandige und breitbandige Animation Schwingungsformen einer Struktur können auch als Farbgrafik veranschaulicht werden, wobei eine Abbildung der Struktur mit Farben hinterlegt wird. Die Farben zeigen dann beispielsweise die lokalen Schwingungsbeanspruchung an. In Bild 5.9 sind als Beispiel die berechneten Amplitu‐ denverteilungen von Gehäuseschwingungen eines Zahnradgetriebes für zwei Erregerfrequenzen dargestellt. Bild 5.9: Darstellung der Strukturschwingungen als Farbgrafik Anmerkung: Solche Berechnungen und Darstellungen eignen sich sowohl zur gezielt optimierten Auswahl von Messpunkten für eine Zustandsüberwachung wie auch für das Definieren von Modifikationen zur Schwingungsminderung am Gehäuse. 337 5.3 Phasenanalyse <?page no="338"?> Darstellung Eigenschaften Abschnitt Bodediagramm Übertragungsfunktion als Betrag und Phase 5.4.2 Nyquistdiagramm Komplexe Darstellung der Übertragungsfunktion Wasserfalldiagramm 3D-Darstellung einer Spektrenfolge 2.10.4.1 Campbelldiagramm Drehzahlordnungen und Resonanzen 3.14.2 Spektrogramm Zeit-Frequenz-Analyse 3.14.1 Campbellspektrogramm Drehzahlabhängige 3D-Darstellung von Spektren 3.14.2 Corbit Zeitverlauf des Orbits 5.5.3 Wellenbewegungsdiagramm Zeitverlauf des Orbits 5.5.4 Modalanalyse Darstellung von Systemmoden 5.3.2 Betriebsschwingformanalyse Darstellung der Betriebsschwingungen 5.3.1 Tabelle 5.4: Verfahren zur Analyse von Transienten - Überblick Bild 5.10: Tukey-Fenster 5.4 Analyse von Transienten Transiente Vorgänge oder kurz Transiente sind kurzzeitige Vorgänge, wobei die Kurzzeitigkeit in Gegenüberstellung zur Stationarität zu sehen ist. Im Rahmen der Fehleranalyse sind es in erster Linie Stöße, An- und Auslaufvorgänge sowie Übergangsprozesse, etwa bei Schaltvorgängen. Zur Analyse von Transienten steht eine Reihe von Methoden zur Verfügung, die zum Teil schon in anderen Abschnitten behandelt wurden. Tabelle 5.4 bringt eine überblickshafte Zusam‐ menstellung. 5.4.1 Frequenzanalyse von Transienten Die Frequenzanalyse einer Transienten kann nach dem FFT-Prinzip erfolgen. Liegt eine Transi‐ ente, zum Beispiel für einen Auslauf, vollständig innerhalb des Zeitfensters der FFT, liefert die FFT zunächst das Spektrum eines Ersatzsignals, welches einer periodischen Fortsetzung des Signals außerhalb des Analysefensters entspricht. Durch Multiplikation der Amplitudenwerte mit der Länge des Zeitfensters erhält man daraus ein Energiedichtespektrum der Transienten. Sorgfalt ist hier bei der Wahl des Zeitfensters ange‐ bracht. Übliche Zeitfenster wie Hanning oder Flat Top (Abschnitt 3.6) sind für Transiente nicht geeignet, da das Ergebnis stark von der Position der Transienten inner‐ halb des Fensters abhängt. Korrekte Ergebnisse liefert im Prinzip nur das Rechteckfenster. Um das damit ver‐ bundene, unvermeidliche Leakage zu vermeiden, wer‐ den oft spezielle Zeitfenster wie das Tukey Fenster ein‐ gesetzt, ein an den Rändern über eine Kosinusflanke abgeflachtes Rechteckfenster (Bild 5.10). Eine andere Möglichkeit ist das Exponentialfenster (Abschnitt 3.6.3). 338 5 Fehleranalyse <?page no="339"?> 5.4.2 Bode- und Nyquistdiagramm 5.4.2.1 Bodediagramm Das Bode-Diagramm dient zur Darstellung des Übertragungsverhaltens eines dynamischen Systems, auch Frequenzgang oder Frequenzantwort genannt. Diese Darstellungsform kommt aus der Elektrotechnik und ist nach Hendrik Wade Bode benannt. Dargestellt werden in der Mechanik meist der drehzahlgefilterte Anteil des Schwingungssignals und der Phasenwinkel in Abhängig‐ keit von der Drehzahl in einem Doppeldiagramm. Bild 5.11 zeigt links das Bodediagramm eines Resonanzdurchlaufs für verschiedene Dämpfungen. Bild 5.11: Bode- und Nyquistdiagramm Nachfolgend drei Beispiele für Bodediagramme bei der Fehleranalyse: Hoch- und Auslaufanalysen Das Bodediagramm eignet sich hervorragend zur Resonanzüberwachung von überkritisch lau‐ fenden Maschinen bei Hochlauf- und Auslaufvorgängen. Verschiebungen der Resonanzfrequenz geben vielfach Hinweise auf besonders kritische Fehler wie Wellenanrisse oder Defekte im Bereich von Fundamentierung und Maschinenlagerung. Bei der Maschinenüberwachung legt man dazu als Referenz für den Gutzustand einer Maschine einen Toleranzbereich um die Amplitudenkurve sowohl für das Hochlaufen als auch für das Auslaufen. Verlässt die Amplitudenkurve diesen Bereich, deutet dies auf einen der zitierten Fehler hin. Resonanzanalysen Systemresonanzen lassen sich durch harmonische Erregung mit gleitender Frequenz (Sweep) anregen und im Bodediagramm darstellen. Ein scharfer Indikator für eine Resonanz ist ein 339 5.4 Analyse von Transienten <?page no="340"?> Wendepunkt im Phasenwinkelverlauf zusammen mit einem Amplitudenmaximum. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Frequenzänderung hinreichend langsam erfolgen sollte, um der Struktur auch genügend Zeit zum Anregen seiner Systemresonanzen (Einschwingen) zu geben. Systemanalysen In doppeltlogarithmischer Darstellung zeigt das Amplitudendiagramm bestimmte Linearitätsei‐ genschaften als gerade Verläufe. Aus dieser Eigenschaft heraus lassen sich zum Beispiel Reso‐ nanzfrequenzen durch Extrapolation mit hoher Genauigkeit bestimmen - also ohne die Resonanz anzuregen. Weitere Anwendungen dieser Art sind ● Filterverhalten und Filterdämpfung oder ● Verlauf der mechanischen Impedanz (Massencharakteristik, Federcharakteristik). Anmerkung: Bei Kenntnis der Charakteristik im letzten Beispiel lassen sich konstruktive Gegenmaßnahmen sehr gut optimieren. 5.4.2.2 Nyquistdiagramm Bild 5.11 zeigt zusammen mit dem Bodediagramm auch das Nyquistdiagramm einer Schwingung beim Durchfahren einer Resonanz. Dargestellt ist jeweils eine Schar von Ortskurven für ver‐ schiedene Dämpfungen (durchgezogene Linienzüge). Zusätzlich sind die geometrischen Orte konstanter Frequenz eingetragen (punktierte Linien). 5.4.2.3 Gegenüberstellung von Bode- und Nyquistdiagramm Darstellung der Übertragungsfunktion Definition und Berechnung von Übertragungsfunktionen wurden bereits im einführenden Ab‐ schnitt 1.10 behandelt, eine erste vergleichende Gegenüberstellung ist in Abschnitt 2.10.3.5 zu finden. Eine Gegenüberstellung der Varianten für die verschiedenen Diagramme und Ausgangsgrößen zeigt Bild 5.12 für den Fall eines linear gedämpften Schwingers. Anmerkung: Es lässt sich noch eine Reihe weiterer Übertragungsfunktionen für die verschiedenen Schwinger nach Abschnitt 1.6 definieren. 340 5 Fehleranalyse <?page no="341"?> Bild 5.12: Übertragungsfunktionen gedämpfter Systeme für Schwingweg s, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a (von links nach rechts) als Bode- (obere Reihe) und Nyquistdiagramm (unten) Aus den Bildern lässt sich folgendes unmittelbar ablesen: ● Die Eigenfrequenz ω d des gedämpften Systems unterscheidet sich von der des ungedämpften Systems ω e (das kann quantitativ auch aus Tabelle 1.16 abgelesen werden). ● Der schärfste Indikator für eine Resonanz ist der Phasenwinkel. Kritische Drehzahl Im Nyquistdiagramm lassen sich Resonanzen und koppelkritische Drehzahlen am Nulldurchgang des Realteils sehr gut identifizieren. Vergleicht man Bodediagramm und Nyquistdiagramm (Bild 5.11) desselben Vorgangs, so entspricht dem Nulldurchgang der Phase im Bodediagramm einem Verschwinden des Realteils im Nyquistdiagramm - ein von der Auswertung her schärferes Kriterium. In Bild 5.13 sind Wasserfalldiagramm und Nyquistdiagramm für einen realen Hochlauf gegen‐ übergestellt. Beim Durchfahren einer Resonanz verhält sich das System näherungsweise wie der einfache Schwinger nach Bild 5.12. Nähere Untersuchungen zu diesem Thema werden später im Zusammenhang mit Modal- und Betriebsschwingungsanalyse ausgeführt. 341 5.4 Analyse von Transienten <?page no="342"?> Darstellung Parameter (Führungsgröße) Analyse Abk. Abschnitt Wasserfalldiagramm (Kaskadendiagramm) Drehzahl Zeit Leistung etc. FFT Ordnungsanalyse 2.10.4.1 Höhenkarte (Spektrogramm) 2.10.4.2 Spektrogramm Zeit Kurzzeit-FFT STFT 3.14.1 Gabor-Spektrogramm Zeit Gabortransformation GT Campbell-Spektrogramm Drehzahl Ordnungsanalyse 3.14.2 Skalogramm Zeit Wavelettransformation WT Tabelle 5.5: Darstellung von Spektrenfeldern Bild 5.13: Wasserfall- und Nyquistdiagramm bei einem Hochlauf 5.4.3 Spektrenfelder Werden Frequenz- oder Ordnungsanalysen systematisch über größere Arbeitsbereiche gemes‐ sen, kann man sie zur Auswertung in Wasserfalldiagrammen (Kaskadendiagrammen) oder als Spektrogramm darstellen. Man spricht dabei auch von 3D-Darstellungen. Die Verfahren wurden und werden an anderer Stelle präsentiert. Tabelle 5.5 bringt eine Zusammenstellung mit den entsprechenden Verweisen. Eine besondere Rolle spielt in der instationären Maschinen-Zustandsdiagnose das Order-Tra‐ cking, wobei die Drehzahl als Führungsparameter verwendet wird. 3D-Darstellungen liefern einen guten Überblick über instationäre Vorgänge und eignen sich bei der Fehleranalyse insbesondere zur Lokalisierung prozessbedingter Ereignisse. Werden Ord‐ nungsspektren verwendet, lassen sich die Ordnungsamplituden in den Darstellungen besonders gut identifizieren. Zur messtechnischen Auswertung sind Höhenkarten (Spektrogramme) den Kaskadendarstellungen überlegen. Ein sehr anschauliches Beispiel zeigt Bild 5.14, wo mehrfache schnelle Hoch- und Auslauf‐ vorgänge eines Motor/ Pumpenaggregats als Spektrogramm (Landkarte) dargestellt sind. Die frequenzabhängigen Anregungen und frequenzunabhängigen Eigenfrequenzanregungen lassen sich darin präzise verfolgen. 342 5 Fehleranalyse <?page no="343"?> Geht der genaue zeitliche Drehzahlverlauf aus einem Spektrogramm nicht unmittelbar hervor, kann er über eine Maximum Likelihood-Methode ermittelt werden (siehe dazu Abschnitt 0.10.1.3). Dazu wird ein Modellansatz für den zeitlichen Verlauf der Drehzahl erstellt (Polynom oder Spline-Approximation), die Koeffizienten des Polynoms werden dann über Regression bestimmt. Hinter diesem Ansatz steht die Vermutung, dass der Drehzahlverlauf mit höchster Wahrschein‐ lichkeit (= Maximum Likelihood) einem solchen Ansatz folgt. Die Koeffizienten der Ansatzfunktion werden über eine Regression so geschätzt, dass die spektralen Messergebnisse bestmöglich approximiert werden. Bild 5.14: Spektrogramm eines Motors/ Pumpen Aggregats bei instationärer Fahrweise 5.5 Orbitanalyse Die Orbitanalyse ist ein wichtiges Mittel zur Untersuchung und Analyse der Bewegungen einer ro‐ tierenden Welle im Lagergehäuse, vor allem bei gleitgelagerten Konstruktionen. Als Wellenorbit (Kinetische Wellenbahn, Umlaufbahn) bezeichnet man die Bewegung eines Wellenquerschnitts in einer Ebene senkrecht zur Wellenachse, auch Messebene genannt. 5.5.1 Messung und Darstellungsarten Zur Messung wird die Bewegung in zwei zueinander orthogonalen Richtungen A und B mit Wegaufnehmern erfasst und als x-y-Diagramm dargestellt, siehe Bild 5.15. Das Bild soll jedoch auch die Problematik veranschaulichen, die bei nur einer einzigen Messrichtung auftreten kann: Obwohl alle Messsignale im Bild denselben Wellen-Orbit repräsentieren, sind die Amplituden in den beiden Messkanälen nicht nur stark unterschiedlich, sondern überdies noch deutlich abhängig von der Aufnehmeranordnung. 343 5.5 Orbitanalyse <?page no="344"?> Bild 5.15: Orbitmessungen Im Gegensatz zum einfachen Schwingungspegel oder zum Amplitudenspektrum liefern Orbitanalysen damit ein sehr differenziertes Zustands- oder Fehlerbild. Parallel zum Orbit der Wellenschwingung sind Messungen des Gehäuseorbits für eine Beur‐ teilung durchaus sinnvoll, da bei gleichzeitiger Beurteilung beider Varianten zwischen Fehlern im Bereich der Welle und Fehlern in der Struktur differenziert werden kann. 5.5.2 Bewertete und unbewertete Wellen-Orbits - das Fullspektrum Beim unbewerteten (ungefilterten) Orbit wird direkt die Schwingung der rotierenden Welle innerhalb der Lagerung dargestellt. Bewertete Orbits sind nach Ordnungen gefilterte, also ordnungsselektive Darstellungen, zum Beispiel zur Darstellung der 1X- Komponente. Der in manchen Orbits markierte Punkt oder eingefügte Richtungspfeil kennzeichnet die Phasenlage der Orbitbewegung und erlaubt es, auch die Präzessionsrichtung abzuleiten, siehe Bild 5.16. Dazu wird beim Punkt die Darstellung zu Ende jedes Zyklus kurz unterbrochen. Die zugehörige Messeinrichtung wurde bereits in Abschnitt 2.1.3.4 vorgestellt. Über zeitlich synchrone und äquidistant abgetastete Schwingungssignale an um 90° versetzten Messpunkten lassen sich auch sogenannte Fullspektren FFTs ermitteln. Dazu werden die Amplituden aus dem Leistungsspektrum mit der aus dem Kreuzleistungsspektrum gewonnenen Phase in der Weise verknüpft, dass ein zweiseitiges Spektrum mit Indikation der Präzessionsrichtung entsteht (Bild 5.16 rechts). Aus diesem Fullspektrum lassen sich also Amplitude und Drehrichtung der einzelnen harmonischen Komponenten ablesen. Anmerkung: Eine analytische Ableitung zur Entstehung solcher Orbits wird noch in Abschnitt 13, Rotor- und Lagerdynamik ausgeführt. An dieser Stelle kann man sich auf den einfachen Hinweis beschränken. Das Fullspektrum darf nicht mit dem zweiseitigen Spektrum nach Abschnitt 3.4.2.3 verwechselt werden! 344 5 Fehleranalyse <?page no="345"?> Bild 5.16: Darstellung des 1X-Wellenorbit mit Drehrichtung: Die blau markierte Bewegung läuft gegen den Uhrzei‐ gersinn (positiv), die rot im Uhrzeigersinn (negativ): Rechts die Darstellung als sogenanntes Fullspektrum. 5.5.3 Kaskadenorbit (Corbit) Für instationäre Vorgänge, zum Beispiel beim Anfahren oder Abfahren von Turbomaschinen, kann eine Kaskadendarstellung der gefilterten Wellenschwingungsorbits in Abhängigkeit von der Drehzahl wertvolle Aussagen speziell über Resonanzbereiche liefern (Bild 5.17). Man bezeichnet diese Darstellung auch als Corbit. Bild 5.17: Kaskadenorbit (Corbit) der drehfrequenten Komponente einer Wellenschwingung 5.5.4 Wellenbewegungsorbit Eine Wellenbewegung ist zusammengesetzt aus einer (langsamen) Verlagerung der Mittellinie (Shaft Centerline) und einer (schnellen) Schwingung der drehenden Welle (Wellenorbit). Wer‐ den Messsysteme eingesetzt, die schon ab 0 Hz messen, erhält man Wellenbewegungsorbits. Dabei werden in einem Diagramm Informationen zur statischen Wellenlage (Gap) und zur dynamischen Wellenbewegung in der Lagerebene angezeigt (Bild 5.18). Von einer SCORBIT-Darstellung (Shaft Center Kaskadenorbit) spricht man, wenn man Wellenbewegungsorbits noch zusätzlich in Abhängigkeit von der Drehzahl darstellt (Bild 5.17). 345 5.5 Orbitanalyse <?page no="346"?> Bild 5.18: Skizze zur Wellenbewegung und Shaft Centerline-Plot (rechts) Vergleicht man diese Wellenbewegungsorbits mit dem jeweils verfügbaren Lagerspiel, lässt sich gut erkennen, ob zum Beispiel Gefahr von Anstreifen besteht oder ungewöhnliche Lageänderun‐ gen zum Beispiel beim Hochfahren aufgetreten sind. 5.6 Analyse der Wellenmittellinie Durch Analyse der Orbits in mehreren Rotorebenen können sowohl die statische wie auch die kinetische Biegelinie der gesamten rotierenden Welle ermittelt werden. Dazu werden die Mittelpunkte der Wellenorbits, also die Gleichwerte, in maßstabgetreuer 3D-Darstellung veran‐ schaulicht, siehe Bild 5.19. Bild 5.19: Statische und dynamische Biegelinie eines biegeelastischen Rotors 346 5 Fehleranalyse <?page no="347"?> Je nach Maschinenanordnung, Drehzahl, Wuchtzustand und rotordynamischen Eigenschaften bilden sich auch unterschiedliche Orbitformen in den einzelnen Wellenquerschnitten aus, die diagnoserelevant sein können. 5.7 Hüllkurvenanalyse 5.7.1 Hüllkurve als Fehlerindikator Einführend wurden schon in Abschnitt 0.7 verschiedene Arten von Schwingungen an Maschinen vorgestellt und diskutiert: Bewegungen, Maschinenschwingungen und Körperschall. In analoger Weise ist auch die Interpretation von Schwingungen als Fehlerindikator zu betrachten. Man kann nach drei grundsätzlichen Bildern differenzieren: ● Das Auftreten der Schwingung ist für sich ein Fehlerindikator, d. h. es existiert zumindest theoretisch ein schwingungsfreier Idealzustand (Beispiel: Unwucht). ● Infolge eines Fehlers wird eine grundsätzlich auftretende Schwingung (Zahneingriff, Lüftergeräusch) durch einen Fehler in Amplitude und Frequenz regelmäßig verändert, also moduliert. ● Durch fehlerverursachte Impulsanregungen werden Körperschallschwingungen erregt, die Fehlerinformation liegt in der Impulsfolge - ebenfalls eine Form von Modulation. Im Fokus dieses Abschnittes stehen die Fälle 2 und 3, bei denen die gesuchte Fehlerinformation in der veränderlichen Amplitude, also in der Modulation liegt. Aufgabe dieser Signalanalyse ist demnach die Extraktion der Hüllkurve oder Modulation. Die Verfahren werden Demodulation genannt. Anmerkung: Bei analogen Funkgeräten wird die Information (Sprache) bei einer ver‐ einbarten Sendefrequenz aufmoduliert, als Modulation des hochfrequenten Trägersignals übertragen und dann im Empfänger wieder demoduliert. Die Aufgabe ist im Prinzip hier die gleiche. Bei bestimmten Fehlern wird die Struktur durch impulsförmige Anregungen zu Körperschall‐ schwingungen erregt oder ein an und für sich konstantes, hochfrequentes Schwingungssignal wird zufolge eines Fehlers moduliert. Der erste Fall tritt zum Beispiel beim Überrollen diskreter Fehler in Wälzlagern auf. Bei rein akustischer, also gehörmäßiger Beurteilung ist der Körperschall charakteristisch für die Struktureigenschaften (klingt metallisch), die Pulsfolge indiziert den Fehler (es klickt bei jeder Umdrehung). Im Schwingungsbild zeigt sich ein moduliertes Signal, die Fehlerinformation ist in der Modulation enthalten. Ähnlich vom Standpunkt der Signalanalyse, wenn auch funktionell unterschiedlich basiert, wird eine stationäre Arbeitsschwingung (Zahneingriff bei Getrieben, Schwingungsgeräusch bei Lüftern) durch einen Fehler gestört, also moduliert. In beiden Fällen liegt die gesuchte Information in der Modulation eines Trägersignals, welches im fehlerfreien Fall entweder nicht vorhanden ist (Fall 1) oder gleichmäßig auftritt (Fall 2). 347 5.7 Hüllkurvenanalyse <?page no="348"?> Strategie Domäne Vorteil Hüllkurve Zeitbereich Kurvenform liefert Aussage über Art und Quantität des Fehlers (Ausmaß und Ausdehnung eines Pittings, Abklingverhalten, Dämpfungsparameter) Frequenzbereich (FFT der Hüllkurve) Möglichkeit zum Aufspüren nicht-rotorsynchroner Frequenzen (Lagerfrequenzen) Seitenbänder Frequenz Präzise Lokalisierung und Prognose der Seitenbandfrequenzen (Order Tracking) Verteilung Liefert Aussage über die Fehlercharakteristik Tabelle 5.6: Vergleich von Demodulation und Seitenbandanalyse Anmerkung: Der umgekehrte Fall, dass die Körperschallinformation zur Detektion dient, ist derzeit weniger üblich. Verwendet wird dies zum Beispiel beim Anschlagversuch zum Auffinden von angerissenen oder nicht korrekt montierten Teilen oder bei der Analyse von Unterwasserschall (Sonar). In all diesen Fällen wird zur Fehleranalyse eine Hüllkurvenanalyse eingesetzt. Sie dient der Demodulation von amplituden- und frequenzmodulierten Signalen. Die Modulation wurde grund‐ sätzlich schon in Abschnitt 0.10.6 vorgestellt, das Verfahren der Demodulation war Thema in Abschnitt 1.5.3. Die Signalverarbeitung findet man in Abschnitt 1.5.3.2, die Modulation Abschnitt 5.1.2 noch einmal vertieft. Damit sollten die Grundlagen für Anwendungen bei den einzelnen Fehlern geschaffen sein. Anmerkung: Mit einer Amplitudenmodulation ist meist auch eine entsprechende Frequenz‐ modulation verbunden. Da die Erscheinungsbilder qualitativ jedoch sehr ähnlich sind, wird diese Variante nicht weiter vertieft. 5.7.2 Hüllkurve und Seitenbänder Schon in Abschnitt 5.1.2 wurde der stringente Zusammenhang zwischen Modulation (Hüllkurve im Zeitbereich) und Seitenbändern im Spektrum mathematisch dargestellt. Im Prinzip ergibt sich daraus eine mathematische Gleichwertigkeit von Demodulation und Seitenbändern. Die Aussagekraft im Hinblick auf eine direkte Interpretation und damit die Wahl der optimalen Überwachungsstrategie können allerdings durchaus unterschiedlich sein. Ein Überblick dazu ist in Tabelle 5.6 zusammengestellt. Die Vorteile der verschiedenen Strategien sind weitgehend überschneidend, doch teilweise von unterschiedlicher Evidenz. So können nicht-rotorsynchrone Frequenzen im Hüllkurvenspektrum aufgedeckt werden, was einen deutlichen Hinweis auf bestimmte Fehlerarten gibt. (Genauer gesagt: Es sind Frequenzen mit ‚unrunden‘ Vielfachen der Drehfrequenz) Zum anderen sind die Seitenbandfrequenzen vor allem bei rotorsynchronen Analysen präzise im Vorhinein bekannt. Damit kann beim Auftreten solcher Komponenten in automatischen Über‐ wachungssystemen schnell und zielgenau reagiert werden. Außerdem können solche Frequenzen in sensiblen Systemen sogar gezielt auf Änderungen überwacht werden. 348 5 Fehleranalyse <?page no="349"?> Unwucht Maschine Abschnitt Massenunwucht Rotoren hier Aerodynamische Unwucht Windrad 12.5.2.2 Hydraulische Unwucht Wasserkraftanlagen Thermische Unwucht schnelllaufende Turbomaschinen Elektromagnetische Unwucht elektrische Maschinen Tabelle 5.7: Erscheinungsformen von Unwucht (1X-Komponente) Nach dieser einleitenden Übersicht zu den Analyseverfahren kommen jetzt nachfolgend die verschiedenen Fehlerarten zur Sprache. 5.8 Unwucht Das Bewerten der Unwucht ist der Einstieg in das Betrachten und Interpretieren der Signaturen häufiger Fehler, wie sie sich im Spektrum oder ganz allgemein, im Schwingungsbild zeigen. Diese Vorgehensweise ist auch Basis für die Fehlerentdeckung und das Ableiten von Korrektur‐ maßnahmen. 5.8.1 Schwingungen von Rotoren An Rotoren treten durch Fehler vielfach starke drehfrequente Schwingungsanregungen bei 1X auf. Häufigste Ursache ist Unwucht. Spricht man allgemein von Unwucht, so hat man meist reine Massenunwucht im Auge, kurz gesprochen, eine unsymmetrische Massenverteilung in einem rotierenden Bauteil (Rotor). Die Ausführungen dieses Abschnitts sind auf diese Variante fokussiert. Andere Formen von Unwucht sind in Tabelle 5.7 zusammengestellt. Die Symptomatik ist zunächst die gleiche, über Ursache und Gegenmaßnahmen wird später noch in passendem Zusammenhang gesprochen. Es gibt allerdings noch weitere Fehler, die das verstärkte Auftreten einer 1X-Komponente nach sich ziehen, auch wenn der Rotor perfekt ausgewuchtet ist. Eine Zusammenstellung mit Hinweisen auf entsprechende Unterkapitel findet man in Tabelle 5.8. Zunächst werden die Fälle nach der Tabelle der Reihe nach abgearbeitet. Lediglich die Biege‐ schwingungen kommen erst später zur Sprache. 5.8.2 Massenunwucht Massenunwucht entsteht durch Abweichung der Massenverteilung von Rotationssymmetrie und der Drehachsen von den Trägheitshauptachsen - ein wohl allgemein bekanntes Phänomen. Sie hat im linearen Fall lediglich Schwingungen mit der 1X-Frequenz zur Folge. 349 5.8 Unwucht <?page no="350"?> Grundtyp Fehlerart Abschnitt Physik Diagnose Korrektur Unwucht Statische Unwucht 5.8.2.2 5.8.3.1 6.2 Momentenunwucht 5.8.2.3 5.8.3.2 dynamische Unwucht Abschnitt 5.8.2.4 5.8.3.3 Exzentrizität 5.15.2 Ausrichtfehler Winkelversatz 5.9.1 5.9.5 6.1.2 Parallelversatz Verspannung 5.9.2 6.1.2.3 Kippfuß 5.9.3 6.1.2.3 Verbogene Welle Wellenschlag 5.9.4 5.9.5 13.1.6.3 Newkirk-Effekt 5.9.6 12.5.2.4 13.1.6.3 Morton-Effekt 12.5.2.4 13.1.6.3 Biegeschwingungen Lavalläufer ( Jeffcottläufer) 5.17.3 13.1.6.3 13.1.6.3 Tabelle 5.8: Fehler an rotierenden Wellen 5.8.2.1 Mechanismen Unwucht ist die häufigste Ursache starker oder erhöhter Maschinenschwingungen. Im Zusam‐ menhang mit Zustandsüberwachung und Instandhaltung von rotierenden Maschinen ist vor allem Massenunwucht von Bedeutung. Sie entsteht durch unsymmetrische Massenverteilung im Rotor, was starke Schwingungen zur Folge haben kann. Die verschiedenen Erscheinungsformen von Massenunwucht sind in Tabelle 5.9 zusammengestellt. Dort findet man vorweg genommen auch schon Skizzen der Bewegungsformen unwuchterregter Schwingungen. Dieser Abschnitt befasst sich ausschließlich mit der Unwucht starrer Rotoren. Unwucht entsteht als Folge umlaufender Massenkräfte, im einfachsten Fall durch Exzentrizität des Schwer‐ punkts, siehe Bild 5.20. Die umlaufende Massenkraft (Fliehkraft) regt eine ebenfalls umlaufende Schwingung an. Aus dem Mechanismus kann man für lineare Systeme unmittelbar folgern: ● Unwucht hat ausschließlich Schwingungen mit der Drehfrequenz (1X) zur Folge. ● In einem symmetrischen System ist die Schwingung ebenfalls rotationssymmetrisch. Misst man die Schwingungen in zwei orthogonalen Richtungen wie im Bild angedeutet, so erhält man demnach zwei um 90° phasenverschobene Schwingungssignale gleicher Frequenz und Amplitude. Ist das System unsymmetrisch, zum Beispiel bei anisotroper Lagerung (Lagersteifigkeiten horizontal und vertikal sind unterschiedlich), so werden auch die Amplituden der beiden Signale unterschiedlich sein. Asymmetrie kann aber auch durch extern angekoppelte Steifigkeiten wie angeschlossene Rohrleitungen oder durch elastische Maschinenlagerung entstehen. 350 5 Fehleranalyse <?page no="351"?> Unwuchttyp Ursache Bewegung (Phase) Abschnitt Aa Av Bv Ba Statische Unwucht Exzentrizität des Schwerpunkts 5.8.2.2 Momentenunwucht Drehachse keine Trägheitshauptachse 5.8.2.3 Dynamische Unwucht Statische Momentenunwucht Ab‐ schnitt 5.8.2.4 A/ B Seite A/ B; a/ v axial/ vertikal; horizontal 90° phasenverschoben zu vertikal Tabelle 5.9: Massenwucht starrer Rotoren (Kurzbezeichnungen siehe Bild 5.33) Bild 5.20: Entstehen einer Massenunwucht Generelles Erscheinungsbild von Unwucht ist das Auftreten von ausgeprägten Schwingungen bei der Drehfrequenz (1X). Solche 1X-Anregungen können jedoch auch andere Ursachen haben, was entsprechende Sorgfalt bei der Fehleranalyse erfordert. Anmerkung: Ähnliche drehzahlbezogene Phänomene, die allerdings nicht auf Massenun‐ wucht zurückzuführen sind, aber auch unter dem Titel Unwucht laufen, werden bei den Anlagenkenntnissen von Abschnitt 7 behandelt. Zu nennen wären Strömungsunwucht (Windenergieanlagen), hydraulische Unwucht (Wasserkraftanlagen) oder magnetische Un‐ wuchten (elektrische Maschinen). 351 5.8 Unwucht <?page no="352"?> 5.8.2.2 Statische Unwucht Als statische Unwucht wird die Exzentrizität des Schwerpunkts eines Rotors bezeichnet, siehe Bild 5.21. Ein frei drehbarer Rotor mit horizontaler Welle wird in der Weise auspendeln, dass die Unwucht unter Schwerkrafteinfluss nach unten wandert. Die Unwucht tritt hier auch bei stillstehendem Rotor als Moment zutage. Bei Rotation treten Fliehkräfte auf, die zu erhöhten drehfrequenten Schwingungen führen. Statische Unwucht tritt nur in einer Ebene auf, das heißt andererseits, sie kann einfach durch ein Gegengewicht in der Schwerpunktebene kompensiert werden. Bild 5.21: Statische Unwucht 5.8.2.3 Momentenunwucht Momentenunwucht entsteht durch Abweichen der Trägheitshauptachse eines Rotors von der Drehachse, siehe Bild 5.22. Ursache ist eine unsymmetrische Massenverteilung in einem statisch ausgewuchteten Rotor. Der Schwerpunkt liegt in diesem Fall auf der Drehachse. Die Unwucht kann durch zwei exzentrische Ersatzmassen modelliert werden (U1 und U2 im rechten Teilbild). Ein spezieller Fall von Momentenunwucht ist ein auf der Welle schräg montiertes Schwungrad. Bild 5.22: Momentenunwucht 352 5 Fehleranalyse <?page no="353"?> Momentenunwucht lässt sich nicht durch Auspendeln feststellen. Erst bei Rotation treten umlaufende Fliehkräfte auf, die ein Moment (Kräftepaar) bezüglich einer beliebigen Achse des Rotors erzeugen. Die dadurch entstehenden Biegewechselbeanspruchungen können sogar zum Wellenbruch führen. 5.8.2.4 Dynamische Unwucht Dynamische Unwucht, der allgemeine Fall, kann als Kombination von statischer und dynamischer Unwucht betrachtet werden, siehe Bild 5.23. Bild 5.23: Dynamische Unwucht 5.8.2.5 Urunwucht, Restunwucht Als Urunwucht wird der Wuchtzustand eines Rotors vor dem Wuchten bezeichnet. Die nach dem Wuchten verbleibende Unwucht wird Restunwucht genannt. Anmerkung: Eine vollständige Beseitigung der Unwucht ist in der Praxis nicht möglich und auch nicht sinnvoll. 5.8.3 Unwuchtdiagnose Unwucht äußert sich durch Auftreten einer starken drehfrequenten Komponente im Spektrum (1X-Komponente). Die Amplitude ist in allen Messrichtungen proportional mit der Drehzahl. Eine solche Komponente kann jedoch auch andere Ursachen haben. In diesem Abschnitt wird die Methodik behandelt, Unwuchten einwandfrei zu diagnostizieren. 353 5.8 Unwucht <?page no="354"?> Top Richtung Seite a vertikal A-Seite (DS) b horizontal c vertikal B-Seite (NDS) d horizontal e axial A-Seite (DS) f axial g axial B-Seite (NDS) h axial DS = Drive Side NDS = non-Drive Side Tabelle 5.10: Messrichtungen am Rotor 5.8.3.1 Statische Unwucht Bild 5.24: Statische Unwucht - spektrales Erscheinungsbild Statische Unwucht bedeutet, dass die Massenexzentrizität nur in einer Ebene auftritt. Häufig ist das der Fall bei scheibenförmigen Rotoren, wenn die Ausdehnung in axialer Richtung klein ist gegenüber dem Durchmesser. Die Diagnose der statischen Unwucht kann über die Phase der 1X-Komponenten erfolgen. Auswahl der Messpunkte, Methodik und übliche Bezeichnungen sind in Tabelle 5.10 und Bild 5.25 zusammengestellt. 354 5 Fehleranalyse <?page no="355"?> Bild 5.25: Statische Unwucht - Diagnose Das Erscheinungsbild statischer Unwucht zusammengefasst sieht folgendermaßen aus (Bild 5.25): ● Die vertikalen Komponenten sind gleichphasig. ● Die horizontalen Komponenten sind zu den vertikalen um 90° phasenverschoben. ● Das Verhältnis vertikal/ horizontal ist in beiden Ebenen in etwa gleich. ● Die axialen Komponenten sind klein und phasengleich. 5.8.3.2 Momentenunwucht Reine Momentenunwucht tritt im Feld eher selten auf. Nur wenn der Rotor mit seinen Zu‐ satzkomponenten statisch sehr präzise ausgewuchtet war, kann die Momentenunwucht im zusammengebauten Zustand allein auftreten. Bild 5.26: Hauptgetriebe mit zwei Schwungrädern für einen Pilgerwalzwerksantrieb 355 5.8 Unwucht <?page no="356"?> Ein praktisches Beispiel ist ein großes Getriebe für ein Pilgerwalzwerk zur Herstellung von nahtlosen Rohren mit zwei Schwungrädern auf der Antriebswelle, die gewuchtet werden mussten (Bild 5.26). Bild 5.27: Momentenunwucht - spektrales Erscheinungsbild Eine Momentenunwucht lässt sich über die Phase der 1X-Komponente schnell diagnostizieren. Die Methodik ist in Bild 5.28 zusammengestellt. Bild 5.28: Momentenunwucht - Diagnose 356 5 Fehleranalyse <?page no="357"?> Das Erscheinungsbild von Momentenunwucht sieht folgendermaßen aus (Bild 5.28): ● Die vertikalen Komponenten a und c sind gegenphasig. ● Die horizontalen Komponenten b und d sind zu den vertikalen a bzw. c um 90° phasenver‐ schoben. ● Die horizontalen Komponenten b und d sind gegenphasig. ● Das Verhältnis vertikal/ horizontal ist in beiden Ebenen in etwa gleich. ● Die axialen Komponenten sind klein gegenüber den radialen. ● Die axialen Komponenten sind gegenphasig entlang der Welle. ● Radial gegenüberliegende axiale Komponenten sind gegenphasig. 5.8.3.3 Dynamische Unwucht Dynamische Unwucht ist eine Kombination von statischer Unwucht und Momentenunwucht. Das Erscheinungsbild ist in Bild 5.29 zu sehen, die Methodik der Diagnose ist in Bild 5.30 zusammengestellt. Bild 5.29: Dynamische Unwucht - spektrales Erscheinungsbild 357 5.8 Unwucht <?page no="358"?> Bild 5.30: Dynamische Unwucht - Diagnose Es ergeben sich folgende Erscheinungsbilder von dynamischer Unwucht (Bild 5.30): ● Die vertikalen Komponenten a und c können jede Phasenlage aufweisen. ● Die horizontalen Komponenten b und d sind zu den vertikalen in derselben Ebene a bzw. c um 90° phasenverschoben. ● Das Verhältnis vertikal/ horizontal ist in beiden Ebenen etwa gleich. ● Die axialen Komponenten sind klein gegenüber den radialen. ● Die axialen Komponenten entlang der Welle können gleichphasig oder gegenphasig sein (je nach Stärke). ● Radial gegenüberliegende axiale Komponenten sind gegenphasig. 5.8.3.4 Fliegend gelagerte Rotoren Bei fliegend gelagerten Rotoren sollten zur Unwuchtdiagnose Messungen immer an beiden Lage‐ rungen durchgeführt werden. Die Methodik ist gleich wie bei der dynamischen Unwucht. Der Unterschied der Amplituden sowie die Phasenlage zwischen beiden Vertikal- oder Horizontalkom‐ ponenten können durch Biegung der Welle stark beeinflusst werden. Bezüglich der Relationen zwischen Vertikal- und Horizontalkomponente in einer Messebene gilt das Gleiche wie zuvor. 358 5 Fehleranalyse <?page no="359"?> Bild 5.31: Rotor mit fliegender Lagerung Das Erscheinungsbild sieht bezüglich Unwucht bei fliegend gelagerter Welle wie folgt aus (Bild 5.31): ● Die vertikalen Komponenten können zufolge Biegebewegung der Welle jede Phasenlage aufweisen. ● Die horizontalen Komponenten sind zu den vertikalen in derselben Ebene um 90° phasen‐ verschoben. ● Das Verhältnis vertikal/ horizontal ist in beiden Ebenen etwa gleich. ● Die axialen Komponenten sind groß und phasengleich. 5.9 Ausrichtfehler Die Auswirkungen von Fehlausrichtung gekuppelter Maschinen wurden lange Zeit unterschätzt. Zunächst nur als reines Montageproblem betrachtet, dann als Belastung für Kupplungen, kennt man sie heute als Grundursache vieler Folgefehler, zum Beispiel an benachbarten Wälzlagern. Ausrichtfehler können innerhalb von rotierenden Maschinen infolge von Achslageabweichun‐ gen (innere Ausrichtfehler) oder extern nach dem Kuppeln von einzelnen Maschinen entstehen, wenn die Wellenmittellinien der gekuppelten Maschinen nicht miteinander fluchten. Man unterscheidet dabei zwischen ● Winkelversatz oder Klaffung und ● Radialversatz oder Parallelversatz. Auch bei der Montage selbst kann es vor allem beim Kuppeln schwerer, elastisch gelagerter Maschinen zu Verspannungen kommen, die als Ausrichtfehler zu bewerten sind, obwohl sie dann nicht direkt als Verlagerung sichtbar sind. Ausrichtfehler ziehen stets hohe Amplituden bei der Drehfrequenz und bei niedrigen Harmo‐ nischen, vor allem der 2X, nach sich. 359 5.9 Ausrichtfehler <?page no="360"?> Wesentliches Merkmal von Unwucht und Ausrichtfehlern ist immer eine starke 1X-Kompo‐ nente in allen Schwingungsrichtungen. In einem solchen Fall sollte durch Phasenmessungen untersucht werden, wo der eigentliche Grund für die 1X-Komponente liegt, da dementsprechend unterschiedliche Korrekturmaßnahmen erforderlich werden. 5.9.1 Ausrichtfehler bei gekuppelten Maschinen Die Grundformen von Ausrichtfehlern miteinander gekuppelter Maschinen sind in Bild 5.32 zusammengestellt, im Allgemeinen wird eine Mischform vorliegen. Bild 5.32: Grundlegende Ausrichtfehler bei miteinander gekuppelten Maschinen Für eine sichere Diagnose und vor allem zur Differenzierung zwischen Unwucht und Ausricht‐ fehlern sind sorgfältige Schwingungsmessungen nach Betrag und Phase erforderlich. Messstellen, Messrichtungen und Nomenklaturen sind in Bild 5.33 zusammengestellt. Je Rotor (Rotor 1/ 2) sind zwei Messebenen A-Seite und B-Seite bzw. DS (Driven Side) und NDS (Non Driven Side) festgelegt, in denen jeweils vertikal, horizontal (beides in radialer Richtung) und axial gemessen wird. 360 5 Fehleranalyse <?page no="361"?> Bild 5.33: Messstellen und Messrichtungen zur Bestimmung von Ausrichtfehlern Wie sich die Amplituden, Ordnungen und Phasen bei reinem Winkelversatz und bei reinem Parallelversatz unterscheiden ist in Bild 5.34 und Bild 5.35 veranschaulicht. Bild 5.34: Winkelversatz - spektrales Erscheinungsbild mit Indikation der Phasen Bild 5.35: Parallelversatz - spektrales Erscheinungsbild mit Indikation der Phasen 361 5.9 Ausrichtfehler <?page no="362"?> 5.9.2 Verspannte Montage Werden Ausrichtfehler durch verspannte Montage „korrigiert“, kommt es zu ähnlichen Fehler‐ bildern wie bei den oben beschriebenen Ausrichtfehlern. Obwohl solche Verspannungen nicht unmittelbar als Ausrichtfehler sichtbar sind, können sie nicht nur zu den gleichen Fehlerbildern, sondern auch zu denselben Auswirkungen führen. 5.9.3 Kippfuß Als Kippfuß wird mechanische Lose oder Verkanten im Maschinenfuß bezeichnet, die Maschine steht quasi auf wackeligen Beinen. Das Erkennen eines Kippfußes ist mit laseroptischer Ausricht‐ technik gut möglich, die Überprüfung ist beim Präzisionsausrichten laut einer neu erschienenen amerikanischen Norm vorgeschrieben (siehe Abschnitt 6.1.2.3, Tabelle 6.5). 5.9.4 Verbogene Welle Eine verbogene Welle macht sich durch Auftreten von 1X- und 2X-Komponenten bemerkbar. Maßgebendes Diagnosekriterium ist vor allem die Gegenphasigkeit der axialen Schwingungen, siehe Bild 5.36. Bild 5.36: Verbogene Welle - spektrales Erscheinungsbild 5.9.5 Zusammenstellung von 1X-Fehlern an Wellen Eine Übersicht über die Erscheinungsbilder der drehfrequenten Komponenten von Rotorschwin‐ gungen ist in Bild 5.37 zusammengestellt. Sie kann in dieser Form zur Fehleranalyse, speziell zur Unterscheidung zwischen Unwucht und Ausrichtfehlern herangezogen werden. 362 5 Fehleranalyse <?page no="363"?> Die in der Zusammenstellung skizzierten Zusammenhänge, insbesondere die Phasenlagen, sind zunächst einmal Näherungswerte. Im Falle von Ausrichtfehlern können sich auch davon stark unterschiedliche Verhältnisse ausbilden, die jedoch in ähnlicher Weise als typisch anzusehen sind. Hier eine kurze Zusammenfassung: ● Die für alle Arten von Unwucht typische Phasenverschiebung von 90° oder 270° (je nach Drehrichtung) sind ungefähre Werte, die Abweichungen sind gut von denen für Ausricht‐ fehler typischen zu unterscheiden. ● Die dargestellten Phasenlagen in axialer Richtung sind nicht mit denen von vertikal/ hori‐ zontal verknüpft. ● Die Gleichphasigkeit zwischen vertikalen und horizontalen Komponenten tritt ebenfalls nur mit geringen Abweichungen auf. ● Anstelle dieser Gleichphasigkeit kann auch Gegenphasigkeit auftreten. ● Die Gegenphasigkeit der Axialkomponenten bei Ausrichtfehlern muss nicht in allen Win‐ kellagen auftreten. Bild 5.37: Phasenlagen bei Unwucht und Ausrichtfehlern im Überblick 5.9.6 Primärursachen für Ausrichtfehler und Wellenverbiegung Eine Ursache von Ausrichtfehlern bei Maschinensträngen können Setzungen im Fundament sein. Sie festzustellen und zu beseitigen, erfordert entsprechende Messungen und Maßnahmen. Diese werden in Abschnitt 6.1 ausführlich behandelt. Anders liegt der Fall bei Wellenverbiegung. Spontane Wellenverbiegungen werden höchst‐ wahrscheinlich erst im Zuge eines fatalen Fehlers auftreten, was an dieser Stelle nicht Thema sein kann. Im Normalbetrieb werden Verbiegungen eher als Sekundärfehler auftreten, am häufigsten durch thermische Ursachen. Die bekanntesten Effekte, Morton-Effekt und Newkirk-Effekt, werden in Abschnitt 12.5.2.4 noch behandelt. 363 5.9 Ausrichtfehler <?page no="364"?> Anmerkung: Die Ausführungen des gesamten Abschnitts 5 beschäftigen sich mit Fehler‐ bildern, die Suche nach Ursachen ist dann schwerpunktmäßig nach Abschnitt 12 verlagert. Man könnte mit einem zeitgemäßen Wort sagen, hier Bottom-up, dort Top-down. 5.9.7 Wellenanisotropie und Wellenanriss Risse in Wellen zeigen sich im Spektrum durch das Ansteigen niedriger Harmonischer der Drehfrequenz, vorwiegend 2X und 3X. Bisweilen tritt dadurch Resonanz bei der halben kritischen Drehzahl auf. Die Harmonischen im Schwingungsspektrum sind eine Folge von Nichtlinearität durch Öffnen und Schließen (Atmen) des Risses im Laufe einer Umdrehung, zum Beispiel unter Schwerkrafteinfluss. Bei geschlossenem Riss liefert dabei der gesamte Wellenquerschnitt Anteile zum Flächenträgheitsmoment, bei geöffnetem Riss nur der ungeschädigte Anteil. Bei schweren, horizontalen Wellen kommt es in diesem Fall gelegentlich zu Resonanzen bei der halben Resonanzdrehzahl zufolge einer Schwankung der Biegesteifigkeit in vertikaler Richtung mit der doppelten Drehfrequenz (2X-Anregung), siehe Bild 5.38. Die Biegesteifigkeit und damit die statische Durchbiegung durchlaufen zweimal je Umdrehung einen Maximum-Minimum-Zyklus, was zu diesem Effekt führen kann. Anmerkung: Wellenanrisse sind mechanisch teilweise schwer zu detektieren, daher müssen ergänzende Verfahren eingesetzt werden, zum Beispiel Ultraschall oder Magnetpulverprü‐ fung (Abschnitt 4.7). Ähnliche Effekte können bei anisotroper Lagerung durch das Wechselspiel zwischen anisotroper Biegesteifigkeit der Welle (drehend) und Lageranisotropie (feststehend) auftreten, siehe Bild 5.38. Besonders anfällig sind hier vertikale Wasserkraftmaschinen, wenn die Anisotropie des Lagers als primärer Fehler auftritt, zum Beispiel durch magnetischen Zug. Anmerkung: Als magnetischer Zug wird eine Radialkraft in elektrischen Maschinen bezeichnet, die bei exzentrisch laufendem Rotor auftritt. In Mittellage (zentrischer Rotor‐ position) sind die magnetischen Kräfte zwischen Stator und Rotor infolge der Symmetrie kompensiert. Bei exzentrischer Position tritt eine resultierende magnetische Kraft in Rich‐ tung der Auslenkung auf. Dieser Effekt kann sich auch, quasi als negative Lagersteifigkeit, auf die Resonanzfrequenz von Biegeschwingungen oder allgemeine Lateralschwingungen auswirken. 364 5 Fehleranalyse <?page no="365"?> Bild 5.38: Wellenanriss Kleine Risse (Riefen) oder Grate haben dagegen kaum Einfluss auf das Schwingungsverhalten. Mit einer Prüfung des Runouts lassen sich diese bei langsamem Drehen im Zeitsignal detektieren. Ein Beispiel veranschaulicht Bild 5.39. Bild 5.39: Riss oder Grat im hochauflösend gemessenen Zeitsignal der Wellenschwingung 5.10 Mechanisches Spiel Durch unzulässig hohes mechanisches Spiel treten im System ausgeprägte Nichtlinearitäten auf. Sie entstehen durch Stoßvorgänge, die sich im Zeitsignal durch kurze Impulse zeigen, die entweder regelmäßig oder in regelloser (chaotischer) Folge auftreten. Im Spektrum zeigt sich dieser Effekt durch zahlreiche Harmonische auch von höherer Ordnung. Vielfach entstehen infolge der Nichtlinearität subharmonische und interharmonische Komponen‐ ten, siehe Bild 5.40 und Abschnitt 1.13.2. 365 5.10 Mechanisches Spiel <?page no="366"?> Bild 5.40: Mechanisches Spiel Mechanisches Spiel kann mit Unwucht und Fehlausrichtung von Rotoren verwechselt werden. Eine Unterscheidung ist durch Phasenmessungen möglich. Die Phasenverhältnisse sind bei Fehlausrichtung systematisch (siehe Bild 5.37), bei mechanischem Spiel treten sie ohne eine bestimmte Systematik, also regellos auf. 5.11 Anstreifen, Instabilitäten Anstreifen von Wellen oder Rotoren kann durch plötzliche Laständerung oder schnelle Änderung des thermischen Zustands insbesondere bei Turbomaschinen auftreten. Es kann durch zu geringes Spiel zwischen Stator und Rotor oder durch Verlagerung von Maschinenkomponenten während des Betriebs entstehen. Auch während des An- und Auslaufvorganges kann es kurzzeitig zum Anstreifen kommen, das im weiteren Betrieb jedoch wieder verschwindet. Eine weitere Ursache ist Instabilität von Rotoren, die zu starken selbsterregten Schwingungen führen kann. Diese Thematik wird in Abschnitt 13 noch eingehend behandelt. 5.11.1 Anstreifen Anstreifen zeigt sich durch Erhöhung der drehfrequenten Komponente sowie durch Harmonische und gelegentlich Subharmonische und besonders durch das Auftreten zahlreicher hochfrequenter Komponenten im Spektrum. Auch Systemresonanzen können durch Anstreifen angeregt werden. Anstreifvorgänge lassen sich am besten über hochauflösend gemessene Zeitsignale und über die Bewertung von Max/ Min-Amplituden identifizieren. Ein erhöhtes Anstreifrisiko besteht, wenn harmonische Rotorbewegungen richtungsabhängig beeinflusst werden, siehe Bild 5.41. 366 5 Fehleranalyse <?page no="367"?> Varianten von Anstreifen Partielles Gleiten mit Unterbrechungen Springender Kontakt mit regelmäßigem Muster, das umläuft (Wellenklettern) Chaotisches Springen des Anstreifkontakts Reibungsschwingungen (trockene Reibung). Partielles Gleiten mit Unterbrechungen Newkirk-Effekt Tabelle 5.11: Anstreifphänomene Bild 5.41: Das rechte Zeitsignal zeigt erhöhtes Anstreifrisiko Anstreifen kann aber auch die in Tabelle 5.11 zusammengestellten Phänomene erzeugen. Besonders hingewiesen sei auf den Newkirk-Effekt, eine durch leichtes Anstreifen bewirkte thermische Biegung der Welle, die in der Folge zu den Phänomenen der verbogenen Welle von Abschnitt 5.9.4 führt. Dieser Effekt wird in Abschnitt 12.5.2.4 noch näher erläutert. Der Effekt kann zu sehr langperiodischen Schwingungen (Stunden) führen. 5.11.2 Instabilität Anstreifvorgänge treten auch im Zusammenhang mit selbsterregten Schwingungen auf, da dort das schnelle Anwachsen der Schwingung zu einem durch Nichtlinearität begrenzten Grenzzykel charakteristisch ist. Von physikalischer Seite wurde dieser Vorgang in Abschnitt 1.13.3 behandelt. Instabilitäten zeigen sich als meist starke Schwingungen, meistens mit weitgehend drehzahlunabhängiger Frequenz. Eine Zusammenstellung typischer Mechanismen findet man in Abschnitt 1.13.3. Selbsterregte Schwingungen sind gut im Zeitbereich und in Wasserfalldarstellungen von Spektren zu identifizieren. Besonders gilt das für das erweiterte Campbelldiagramm (Abschnitt 3.14.2). 367 5.11 Anstreifen, Instabilitäten <?page no="368"?> 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) Maschinenschwingungen gehen meist von den rotierenden Elementen einer Maschine aus und werden über die Lager an die Umgebung auf feststehende Teile übertragen, wo sie dann einer Messung zugänglich sind. Man unterscheidet zwischen den Grundformen Radiallager und Axiallager, je nachdem, welche Freiheitsgrade der Wellenbewegungen durch die Lagerung eingeschränkt werden. Bei Radiallagern sind es die lateralen oder radialen Bewegungen, bei Axi‐ allagern die Bewegungen in Achsrichtung des Rotors. Unterscheidungsmerkmal ist also, welche Freiheitsgrade der Bewegung durch das Lager unterbunden werden. Es gibt auch Mischformen, zum Beispiel das Rillenkugellager, welches als einzige Grundkonstruktion Radialbewegung und Axialbewegung gleichzeitig beschränkt (und zwar belastbar). Lager sind besonders funktionswichtige Maschinenelemente, die hohen Belastungen ausge‐ setzt sind. Andererseits weisen sie eine ausgeprägte Eigendynamik auf, die das Schwingungsbild in typischer Weise prägen. Das heißt, auch Fehler in den Lagern selbst werden sich im äußeren Maschinenbereich in Form von ganz spezifischen Schwingungen zeigen. Dieser Abschnitt ist dem Thema Lagerfehler und ihren vielfältigen Erscheinungsbildern gewidmet. Die Dynamik von Lagern und damit das Erscheinungsbild von Fehlern muss allerdings im Zusammenhang mit dem gelagerten Rotor betrachtet werden. Das gilt besonders bei Gleitlagern, wo im Bereich Maschinenschwingungen immer ein Zusammenspiel zwischen Rotor und Lager besteht und auch zu beurteilen ist. Bei Wälzlagern wird lagerspezifisch zunächst überwiegend Körperschall angeregt. Anderer‐ seits gehen jedoch viele Lagerschäden primär von Fehlern im Rotor und in der Betriebsweise aus, was ebenfalls die Instandhaltung auf dieses Zusammenwirken fokussiert. Dieser Abschnitt ist auf lagerspezifische Schwingungsbilder fokussiert. Auf die Rolle der Rotor- und Betriebsschwingungen wird in Abschnitt 5.17 tiefer eingegangen. 5.12.1 Fehler an Gleitlagern Gleitlager können sowohl als Traglager (Radiallager) oder als Spurlager (Axiallager) in vielen Anwendungen die bessere Lösung im Vergleich zu Wälzlagerungen sein. Sie benötigen zwar geeignete Schmierung, eine betriebssichere Schmierstoffversorgung, passende Werkstoffpaarun‐ gen, eine entsprechende Formgebung der Laufflächen und eine gezielte Lagerspielauslegung, dafür nehmen sie weniger Platz ein, laufen schwingungsärmer, haben gute Dämpfungseigenschaf‐ ten und sind unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen. Das funktionsbedingt größere Spiel zwischen Welle und Lagerschale ist erster Ansatzpunkt für Fehleranalysen und für schwingungstechnische Bewertungen. Als allgemeinen Richtwert kann man für übliche Gleitlagerspiele etwa 2 ‰ des Durchmessers annehmen. Bei Rotation verlagert sich die drehende Welle und es bildet sich ein verhältnismäßig dicker Ölfilm zwischen Welle und Lagerschale aus, der als elastisches Zwischenelement auch dämpfend wirkt. Entsprechende Schwingungen treten aber trotzdem auf, die sich sowohl mit Beschleuni‐ gungssensoren als auch mit Wellenschwingungssensoren messen und zur Fehleranalyse verwen‐ den lassen. Bild 5.42 zeigt beispielhaft eine Halbschale einer kreiszylindrischen Gleitlagerung, rechts mit einer lokalen Schädigung. Solche Schadensbilder können zum Beispiel infolge von Ausrichtfehlern miteinander gekuppelter Maschinen auftreten. 368 5 Fehleranalyse <?page no="369"?> 36 Die Gümbelkurve zeigt den Zusammenhang zwischen Sommerfeldzahl und Bewegung des Wellenmittelpunktes. Fehler in Gleitlagern Abschnitt Öl-Whirl (Ölwirbel) 5.17 Öl-Whip (Instabilität) Kantentragen, Anstreifen 5.11 Unzulässiges Lagerspiel Laufflächenfehler (Ölkohle, Stromdurchgang) 5.10 Tabelle 5.12: Einige Fehlerarten in Gleitlagern Bild 5.42: Halbschale zweier Gleitlager (rechts mit Schädigung) Manchmal sind diese Fehler darin begründet, dass man das Verlagerungsverhalten von Gleitla‐ gerungen nur unzureichend berücksichtigt hat. Schließlich können sich gleitgelagerte Wellen entsprechend der Gümbelkurve 36 beträchtlich zwischen Ruhelage und Betriebslage verlagern. Kuppelt man nun zum Beispiel eine gleitgelagerte Antriebsmaschine mit einem wälzgelagerten Getriebe ohne Berücksichtigung dieser unterschiedlichen Verlagerungen führt dies zu Verzwän‐ gungen, die ebenso zu solchen Schadensbildern führen können. Durch Instabilitäten im Schmierfilm können bei Gleitlagerungen ebenfalls Zusatzschwingun‐ gen entstehen. Die häufigsten Fehler in Gleitlagern sind in Tabelle 5.12 zusammengefasst. Die Ausführungen dieses Abschnitts beschränken sich auf grundsätzliche Schwingungsphäno‐ mene, die für Gleitlager typisch sind oder anders gesagt, die nur bei Gleitlagern auftreten. Des Weiteren ist es zur umfassenden Fehlerdiagnose an Gleitlagerungen notwendig, die Unter‐ suchungen auf die Dynamik der Gesamtmaschine oder zumindest auf den gelagerten Rotor und das Maschinengehäuse auszudehnen. Aus diesem Grund findet man weitere, ausführlichere Betrachtungen später, in Abschnitt 5.17 über Fehleranalysen an Turbomaschinen. 5.12.1.1 Öl-Whirl Im Normalfall sollte die im Gleitlager rotierende Welle schwingungsfrei auf einem Ölfilm gleiten. In bestimmten Fällen treten jedoch plötzlich Instabilitäten im Ölfilm auf, die zu zusätzlichen Schwingungen führen. Öl-Whirl, auch Ölwirbel oder Ölfilmwirbel genannt, sind eine solche Instabilität. Dabei führt die Welle im Lager eine Rundumbewegung mit einer Frequenz von ca. 40 % bis 48 % der Drehfrequenz (auf jeden Fall unterhalb der halben Drehfrequenz) aus. Die Amplitude kann bei leichten und überkritisch laufenden Rotoren sehr groß werden und unter Umständen 369 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="370"?> sogar das gesamte Lagerspiel einnehmen. Hinweise auf den physikalischen Hintergrund findet man in Abschnitt 1.13.3, speziell Tabelle 1.19. Die Whirl-Bewegung der Welle innerhalb des Lagers ist in Bild 5.43 skizziert. Bild 5.43: Öl-Whirl (Ölfilmwirbel) Oft tritt Whirl nur vorübergehend im Zug von Hochläufen auf und verschwindet wieder. Ursachen für stationäres Whirl können Fehler im Schmiersystem oder eine ungünstige Lagerbelastung sein. Abhilfemaßnahmen wären dann das Vermindern der Lagerbreite, um durch mehr Lagerbe‐ lastung die Stabilität gegen die Ölfilmwirbel zu vergrößern. Genügt dies nicht, müssen andere Gleitlagertypen zum Einsatz kommen. Kippsegmentlager sind gegenüber Öl-Whirl am stabilsten. Eine wirksame Kontrolle kann über Orbitanalysen auf Basis von Wellenschwingungen erfol‐ gen. Das wird in Abschnitt 5.17 noch näher ausgeführt. 5.12.1.2 Öl-Whip Öl-Whip ist eine selbsterregte Schwingung (Lagerinstabilität), die im Anschluss an Whirl beim Durchfahren der ersten Biegeresonanz auftreten kann. Dabei kann bei leichten überkritisch lau‐ fenden Rotoren die Schwingung so stark werden, dass die Welle wechselseitig an der Lagerschale anschlägt. Bei weiterem Erhöhen der Drehzahl bleibt die Schwingung mit der Resonanzfrequenz, also mit konstanter Frequenz aufrecht. Das Erscheinungsbild ist in Bild 5.44 dargestellt, sowohl als Wellenorbit wie auch in einem Campbelldiagramm. Bild 5.44: Instabilitäten infolge Öl-Whip 370 5 Fehleranalyse <?page no="371"?> Vergleicht man die Wellenorbits von Bild 5.43 und Bild 5.44, so erkennt man, dass im Falle des Whirl die Strömungsverhältnisse im Ölfilm, also die Anregung dominiert, im Fall des Whips sind es eher die kinematischen Eigenschaften der ganzen Struktur. Whirl ist mehr eine angeregte Schwingung, Whip hat eher die Charakteristik einer Eigendynamik. Damit kann man das Verhalten im Frequenzbereich weitgehend interpretieren. 5.12.2 Fehler an Wälzlagern Wälzlager sind gleichermaßen wichtige und sensible Maschinenelemente. Deren Überwachung und Diagnose werden daher immer ein zentrales Thema bei der Fehleranalyse sein. Fehler zeigen sich hier vorwiegend im Lagergeräusch sowie im zugehörigen Schwingungsbild. Die meisten der in der Einführung vorgestellten Verfahren sind zur Beurteilung von Lagerfehlern geeignet und kommen auch zum Einsatz. Aber mehr noch: Schon nur erhöhtes oder verändertes Lagergeräusch oder ein ansteigendes Grundrauschen über den gesamten Frequenzbereich weist ja eigentlich bereits auf einen aufkom‐ menden Fehler hin, wobei die Restnutzungsdauer bis zu einem Ausfall immer noch sehr lange sein kann. Zufolge ihrer komplexen Kinematik tritt bei Wälzlagern im Fall diskreter Fehler eine Folge von kleinen Stößen mit lagertypischen Störfrequenzen auf. Es sind die Überrollfrequenzen des Fehlers, oft auch als Schadensfrequenzen bezeichnet. Sie sind zwar drehzahlbezogen, also Vielfache der Drehzahl, aber keine ‚runden‘ Harmonischen der Wellendrehfrequenz. Allein nur das Auftreten solcher unrunden Komponenten im Schwingungsspektrum kann auf Wälzlagerschäden als Quelle hindeuten (zum Beispiel im Bereich zwischen der 5. und 6. Ordnung bei Standardkugellagern). Die Überrollfrequenzen können aus der Kinematik in Abhängigkeit von der Drehzahl berechnet oder zumindest abgeschätzt werden, wie an geeigneter Stelle noch beschrieben wird (Abschnitt 5.12.2.5 bzw. Tabelle 5.21). Beim Thema Fehleranalyse von Wälzlagern beschränkt man sich manchmal nur auf diese Überrollfrequenzen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass es noch andere Fehlerkriterien gibt, die man berücksichtigen sollte. Speziell Wälzlager erfordern daher eine Instandhaltungsstrategie, die wesentlich früher einsetzt. Dabei sind besonders die Grundursachen (Root Cause) aufzuspüren und zu berücksichtigen, um dann durch präventive Maßnahmen Wiederholungsschäden zu ver‐ hindern oder überhaupt schon im Vorfeld zu vermeiden. Neben der eigentlichen Fehlerdiagnose wird in diesem Abschnitt auf diese Maßnahmen besonderes Gewicht gelegt. Nach einer Beschreibung typischer Fehlerbilder kommen zunächst die Standardverfahren der Schwingungsanalyse mit Zielrichtung Wälzlager zur Sprache - im Zeitbereich wie auch im Frequenzbereich. Danach wird eine ganze Reihe speziell auf Wälzlager zugeschnittener Kennwertverfahren behandelt, die als proprietäre Verfahren zusammengefasst sind. 5.12.2.1 Kinematik und Fehlerstatistik Mit Wälzlagern lassen sich die Positionen von Achsen und Wellen präzise fixieren. Je nach Bau‐ form können Wälzlager axiale und radiale Kräfte aufnehmen. Zwischen den Hauptkomponenten Innenring, Außenring und Wälzkörpern tritt hauptsächlich Rollreibung auf. (Informationen über Bauformen findet man in Abschnitt 7.10.) Wälzlager sind gleichermaßen wichtige, aber auch sehr sensible Maschinenelemente. Sie werden ihren Spezifikationen nach für eine bestimmte Betriebsdauer ausgelegt. Die Praxis zeigt, dass diese kalkulierte Betriebsdauer oft nicht erreicht wird, der Ausfall tritt vorzeitig ein. 371 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="372"?> Ergebnisse einer statistischen Studie von Ausfallursachen sind in Bild 5.45 zusammengefasst. Zunächst soll auf einige Ursachen der frühzeitigen Ausfälle eingegangen werden - eben auf Grundursachen (Root Cause). Bild 5.45: Fehlerursachen in Wälzlagern (nach einer Studie von SKF) Bild 5.46 zeigt einen Überblick über die auftretenden Kräfte und Bewegungen am Beispiel eines Zylinderrollenlagers. Die Betrachtungen sind hier auf den häufigsten Anwendungsfall konzentriert, Lagerung einer horizontalen Welle mit feststehendem Außenring - der Innenring ist fest mit dem Rotor verbunden. Bild 5.46: Kräfte und Bewegungen in Wälzlagern Im Lastgebiet treten in den Kontaktzonen zwischen Wälzkörper und Lagerringen zufolge der nominell lokalen Berührung sehr hohe Kräfte auf. Durch elastische Verformung wird die Belastung auf ein endliches Belastungsgebiet verteilt (man spricht von Hertzscher Pressung), 372 5 Fehleranalyse <?page no="373"?> Größenverhältnisse typisch Schmierfilm Wälzlager 0,1 µm - 1 µm Ölfilm Gleitlager ca. 2 ‰ des Durchmessers Menschliches Haar 60 µm Staubpartikel 25 µm Fingerabdruck 12 µm Kleinste sichtbare Teilchen 40 µm Tabelle 5.13: Typische Größenverhältnisse wobei die Spannungen im Material mit den Belastungskräften im Gleichgewicht stehen. Zwischen den Wälzlagerkomponenten existiert nur ein sehr dünner Schmierfilm (< 1µm). Die wechselnde Beanspruchung in der Berührzone ist für die nominelle Lebensdauer verant‐ wortlich. Bei metallischer Berührung der Komponenten würden sehr schnell Laufbahnbeschädi‐ gungen auftreten. Infolge der unvermeidlichen Lagerluft durchlaufen die Komponenten auch abwechselnd belastete und lastfreie Zonen, was sich auch schon im fehlerfreien Zustand durch Auftreten entsprechender Schwingungskomponenten und in einer gewissen Spitzenhaltigkeit zeigen kann. Anmerkung: Die Grafik kann auch zur Erläuterung dienen, dass stark unwuchtige Wellen das übliche Lagerlaufverhalten stören können, weshalb vor Wälzlagerzustandsdiagnosen zuerst die Unwuchten reduziert werden sollten. Tabelle 5.13 bringt neben den typischen Daten für die Dicke des Ölfilms eine Reihe von Vergleichs‐ größen, welche die hohe Bedeutung der Schmierung und der Schmierstoffpflege besonders bei Wälzlagern manifestieren. 5.12.2.2 Einflussgrößen Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Betriebsbeanspruchung von Wälzlagern sind die Betriebs‐ größen Drehzahl n und Belastung F last . Dabei geht die Drehzahl mit der ersten Potenz und die Last, repräsentiert durch die Kontaktkraft F last , mit der dritten Potenz ein. Das heißt, eine Verdopplung der Last bewirkt eine Erhöhung des Verschleißes um das Achtfache. Lager werden vom Hersteller auf die vereinbarten Betriebsbedingungen ausgelegt. Liegen hier signifikante Abweichungen vor, kommt es zu vorzeitigen Ausfällen. Die Ursachen schädigender Überlastungen sind jedoch nicht nur in den Betriebsbedingungen zu suchen. Sie können schon in einer mangelhaften Konstruktion (nicht nur der Lager) liegen oder in schlechter, unsachgemäßer Montage der Wälzlager. Im Betrieb können Lagerschäden auch als Sekundärschäden anderer Fehler auftreten, zum Beispiel als Folge von Unwuchten, Verspannungen, elektromagnetischen Störungen oder zusätzlichen Schwingbeanspruchungen infolge von Resonanzen. Der Einfluss eines sorgfältigen Schmierungsmanagement geht aus der Statistik von Bild 5.45 ebenso deutlich hervor. 373 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="374"?> 5.12.2.3 Schwingungsmessungen an Wälzlagern Schwingungsmessungen an Wälzlagern sollten möglichst im Lastbereich der Lager stattfinden. Erfasst wird vorwiegend Körperschall bis in den Ultraschallbereich. Die Information zum kom‐ ponentenspezifischen Istzustand des Wälzlagers wird durch Demodulation gewonnen. Ermittelt und bewertet werden zumeist Drehfrequenzen und Überrollfrequenzen. Die Überrollfrequenz beispielsweise des Außenrings kann jedoch auch schon im Gutzustand angeregt werden, was keinesfalls als Fehler zu interpretieren ist. Erst ein signifikanter Anstieg weist auf einen Fehler hin - allerdings nur bei vergleichbaren Messbedingungen sowie identischen Messrichtungen, worauf entsprechend zu achten ist (Dokumentation! ). 5.12.2.4 Schadensarten bei Wälzlagern Die Zusammenstellungen in Tabelle 5.15 bis Tabelle 5.20 zeigen die große Vielfalt von Schadens‐ arten bei Wälzlagern in sachlicher Gliederung. In die Betrachtungen ist die Statistik aus Bild 5.45 mit einzubeziehen. Weitere wichtige Lasteinflüsse sind in Tabelle 5.16 zusammengestellt. Eine allgemeine Übersicht über Design- und Betriebsfehler ist zunächst in Tabelle 5.14 zu finden. Die entsprechenden Schadensarten werden in der Folge behandelt. Verschleiß Verschleiß kann bei Wälzlagern verschiedenartig in Erscheinung treten, siehe Bild 5.47 und Bild 5.52. Neben Käfigverschleiß wirkt am meisten Wälzkörperverschleiß, der auch zu unerwünschten Lagerspielzunahmen führt. Erwähnt sei an dieser Stelle, dass einige Lagerhersteller dann durch Einsatz von neuen, im Durchmesser angepassten Wälzkörpern und entsprechenden Käfigen diese Lager rekonditionieren und wieder zum Einsatz bringen. Zuvor werden zum Beispiel Ovalitäten geprüft und mittels Ultraschall kontrolliert, ob tieferliegende Mikrorisse vorliegen. Laufbahnverschleiß ist in der Regel gleichmäßig über den Umfang verteilt. Passungsspiel kann bis hin zu Lockerungen führen, was Maßnahmen am Gehäuse erfordert (wie Ausbüchsen, Auf‐ spritzen etc.). Bild 5.47: Wälzlager - Verschleiß Vorzeitiger Verschleiß kann eine Folge unzureichender Dimensionierung der Wälzlager sein, also ein konstruktives Problem. Bei Unterdimensionierung ist das Lager überlastet, es treten überhöhte Kontaktkräfte auf. Bei Überdimensionierung kann es zum kurzzeitigen Gleiten der Wälzkörper in der Belastungszone kommen, da eine Bedingung für reines Rollen eine ausreichende Kontakt‐ 374 5 Fehleranalyse <?page no="375"?> Fehlergruppe Fehlerart Ursache Design- und Betriebsfehler zu hohe oder zu geringe Belastung falscher Lagertyp falsche Dimensionierung Temperaturanomalien Prozess zu hohes oder zu geringes Lagerspiel falscher Lagertyp Passung Ausrichtfehler des Innen- und Außenrings Schiefstellung durch Einbau Mangelnde Gehäusesteifigkeit Anschmierung / Stick-Slip Gleiten der Wälzkörper Reißen des Schmierfilms Riffel als Folge unzureichender Erdung Stromfluss über das Lager (Stromrichter) Dynamische Zusatzbeanspruchungen Unwucht Ausrichtfehler Resonanzbetrieb harte Maschinenlagerung Schmierungsfehler Mangelschmierung Schlechte Schmierstoff-verteilung nach Stillstand fehlerhafte Abdichtung zu viel Schmierung Schmierstoffaustritt Temperaturerhöhung Fremdpartikel Laufbahnschädigung Verschleißpartikel Plastische Verformung White Edging Cracks (WEC) Chemisch bedingte verhärtete Adern mit Rissen zum weicheren Material hin (Wasserstoffhypothese) Örtliche Markierungen Rattermarken Schwingungsbeanspruchung im Stillstand Transportschäden Tabelle 5.14: Übersicht Design- und Betriebsfehler kraft ist. Auch solche Gleitvorgänge führen zu vorzeitigem Verschleiß, manchmal sogar zu Ab‐ plattungen einzelner Wälzkörper. Korrosion, Tribooxidation und Passungsrost Korrosion entsteht durch Eindringen von Feuchtigkeit in die Wälzlager und führt schwingungs‐ technisch zu einem rauen Laufverhalten. Von Tribooxidation spricht man, wenn durch chemische Reaktionen Oberflächenveränderungen stattgefunden haben. 375 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="376"?> Schadensart Diagnosemerkmale Mögliche Ursachen Verschleiß Erhöhte Laufgeräusche unrunde Vielfache von 1X in der Hüllkurve Lebensdauer überschritten Mangelschmierung Überlastung Montagefehler Fertigungsfehler harte Maschinenlagerung Laufbahnschäden Stoßimpulse Schadensfrequenz in der Hüllkurve (Lagerfrequenzen) Lebensdauer überschritten Mangelschmierung Überlastung Unterbelastung Tabelle 5.15: Wälzlagerschadensarten - Verschleiß Passungsrost entsteht durch Mikrobewegungen zwischen Lagerkomponenten, vorzugsweise zwischen Welle/ Lagerring und Lagergehäuse. Es tritt dadurch eine Relativbewegung auf, die infolge Kerbwirkung sogar bis hin zum Wellenbruch führen kann. Laufbahnschäden Als Laufbahnschäden bezeichnet man lokale Fehler auf der Laufbahn von Innenring, Außenring oder Wälzkörper. Beim Überrollen dieser lokalen Fehler kommt es zu regelmäßigen Stoßanre‐ gungen. Die Impulsfrequenz ist abhängig von der Lage des lokalen Fehlers (Innenring, Außen‐ ring, Wälzkörper oder Käfig). Sie tritt zumeist als ‚unrundes‘ Vielfaches der Drehzahl auf. Die Frequenzen sind lagertypisch und werden als Überrollfrequenzen und (mit Schäden) auch als Schadensfrequenzen bezeichnet. Bild 5.48: Laufbahn- und Käfigschäden 376 5 Fehleranalyse <?page no="377"?> Bild 5.49: Einige Wälzlagerschäden in fortgeschrittenen Stadien Ursache der Schadensart Fehler Ursache Primärfehler Unwucht Ausrichtfehler verbogene Welle Belastung in unterschiedlichen Richtungen Auslegung Resonanz erhöhte Belastung Montage Innenring Außenring Schrägeinbau Tabelle 5.16: Parasitäre Lasteinflüsse Schadensursache Beschreibung Stillstandsmarken (Brinelling) Anregung stillstehender Maschinen, zum Beispiel durch Nachbarmaschinen Unsachgemäße Montage Hammerschläge Transportschäden Hartes Aufsetzen Stromdurchgang Schädigung des Schmierstoffs Riffelbildung Aufschmelzung Stromüberschläge Lochfraß, Laufbahnschädigung Tabelle 5.17: Externe Schadensursachen bei Wälzlagern Weitere Fehlereinflüsse Zu hohe Unwuchten (Abschnitt 5.8) bewir‐ ken eine umlaufende Kraft, d. h. die Kraft wirkt in allen Richtungen gleichmäßig, auch außerhalb der vorgesehenen Lastzone. Neben der Zusatzbelastung im eigentlichen Lastge‐ biet entstehen nicht bestimmungsgemäße Be‐ anspruchungen und weitere unerwünschte Effekte. Ausrichtfehler (Abschnitt 5.9) bewir‐ ken ebenso eine zusätzliche Belastung von La‐ gern und Lagerdichtungen. Resonanzbetrieb erzeugt starke Schwingungsüberhöhungen, auch wenn die Resonanz selbst nur selten unmittelbar im Bereich des Lagers entsteht. Tabelle 5.17 bringt eine Zusammenstellung der wichtigsten Phänomene, die auch außerhalb des regulären Betriebes entstehen können. 377 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="378"?> Lagerstrom Ursache EDM-Ströme Entladungsstrom über die Schmierschicht (schlagartig) (Electric Discharge Machining) Zirkularströme über beide Lager mit entgegengesetzten Vorzeichen (mehrere kHz) Rotor-Erdströme Erdungsprobleme (einige Ampere, mehrere kHz) Kapazitive Lagerströme kapazitive Einkopplung (weniger kritisch) Tabelle 5.18: Entstehung von Lagerströmen Stromdurchgang Besonders bei wälzgelagerten Elektromotoren mit Frequenzumrichtern oder, ganz allgemein, bei unzureichender Erdung kann es innerhalb der Lagerung zum Stromdurchgang oder sogar zu Stromüberschlägen kommen. Der Strom fließt vom Innenring über die Wälzkörper zum Außenring (oder umgekehrt). Bekannte Ursachen sind in Tabelle 5.18 zusammengefasst. Lagerströme treten vor allem in Antrieben mit PWM-Umrichter mit ihren schnellen Spannungs‐ impulsen und hohen Schaltfrequenzen auf. Sie können zu einer allmählichen Erosion der Lager führen. Dabei treten Metallpartikel aus Laufringen oder Wälzkörpern in den Schmierstoff über (Funkenerosion). Eine dadurch entstehende Schadstelle ist Keimzelle für weitere Erosionen. Quelle von Lagerströmen ist eine über das Lager induzierte elektrische Spannung. Einflussfakto‐ ren sind, neben der Leistung des Motors, Erdung und Isolation. Durch den höheren elektrischen Widerstand in der Kontaktzone kommt es dort zu punktuellen Erwärmungen und auch zur thermischen Schädigung des Schmierstoffs. Anmerkung: Man denke an das Prinzip des Punktschweißens. Bei erhöhtem Lagerspiel können große Spannungsunterschiede entstehen, die zu plötzlichen Entladungen (Funkenüberschlag, Lichtbogen) zwischen Wälzkörpern und Laufbahn führen, sogenannte EDM-Ströme. Als Folge entstehen Schädigungen der Laufbahn (Funkenerosion, Lochfraß, Riffelbildung). Die Laufbahn kann eine Riffelstruktur annehmen oder milchig erschei‐ nen. Im Frequenzspektrum machen sich EDM-Ströme durch Seitenbänder der Umlauffrequenzen bemerkbar. Schmierung Wie aus den vorigen Ausführungen hervorgeht, kommt der Schmierung bei Wälzlagern eine besonders hohe Bedeutung zu. Diese Thematik wurde schon in Abschnitt 4.7.1 behandelt und spielt bei der Beurteilung der Schwere eines Fehlers in Abschnitt 12.5.4 eine tragende Rolle. Mangelschmierung äußert sich bei wälzgelagerten Maschinen durch erhöhte Laufgeräusche und einen gewissen Temperaturanstieg. Auch Überschmierung kann zu Temperaturerhöhungen füh‐ ren. Außerdem kann Schmierfett in angeschlossene Maschinen übertreten und dort zu Schäden führen, was vor allem in elektrischen Maschinen kritisch ist. 378 5 Fehleranalyse <?page no="379"?> Schadensart Diagnosemerkmale Mögliche Ursachen Schmierstoffverschmutzung starke Schwankungen der Laufgeräusche einzelne Stoßimpulse Defekte Abdichtung Schmutzpartikel/ Feuchtigkeit im Schmierstoff Schmierstoff gealtert oder falsche Schmierstoffe Laufbahnschäden Mangelschmierung erhöhte Laufgeräusche in der Folge Temperaturanstieg ungenügende Schmierstoffmenge und Verteilung Unterbelastung Überschmierung Temperaturanstieg nach Schmierung, jedoch keine Zusatzschwingungen Wartungsfehler (Menge, Intervall) Fettregler defekt Fettaustritt verstopft Tabelle 5.19: Wälzlagerschadensarten - Schmierung Montagefehler Unsachgemäße Montage der Wälzlager kann ebenso die Lebensdauer gravierend beeinflussen und vorzeitige Lagerfehler nach sich ziehen. Eine Zusammenstellung bringt Tabelle 5.20. Zusatzbelastungen entstehen auch durch schräg montierte Innen- oder Außenringe, siehe Bild 5.50. Bild 5.50: Verspannte Lager - Außenring (links) und Innenring (rechts) 379 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="380"?> Schadensart Diagnosemerkmale Mögliche Ursachen Unrund verspannte Lagerringe Schadensfrequenzen in den Hüllkurvenspektren Montagefehler Fertigungsfehler Welle Fertigungsfehler Lagergehäuse Zwänge bei Loslagern erhöhte Laufgeräusche in der Folge Temperaturanstieg Lebensdauer überschritten Mangelschmierung Überlastung Unterbelastung Schrägeinbau pfeifendes Lagergeräusch Käfiganregung Montagefehler Fehlende Lagerluft erhöhte Laufgeräusche Temperaturanstieg Montagefehler bei Kegelspannhülsen Lagersitz Innenring zu groß Heißläufer nach Schmiermangel Tabelle 5.20: Wälzlagerschadensarten - Montage Bild 5.51: Diskrete Fehler in Wälzlagern 5.12.2.5 Das typische Erscheinungsbild von Wälzlagerfehlern Diskrete Fehler in Wälzlagerungen führen bei der Drehbewegung zu einer Folge impulsförmiger Stoßanregungen. Bild 5.51 zeigt schematisch das Schwingungsbild solcher Fehler. Bei jedem Über‐ rollen des Fehlers erfolgt eine Stoßanregung, die zu einem kurzen Ausschwingvorgang der angestoße‐ nen Komponente führt, zu sogenannten Bursts. Die Impulsfrequenz lässt sich aus Lagergeometrie und Drehzahl berechnen und zuordnen. Wegen des impulsförmigen Charakters wird das Einzelereignis reich an hochfrequenten Kompo‐ nenten sein, oft bis in den Bereich von hundert Kilohertz und darüber. Da die Energie damit über einen großen Frequenzbereich verteilt ist, wird die Komponente mit der Wiederholfrequenz selbst im Spektrum meist nur untergeordnet ausgeprägt sein. Bildet man jedoch die Hüllkurve 380 5 Fehleranalyse <?page no="381"?> (5.4) (5.5) über die Impulsfolge (unten in Bild 5.51), so wird in dieser die Impulsfrequenz selbst mit ihren Harmonischen dominieren. Passiert der Fehler beim Überrollen unterschiedliche Lastzonen, kann die Impulsfolge mit Amplitudenmodulation auftreten (Bild 5.51 rechts). Bild 5.52 veranschaulicht das Auftreten von Modulation bei Lagern mit drehenden Innenring und horizontaler Achse. Das Auftreten dieser Modulation vereinfacht das Unterscheiden beider Fehlerarten. Bild 5.52: Modulation bei drehendem Innenring und horizontaler Welle Für einzelne diskrete Fehler können die Überrollfrequenzen und damit die Burstfrequenzen aus der Lagergeometrie berechnet werden. Man spricht deshalb auch von Lagerüberrollfrequenzen. Die drehzahlabhängigen Gleichungen zur Berechnung der Überrollfrequenzen sind in Tabelle 5.21 zusammengestellt. Die berechneten Werte basieren allerdings auf idealem Abrollen der Wälzkörper. Tritt Schlupf auf, liegen sie etwas niedriger. Die Lagerüberrollfrequenzen können beim Hersteller angefordert werden oder man übernimmt sie aus entsprechender Software. Tabelle 5.21 enthält einige der dafür verwendbaren Berech‐ nungsformeln. Weitere Methoden zur Abschätzung von Überrollfrequenzen findet man in der Richtlinie VDI 3832 (Abschnitt 6.3 und 6.4). Oder man nutzt für einfache Wälzlager mit 8 bis 12 Wälzkörpern folgende Faustformeln: BPFI: Ball Pass Frequency Innerrace (Überrollfrequenz Innenring) BPFI = 0,6 x Drehfrequenz x Wälzkörperanzahl BPFO: Ball Pass Frequency Outerrace (Überrollfrequenz Außenring) BPFO = 0,4 x Drehfrequenz x Wälzkörperanzahl 381 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="382"?> Ursache Frequenz Anmerkung Pitting am Außenring f AR = 12 f n z 1 − DW DT cos α Pitting am Innenring f I R = 12 f n z 1 + DW DT cos α Pitting am Wälzkörper f W = 12 f n DP W DW 1 − DW DT cos α 2 Fehler am Käfig (Innenring dreht) f K = 12 f n 1 − DW DT cos α Anstreifen am Käfig Fehler am Käfig (Außenring dreht) f K = 12 f n 1 + DW DT cos α Fehler am Käfig (beide drehen) f K = fnI 2 1 − DW DT cos α + fnA 2 1 + DW DT cos α f n = Drehfrequenz in Hz α = Berührwinkel f nI = Drehfrequenz Innenring D W = Wälzkörperdurchmesser f nA = Drehfrequenz Außenring D T = Teilkreisdurchmesser z = Anzahl der Wälzkörper Tabelle 5.21: Überrollfrequenzen (Lagerfrequenzen) von Wälzlagern 5.12.2.6 Methodik der Fehlerdiagnose an Wälzlagern Eine überblickshafte Zusammenstellung zu Diagnosemethoden findet man in Tabelle 5.22, die einzelnen Verfahren sind in den weiteren Ausführungen dieses Abschnitts beschrieben. Die erste Gruppe in Tabelle 5.22, Schwingungsanalyse, umfasst Standardverfahren der Signal‐ analyse, wie sie im Prinzip auch bei anderen Komponenten angewendet werden. Die zweite Gruppe, proprietäre Verfahren, bezieht sich auf spezielle Verfahren zur Wälzlagerdiagnose, gezielt auf diese Komponentengruppe. Im dritten Teil, präventive Maßnahmen, wird auf die bei Wälzlagern besonders wichtigen Maßnahmen hingewiesen, die Schädigungseinflüsse bereits im Vorfeld vermeiden sollen. Besonderer Erwähnung bedürfen hier schon vorab die Verfahren zur Früherkennung auf der Basis von breitbandigem Ultraschall und dem thermoelektrischen Effekt, die bereits eine Indikation anzeigen, in welchem noch keine sichtbare Schädigung im Lager aufgetreten ist. 382 5 Fehleranalyse <?page no="383"?> Schwingungsanalyse Breitbandige Beurteilung DIN ISO 13373-3 Effektivwert, 0-p-Wert Frequenzanalyse FFT Frequenzanalyse Hüllkurvenanalyse Demodulation Zeitbereichsanalyse (Spitzenhaltigkeit) Crestfaktor und Crestfaktor Plus Bearing Severity Overall-Wert BSO K(t)-Wert Proprietäre Verfahren Resonanzverfahren Stoßimpulsmessung SPM 30 kHz Spike-Energymethode gSE, HFD, HFE 2 kHz - 20 kHz (5 kHz - 50 kHz) Bearing Condition Unit BCU 15 kHz - 60 kHz Acoustic Incipient Failure Detection IFD 80 kHz - 120 kHz Ultraschallverfahren PeakVUE Früherkennung Stress Wave Energy SWE Spectral Emitted Energy SEE High Frequency Acoustic Emission HF-AE Thermoelektrizität (Seebeck-Effekt) Bearing Condition Online Monitoring System BeCOMS Früherkennung Gear and Diesel Engine Monitoring System GDMS Präventive Maßnahmen Präventive Maßnahmen Schmierung Schmierstoffmenge Schmierstoffeigenschaften Partikel (Debris) Reduktion von Lagerkräften Betriebswuchten Abschnitt 6.2 Ausrichten Abschnitt 6.1 Riemenspannung/ -fluchtung Abschnitt 6.1 Resonanzen Abschnitt 6.6 Root Causes Brinelling Konstruktion Transport, Einbau Tabelle 5.22: Methodik der Wälzlagerdiagnose - ein Überblick 383 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="384"?> 37 Hinweise: Wieder einmal der Zusammenhang Faltung ↔ Multiplikation 5.12.2.7 Der Wälzlagerfehler in der Frequenzanalyse Bild 5.53 zeigt zunächst Zeitverlauf und Spektrum eines einzelnen Ausschwingvorgangs, der durch einen Puls zufolge Überrollen eines Fehlers entsteht. Dabei wurde nur die Anregung einer einzigen Strukturmode herausgegriffen, es entsteht ein Ausschwingvorgang mit der (gedämpften) Eigenfrequenz. In Bild 5.54 ist das darauf aufgebaute Bild einer Impulsfolge in Abstand T mit dem Frequenzspektrum zu sehen. Letzteres besteht aus einer Folge von Harmonischen bei Vielfachen der Wiederholfrequenz 1/ T. Die Einhüllende des Spektrums hat die Form der Strukturresonanz 37 . Die Überrollfrequenz selbst wird, wie im Spektrum zu sehen ist, meist nur wenig ausgeprägt erscheinen - die Gefahr, dass sie durch Hintergrundgeräusche überdeckt wird, ist deshalb sehr groß. Das Maximum liegt in der Gegend der Strukturresonanz. Anhand des Linienmusters wird die Wiederholfrequenz in einem solchen Spektrum nur schwer zu finden sein, vor allem, wenn man die Realität gegenüber den Idealisierungen in diesem einfachen Modell in Betracht zieht: Im realen Fall werden nicht nur mehrere Eigenmoden angeregt, zufolge geringfügiger Unregelmäßigkeiten in der Impulsfolge wird das Muster im Spektrum verschmieren, die Linien werden zusammenwachsen und nicht mehr identifizierbar sein. Bild 5.53: Zeitsignal und Spektrum eines Einzelpulses Bild 5.54: Wälzlagerfehler in Zeit- und Frequenzbereich 384 5 Fehleranalyse <?page no="385"?> Hüllkurvenanalyse Das Verfahren der Hüllkurvenanalyse wurde bereits am Beginn dieses Kapitels vorgestellt. Die bisher am meisten angewendete Hüllkurvenanalyse erfolgt in drei Schritten: ● Das Messsignal wird bandpassgefiltert, sodass die Burstfolge extrahiert wird. ● Das so gewonnene Burstsignal wird gleichgerichtet (Hüllkurvendetektion). ● Die Hüllkurve wird entweder energetisch bewertet oder fouriertransformiert. Die Gleichrichtung erfolgt hier rechnerisch über die Hilberttransformation. Quintessenz der Hüllkurvenanalyse ist die Bandpassfilterung um die Strukturresonanz, den ‚Heuhaufen‘ im Spektrum von Bild 5.54. Idealerweise sollte die Bandpassfilterung genau um die vom Fehler angeregte Resonanzfrequenz erfolgen. Diese ist jedoch in der Regel nicht bekannt. Zur Optimierung, also zur Ermittlung der passenden Filterfrequenzen, bieten sich mehrere Wege an: ● Die Beobachtung der Resonanzen im mittelfrequenten Bereich (ca. 1 bis 8 kHz) ● Eine messtechnische Ermittlung der Struktureigenfrequenzen ● Nutzen von Erfahrungen mit baugleichen Maschinen ● Eine Detektion über den Kurtosiswert und das Kurtogramm Das alleinige Beobachten von Resonanzüberhöhungen im Spektrum liefert meist nur unscharfe Kriterien. Überrollfrequenzen im Spektrum Im Spektrum, vorzugsweise im Hüllkurvenspektrum, werden sich die Impulsfolgen durch Auf‐ treten einer Komponente mit der Impulsfrequenz und Harmonischen zeigen, siehe Bild 5.55 links. Durchwandert der Fehler Zonen wechselnder Last, tritt eine Modulation der Schwingungen auf (siehe Bild 5.51). Im Spektrum treten dadurch Seitenbänder der Überrollfrequenz im Abstand von Vielfachen der Drehfrequenz auf (Bild 5.55 rechts). Der Zusammenhang zwischen Modulation und Seitenbändern wurde in Abschnitt 5.1.2 ausführlich erläutert. Bild 5.55: Überrollfrequenzen im Spektrum 5.12.2.8 Erscheinungsbilder der verschiedenen Fehler in Zeit- und Frequenzbereich Eingangs dieses Kapitels, in Abschnitt 5.12.2.3, wurden die an Wälzlagern auftretenden typischen Fehler übersichtlich zusammengestellt und beschrieben. In Tabelle 5.21 findet man die Überrollfre‐ quenzen. Hier werden die zugehörigen Fehlerbilder in Zeit- und Frequenzbereich an praktischen 385 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="386"?> Beispielen gezeigt und kommentiert. Die Beispiele sind so gewählt, dass sie als typisch anzusehen sind. Der Wälzlagerzustand ohne Schaden Zunächst zeigt Bild 5.56 als Referenz das Erscheinungsbild eines Wälzlagers in schadensfreiem Zustand. Im Zeitsignal sind keinerlei Stöße, im Spektrum keine Stoßfolgefrequenzen (Überrollfrequenzen) zu identifizieren. Durch unvermeidliche Oberflächenrauigkeit entsteht lediglich ein gleichmäßiges stochastisches Geräusch, bei Abhören als eine Art Rauschen erkennbar. Erhöhte Rauigkeit durch Laufspuren äußert sich als geringfügige Pegelerhöhung. Anmerkung: Speziell bei Wälzlagern kann das Abhören des Geräusches eine Ergänzung der Diagnoseverfahren sein. Auffälligkeiten sind im Protokoll festzuhalten. Bild 5.56: Wälzlagerzustand schadensfrei Wälzlager mit Außenringschaden Im Zeitsignal von Bild 5.57 sind deutliche Stöße im Abstand T A zu sehen. Da die Stöße am feststehenden Gehäuse auftreten, ist keine ausgeprägte Modulation festzustellen (vgl. Bild 5.51). Gewisse Modulationen können entstehen, wenn sich Unwuchten oder Lose überlagern. Im Spektrum dominieren die Schadensfrequenz f A und ihre Harmonischen, Seitenbänder sind nur wenig ausgeprägt. Falls nur die einfache Impulsfrequenz f A auftritt, kann das auf einen verspannten Außenring hinweisen. 386 5 Fehleranalyse <?page no="387"?> Bild 5.57: Wälzlager mit Außenringschaden Wälzlager mit Innenringschaden Im Zeitsignal von Bild 5.58 sind deutliche Stöße im Abstand T I zu sehen, moduliert mit der Drehfrequenz f n , da der Fehler wechselnde Lastzonen durchläuft und auch vom Messpunkt „wegläuft“ (vgl. Bild 5.51). Die Modulation zeigt sich im Hüllkurvenspektrum durch Seitenband‐ familien im Abstand der Drehfrequenz f n , sowohl bei der Überrollfrequenz f I wie auch bei deren Harmonischen. Bild 5.58: Wälzlager mit Innenringschaden 387 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="388"?> Wälzlager mit Wälzkörperschaden Im Zeitsignal von Bild 5.59 erkennt man Stöße im Abstand T W durch Überrollen an Innen- und Außenring, eventuell auch mit T ½W , falls das Überrollen am Außenring dominiert. Die Pulsamplituden sind moduliert mit der Käfigfrequenz f K , da der Wälzkörper mit dieser Frequenz den Käfig anschlägt. Im Hüllkurvenspektrum zeigen sich die Wälzkörperüberrollfrequenz f W bzw. f ½W mit Harmo‐ nischen sowie Seitenbänder im Abstand der Käfigfrequenz f K . Bild 5.59: Wälzlager bei Wälzkörperschaden Eine Besonderheit zeigt sich bei Wälzkörperschäden am Kugellager: Da der Schaden zufolge einer spinartigen Drehung der Kugeln nur zeitweise überrollt wird, tritt bei seitlicher Position keine Anregung auf, der Schaden ist in dieser Phase nicht sichtbar (Bild 5.60). Zur Analyse sei hier eine ausreichend lange Messzeit mit Maximalwertmittelung (Max Hold) empfohlen. Bild 5.60: Kugellager mit Wälzkörperschaden 388 5 Fehleranalyse <?page no="389"?> Wälzlager mit Käfigschaden Im Zeitsignal von Bild 5.61 erkennt man Stöße im Abstand T K durch den Ein- und Austritt der Wälzkörper aus der Lastzone und das Aufgleiten auf Käfigschaden. Die Käfigfrequenz f K und deren Harmonische sind im Hüllkurvenspektrum sichtbar und diverse Frequenzanteile können unterhalb der Drehfrequenz im Maschinenspektrum auftreten. Bild 5.61: Wälzlager mit Käfigschaden Wälzlager mit hartem Laufverhalten Harter Lauf des Wälzlagers kann die Folge von zu geringer Lagerluft, zum Beispiel bei zu starker Vorspannung sein. Es zeigt sich ein erhöhter Laufgeräuschpegel im Zeitsignal ohne signifikante Stöße. Die Wälzkörperüberrollfrequenz f K mit Harmonischen kann im Hüllkurvenspektrum auftreten, allerdings ohne Modulation. Zusätzlich ist typischerweise eine Temperaturerhöhung im Lager feststellbar. 389 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="390"?> Bild 5.62: Wälzlagerschaden - harter Lauf Wälzlager mit zu hohem Lagerspiel Insbesondere in den Hüllkurvenspektren lassen sich im Vergleich zum Neuzustand ausgeprägte drehfrequente Anregungen mit mehreren Harmonischen identifizieren, siehe Bild 5.63. Empfoh‐ len sei, diese Charakteristika sowohl in radialer als auch in axialer Messrichtung als auch in Abhängigkeit von den Betriebstemperaturen tendenziell zu bewerten. Bild 5.63: Wälzlager mit zu hohem Lagerspiel 5.12.2.9 Messung der Spitzenhaltigkeit Die Spitzenhaltigkeit von Wälzlagerstößen ist ein statistisches Kriterium für Auftreten und Schwere lokaler Wälzlagerfehler. Über die letzten Jahrzehnte haben sich verschiedene Methoden entwickelt, welche diese Spitzenhaltigkeit berücksichtigen, siehe Tabelle 5.23. Nachfolgend wird im Wesentlichen die Methodik behandelt, die Quantifizierung folgt dann in Abschnitt 12.5.4 zum Thema Schweregrad eines Fehlers. 390 5 Fehleranalyse <?page no="391"?> Bezeichnung Symbol Definition Crestfaktor C F |x|max xef f Crestfaktor plus C F+ C F+ = α 1 x s + α 2 x rms +α 3 C F Kurtosiswert (siehe auch Tabelle 0.17) β 2 β 2 = E Xσ 4 = ∫x4p(x)dx σ 4 Bearing Severity Overall BSO Basierend auf ISO 13373-3 K(t)-Wert K(t) Siehe VDI 3832 Tabelle 5.23: Bewertung der Spitzenhaltigkeit (5.6) Crestfaktor Der Crestfaktor C F ist als Verhältnis von Betragsmaximalwert und Effektivwert messtechnisch sehr einfach zu bilden. Er zeigt jedoch nur bei geringer Spitzendichte, also im Frühstadium eines Lagerschadens, Relevanz. Wenn der Schaden größer ist, wenn also sehr viele Spitzen auftreten, dann wird sich auch der Effektivwert erhöhen, nicht jedoch der Spitzenwert - oder zumindest nicht so stark (das geht auch aus Bild 12.14 hervor). Eine Verbesserung in dieser Hinsicht bringt der Crestfaktor Plus C F+ (Fluke) C F + = α 1 x s + α 2 x rms + xs xrms Kurtosis Die im Einführungsteil unter Abschnitt 0.10.1.3 vorgestellte Kurtosis ist ein scharfer Indikator für die Spitzenhaltigkeit eines Signals. Diese Eigenschaft wurde dort schon anhand von Bild 0.27 erläutert. Sie kann ebenso zur Detektion und Quantifizierung der Spitzenhaltigkeit eingesetzt werden. Spitzenhaltigkeit wird sich hier durch eine steilgipflige Verteilungsdichte zeigen wie in diesem Bild zu sehen ist. Da die Kurtosis auf einer Auswertung der Amplitudenverteilungsdichte basiert, ist sie beson‐ ders sensibel in Anwendungen, wo Spitzen im Zeitsignal zum Beispiel durch breitbandiges, normalverteiltes Lagergeräusch verdeckt, also nicht erkennbar sind. Das ist ein wesentlicher Vorteil einer allgemeinen statistischen Kenngröße (hier das vierte statistische Zentralmoment). Etwas gewöhnungsbedürftig ist nur die Skalierung, weil sie im ideal fehlerfreien Zustand den Wert β 2 = 3 als niedrigsten Wert hat. Der flachgipflige Bereich mit β 2 < 3 wird nicht weiter ausgewertet, er ist in diesem Zusammenhang ohne Bedeutung. Anmerkung: Der Wert β 2 = 3 ist die Kurtosis einer Normalverteilung. Weitere wertvolle Unterstützung bietet die Kurtosis bei der Hüllkurvendetektion. So war schon in der Einleitung zu diesem Kapitel darauf hingewiesen worden, dass bei der Hüllkurvendetektion die Frage der richtigen Bandpassfilterung von Wichtigkeit ist, andererseits jedoch ein gewisses Problem darstellen kann. 391 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="392"?> Mit Hilfe einer Kurzzeit-Frequenz-Analyse, zum Beispiel der STFT (Abschnitt 0.17, Bild 0.39) kann der Kurtosiswert auch frequenzselektiv bestimmt werden, was die Sensitivität erhöht. Über das Zeitsignal wird, wie in Bild 5.64 veranschaulicht, ein geeignetes Zeitfenster geschoben, zum Beispiel Hanning. Die Fensterlänge sollte maximal der zu erwartenden Impulsperiode T entsprechen (in Anlehnung an Tabelle 5.21) und andererseits groß gegenüber der Abklingdauer der Bursts sein. Ideal ist eine Fensterlänge, die mit der Periode der Pulsfolge übereinstimmt. Über die so selektierten Zeitfensters wird eine Frequenzanalyse durchgeführt, die liefert dann die optimal passenden Bandfilterdaten. Bild 5.64: STFT zur Berechnung des Kurtogramms Durch die STFT erhält man damit einen frequenzabhängigen Kurtosiswert, sozusagen ein Kurto‐ sisspektrum. Das Maximum wird im Frequenzband um die Trägerfrequenz, also der angeregten Strukturfrequenz liegen. Der Verlauf der Kurtosis über Zeit und Frequenz (ein 3D-Bild) wird als Kurtogramm bezeichnet. Maximum und Schwankungsbreite im Kurtogramm geben einen Hinweis auf das optimale Bandpassfilter für die Hüllkurvenberechnung. Mit dieser Methode lassen sich auch zyklostationäre Schwankungen berücksichtigen - das Band kann dafür auch hinsichtlich seiner Breite angepasst werden. BSO-Wert (Bearing Severity Overall) Der BSO Wert ist ein verallgemeinerter Lagerkennwert, der in Anlehnung an die Norm DIN ISO 13373 Teil 3 entwickelt wurde und der als skalarer Kennwert eine kanonische, d. h. regelkonforme Trendwertvisualisierung und Alarmbehandlung ermöglicht (siehe Bild 5.65). Grundlage sind Spitzen- und Effektivwerte der Beschleunigung gemäß der in Bild 5.65 gezeigten Grafik. PRÜFTECHNIK hat dieses Verhalten mathematisch modelliert, zusätzlich noch extrapoliert und auch bei langsam laufenden Anlagen festgestellt, dass sich mit dem BSO-Wert (Bearing Severity Overall) drehzahlunabhängig sowohl aktuelle Lagerschwingungen als auch Änderungen im Wälzlagerzustand relativ einfach überwachen lassen. 392 5 Fehleranalyse <?page no="393"?> (5.7) Bild 5.65: Wälzlagerbeurteilung in Anlehnung an DIN ISO 13373-3 (mit zusätzlicher Extrapolation für Langsamläufer) … und so sieht ein BSO-Trend mit Lagerschaden aus (Bild 5.66). Bild 5.66: Beispiel eines BSO-Trends mit einem Lagerschaden 2017-12 K(t)-Wert Der K(t)-Wert wird aus Effektivwert und Spitzenwert des breitbandigen Beschleunigungssignals gebildet, wobei das aktuelle Produkt zu den entsprechenden Werten im Referenzzustand in Relation gesetzt wird: K (t) = arms(0)ap(0) arms(t)ap(t) Die Referenzwerte sollten im Neuzustand (nach Einlaufzeit) gemessen werden. Der Wert von K(t) ist in diesem Zustand gleich eins und sinkt mit zunehmender Lagerschädigung. Der Wert ist sensibel sowohl gegenüber Pittings (Signalspitzen) wie auch gegen Ansteigen des breitbandigen Grundpegels infolge von Mangelschmierung, Verschleiß oder Korrosion. Der K(t)-Wert ist jedoch stark drehzahlabhängig. 393 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="394"?> Code Name Methode Prinzip Frequenz SPM Shock Pulse Measurement Stoßimpuls‐ messung Aufnehmer‐ resonanzverfahren 30 - 35 kHz gSE Spike Energy Spike Energy HFE High Frequency Emission 25 - 35 kHz HFD High Frequency Detection 25 - 35 kHz BCU Bearing Condition Unit 15 - 60 kHz BCUp Bearing Condition Unit peak 80 - 120 kHz IDF Acoustic Incipient Failure Detection PeakVUE ® Demodulation Dehnwellenanalyse > 50 kHz Tabelle 5.24: Hochfrequente Verfahren zur Wälzlagerdiagnose 5.12.2.10 Proprietäre Methoden zur Wälzlagerdiagnose Zur Überwachung von Wälzlagern wurde im Laufe der Zeit auch proprietäre Verfahren entwickelt und in die Praxis eingeführt, die zwar durchgehend schwingungsbasiert sind, jedoch sich nicht eineindeutig beschreiben ließen. Oder es handelte es sich um hardwarebasierte Firmenentwick‐ lungen, die teilweise sogar einen Patent- oder Gebrauchsmusterschutz hatten. Allen Verfahren gemeinsam ist aus heutiger Sicht, dass versucht wurde, durch gezielte analoge Signalverarbeitung früher nicht direkt messbare, sehr hochfrequente Signale in die Wälzlagerzustandsdiagnose ein‐ zubeziehen. Die Erfahrung hatte nämlich auch damals schon gezeigt, dass sich Wälzlagerschäden in einem sehr frühen Stadium im hochfrequenten Bereich ankündigen, lange noch, bevor eine Schädigung mit anderen Mitteln erkennbar wäre. Erfassung und Analyse solcher hochfrequenten Schwingungen ist eine Herausforderung. Das beginnt schon mit der Ankopplung des Aufnehmers bei der Messung, da im Ultraschallbereich die Wellenlängen der Oberflächenwellen in der Struktur in gleicher Größenordnung liegen wie die Abmessungen des Aufnehmers. Außerdem sind durch eine gute mechanische Ankopplung des Aufnehmers Reflexionen in der Kontaktzone möglichst zu vermeiden. Tabelle 5.24 bringt eine Zusammenstellung verbreiteter Verfahren mit Kurzbeschreibungen im Anschluss. Resonanzverfahren Die meisten Verfahren arbeiten auf der Basis von Resonanzüberhöhung. Die von kleinen Lager‐ defekten ausgehenden Stöße regen Resonanzen im jeweiligen System an. Eine gängige Methode wurde bereits in Abschnitt 5.12.2.7 vorgestellt, bei der man das Auftreten von Strukturresonanzen im Schwingungsspektrum detektiert und über eine Hüllkurvenanalyse bewertet. Andere Methoden arbeiten nach ähnlichen Prinzipien, benutzen jedoch die Resonanzüberhö‐ hung eines piezoelektrischen Aufnehmers zur Verstärkung des die Information tragenden Signals (eine Burstfolge). Wie etwa den Spezifikationen nach Bild 2.50 zu entnehmen ist, arbeitet man damit in einem hochfrequenten Bereich, der früher nicht so gut messbar war. 394 5 Fehleranalyse <?page no="395"?> Stoßimpulsmessung Das Verfahren wurde vor allem für Maschinen mit einfachen Wälzlagerungen entwickelt. Bei der Stoßimpulsmessung werden Aufnehmer mit einer Resonanzfrequenz im Bereich 30-35 kHz eingesetzt. Das Messsignal wird um die Aufnehmer-Resonanzfrequenz bandpassge‐ filtert, die Spitzenhaltigkeit des gleichgerichteten Zeitsignals wird zur Beurteilung des Lagerzu‐ standes herangezogen. Bewertet und überwacht wird die Spitzenhaltigkeit im Vergleich zum Grundgeräusch, dem sogenannten Carpet Value (Teppichwert). Spike-Energy-Methode Hier handelt es sich ebenfalls um ein Verfahren zur Bewertung des Energiegehaltes der Spitzen im Beschleunigungssignal. Genutzt wird das im Frequenzbereich 2 kHz bis 20 kHz gefilterte Aufnehmersignal, alternativ auch 5 kHz bis 50 kHz. Aus Effektivwert, Hüllkurven-Mittelwert und Kurtosis wird ein als gSE-Wert bezeichneter Kennwert gebildet, der drei Zustandsklassen zugeordnet wird. Abhängig vom Anbieter wird das Verfahren auch unter den Bezeichnungen High Frequency Emission (HFE) oder High Frequency Detection (HFD) angeboten. BCU-Verfahren (Bearing Condition Unit) Das BCU-Verfahren nutzt die Eigenfrequenz einiger Beschleunigungsaufnehmer und die Struk‐ tureigenfrequenzen von Lager-Baugruppen im Bereich von ca. 15 kHz bis 60 kHz. Durch Resonanzüberhöhung werden die Spitzenwerte stark betont. Über einen Spitzenwertdetektor erfolgt eine Gleichrichtung mit hoher Zeitkonstante (im Sekundenbereich). Man erhält daraus den so genannten BCU-Wert, der über eine nichtlineare Skala zur Beurteilung des Lagerzustandes herangezogen wird. Akustische Fehlerfrüherkennung (Acoustic Incipient Failure Detection, IFD) Bei diesem Verfahren wird mit einer noch höheren Aufnehmer-Resonanzfrequenz von 80-120 kHz gearbeitet. Das Messsignal wird ebenfalls im Bereich dieser Resonanzfrequenz bandpassgefiltert. Diese Technik dient auch zum Detektieren von Reibstellen. Fazit Alle die genannten Verfahren (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) arbeiten vorwiegend bei der Resonanzfrequenz des Aufnehmers, also in einem festen, engen Frequenzbereich. Damit sie funktionieren, muss jedoch vorausgesetzt werden, dass in diesem Frequenzband keine dominierenden Anteile aus anderen Quellen im Schwingungssignal vorhanden sind. Bei ruhig laufenden Maschinen, wie zum Beispiel Elektromotoren, kann man hier mit guten Erfolgsaussichten rechnen. PeakVUE Verfahren Dieses Verfahren arbeitet ebenfalls im hochfrequenten Ultraschallbereich auf Basis langer Zeit‐ signale, allerdings ohne Resonanzanregung. Mit einer zusätzlichen analogen Hardware werden die Signale in drehzahlabhängige Blöcke segmentiert, die blockweise detektierten Spitzenwerte werden spektral analysiert. Da dieses Verfahren ohne Resonanzanregung auskommt, lieferte es 395 5.12 Lagerschäden (Gleitlager und Wälzlager) <?page no="396"?> eine bessere Bewertungsgrundlage. Vorteil moderner digitaler Signalverarbeitung ist, dass man zwischenzeitlich auch ohne diese früher patentrechtlich geschützte Demodulator-Hardware die im initialen Fehlerzustand entstehenden, sehr hochfrequenten Spitzenwerte abbilden kann. Schallemissionsverfahren Stress Wave Energy (SWE) Bei Anstreifvorgängen, Stößen oder Reibung in geschmierten Kontakten werden Emissionen im Ultraschallbereich angeregt (Schallemission, Acoustic Emission AE). Die Stress Wave Energy ist ein Maß für Reibung und auftretende Stöße. Ein speziell auf diesen Effekt ausgerichtetes Verfahren SWAN (Stresswellenanalyse, Stress Wave Analysis) liefert eine frühzeitige Erkennung solcher Fehler. Die Stresswellenanalyse eignet sich prinzipiell zur Detektion einer ganzen Reihe von Phäno‐ menen, die hochfrequente Schallemission hervorrufen. Spectral Emitted Energy (SEE-Verfahren) Das Verfahren arbeitet im hochfrequenten Bereich von 250 kHz bis 350 kHz (Schallemission, Acoustic Emission AE) und wurde laut Hersteller für Wälzlager optimiert. Es werden spezielle, sehr breitbandige Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt. Die Hüllkurve des bandpassgefilterten Signals wird tiefpassgefiltert, aus diesem Signal wird der so genannte SEE-Kennwert gebildet. Für weitere Untersuchungen kann auch das Hüllkurvenspektrum ausgewertet werden. Das SEE-Verfahren wird auch unter dem Begriff High Frequency Acoustic Emission (HF-AE) geführt. Thermoelektrische Verfahren Bearing Condition Online Monitoring System (BeCOMS) Abweichend von den bisher beschriebenen, rein schwingungsbasierten Verfahren beruht dieses Verfahren auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt, Abschnitt 4.7.3). Treten kurzzeitige metallische Kontakte zwischen den bewegten Lagerkomponenten auf (Zusammenbruch des Schmierfilms), entsteht zufolge der Reibungswärme eine thermoelektrische Spannung. Legie‐ rungsbzw. Gefügeunterschiede bewirken ein für dieses Messverfahren ausreichend unterschied‐ liches elektrochemisches Potenzial in den Materialen der Reibungspartner. Obwohl ursprünglich für Gleitlager angedacht, soll das Verfahren auch für Wälzlager einsetzbar sein. Für elektrische Maschinen wird eine Variante unter der Bezeichnung BeCOMS EM angeboten. 396 5 Fehleranalyse <?page no="397"?> Fehler Abschnitt Unwucht 5.8 Ausrichtfehler 5.9 Mechanisches Spiel 5.10 Fehler an Lagern 5.12 Resonanzen 5.16 Elektrische Fehler 5.13.4 Aerodynamisch induzierte Schwingungen 5.13.5 Tabelle 5.25: Allgemeine Fehler an Elektromotoren 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen Elektromaschinen kann man mit den bisher behandelten mechanischen Fehlern auch zu den rotierenden Maschinen zählen. Bei Elektromaschinen kommen jedoch noch eine Reihe weiterer, konstruktions- oder funktionsbedingter Fehlermöglichkeiten dazu. Spezifische Frequenzen wie Wicklungsfrequenzen, Stabfrequenzen und Polpassierfrequenzen können genauso wirken wie die doppelte Netzfrequenz. Zusammenfassend gibt es also in Elektromaschinen ● Schwingungen infolge mechanischer Einflüsse und Fehler, ● Elektromagnetisch induzierte Schwingungen sowie ● Schwingungen infolge elektrischer Fehler. Man sieht schon aus der Zusammenstellung: Mechanische Schwingungen sind der Fehlerindi‐ kator wie bisher, elektromagnetisch induzierte Schwingungen gehören bis zu einem gewissen Grad zum Normalzustand. Die Aufgabe besteht in der Differenzierung, was ist normal, was ist Fehler. Eine nicht ganz einfache Aufgabe. Elektrische Fehler zeigen sich im Wesentlichen im elektrischen Strom, manchmal aber auch nur im Drehmoment als sogenannte Torque Ripple (Drehmomentwelligkeit) oder als Ultraschall, aber hier nicht im gewohnten diagnostischen Umfeld. Man kann also metaphorisch mit Recht sagen: Elektrische Maschinen sind ein Kapitel für sich … Dieser Abschnitt ist nach dem vorgestellten Schema strukturiert. Beim ersten Punkt, der die mechanischen Fehler betrifft, wird natürlich weitgehend der Hinweis auf andere Kapitel genügen. Einen Überblick zu den auch in Elektromaschinen wirkenden allgemeinen Fehlern zeigt Tabelle 5.25. 5.13.1 Grundsätzliche Arbeitsweise von Elektromotoren Für Verständnis und Interpretation der Schwingungssignaturen von Elektromotoren, speziell auch für die zuvor erwähnte Differenzierung, muss man Kenntnis über Aufbau und Funktion dieser Maschinen haben. Dieses Kapitel bringt dazu nur eine Einführung, eine Vertiefung wird noch bei den Anlagenkenntnissen in Abschnitt 7.1 vermittelt. Hauptkomponenten eines Elektromotors sind Stator (Ständer) und Rotor (Läufer), Bild 5.67. Im Stator wird durch Wechselstrom ein rotierendes elektromagnetisches Feld erzeugt, der Rotor 397 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen <?page no="398"?> Polzahl n P Netzfrequenz f Netz = 50 Hz Netzfrequenz f Netz = 60 Hz Drehfrequenz f rot Drehzahl n Drehfrequenz f rot Drehzahl n 2 50 Hz 3000 min -1 60 Hz 3600 min -1 4 25 Hz 1500 min -1 30 Hz 1800 min -1 6 16,7 Hz 1000 min -1 20 Hz 1200 min -1 f rot = f Netz / z Pole x 2 Tabelle 5.26: Synchronfrequenzen von Elektromotoren folgt diesem Feld und wird dadurch in Rotation versetzt. Je nach Anzahl der Pole rotiert das Feld mit einer netzsynchronen Frequenz, siehe Tabelle 5.26. Prinzipiell versucht der Rotor immer der Drehfrequenz des Statorfeldes zu folgen, entweder synchron oder mit Schlupf, also als Synchronmaschine bzw. Asynchronmaschine. Die Synchron‐ frequenz hängt von der Zahl der Polpaare ab, wie in Bild 5.67 gezeigt. Bild 5.67: Komponenten eines Elektromotors und Veranschaulichung von 2- und 4-poligen Motoren Im Asynchronmotor kann die Synchronfrequenz prinzipiell nicht erreicht werden (im Gegensatz zum Synchronmotor). Bei einer Asynchronmaschine oder Drehstrom-Induktionsmaschine läuft der Rotor dem Drehfeld des Stators entweder nach (Elektromotor) oder vor (Generator). Im normalen Lastfall tritt demnach bei Asynchronmaschinen funktionsbedingt immer eine Differenz zwischen Synchronfrequenz (des Statorfeldes) und Drehfrequenz auf, die als Schlupffrequenz bezeichnet wird. Sie ist in der Regel sehr niedrig, zwischen 0,1 % und 0,5 %. Die Schlupffrequenz erscheint vorwiegend als Modulationsfrequenz, im Spektrum also durch Seitenbänder. Das erfordert bei der Fehleranalyse sehr hochauflösende Spektralanalysen. Das Produkt aus Schlupffrequenz × Anzahl der Pole ist die Polpassierfrequenz. Die Polpaarpassier‐ frequenz ist doppelt so hoch. Eine Übersicht zu typischen Frequenzen findet man in Tabelle 5.27. Schon an dieser Stelle sei bezüglich Nutpassierfrequenzen erwähnt, dass die Anzahl der Ro‐ tornuten in keinem Fall gleich jener der Statornuten sein darf, damit eine regelmäßige Koinzidenz vermieden wird. Sie sollten andererseits aus demselben Grund möglichst nahe beieinander liegen. Zu berücksichtigen sind bei der Wahl der Nutenzahlen aber auch gewisse verbotene Bereiche zur Vermeidung unerwünschter Oberschwingungen. 398 5 Fehleranalyse <?page no="399"?> Frequenz/ Anzahl Asynchronmaschine Synchronmaschine Versorgungsfrequenz (Netzfrequenz) f Netz Synchronfrequenz f syn Drehfrequenz f rot < f syn f rot = f syn Schlupffrequenz f Schlupf = f syn f rot Polpassierfrequenz Polpaarpassierfrequenz f pp = n· f Schlupf f ppp = 2f pp Statornuten-Passierfrequenz Anzahl der Statornuten x Drehfrequenz Rotornuten-Passierfrequenz f RN Stabpassierfrequenz Anzahl der Rotorstäbe x f rot Rotorsteg-Passierfrequenz Anzahl der Stege am Käfigläufer x f rot Zahl der Statorspulen (bei Synchronmaschinen) z Spulen Zahl der Statorpole (bei Schenkelpolrotoren) z Spulen Tabelle 5.27: Parameter und typische Frequenzen für Elektromotoren 5.13.2 Mechanische und elektromagnetische Erregung von Schwingungen Nachdem die Grundlagen der Funktion erläutert wurden, kann jetzt das komplexe Thema Schwingungsanregung zur Sprache kommen. 5.13.2.1 Mechanische Erregung Mechanische Erregung entsteht durch allgemeine Fehler wie Unwucht, Ausrichtfehler oder Wälzlagerfehler. Solche Fehler wurden bereits in vorhergehenden Abschnitten behandelt (siehe Tabelle 5.25). Zusätzlich treten aerodynamische Einflüsse vom Lüfter oder von den Belüftungen des Kurzschlussrings auf. Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer kann mechanische Erregung auch durch Zerstö‐ rungen des Kurzschlusskäfigs infolge von Stabbrüchen auftreten. 5.13.2.2 Elektromagnetische Erregung bei Wechselstrommaschinen Das Magnetfeld des Stators bewirkt elektromagnetische Kräfte auf metallische Objekte und Wicklungen innerhalb des Stators. Da anziehende Kraftwirkungen gleichermaßen von Nordpol und Südpol eines Magneten ausgeübt werden, treten die Kräfte bei Konstantläufern am Netz vorwiegend mit der doppelten Netzfrequenz auf, also 100 Hz bzw. 120 Hz. Bei umrichterbetriebenen elektrischen Maschinen wird die Drehzahl über eine Schaltfrequenz gesteuert. 399 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen <?page no="400"?> 38 Ausgenommen sind magnetostriktiv erregte Schwingungen, die jedoch vom Standpunkt einer Schwingungsüber‐ wachung ohne Bedeutung sind. Grundursache Statische und dynamische Exzentrizität Unrunder Läufer Radiale Läuferbewegungen Unwucht Gebogene Welle Probleme in Blechpaketen von Ständer oder Läufer Gebrochene Rotorstäbe Gebrochene oder beschädigte Statorstege Phasenverlust (3-Phasen-Motoren) oder Phasenasymmetrie Tabelle 5.28: Ursachen unkompensierter elektromagnetischer Kräfte Im Idealfall, also bei vollkommener Symmetrie, werden sich diese elektromagnetischen Kräfte kompensieren und nach außen hin nicht in Erscheinung treten 38 . Im Falle von Asymmetrien treten solche Kräfte mit der doppelten Netzfrequenz bzw. der doppelten Schaltfrequenz grundsätzlich auf und sind im Spektrum mehr oder weniger stark sichtbar. Treten sie jedoch deutlich in Schwinggeschwindigkeitsspektren in Erscheinung, besteht Handlungsbedarf. Einige Ursachen für solche Asymmetrien sind in Tabelle 5.28 zusammengestellt. Elektromagnetische Schwingungsanregung kann bei Vielfachen der Drehfrequenz erfolgen, zum Beispiel, wenn ein Pol einen Punkt am Stator passiert oder bei jedem Passieren eines Rotorstabs. Entsprechend vielfältig sind die Schwingungsfrequenzen bei elektrischen Maschinen. 5.13.2.3 Typische Fehlerbilder an elektrischen Maschinen Durch die genannten Erregungsmechanismen treten in elektrischen Maschinen gleichzeitig elektrisch erregte und mechanisch erregte Frequenzkomponenten auf. Zur Fehlerdiagnose mecha‐ nisch basierter Fehler sind vorwiegend die mechanisch erregten Schwingungen von Interesse. Asynchronmaschinen Zufolge von Schlupf liegen die Frequenzen mechanisch bedingter Schwingungen immer knapp unterhalb derer von elektrisch induzierten. Die Differenzfrequenz, die Schlupffrequenz f Schlupf , ist sehr klein und überdies lastabhängig. Eine Trennung beider Anteile ist nur über hochauflösende Frequenzanalyse möglich. Geeignet sind ebenso die nachfolgend noch beschriebenen Ständer‐ stromsignaturanalysen. Synchronmaschinen Bei Synchronmaschinen tritt funktionsbeding kein Schlupf auf, mechanisch erregte und elektrisch erregte Komponenten haben identische Frequenzen. Eine Trennung ist bei Fehleranalysen nur 400 5 Fehleranalyse <?page no="401"?> nach Abschalten der Maschine im Auslauf möglich. Die elektrischen Komponenten verschwinden mit dem Abschalten, die mechanischen Komponenten bleiben im Auslaufvorgang bestehen. 5.13.2.4 Fehler am Ständer Bild 5.68 zeigt das Erscheinungsbild eines Feldfehlers am Ständer einer 2-poligen Maschine. Der Indikator, die Komponente der doppelten Drehfrequenz, wird im Basisbandspektrum von der doppelten Netzfrequenz vollständig überdeckt und ist erst im Zoom-Spektrum sichtbar. Bild 5.68: Feldfehler am Ständer (Asynchronmaschinen) Am Schwingungsbild des Ständers treten folgende Fehlerursachen zutage: ● Exzentrische Rotorposition ● Wicklungsfehler ● Asymmetrische Speisung 5.13.2.5 Fehler am Läufer Folgende Fehler können am Läufer auftreten: ● Bruch von Rotorstäben ● Lockere Rotorstäbe ● Unterbrechung der Verbindung zum Kurzschlussring Die Bilder Bild 5.69 und Bild 5.70 zeigen spektrale Erscheinungsbilder, wie sie für elektrische Maschinen möglich sind. 401 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen <?page no="402"?> Bild 5.69: Seitenbänder der Stabfrequenz Bild 5.70: Seitenbänder der doppelten Netzfrequenz (Asynchronmaschinen) Elektrische Signaturanalysen Vermutet man Fehler in den Rotorstäben, sollten auch frequenzbasierte Ständerstromsignaturanalysen durchgeführt werden. Die Messtechnik ist in Abschnitt 2.1.3.7 unter Punkt Lastmessgrö‐ ßen beschrieben. Zu bewerten ist in diesem Fall die Pegeldifferenz zwischen der Netzfrequenz und den Seitenbändern im Abstand der Polpassierfrequenz. Die Pegeldifferenz liefert Informationen über die Modulation infolge von Asymmetrien durch elektrische Fehler im Läuferbereich wie Un‐ terbrechungen im Wickelkopf oder durch gebrochene Rotorstäbe (Tabelle 5.28). Die Analyse muss mit hinreichend hoher Frequenzauflösung, erforderlichenfalls mit Zoom durchgeführt werden. Bild 5.71 zeigt als Beispiel die Ergebnisse einer solchen Messung ohne und mit Rotorstabbrüchen. Eine Klassifizierung dieser Fehler findet man in Abschnitt 12.5.3. Die Motorstromsignaturanalyse lässt sich einsetzen, um Analysen direkt am Läufer durchzu‐ führen. So lassen sich neben mechanischer Unwucht auch statische und dynamische Exzentrizi‐ täten über Seitenbandverteilungen nachweisen. 402 5 Fehleranalyse <?page no="403"?> Bild 5.71: Ständerstromsignaturanalyse ohne und mit Rotorstabbrüchen (Quelle: IRIS Power) 5.13.2.6 Fehlertabelle für Elektromotoren Eine komprimierte Zusammenstellung von Fehlerbildern für Elektromotoren zeigt Tabelle 5.29. Ausführlichere Details findet man in DIN ISO 13373-9. 5.13.3 Frequenzumrichter Die Nenndrehzahl von Drehstrommotoren ist, funktionell bedingt, eng an die Netzfrequenz f Netz gebunden. Eine Drehzahlverstellung kann demnach auf drei Arten realisiert werden: ● Änderung der Anzahl der Pole ● Änderung des Schlupfs (bei Asynchronmaschinen) ● Änderung der Netzfrequenz f Netz Bei polumschaltbaren Motoren schaltet man zur grobstufigen Drehzahländerung nur zwischen verschiedenen Ständerwicklungen mit unterschiedlichen Polzahlen um, was zu unerwünschten Schaltstößen führen kann. Bei der Asynchronmaschine mit Schleifringläufer lässt sich die Dreh‐ zahlverstellung durch Vorwiderstände im Läuferkreis, durch Stromrichter im Läuferkreis oder durch Frequenzumrichter im Läuferkreis ausführen. Bei Asynchronmaschinen mit Käfigläufer kann man über einen Stelltransformator oder einen Drehstromsteller den Schlupf ändern, was aber nur in einem begrenzten Bereich möglich ist. Deutlich effizienter wird eine Drehzahlregelung mit einem Frequenzumrichter im Ständerkreis, wobei die Netzfrequenz verändert wird. 403 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen <?page no="404"?> 39 PWM Pulse Width Modulation (Pulsweitenmodulation) Fehlerart Symptome Typ Lockere Statorspulen z Spulen x f rot Seitenbänder 1 x f rot Sy Verbogene Wellenenden 1 x f rot 2 x f Netz Seitenbänder 2 x f Schlupf Käfigläufer 2-polig Rotor außerhalb Mitte 1 x f rot , 2 x f rot , 3 x f rot Risse/ Brüche an Käfigwicklungen 1 x f rot , Seitenbänder z Pole x f Schlupf Käfigläufer Lockere Stege der Kurzschlusswicklung 2 x f Schlupf , Seitenbänder 1 x, 2 x, 3 x f RN As Ungleichmäßige Versorgungsspannung 2 x f Netz , Seitenbänder ⅓ x f Netz ev. Schwebungen Riss in der Rotorwelle 1 x, 2 x, 3 x f rot Resonanzannäherung 1 x f rot Kurzschlüsse bei Schenkelpolrotoren z Pole x f rot Sy Lockere Schenkelpole z Pole x f rot , Seitenbänder 1 x f rot Sy Gebrochene Erregerwicklungen Wackelkontakte Meist 6 x Netzfrequenz am Gleichrichter DC Legende: Sy As DC = Synchronmaschine = Asynchronmaschine = Gleichstrommaschine weitere Legenden siehe Tabelle 5.27 Tabelle 5.29: Fehlerarten bei Elektromotoren (nach DIN ISO 13373-9) Bei Umrichtern unterscheidet man zwischen Direktumrichter und Zwischenkreisumrichter. Beim Direktumrichter (ohne Zwischenkreis) schalten Thyristoren direkt vom Eingang zum Ausgang durch, weshalb die Ausgangsfrequenz auf etwa 1/ 3 der Netzfrequenz begrenzt ist und Anwendungen sich daher auf Langsamläufer beschränken. Beim Zwischenkreisumrichter wird Energie in einem Gleichspannung-Zwischenkreis zwi‐ schengespeichert, aus diesem wird ein Wechselrichter gespeist. Seine Schaltfrequenz kann kleiner, gleich oder größer als die Netzfrequenz sein. Während die maximale Schaltfrequenz beim I-Umrichter auf etwa 100 Hz begrenzt ist, können im Hochleistungsbereich PWM-Umrichter 39 bis zu 500 Hz durchschalten, weshalb diese Spannungszwischenkreisumrichter am häufigsten in der Anwendung zu finden sind. Da die gepulste Spannung direkt auf die Motorwicklung wirkt, können als Folge im Luftspalt des Motors Oberwellenfelder und im Blechpaket radiale Verformungen entstehen, die je nach Drehzahl unterschiedlich stark schwingen und lärmen. 404 5 Fehleranalyse <?page no="405"?> Bild 5.72: Schwingungsbilder am Frequenzumrichter Anmerkung: Zwar wird durch Frequenzumrichter die Versorgungsfrequenz gegenüber der Netzfrequenz verändert, sie wird jedoch zwecks besserer Vergleichbarkeit nach wie vor mit dem Symbol f Netz bezeichnet. Das Prinzip eines einfachen Zwischenkreisumrichters ist in Bild 5.72 dargestellt. Aus einer Gleichspannung wird durch Ein/ Aus-Schalten ein annähernd sinusförmiger Verlauf des Stroms mit einer wählbaren Frequenz erzielt. In den Spektren des Ausgangssignals treten als Störgrößen die Harmonischen der Pulsfre‐ quenz, zusätzlich mit Seitenbändern im Ab‐ stand der doppelten Netzfrequenz auf. Sie können entsprechende Komponenten auch in den Schwingungsspektren zur Folge haben, die sehr sorgfältig von anderen, mechanischen Komponenten wie Wälzlagerfrequenzen un‐ terschieden werden müssen. Werden PWM-Umrichter eingesetzt, treten oft eine Vielzahl höherer Harmonischer mit ausgeprägten Amplituden auf. Treffen nun diese Anregungen aus der Umrichterspeisung auf Anregungen des Motors kann dies zu deutlichen Geräusch- und Schwingungsüber‐ höhungen an der Elektromaschine führen. Eine Abhilfemaßnahme ist dann das Verän‐ dern der Pulsfrequenz. Bei Frequenzumrichtern kann man durch Umrichter-Ausgangsfilter, Erden von Gehäuse und Welle, Lagerisolierung und geschirmte Verbindungskabel sowohl Störschwingungen als auch unerwünschte Lagerströme klein halten. 5.13.4 Elektrische Fehler Neben allgemeinen Fehlern an Läufern und an Ständern von Elektromaschinen, wie sie schon in früheren Abschnitten behandelt wurden - ein zusammenfassender Überblick war schon in Tabelle 5.25 zu finden - tritt bei elektrischen Maschinen wegen ihrer Bauweise eine Reihe spezieller Fehler auf, denen dieser Abschnitt gewidmet ist. Als Besonderheit kommen hier zu den mechanischen und elektromagnetischen Fehlern noch elektrisch bedingte Fehler hinzu. Gemeint sind damit Fehler wie Durchbruch der Isolation der Ständerwicklungen oder der Isolation der Läuferwicklungen. Solche Isolationsfehler können relativ schnell zu starken Beschädigungen der gesamten Elektromaschine bis hin zum Brand führen. Initiale Isolationsfehler lassen sich schwingungstechnisch nicht erkennen. Frühzeitige Dia‐ gnosemöglichkeiten eröffnen sich hier nur in Kombination mit intelligenter Auswertung von Klemmenspannungen und Klemmenströmen. Erschwerend kommt jedoch hinzu, dass Isolations‐ fehler auch plötzlich auftreten können, und dann sehr schnell reagiert werden muss. 405 5.13 Fehleranalyse an Elektromaschinen <?page no="406"?> Typische elektrische Isolationsfehler sind ● Windungsschluss in einer einzelnen Windung oder in mehreren Windungen infolge Durch‐ bruchs der Leiterisolation in einer Phase, ● Phasenschluss zwischen zwei unterschiedlichen Phasen, ● Körperschluss zwischen einer Wicklung und einem Maschinenteil (Ständererdschluss, Läufererdschluss), ● Verschlechterung der Isolation sowie ● Teilentladung an den Wicklungen. Ein Windungsschluss entsteht, wenn es zum Kurzschluss zwischen den Windungen der gleichen Phase kommt. Beim Kurzschluss zwischen den Windungen verschiedener Phasen kommt es dagegen zum Erdschluss. Zusätzlich nehmen infolge des Erdschlusses einer Phase die Spannungen der übrigen Phasen gegen Erde zu, wodurch zusätzlich noch ein Ständererdschluss entstehen kann. Eine gewisse Chance zur Erkennung von Isolationsfehlern bietet die gezielte schwingungs‐ technische Überwachung von Stabschwingungen. So hat man über systematische Fehleranalysen an großen industriellen Elektromaschinen festgestellt, dass die häufigste Grundursache für die Beschädigung der Isolation in elektrischen Maschinen mechanische Stabschwingungen innerhalb der Nut sind. So bauen sich als Folge dieser Stabschwingungen initiale Erdschlüsse hin zum geerdeten Blechpaket auf. Dauert ein solcher Erdschluss länger, kommt es zur Lichtbogenbildung, der die Isolation des jeweils benachbarten Leiters zerstören kann. Andere Ursachen für Isolationsschäden sind thermische Überlastung der Wicklungen, Feldioni‐ sation und Glimmentladung an der Isolation, das Eindringen von Feuchtigkeit oder Fremdkörpern in den Wicklungsbereich usw. Nachfolgend sind weitere Prüfmethoden dokumentiert, die man bei elektrischen Fehleranaly‐ sen auch noch verwendet: ● Über visuelle Inspektionen wird nach lockeren Teilen, thermischen Verfärbungen oder Anzeichen zum Beispiel für Glimmentladung gesucht. ● Durch Messung des Isolationswiderstands werden Feuchtigkeits- und Verschmutzungseinflüsse bewertet. ● Über eine Messung des Verluststromes an der Isolation lassen sich lokale Ungleichheiten der Wicklungen wie zum Beispiel Fehlstellen in der Isolation oder in der Oberflächenleitfähigkeit erkennen. ● Spannungstests dienen zur Feststellung von lokal schwacher Isolation und zur Nachprüfung des Isolationsniveaus. ● Stoßspannungstests gestatten es, die Isolation und Spannungsstärke zwischen den Windun‐ gen auszuwerten. ● Durch Messung des Verlustfaktors lassen sich die dielektrischen Verluste, die Gleichartigkeit der Isolation und die Kapazität der Wicklungen auswerten. ● Über Teilentladungsmessungen sucht man nach ungewöhnlichen Stärken und Veränderungen. Anmerkung: Eine Detektion von stillen Entladungen (Teilentladungen) infolge von Isola‐ tionsfehlern kann auch mit Ultraschall erfolgen, siehe Abschnitt 4.7.4.9 oder Bild 2.27. 406 5 Fehleranalyse <?page no="407"?> Ursache Frequenzen Erscheinungen Unwucht f rot Zusatzschwingungen Schaufelschaden f BPF mit Seitenbändern im Abstand kf rot Störschwingungen, veränderte Geräusche Kompressor-Stall Breitbandpegel Harmonische von f rot erhöhte Geräusche Rauschen Kavitation Turbulenz > 4 kHz < 1 kHz starke Geräusche Zusatzschwingungen * BPF = Blade Passing Frequency Tabelle 5.30: Fehlerdiagnose an Verdichtern 5.13.5 Aerodynamisch induzierte Schwingungen Vor allem durch Lüfter werden bei elektrischen Maschinen auch aerodynamische Schwingungen angeregt, die dann als Luftschall in Erscheinung treten. Die Charakteristik kann breitbandig (Strömungsrauschen) und tonhaltig (Flügelfrequenz), drehzahlabhängig oder -unabhängig sein. Manchmal werden als Heulen empfunden oder man spricht von Ventilationsgeräuschen. 5.14 Durchflusserregte Schwingungen in Gasen und Flüssigkeiten In Strömungsmaschinen tritt eine Reihe durchflusserregter und druckpulsationsbedingter Schwingungen und Geräuscherscheinungen auf, die wichtige Hinweise auf Fehler oder unzuläs‐ sige Betriebszustände geben, welche in weiterer Folge zu Schäden oder Auffälligkeiten führen können (siehe Tabelle 5.30). Im industriellen Betrieb kommt solchen Maschinen eine außerordent‐ lich wichtige Rolle zu, von der einfachen Kreiselpumpe bis zum mehrstufigen Turboverdichter. Ihr plötzlicher Ausfall zieht meist hohe Folgekosten nach sich (bis zum Gesamtstillstand von Anlagen und Lieferunfähigkeit). 5.14.1 Das Grundschwingungsbild des Turboverdichters Das Schwingungsbild eines Verdichters ist vorwiegend geprägt durch Drehfrequenz f rot des Rotors, Schaufelpassierfrequenz f BPF = z × f rot und deren Harmonische. Durch breitbandige Strömungsanregung werden noch dazu zahlreiche Strukturmoden angeregt. Bei Radiallüftern tritt bei niedrigen Drehzahlen durch Wechselwirkung zwischen Rotor und Leitblechen oft eine weitere diskrete Frequenzkomponente auf, der sogenannte Tip Clearance Noise. 5.14.2 Strömungsabriss Als Strömungsabriss (engl. stall) bezeichnet man die Ablösung der Strömung von der Oberfläche eines angeströmten Körpers. Es sind zwei Ursachen bekannt: ● Zu großer Anstellwinkel bei Anströmung eines Profils (Tragflügel) oder ● zu hohe Anströmgeschwindigkeit in den schallnahen Bereich. 407 5.14 Durchflusserregte Schwingungen in Gasen und Flüssigkeiten <?page no="408"?> Parameter Harmonische Schaufelzahl z Drehfrequenz f rot kf rot Schaufelpassierfrequenz* f BPF = z × f rot kf BPF Strukturharmonische Tip-clearance noise 0 < f < f BPF bei Radialkompressoren * BPF = Blade Passing Frequency Tabelle 5.31: Schwingungsparameter eines Kompressors Ein Kompressor-Stall ist ein Strömungsabriss an einer einzelnen Schaufel eines Verdichters. Grundlegende Ursache ist eine Instabilität des Medienflusses oder eine Veränderung der Strö‐ mungsgeschwindigkeit ohne kompensierende Drehzahländerung; letzteres bedeutet im Prinzip eine Veränderung des Anstellwinkels der Verdichterschaufeln. Bei Strömungsabriss über mehrere Schaufeln kommt es zum Verdichterpumpen. Dabei strömt das Medium aus nachgeordneten Stufen zurück, bis wieder ein hinreichender Druck vorhanden ist. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Er bewirkt nicht nur einen Zusammenbruch der Förderung, er kann auch sehr schnell zur Schädigung oder Zerstörung des Kompressors führen. Daher ist Pumpen unter allen Umständen zu vermeiden. Beim einsetzenden Kompressor-Stall tritt der Strömungsabriss zunächst nur an einer einzelnen oder bei wenigen Schaufeln auf. Als Folge verblockt die Strömung in der oben beschriebenen Weise nur lokal in einem Kanal (Störzelle), die Strömung muss auf die Nachbarkanäle ausweichen. Es tritt eine umlaufende Abrissströmung auf, sie wird in Abschnitt 12.5.2.8 näher behandelt. 5.14.3 Turbulenzen Turbulenzen sind Erscheinungen, die in manchen Prozessen zwar funktionsbedingt notwendig (zum Beispiel in Rührwerken), jedoch in strömenden Medien etwa innerhalb von Rohrleitungen unerwünscht sind. Gefährlich können Turbulenzen werden, wenn sie sich beispielsweise bei Wasserkraftanlagen auch direkt an der Maschine ausprägen oder Systeme zu gedämpften Eigenschwingungen in unregelmäßiger Folge anregen (chaotische Anregung). Turbulenzen treten stochastisch auf und erzeugen breitbandige niederfrequente Schwingungen in den Spektren. Statt eines laminaren, gleichmäßigen und geordneten Strömens entsteht in der turbulenten Phase eine räumlich und zeitlich verwirbelte Strömung. Über die Reynold-Zahl lässt sich berechnen, ab wann man bei welchen Medien, Gegebenheiten und Strömungsgeschwindigkeiten mit Turbulenzen rechnen muss. Den Autoren sind jedoch Anwendungen bekannt, wo es trotzdem zu ausgeprägten Turbulenzen kam und systematische Schwingungsanalysen die Fehleranalyse unterstützten. 5.14.4 Kavitation Als Kavitation bezeichnet man die Bildung von örtlichen Dampfblasen im Inneren von strömen‐ den Flüssigkeiten mit anschließendem schlagartigem Zusammenfallen. Kavitation in Flüssigkei‐ ten entsteht durch eine hydrodynamische Druckabsenkung. Kavitation ist abhängig vom sich 408 5 Fehleranalyse <?page no="409"?> ausprägenden Strömungsfeld, den Flüssigkeitseigenschaften und den geometrischen Umgebungs‐ gegebenheiten. Verengungen von Strömungsquerschnitten oder das Umströmen von Kanten führen dazu, dass der Druck in der Flüssigkeit unterhalb des Dampfdruckes sinkt. Als Folge entstehen lokal Dampfblasen, die von der Strömung mitgenommen werden und implosionsartig zusammenfallen, wenn der Druck wieder über den Dampfdruck steigt. Der Zusammenbruch der Dampfblasen hat starke Druckstöße zur Folge, was zu Materialschä‐ digungen führen kann. Manchmal entstehen sogar starke hochfrequente mechanische Schwin‐ gungen, die als lautes charakteristisches Geräusch (Knattern) hörbar sind. Weitere Informationen zu diesem Phänomen findet man unter den Korrekturmaßnahmen in Abschnitt 6.4.1. Anmerkung: Bei Pumpen und Wasserturbinen klingt es bei Kavitation oft so, als würde Kies gefördert. 5.14.5 Prasseln in Abgasleitungen Ein gelegentlich beobachtetes Schwingungsphänomen in Abgasleitungen, vor allem bei Hoch‐ leistungsmotoren, wird als Auspuffprasseln beschrieben. Dabei treten in bestimmten Betriebs‐ zuständen Druckstöße im Abgasstrom auf, die zu impulsartigen, stochastisch auftretenden Strukturanregungen führen. Die kurzzeitigen Ausschwingvorgängen in der Struktur werden gehörmäßig als Prasseln empfunden (vgl. auch Getrieberasseln, Abschnitt 5.15.2.4). 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben Zahnradgetriebe sind schon im fehlerfreien Zustand eine Quelle ausgeprägter Schwingungen, die sich meist auch als typischer Lärm bemerkbar machen. Diese Schwingungen werden vor allem durch elastische Verformung der Zähne unter Last beeinflusst. Durch Fehler wie Tragbildtaumeln, Zahneingriffsstörungen, Zahnverschleiß sowie infolge lokaler Zahnfehler entstehen zusätzliche Schwingungen oder vielmehr eine Modifikation der Schwingungssignatur. Dazu tritt noch eine Reihe weiterer Einfluss- und Fehlerquellen auf, die im Folgenden zusammengefasst sind. Ausgehend von den Grundursachen werden in diesem Abschnitt typische Erscheinungsbilder von Verzahnungsschwingungen behandelt und die geeigneten Diagnosewerkzeuge vorgestellt. 5.15.1 Das Grundschwingungsbild von Zahnradgetrieben Schwingungen von Zahnradgetrieben haben eine ganze Reihe von Ursachen, die jeweils das Schwingungsbild individuell prägen. Daher wird zum besseren Verständnis von Messtechnik und Analyse zunächst ein Überblick über die wichtigsten Anregungen und Schäden vom Zahneingriff vorangestellt. Potenzielle Schadensursachen und Schadensbilder an Zahnrädern, genauer gesagt im Bereich der Zähne, sind in Bild 5.73 zusammengestellt. 409 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="410"?> Bild 5.73: Schadensursachen und Schadensbilder bei Zahnrädern 5.15.1.1 Mechanismen der Schwingungsanregung bei Zahnradgetrieben Bild 5.74 veranschaulicht die Vielzahl der wirkenden Anregungsmechanismen in Zahnradgetrie‐ ben. Man unterscheidet zwischen äußeren Anregungen, die über angekoppelte Maschinenkom‐ ponenten in das Getriebe geleitet werden und den inneren Anregungen aus dem Zahneingriff selbst. Zunächst einmal grundsätzlich: In Zahnradgetrieben werden Schwingungen auch im völlig fehlerfreien Gutzustand auftreten. Nämlich durch die Kinematik, den Eingriffsstoß und vor allem durch die Parameteranregung beim Zahneingriff. Moderne Getriebe, insbesondere einsatzgehärtete Zahnradgetriebe, werden grundsätzlich mit Zahnkorrekturen gefertigt, die der Zahnverformung unter Last Rechnung tragen also eine möglichst optimale Kinematik der verformten Zähne zum Ziel haben. Das beeinflusst sowohl das Schwingungsverhalten als auch dessen Lastabhängigkeit. Wegen dieser ausgeprägten Last‐ abhängigkeit sollten schwingungstechnische Fehleranalysen bei Zahnradgetrieben grundsätzlich erst ab 20 % der Nennbelastung und in verschiedenen Laststufen erfolgen, weil die Zahnflanken‐ korrekturen erst dann zum Tragen kommen. 410 5 Fehleranalyse <?page no="411"?> Bild 5.74: Anregungsmechanismen bei Zahnradgetrieben Konstruktive Details über Verzahnungen, über Anregungsmechanismen und Modifikation von Verzahnungen findet man bei den Anlagenkenntnissen in Abschnitt 7.12. 5.15.1.2 Der Mechanismus des Zahneingriffs Getriebe mit exakter Evolventenverzahnung sollten eigentlich schwingungsarm laufen. Durch den Eingriffsstoß zu Eingriffsbeginn zwischen Ritzel und Rad und den Wechsel der Gesamtver‐ zahnungssteifigkeit beim Durchwälzen der tragenden Zahnpaare treten jedoch auch im ideal fehlerfreien Zustand Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenz auf. Wirken dann unter Belas‐ tung noch zusätzliche Zahnverformungen, entstehen weitere Abweichungen von der Idealform, was zu Zusatzschwingungen führt. Konstruktiv kann man die Zahl der momentan im Eingriff stehenden Zähne durch Ändern des Überdeckungsgrades oder sogar der Verzahnungsart beeinflussen. Die teilweise sehr deutlichen Auswirkungen auf das Schwingungsbild sind in Bild 5.75 veranschaulicht. 411 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="412"?> Bild 5.76: Schnittbild des Getriebes einer WEA Bild 5.75: Steifigkeitsverläufe einer Verzahnung und spektrale Auswirkung Ausführliche Informationen über Verzahnungen findet man in Abschnitt 7.12. 5.15.1.3 Zahneingriffsfrequenzen Die Zahneingriffsfrequenz ist für jede Welle das Produkt von Drehfrequenz x Zähnezahl. Für eine Zahnpaarung ist diese Frequenz für beide Partner der Stufe identisch. Bild 5.76 zeigt das Schnittbild eines Getriebes einer Windenergieanlage im mittleren Leistungsbe‐ reich. In diesem Getriebe wirken drei ver‐ schiedene Zahneingriffsfrequenzen, zwei für die Stirnradstufen und eine Zahneingriffsfre‐ quenz für die Planetenstufe mit feststehendem Hohlrad. Jede Zahnradstufe sollte sich im Schwin‐ gungsbild zeigen. Bild 5.77 veranschaulicht, wie sich die schnelle Zahnradstufe darstellen könnte. Neben den Drehfrequenzen f rot kön‐ nen auch Vielfache der Zahneingriffsfrequenz ZEF entstehen. Typisch, darauf sei hier vorweg 412 5 Fehleranalyse <?page no="413"?> schon hingewiesen, sind bei Stirnrad- und Kegelradstufen im Fehlerfall Seitenbänder um die Harmonischen der ZEF im Abstand von Harmonischen der Drehzahl. Bei Planetenstufen können dagegen solche Seitenbänder sogar funktionsbedingt sein und stellen nicht zwingend einen Fehlerfall dar. Bild 5.77: Schwingungsbild einer Zahnradstufe Der Mechanismus des Zahneingriffs ist sehr komplex. Der Abwälzvorgang einer Zahnpaarung ist geprägt durch den Eingriffsstoß zu Eingriffsbeginn, den sich verändernden Gesamt-Zahnsteifig‐ keiten, den Wälzkreisimpuls aufgrund der Richtungsänderung der Gleitbewegug im Wälzpunkt und den Reibungsimpuls bei nicht hydrodynamischem Tragen. Misst man Zahnfußbiegespan‐ nungen mit Dehnungsmessstreifen, lassen sich sogar direkt der Eingriffsstoß, das Stemmen, das Gleiten und der Austrittsstoß nachweisen. Will man rechnerisch Ergebnisse wie in Bild 5.75 ermitteln, geht man von folgendem Modell aus: ● Zuerst wird für die beteiligten Räder des Zahnpaares ein gekoppeltes Feder-Dämpfersystem erstellt. ● Das betrachtete eintretende einzelne Zahnpaar bekommt infolge einer Deformation des bereits tragenden Zahnpaares eine Teilungsabweichung, die zu einem impulsartigen Zahn‐ eintritt, also dem Eingriffsstoß führt. ● Kurzzeitig existiert eine Kopplung der Radmassen über zwei Zahnpaare mit einer höheren Gesamt-Zahnfedersteifigkeit. ● Die Zähne des länger im Eingriff befindlichen Zahnpaares kommen außer Eingriff, die Ge‐ samt-Zahnfedersteifigkeit nimmt sprungartig ab und die Zähne des ausgetretenen Eingriffs schwingen mit ihrer Biegeeigenfrequenz aus. ● Das betrachtete zweite Zahnpaar überträgt nun die Gesamtlast und die Radmassen schwin‐ gen sich wieder auf die Ausgangslage beim Einzeleingriff ein. Dieser komplexe Erregermechanismus erklärt auch das Auftreten von ausgeprägten Harmoni‐ schen der ZEF im Spektrum schon im fehlerfreien Zustand. Bei Fehleranalysen sollte man deshalb grundsätzlich zuerst schwingungstechnische Veränderungen in Bezug auf die jeweiligen Lasten und im Vergleich zu früheren Messungen bewerten. Wie solche Zahnbeanspruchungen wirken und wie so etwas spannungsoptisch aussieht, lässt sich im nächsten Kapitel aus Bild 7.51 entnehmen. 413 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="414"?> (5.8) Durch Fehler im Bereich der Verzahnung werden die Zahneingriffsschwingungen im Rhythmus der Drehfrequenz amplitudenmoduliert, was das Auftreten von Seitenbändern im Abstand der Drehfrequenz erklärt. Sie sind ebenfalls in Bild 5.77 eingetragen. Der Zusammenhang zwischen Modulation und Seitenbändern wurde in Abschnitt 5.1.2 bereits erläutert. Anmerkung: Wie schon früher erwähnt, zeigt die immer gleichzeitig auftretende Frequenz‐ modulation qualitativ das gleiche Erscheinungsbild im Spektrum und kann daher zur Vereinfachung hier außen vor bleiben. Wegen des Zusammenhangs zwischen Drehfrequenz f rot und Zahneingriffsfrequenz ZEF für ein Zahnrad mit der Zähnezahl z Z EF = z × f rot sind die Zahneingriffsfrequenzen und vor allem ihre Harmonischen groß gegenüber den Dreh‐ frequenzen. Da für bestimmte Diagnosen auch die Harmonischen der ZEF als Indikator dienen, ist der Frequenzbereich der Analyse entsprechend groß zu wählen. Man sollte bei Fehleranalysen Harmonische der Zahneingriffsfrequenz bis zur 4. Ordnung messen und bewerten. Da außerdem die Seitenbandstruktur eine wesentliche Rolle bei der Fehlerdiagnose spielt, sind Spektralanalysen zusätzlich mit hoher Auflösung erforderlich. Bild 5.78: Schwingungssystem Planetengetriebe mit feststehendem Hohlrad Betrachtet man das Schwingungssystem Planetengetriebe (siehe Bild 5.78), kommt es neben dem wirkenden Mehrfacheingriff zusätzlich noch zu kinematischen Überlagerungen, was dazu führt, dass Seitenbänder bei Planetengetriebe nicht ungewöhnlich sind. Die Berechnung der 414 5 Fehleranalyse <?page no="415"?> Bild 5.79: Verschleiß in Zahnradgetrieben Zahneingriffsfrequenzen und Überrollfrequenzen ist dort komplexer, abhängig von Bauweise und Betriebsart. 5.15.1.4 „Geisterfrequenzen“ Manchmal treten in Getriebespektren Frequenzkomponenten auf, die sich grundsätzlich wie eine ZEF verhalten, jedoch in keinem Zusammenhang mit der Getriebekinematik, insbesondere mit den Zähnezahlen stehen. Solche Komponenten können bei der Zahnradfertigung einfacher unge‐ schliffener Verzahnungen oder beim Herstellen von gestoßenen dünnwandigen Innenverzahnun‐ gen durch Einspannung entstehen. Es handelt sich um Teilungsfehler der Fertigungseinrichtung, die dem gefertigten Zahnrad aufgeprägt werden. Im Spektrum treten dadurch entsprechende zusätzliche Schwingungskomponenten auf, manchmal sogar dominant. Ursprünglich war dafür auch der Begriff Geisterkomponenten geprägt worden, da ihr Ursprung zunächst nicht erklärt werden konnte. Wegen ihres rein geometrischen Charakters sind sie kaum lastabhängig und verschwinden bei weichen Verzahnungen im Lauf der Zeit durch Einlaufen (= Verschleiß). 5.15.2 Fehler in Zahnradgetrieben 5.15.2.1 Verschleiß Zusätzliche zahneingriffsbezogene Schwingungen entstehen durch Abweichungen vom idealen Zahnprofil. Das können Fertigungsfehler oder sogar umlaufender Zahnverschleiß, insbesondere bei naturharten Verzahnungen sein. Umlaufender Verschleiß kann je nach Verzahnungsart an den Zahnflanke beiderseits des Teilkreises auftreten oder bei einsatzgehärteten Verzahnungen auch als Auskolkungen (Grüb‐ chenbildung) nur im Bereich des Zahnfusses am Großrad. Erkennt man dies bei der Fehleranalyse nicht, entstehen als Folge Flankenschäden oder sogar Zahneckbrüche wie in Bild 5.79 gezeigt. Verschleiß der Zahnradflanken zeigt sich vor allem im Anstieg der 2. und 3. Harmonischen der ZEF. Auskolkungen und Veränderungen der Evolventenform lassen sich gut über die Methode der Hüllkurvenmessung identifizie‐ ren und sogar im Wachstum online überwa‐ chen. Die typischen Erscheinungsbilder von Feh‐ lern in Zahneingriffen sind in Bild 5.80 zu sehen. Im oberen Teil sind die Auswirkungen eines lokalen Fehlers gezeigt. Im Zeitsignal entsteht eine kurzzeitige lokale Erhöhung (Spike), das entsprechende Seitenbandmuster im Spektrum ist demzufolge breit verteilt. Die Auswirkungen eines über den Umfang verteilten Fehlers wie Exzentrizität oder Unrundheit sind unten in Bild 5.80 zu sehen. Entsprechend des schmalbandigen Charakters der Modulation ist das Seitenbandspektrum um die Komponenten der ZEF konzentriert. 415 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="416"?> (5.9) (5.10) Bild 5.80: Lokale und verteilte Zahnfehler 5.15.2.2 Zahneingriffs-Wiederholfrequenz (Hunting Tooth) Tritt bei zwei kämmenden Zahnrädern mit unterschiedlichen Zähnezahlen z 1 und z 2 auf jedem der Räder ein diskreter Zahnfehler auf, entsteht ein erhöhter Impuls, sobald die beiden schadhaften Zähne in Kontakt treten. Die Periode dieses Auftretens entspricht einer Zähnezahl z HT gleich dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen z H T = kgV z 1 , z 2 Das heißt umgekehrt: Nach z HT aufeinanderfolgenden Zahneingriffen wiederholt sich die aktuelle Konstellation. Die entsprechende Frequenz beträgt demnach f H T = Z EF zH T Die Frequenz liegt sehr tief, deutlich unterhalb der niedrigsten Drehfrequenz. Der Effekt kann als Brummen oder ein ähnliches Phänomen hörbar sein. Die spektrale Situation ist in Bild 5.81 dargestellt. Anmerkung: Man spricht hier auch von der Frequenz der gleichen Zahnstellung. 416 5 Fehleranalyse <?page no="417"?> Bild 5.81: Zahneingriffs-Wiederholfrequenz und Phasen‐ koinzidenz (5.11) (5.12) 5.15.2.3 Phasenkoinzidenz Trifft ein schadhafter Zahn auf einen guten Zahn des kämmenden Rades, kann dieser durch den Kontakt ebenfalls eine Schädigung erleiden (Sekundärschaden). Im weiteren Ver‐ lauf kann dieser Zahn wieder auf einen gesun‐ den Zahn des ersten Rades treffen und diesen schädigen. Setzt sich dieser Prozess fort, erhält man schließlich ein regelmäßiges Muster von geschädigten Zähnen auf beiden Rädern. Der Abstand z von Fehler zu Fehler entspricht auf jedem Rad dem größten gemeinsamen Teiler der Zähnezahlen z 1 und z 2 der beiden Räder: z P K O = ggT z 1 , z 2 Durch die schadhaften Zähne treten bei jedem Zusammentreffen erhöhte Impulse (Spikes) mit der Frequenz f P K O = Z EF zP K O In Bild 5.81 ist die Situation für zwei Zahnräder mit den Drehfrequenzen f 1 und f 2 dargestellt. Die Beispieldaten findet man in Tabelle 5.32. 5.15.2.4 Getrieberasseln Bei Wechselgetrieben kommt es bisweilen zu Anregungen von unbelasteten Zahnrädern, die nicht im Kraftfluss liegen. Dadurch entstehen Stoßanregungen, die zu kurzen Ausschwingvorgängen der Struktur führen. Da diese Anregungen meist unregelmäßig (chaotisch) auftreten, wird das dadurch verursachte Geräusch als Rasseln empfunden. Siehe dazu auch Abschnitt 1.14. Ein vergleichbares Phänomen mit chaotischer Anregung, das Prasseln, ist in Abschnitt 5.14.5 beschrieben. 5.15.3 Kinematiktabelle Eine Zusammenstellung der möglichen Fehlerfrequenzen für Standardverzahnungen findet man in Tabelle 5.32. Zusätzlich wurde eine Beispielberechnung eingefügt (Spalte Beispiel). 5.15.4 Analyse und Darstellung von Getriebeschwingungen Schwingungen an Zahnradgetrieben sind von sehr komplexer Natur, entsprechend aufwändig ist dadurch die Signalanalyse, vielfältig ist die Methodik. Neben der klassischen FFT kommen noch weitere Analysen vorteilhaft zur Anwendung, die in diesem Abschnitt zusammengestellt sind. Tabelle 5.33 zeigt zunächst einen Überblick. 417 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="418"?> Parameter Symbol Wert Beispiel Kinematik Drehfrequenz Rad 1 f 1 10 Hz Drehfrequenz Rad 2 f 2 16,67 Hz Zähnezahl Rad 1 z 1 30 Zähnezahl Rad 2 z 2 18 Zahneingriffsfrequenz ZEF ZEF = z 1 f 1 = z 2 f 2 300 Hz Fehlerfrequenzen ZEF Seitenbänder f 1 ZEF ± kf 1 290 Hz 310 Hz ZEF Seitenbänder f 2 ZEF ± kf 2 283 Hz 317 Hz Zahneingriffs-Wiederholfrequenz f HT f H T = Z EF zH T z H T = kgV z 1 , z 2 3,33 Hz Phasenkoinzidenz f PKO f P K O = Z EF zP K O z H T = ggT z 1 , z 2 50 Hz kgV = kleinstes gemeinsames Vielfaches ggT = größter gemeinsamer Teiler Tabelle 5.32: Kinematiktabelle einer Zahnradpaarung Methode Verfahren Frequenzanalyse FFT, Bandtrendanalysen Zeitbereichsanalyse Trendanalysen, TWF-Analysen Polardiagramm Orbitanalysen, Phasenanalysen Seitenbandanalyse Cepstrum, Trendanalysen Hüllkurvenanalyse Hilberttransformation Zeit-Frequenz-Analyse STFT, Gabortransformation Tabelle 5.33: Analyse von Getriebeschwingungen Da, wie schon in den einführenden Erklärungen dieses Abschnitts ausgeführt, bei Zahnradge‐ trieben signifikante Schwingungen bereits im Gutzustand auftreten, wird eine Beurteilung nur nach Pegelerhöhungen und Grenzwerten oft nicht zielführend für eine detaillierte Fehleranalyse sein. Was hier maßgebend ist, ist nicht der Schwingungspegel an sich, sondern die Änderung der gesamten Schwingungssignatur. Dementsprechend kommen hier neben der klassischen FFT auch eine Reihe weiterer Analyseverfahren zum Einsatz. 418 5 Fehleranalyse <?page no="419"?> 5.15.4.1 Frequenzanalyse Das komplexe Schwingungsbild von Zahnradschwingungen erfordert eine besonders hohe Qualität der Frequenzanalyse, sowohl im Hinblick auf den Frequenzbereich wie auch auf die Auflösung. Einerseits sind sehr niedrige Frequenzen von Interesse. Nicht nur die Drehzahlen, sondern auch spezielle Überlagerungseffekte wie die Zahneingriffs-Wiederholfrequenz erfordern eine Analyse bis zu tiefen Frequenzen. Die Zahneingriffsfrequenzen wiederum bedingen einen hohen Frequenzbereich, weil die Analyse mindestens Frequenzen bis zur 3., besser noch zur 4. Harmonischen mit hoher Genauigkeit erfassen sollte. Wegen der eng um die ZEF-Harmonischen konzentrierten Seitenbänder ist allerdings auch im hohen Frequenzbereich eine hohe Auflösung notwendig, damit tendenzielle Veränderungen in einzelnen Komponenten erkennbar und identi‐ fizierbar sind. 5.15.4.2 Zeitbereichsanalyse Im Falle lokaler Zahnfehler treten im Zeitsignal der Schwingung kurzzeitige Spitzen auf, sobald die fehlerhaften Zähne im Eingriff sind. Solche Spitzen sind ein charakteristisches Fehlermerkmal. Im Zeitsignal sind solche Spitzen gut zu erkennen. Phasenlage und Periodizität und Spitzenwerte treten dort deutlich hervor. Im Spektrum sind solche Spitzen meist nur schwer zu identifizieren, einerseits, wegen der Mit‐ telungseigenschaften einer Spektralanalyse und zum anderen, da durch diese Kurzzeitvorgänge zahlreiche Strukturmoden angeregt werden, welche die Fehlerkomponenten überdecken können. 5.15.4.3 Rotorsynchrone Abtastung und Mittelung Für eine phasengleiche Darstellung der Spitzen im Zeitsignal verwendet man eine rotorsynchrone Abtastung des Schwingungssignals. Bei ausreichend hoher Abtastfrequenz werden die Details der Spikes sichtbar. Die rotorsynchrone Abtastung wurde in Abschnitt 0.12 (Bild 0.34) beschrieben. Durch Zeitbereichsmittelung in Verbindung mit der synchronen Abtastung treten die typischen Details klar hervor (Abschnitt 3.11.3). Stochastische Hintergrundgeräusche werden durch diese Mittelungstechnik unterdrückt. Unterdrückt werden dabei auch nichtsynchrone deterministische Anteile wie etwa Lagerfrequenzen oder Komponenten anderer Zahnräder im gleichen Getriebe. So kann damit das gemittelte Signal auf die Anteile der Bezugswelle reduziert werden. Anmerkung: Die Unterdrückung von Komponenten des Partnerrades funktioniert nicht bei einfachen Übersetzungsverhältnissen vom Typ 1/ n. 5.15.4.4 Polardiagramm Im Zusammenhang mit drehzahlsynchroner Abtastung empfiehlt sich die Darstellung des Zeit‐ signals in einem Polardiagramm, wie in Bild 5.82 gezeigt. Kombiniert man die Abtastung mit einer Drehwinkelkodierung, kann auf diesem Weg die Position eines defekten Zahns direkt aus dem Polardiagramm abgelesen werden. 419 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="420"?> Bild 5.82: Winkelsynchrones Zeitsignal als kartesisches und als Polardiagramm 5.15.4.5 Ratio-Tracking Sind im Getriebe mehrere Wellen mit unter‐ schiedlicher Drehzahl vorhanden, so können bei bekannten Übersetzungsverhältnissen aus einem Referenzsignal synchrone Abtastungen für die übrigen Wellen abgeleitet werden. Das basiert auf einen Resampling-Algorith‐ mus in Anlehnung an Bild 0.35. Dies ist beson‐ ders wichtig für Wellen, die für eine Keypha‐ sor-Abtastung nicht zugänglich sind. 5.15.4.6 Seitenbandanalyse Eine quantitative Analyse der Seitenband‐ strukturen ist schwierig, da in realen Spektren die Seitenbänder meist von zahlreichen ande‐ ren Komponenten ganz oder teilweise maskiert werden. Ein wichtiges Einsatzgebiet für die Cepstrumanalyse. 5.15.4.7 Hüllkurvenanalyse Da sich Fehler an Zahnrädern vorwiegend als Modulation der Zahneingriffsschwingungen auswirken, spielt die Hüllkurvenanalyse bei der Diagnose ebenso eine tragende Rolle. Sie wurde einführend bereits in Abschnitt 1.5.3.2 vorgestellt. Die Bedeutung als Fehlerindikator wurde in Abschnitt 5.7 behandelt. 5.15.4.8 Zeit-Frequenz-Analyse Der Charakter von Getriebeschwingungen ist unter anderem geprägt vom Auftreten von Spikes in regelmäßigen Zeitabständen (Bild 5.82). Hier bieten sich Verfahren der Kurzzeit-Frequenzanalyse an, womit ein optimaler Kompromiss zwischen zeitlicher Auflösung und Bandbreite getroffen werden kann. 5.15.4.9 Kombinierte Verfahren Bild 5.83 veranschaulich beispielhaft die Analyse von lokalen Zahnschäden mit verschiedenen Methoden. Der Schaden selbst ist im oberen Bildteil zu sehen. Im dargestellten Fall hatte man zuerst nur messtechnisch diesen lokalen Zahnfehler entdeckt. Zeitsignale, Cepstren und die Hüll‐ kurvenamplitudenspektren erlaubten es jedoch in Kombination, auf einen lokalen Zahnausbruch in der Zwischenstufe zu schließen. Erst durch eine wiederholte gezielte visuelle Inspektion konnte diese damals ungewöhnlichen Zahnmittenausbrüche gefunden werden. 420 5 Fehleranalyse <?page no="421"?> Bild 5.83: Analyse von Zahnradschäden mit verschiedenen Methoden 421 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben <?page no="422"?> (5.13) 5.16 Resonanz und kritische Drehzahlen Resonanz ist einer der wichtigsten Themenkreise in der Schwingungslehre in Physik und Technik. Resonanzen treten oft störend in Erscheinung, können aber auch nutzbringend eingesetzt werden, zum Beispiel bei Schwingförderern oder Schwingungstilgern. Im Zusammenhang mit der Zustandsüberwachung treten Resonanzen vorwiegend destruktiv auf und es ist bei der Fehleranalyse auch Aufgabe der Schwingungsanalyse, mögliche Anreger zu identifizieren. Bild 5.84 veranschaulicht einige potenzielle Anregungsarten für Resonanzen in einer rotierenden Welle. Bild 5.84: Potenzielle Anregungsarten für Resonanzen einer rotierenden Welle Resonanzen stellen ein hohes Gefährdungspotenzial dar, da es bei Resonanzanregung zu starken Beanspruchungen der Struktur kommen kann, die bis zur Zerstörung führen. Physikalisch wurde das Phänomen bereits in Abschnitt 1.8.3 ausführlich beschrieben. 5.16.1 Phänomene Zur Beschreibung der Phänomene kann man sich hier auf den Einmassenschwinger beschränken. Da Resonanz die Schwingungsüberhöhung auf eine einzelne Mode beschränkt, ist diese Beschrei‐ bung auch für den allgemeinen Fall durchaus ausreichend. 5.16.1.1 Resonanz des Einmassenschwingers Zur Rekapitulation: Für das einfachste System, den ungedämpften Schwinger mit einem Freiheits‐ grad (Feder - Masse- System), ist die Eigenfrequenz gegeben durch die Gleichung f E = 1 2π k m worin k die Federsteifigkeit und m die Masse bedeuten. Maschinen sind stets schwach gedämpfte Systeme, die Dämpfung hat in diesem Fall nur geringen Einfluss auf die Eigenfrequenz. Wichtig 422 5 Fehleranalyse <?page no="423"?> Komponente Resonanzschwingung Rotor-Resonanzen Lateral Torsional Biegung System-Torsionsresonanzen Wellenstränge Kardanwellen Rotorkomponenten Turbinenscheiben & Schaufeln Kompressorlaufräder & Schaufeln Kupplungen lateral Akustik Rohrleitungen, Rohrhalter Durchführungen Strukturresonanzen Rohrleitungssysteme Stahl-Tragkonstruktion Standfüße, Grundplatten, Bettung Tabelle 5.34: Resonanzerscheinungen ist diese Beziehung jedoch, weil sie den Einfluss der Parameter Masse und Steifigkeit zeigt. Die aus dieser einfachen Formel ablesbaren Tendenzen gelten unverändert auch für komplexere Strukturen. 5.16.1.2 Allgemeine Resonanzerscheinungen Der allgemeine Resonanzfall stellt sich komplizierter dar. Grundsätzlich ist jedes elastische System resonanzfähig, wenn entsprechende Anregungen existieren. Eine Aufstellung mit Relevanz zur Zustandsüberwachung findet man in Tabelle 5.34. 5.16.1.3 Resonanzverhalten von Rotoren Auch Rotoren sind resonanzfähig und manchmal sogar extrem resonanzgefährdet. Ein Beispiel für eine besonders verbreitete und auch gefährliche Resonanz ist die Biegeresonanz der ersten Eigenform einer rotierenden Welle, wie in Bild 5.85 veranschaulicht. So sind den Autoren mehrere Wellenbrüche bekannt, wo der Einfluss von zusätzlichen Kupplungsmassen auf die erste Biegekritische unterschätzt wurde und der Dauerbetrieb genau bei der resultierenden kritischen Drehzahl erfolgte. 423 5.16 Resonanz und kritische Drehzahlen <?page no="424"?> Bild 5.85: Biegeresonanz eines Rotors Einfluss auf das Resonanzverhalten haben aber auch die Lagersteifigkeiten, die zusätz‐ lich noch von der Drehzahl und der wirken‐ den Belastung abhängen. Leider lassen sich diese Lagersteifigkeiten und zugehörigen La‐ gerdämpfungen nicht den Wälzlager- und Gleitlagerkatalogen entnehmen bzw. Lager‐ hersteller geben diese technischen Daten nur ungern bekannt. Bei der Schwingungsanalyse sollten diese Einflüsse jedoch zur Fehlerana‐ lyse unbedingt berücksichtigt werden. Ein gelagerter Rotor, dessen Drehzahl un‐ terhalb der niedrigsten Biegeeigenfrequenz liegt, kann als starrer Rotor modelliert werden. Dieses Modell hat zwei Eigenfrequenzen und dementsprechend zwei Eigenmoden, siehe Bild 5.86. (Im Fall anisotroper Lagerung mit richtungsabhängiger Steifigkeit würde sich die Anzahl auf vier erhöhen). Bild 5.86: Lagerresonanzen eines starren Rotors Elastische Rotoren haben eine höhere Anzahl von Freiheitsgraden bzw. Eigenfrequenzen. Mon‐ tiert man auf diesen Rotor drei Einzelscheiben, wie in Bild 5.87 gezeigt, ergeben sich drei kritische Drehzahlen (Eigenfrequenzen) mit unterschiedlichen Eigenformen der Wellenbiegung (siehe auch Bild 9.3). 424 5 Fehleranalyse <?page no="425"?> Bild 5.87: Biegekritische Drehzahlen mit V-, S- und W-Schlag Äquivalente Aussagen gelten für Torsionsresonanzen. Eine vertiefende Behandlung des Themas Rotordynamik erfolgt noch in Abschnitt 13. 5.16.2 Messtechnische Erfassung von Resonanzen Bei der Messtechnik wird die Strategie etwas unterschiedlich sein, je nachdem, ob man ● die Anregung einer Resonanz durch eine Systemkraft mit vorgegebener, fester Frequenz, ● die Anregung durch eine frequenzvariable Kraft oder ● das gesamte Resonanzbild drehzahlvariabler Maschinen/ Anlagen untersucht. Die Methoden werden hier noch einmal zusammengefasst. 5.16.2.1 Bodediagramm Im Bodediagramm (Abschnitt 2.10.3.5) ist vor allem das Verhalten der Zustandsgröße sehr gut erkennbar. Die Resonanz selbst, genauer gesagt die Resonanzfrequenz, kann am genauesten am Nulldurchgang der Phase identifiziert werden. Der Phasensprung ist der sicherste Indikator, ob es sich tatsächlich um eine Biegeresonanz handelt. Diese Unterscheidung kann bei Betriebsschwingformen von entscheidender Bedeutung sein. 5.16.2.2 Nyquistdiagramm Im Nyquistdiagramm (Abschnitt 2.10.3.5) ist die Resonanz am Verschwinden des Realteils der Zustandsgröße identifizierbar. Diese Darstellung ist jedoch eher für Stabilitätsuntersuchungen geeignet. 5.16.2.3 Campbelldiagramm Das Campbelldiagramm (Abschnitt 2.10.3.4) liefert für drehzahlvariable Maschinen einen Über‐ blick bezüglich Anregungsfrequenzen, zum Beispiel Drehklängen, und Systemresonanzen. Es dient in seiner ursprünglichen Form der Ermittlung von resonanzfreien Drehzahlbereichen oder andererseits der schwingungstechnischen Auslegung von Abstützungen und Fundamenten. 425 5.16 Resonanz und kritische Drehzahlen <?page no="426"?> Im erweiterten Campbelldiagramm (Abschnitt 3.14.2, Bild 3.13) werden zusätzlich noch die spektralen Amplituden eingetragen. Es liefert damit einen optimalen Überblick über das gesamte Resonanzverhalten einer Maschine oder Anlage. 5.16.2.4 Konsequenzen Treten Resonanzen störend in Erscheinung, so hängen die Gegenmaßnahmen von den jeweiligen Gegebenheiten und Möglichkeiten ab. In Frage kommen ● Verstimmung des Systems - Änderung der Eigenfrequenzen, ● Veränderung des Betriebszustands - andere Drehzahl oder ● Zügiges Durchfahren - bei Hoch- und Auslaufvorgängen. Die ersten beiden Maßnahmen kommen in Abschnitt 6.6 bei den Korrekturmaßnahmen zur Sprache. Das Durchfahren wird in Abschnitt 13 thematisiert. 5.16.2.5 Resonanz als Mittel zur Fehlerdiagnose Das präventive Untersuchen von Resonanzen zum Beispiel bei Hoch- und Auslaufvorgängen kann auch als Diagnosewerkzeug zum Einsatz kommen. Zeigen sich beim Durchfahren der Resonanzen Veränderungen, vor allem der Resonanzfrequenz, lässt dies auf Strukturfehler schließen, wie zum Beispiel Risse in Maschinenfüßen oder im Fundament. 5.17 Turbomaschinen Fehleranalysen an Turbomaschinen sind eine besonders anspruchsvolle Aufgabe in der Zustands‐ überwachung. Bei schnelldrehenden Turbomaschinen kommt vor allem die Rotordynamik zur Sprache und insbesondere das Zusammenspiel zwischen Rotor und Lagerungen. Zustandsüber‐ wachung und Fehleranalyse von Lagern wurde schon in Abschnitt 5.12 abgehandelt, die Themen dieses Abschnitts hier sind immer wieder im Zusammenhang mit den dortigen Ausführungen zu sehen. Das gilt gleichermaßen für andere Elementarfehler wie Unwucht, Ausrichtung etc. Wo dies relevant ist, wird den Ansätzen immer ein horizontaler Rotor mit Gewichtseinfluss zugrunde gelegt. Die Besonderheiten vertikaler Rotoren werden hier nicht weiter ausgeführt. 5.17.1 Rotorkinematik Bei Stillstand liegen horizontale Wellen zufolge der Gewichtskraft im unteren Lagergehäuse auf. Wird bei gleitgelagerten Rotoren die Ölversorgung eingeschaltet, schwimmt die Wellen im Lagergehäuse auf, in den Wellenschwingungen zeigen sich ggf. Zusatzschwingungen von der Ölpumpe bei ölgeschmierten Gleitlagerungen. Je nach Lage und Art der Schmierölzuführung (Bohrungen, Nuten, Taschen) kommt es zu gewissen Positionsänderungen der Welle. Wird die Rotorwelle in Drehbewegung versetzt, erfolgt im Ölfilm ein Druckaufbau, die Welle gleitet auf dem Ölfilm, wandert in Drehrichtung etwas aus der Mittellage und erreicht eine mittlere Betriebslage. Die mittlere Tangentialgeschwindigkeit im Ölfilm liegt dabei etwas unterhalb der halben Drehfrequenz. Wird bei schnell drehenden Turbomaschinen die Drehzahl n weiter erhöht, steigt die Verlagerung der Welle weiter an, siehe Bild 5.88. Im theoretischen Grenzfall unendlicher Drehzahl würde die Welle ins Zentrum der Lagerschale wandern. 426 5 Fehleranalyse <?page no="427"?> Bild 5.88: Wellenverlagerung in Abhängigkeit von der Drehzahl n Diese Verlagerungen lassen sich mit Hilfe von Wellenschwingungsaufnehmern messen. Hat sich eine drehende Welle verlagert, führt sie Wellenschwingungen um die Mittellage aus. Dabei werden auch Gehäuseschwingungen angeregt, die sich im Gehäuseorbit messen und bewerten lassen. Die Bahn des Wellenmittelpunkts im Lager wird als kinetische Wellenbahn oder Wellenorbit bezeichnet. Der Bereich, in dem sich der Wellenorbit ausprägen kann, ist durch die Lagergeometrie gegeben und wesentlich durch das verfügbare Spiel bestimmt, siehe Bild 5.89. Bild 5.89: Bereich der Wellenschwingungen Anmerkung: Fragen, wie die Bestimmung des Wellenmittelpunkts, sind nicht unbedingt trivial und auch nicht eindeutig. Die komplexe Kinematik gleitgelagerter Rotoren bringt eine Reihe von Fehlermöglichkeiten mit sich. Zur Vermeidung solcher Fehler, vor allem von Instabilitäten, gibt es verschiedene Ausführungen von Gleitlagern (siehe Abschnitt 7.11). Den modellhaften Ausführungen in diesem Abschnitt wird immer eine kreisrunde Geometrie zugrunde gelegt. Damit ist ein besserer Überblick gegeben, da auch die Normalform des Orbits von entsprechender Geometrie ist (Kreis). 427 5.17 Turbomaschinen <?page no="428"?> Die Überlegungen gelten in gleicher Weise für jede andere Geometrie, allerdings nimmt die Gefahr von Instabilitäten mit einer aufwändigeren Lagergeometrie ab. 5.17.2 Fehler in schnelllaufenden Rotoren Bei gleitgelagerten Rotoren kann eine Vielzahl von Fehlern auftreten, die in Tabelle 5.35 zusam‐ mengestellt und als Wellenorbit skizziert sind. Sofern diese Fehler lagerspezifisch sind, wurden sie schon in Abschnitt 5.12.1 thematisiert, vor allem, was den physikalischen Hintergrund betrifft. 5.17.2.1 Unwucht Den praktisch fehlerfreien Normalfall, das Bild einer reinen Unwucht bei einem Rotor mit isotroper Lagerung zeigt Bild 5.90 (linkes Teilbild). Der Orbit zeigt die Form eines Kreises, welcher den Bereichsrand nicht berührt. Im Falle orthotroper Lagerung erhält man einen elliptischen Or‐ bit, rechts in Bild 5.90. Anmerkung 1: Bei isotroper Lagerung ist die Lagersteifigkeit richtungsunabhängig. Anisotropie, also richtungsabhängige Lagersteifigkeit, wird als orthotrop bezeichnet (also nur in radialen Richtungen). Anmerkung 2: Die Grafiken in Bild 5.90 und Bild 5.91 sind bewertete 1X-Wellenorbits (Abschnitt 5.5.2). Die Asymmetrie des anisotropen Falls könnte durch anisotrope Lagerung oder durch Zwänge in vertikaler Richtung entstehen. In den Grafiken ist eine Referenz-Winkellage durch einen Punkt im Orbit angezeigt. Er markiert die Wellenposition beim Passieren eines Keyphasors (Abschnitt 2.1.3.3). Bild 5.90: Unwucht bei isotroper und anisotroper Lagerung 5.17.2.2 Anstreifen Anstreifen ist im Wellenorbit direkt sichtbar, wie Bild 5.91 zeigt. Anstreifen ist begleitet von aus‐ geprägten hochfrequenten Anteilen im Spektrum und von Asymmetrien im dynamischen Zeit‐ signal. 428 5 Fehleranalyse <?page no="429"?> Fehler Beschreibung Wellenor‐ bit Unwucht In einem isotropen System bewirkt Unwucht eine konstante Auslenkung, rotierend mit der Drehfrequenz. Der Orbit ist ein Kreis. Eine Unwuchtkomponente ist praktisch immer vorhanden. Anisotrope Lager Bei anisotroper Lagerung, meist mit geringerer Steife in horizontaler Richtung, wird der Orbit zufolge Unwucht eine Ellipse. Zwänge Ein elliptischer Orbit weist auf bewegungsbehindernde Zwänge in Richtung der kleinen Achse des elliptischen Orbits hin. Anstreifen Anstreifen wird durch Berühren des Orbits an der Lagerschale indiziert. Öl-Whirl Instabilität im Ölfilm, wobei die Welle mit 40 % bis 48 % der Drehfrequenz in Drehrichtung umläuft. Öl-Whip Lagerinstabilität - es entsteht eine angefachte Schwingung, der Grenzzykel wird durch Anstreifen erreicht. Ausrichtfehler Ausrichtfehler erzeugen eine 2. Harmonische der Drehfrequenz, die sich mit der Unwuchtkomponente überlagert. Tabelle 5.35: Fehler im Rotor gleitgelagerter Turbomaschinen 429 5.17 Turbomaschinen <?page no="430"?> Bild 5.91: Anstreifen 5.17.2.3 Instabilitäten - Whirl und Whip Die verschiedenen Formen von Lagerinstabilität sind in den folgenden Bildern erläutert. Eine physikalische Interpretation wurde schon in Abschnitt 5.12.1 gegeben. In den Bildern sind jeweils im linken Teilbild (einzelne) unbewertete und bewertete Orbits eingetragen, wobei sich die Bewertung auf die jeweiligen Phänomene beschränkt. Das jeweils rechte Teilbild zeigt mehrere Zyklen des unbewerteten Orbits. In Bild 5.92 zunächst der Öl-Whirl: Der Whirl selbst tritt mit einer Frequenz unterhalb der halben Drehfrequenz auf, im Bild als 0,45X sowie die praktisch unvermeidliche Unwucht in der Ordnung 1X. Die resultierende unbewertete Ordnung zeigt eine nicht geschlossene Kurve. Das linke Teilbild deckt den Bereich von zwei Umdrehungen ab, in welchen eine volle Periode des Whirl enthalten ist. Man beachte die aufeinanderfolgenden Positionen des Keyphasors, im Bild in aufsteigender Reihenfolge nummeriert. Für die 1X-Komponente sind alle Positionen deckungsgleich. Das rechte Teilbild zeigt die Abfolge mehrerer Zyklen. Zur Erklärung (rechtes Teilbild): Position 3 des ersten Zyklus ist identisch mit Position 1 des Folgezyklus usw. Insgesamt erhält man ein Bild, in welchem die Basisfigur (bewerteter Orbit) langsam entgegen der Drehrichtung der Welle rotiert (entsprechend 0,45X - roter Pfeil). Aus diesem Bild ist auch die Bezeichnung Whirl (= wirbeln) gut zu verstehen. Bild 5.92: Öl-Whirl 430 5 Fehleranalyse <?page no="431"?> Umlauftendenz des unbewerteten Orbit f W / f SH Tendenz Öl-Whirl f W < f SH = 12 x gegen Wellendrehsinn Öl-Whip f W < f SH = 1 n x gegen Wellendrehsinn f W = f SH = 1 n x stillstehend f W > f SH = 1 n x im Wellendrehsinn f W f SH x Whirl/ Whip (bewertet) Subharmonische Drehfrequenz Tabelle 5.36: Tendenz der Orbitdrehung bei Instabilität im Ölfilm In analoger Weise ist auch der Öl-Whip in Bild 5.93 zu interpretieren. Die Amplitude hat sich im Vergleich zum Whirl so weit vergrößert, dass die Welle an den äußeren Lagerschalen anschlägt. Die Whipfrequenz wird daher mit von der Massengeometrie und nicht von der Dynamik des Ölfilms bestimmt, sie bleibt mit weiter steigender Drehzahl konstant (siehe auch Bild 5.44). Bild 5.93: Öl-Whip Da die Whipfrequenz mit steigender Drehzahl konstant bleibt, ergibt sich in der fortlaufenden Darstellung (Bild 5.93 rechts) eine Drehung der Basisfigur gegenläufig oder gleichlaufend mit der Drehzahl, je nachdem, ob die Whipfrequenz unterhalb oder oberhalb einer Subharmonischen der Drehfrequenz liegt. Fällt sie mit einer Subharmonischen zusammen, erhält man ein stillstehendes Bild. Eine entsprechende Zusammenstellung ist in Tabelle 5.36 gegeben. 5.17.2.4 Ausrichtfehler Winklige Ausrichtfehler machen sich über das Auftreten einer zweiten Harmonischen (2X) im Spektrum bemerkbar. Da mit einem solchen Fehler in der Regel eine Behinderung der radialen Wellenbewegung oder sogar ein Kantentragen im Gleitlager verbunden ist, ergeben sich 431 5.17 Turbomaschinen <?page no="432"?> Zusammenhänge wie in Bild 5.94 gezeigt. Die Behinderung hat eine elliptische Verformung der 1X-Komponente zur Folge, die 2X-Komponente tritt vorwiegend in Richtung der Behinderung auf. Bei entsprechend ausgeprägten winkligen Ausrichtfehlern entstehen Wellenorbits mit Formen in der Charakteristik einer Acht. Bild 5.94: Ausrichtfehler Wie sich dieses Verhalten in einer gleitgelagerten Turbopumpe gezeigt hat, ist in Bild 5.95 zu se‐ hen. Während sich bei Drehzahlen kleiner 4200 U/ min nahezu kreisförmige Wellenorbits ergaben (linkes Teilbild), änderten sich oberhalb 4200 U/ min sowohl die Amplituden des Wellenorbits als auch die Orbitform zu dieser 8-Form (rechtes Teilbild). Verursacher war hier kein Ausrichtfehler, sondern eine defekte Rohrleitungsanbindung, die über parallele laseroptischen Verlagerungsmes‐ sungen erkannt wurde (solche Methoden werden in Abschnitt 6.1 noch ausführlich behandelt). Bild 5.95: Signifikante Änderungen im Orbit infolge von Verzwängungen bei Erhöhen der Drehzahl 5.17.3 Biegeschwingungen In den bisherigen Ausführungen dieses Abschnitts wurden lediglich Messungen und Bewegungen in einer einzigen Messebene betrachtet. Für eine umfassende Überwachung ist jedoch das Verhalten des gesamten Rotorsystems maßgebend. So zeigen starre und elastischen Rotoren ein grundsätzlich unterschiedliches Verhalten. Ein Rotor kann als Starrkörper behandelt werden, 432 5 Fehleranalyse <?page no="433"?> Anregung Fehler im elektrischen Netzwerk Lastschwankungen im Netz Schaltvorgänge im Netz (Trennschalter) Phasenfehler im Netz Resonanzen im Netz durch Phasenkompensation Anregung durch Umformer Interne Fehler im Generator (Kurzschlüsse) Stick-Slip-Schwingungen in Gleitlagern Tabelle 5.37: Anregung von Drehschwingungen in Turbomaschinen wenn seine niedrigste Biegeeigenfrequenz deutlich oberhalb der höchsten Drehzahl liegt. Liegt die Eigenfrequenz unterhalb der Drehzahl, wird das biegeelastische Verhalten des Rotors relevant. Bei einem starren Rotor genügt zur Erfassung der Dynamik die Messung in zwei Messebenen. Zwischenwerte können daraus, falls erforderlich, durch Interpolation abgeleitet werden. Sollen dagegen Biegeschwingungen bei einem elastischen Rotor beurteilt werden, wird das Messen der Biegelinie wichtig. Die Erfassung der Biegelinie wurde messtechnisch in Abschnitt 5.6 behandelt (Bild 5.19). Eine Fehleranalyse nach rotordynamischen Gesichtspunkten kann dann jedoch sehr schnell zu einem anspruchsvollen Problem werden. 5.18 Drehschwingungen Drehschwingungsmessungen werden bei allgemeinen Fehleranalysen eher selten durchgeführt, obwohl sie wertvolle Informationen liefern. Drehschwingungen (oder Torsionsschwingungen) sind in der Regel nur schwach gedämpft, außer wenn hochelastische Kupplungen verwendet wer‐ den. Nachträglich Dämpfungsmechanismen für Drehschwingungen einzubringen ist konstruktiv schwierig und aufwendig. Werden Dreheigenschwingungen angeregt, kann es wegen der schwachen Dämpfung schnell zu Überlastungen in Antriebssystemen, zu unerwünschten Resonanzen oder sogar zu minderen Produktqualitäten kommen. Die Anregung von Drehschwingungen kann extern oder intern erfolgen. Je nach Antriebs- und Maschinentyp ist zwischen mechanischen, elektrischen, hydrauli‐ schen und thermodynamischen Drehmoment- und Drehschwingungen zu unterscheiden. Welche Anregungsmechanismen bei Turbomaschinen aus dem Energiebereich wirken können, ist in Tabelle 5.37 zusammengestellt. Hier können sogar transiente Störungen aus dem angeschlossenen elektrischen Netz zur unerwünschten Anregung von Drehschwingungen führen. Kolbenmaschinen sind eine Quelle sehr ausgeprägter Drehschwingungen. Dies hat bei Verbren‐ nungsmaschinen seine Gründe zum einen im diskontinuierlichen Antriebsmoment durch die Gaskräfte zufolge der Verbrennung, zum anderen in der Massengeometrie des Kurbeltriebes (siehe Abschnitt 7.5). 433 5.18 Drehschwingungen <?page no="434"?> 40 Als dritte Dimension kommt jetzt die Zeit ins Spiel. Fehlerart Abschnitt Unwuchtresonanzen 5.8 Resonanzen der Maschinenstruktur 5.16 Biegekritische Drehzahlen 5.17.3 Elektromagnetische Anomalien 5.13 Anstreifen 5.11 Wellenrisse 5.9.7 Tabelle 5.38: Fehler beim An- und Auslauf von Turbomaschinen Konventionelle Schiffsantriebe sind ebenfalls anfällig für Drehschwingungen, da hier Anre‐ gungsmechanismen aus Antrieb (Dieselmotor) und Propeller gleichzeitig auftreten. Anregungen von der Propellerseite entstehen durch unsymmetrische Anströmung des Propellers, da das Nachstromfeld durch den Schiffskörper gestört ist. Die Messung von Drehschwingungen und Dreheigenschwingungen erfolgt vorzugsweise über Dehnmessstreifen auf der rotierenden Welle. Es sind passive Messfühler, die eine Speisung benö‐ tigen. Speisung und Übertragung der Messsignale erfolgen entweder berührungslos (induktiv oder über Funk) oder mit Hilfe von Schleifringen. Eine direkte Messung von Drehschwingungen ist ebenso möglich. Direkt heißt in diesem Zusammenhang, dass der Drehwinkel bzw. der zeitliche Drehwinkelverlauf (Schwankungen) gemessen wird. 5.19 An- und Auslaufvorgänge (Instationäre Zustände) Beim An- und Auslaufen von schnell drehenden Turbomaschinen erhält man aus dem Schwin‐ gungsbild Informationen zum mechanischen Maschinenzustand, die über die ermittelbaren Informationen im stationären Zustand hinausgehen. Durch solch erweiterten Analysen der komplexen, jetzt dreidimensionalen 40 Messdaten können Anomalien erkannt werden, welche beim stationären Betrieb nicht identifizierbar sind. Die wichtigsten Phänomene sind in Tabelle 5.38 zusammengestellt. Insbesondere stufenweise oder gezielt kontinuierliche Hoch- und Auslaufvorgänge geben der Schwingungsanalyse ein Werkzeug in die Hand, um mehr Informationen zu diskreten Maschi‐ nenanregungen und zu Eigenfrequenzanregungen zu erfahren. Als Beispiel zeigt Bild 5.96 das Verhalten des 1X-Wellenorbits beim Durchfahren einer kritischen Drehzahl. Die Wellenschwin‐ gung selbst lässt sich bei Hoch- und Auslaufvorgängen am besten im CORBIT überblicken, einer drehzahlabhängigen Kaskadendarstellung des Wellenorbits (Abschnitt 5.5.3). 434 5 Fehleranalyse <?page no="435"?> Bild 5.96: Durchfahren einer kritischen Drehzahl Analysiert man beim Hoch- und Abfahren neben den Wellenschwingungen auch die Gehäuseschwingungen, lassen sich Gehäuse- und Rotorschwingungen messtechnisch separieren. Hin‐ sichtlich der Eigenschwingungen kann man bei der Fehleranalyse dann besser zwischen rotor‐ dynamischen Schwingungen, Eigenschwingungen der Stützstruktur und solchen der Maschi‐ nenkomponenten selbst unterscheiden. Bei den in Bild 5.97 gezeigten Hochlaufspektren war beispielsweise zu folgern, dass nur durch gemeinsames Präzisionswuchten und Präzisionsaus‐ richten eine Schwingungsminderung erreicht werden kann, was dann auch gelungen ist. Bild 5.97: Hochlaufspektren vertikal und horizontal gemessen 5.20 Belastungen messen und bewerten Antriebstechniken werden im Zuge der technischen Entwicklung kompakter und leistungsfähiger bei gleichzeitig sinkender Masse. Elektrische Antriebstechniken werden ebenso leistungsfähiger und dynamischer. Die Folge ist, dass im Antriebssystem erhöhte dynamische Belastungen auftreten. Will man nun die tatsächlich wirkenden Belastungen erfahren, werden quantitative Belastungsmessungen erforderlich. 435 5.20 Belastungen messen und bewerten <?page no="436"?> Die nachfolgenden Ausführungen sind auf Drehmomentmessungen an rotierenden Wellen fokussiert, dem vielleicht wichtigsten Zielbereich für Belastungsmessungen. Selbst bei dieser Begrenzung ergibt sich bereits eine ganze Reihe von Anwendungen bei der Fehleranalyse: ● Drehmomentmessungen als Informationsquelle zum Belastungs- und Beanspruchungsver‐ halten von Antriebssystemen und Prozessen ● Drehmomentmessungen als wertvollstes Trouble-Shooting-Werkzeug bei der Schadensur‐ sachenanalyse ● Drehmomentmessungen zum Erkennen von kritischen Lastzuständen und von transienten Überlasten, auch mit Vor- und Nachgeschichte ● Drehmomentmessungen zum Ermitteln von Lastkollektiven und zur Kontrolle von Lastan‐ nahmen ● Drehmomentmessungen, um das bestimmungsgemäße Betriebs- und Funktionsverhalten von Maschinen und Steuerungen zu überprüfen ● Drehmomentmessungen zur genauen Leistungs- und Wirkungsgradermittlung oder ● Drehschwingungsnachweis und Drehschwingungsanalysen auf Basis von dynamischen Drehmomentanalysen 5.20.1 Betriebserfahrungen, Schadensbilder und Lastanalysen Betriebserfahrungen zeigen, dass es bei Maschinen und Anlagen durch äußere Einwirkungen trotz sorgfältiger Konstruktion und Fertigung zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit, zu Schäden, Mängel, Fehler, Schwachstellen, Ausfall und zu Störungen kommen kann. Sind Schäden durch mechanische Belastungen entstanden, wird es bei der Fehleranalyse not‐ wendig, Betriebserfahrungen zu recherchieren und zu bewerten und sich über die vorgenommene Auslegung und Dimensionierung Gedanken zu machen. Treten irreversible Schäden auf, liefern Schadensbilder wertvolle Informationen über Ursachen (und Grundursachen! ). So sollte man bei der Fehleranalyse eines Bruchs primär untersuchen, ob Gewaltbruch oder ein Dauerbruch vorliegt. Gewaltbrüche haben ihre Ursache meist in Fehlfunktionen, Verklemmungen oder in unzulässigen Überlastungen. Beim Dauerbruch liegt wahrscheinlich ein betriebliches oder sogar ein konstruktives Problem vor. Dauerbrüche und Risse können ihre Ursache aber auch in unzulässigen Lastschwingungen oder in resonanzbedingten Störschwingungen haben. Beispiele für Bilder von Dauerbrüchen und Gewaltbrüchen von Wellen zeigt Bild 5.98. 436 5 Fehleranalyse <?page no="437"?> Bild 5.98: Schadensbilder an Wellen und an einer Gelenkwelle Drehmomente zählen im Maschinen- und Anlagenbau zu den wichtigsten mechanischen Last‐ größen. Sie setzen sich aus einem statischen und einem dynamischen Lastanteil zusammen. Oft repräsentiert der statische Anteil den Nennwert, der dynamische eher eine Störung. Bei den Belastungsarten ist grundsätzlich zwischen den in Bild 5.99 gezeigten Belastungssche‐ mata A bis E zu unterscheiden. So sind zum Beispiel bei Zahnradgetrieben die Lastzustände D und E besonders kritisch, weil infolge des Nulldurchganges unerwünschte Zahnentlastungen auftreten, die bis hin zum Zahnflankenhämmern führen können. Bild 5.99: Varianten zeitlicher Lastschwankungen 5.20.2 Dimensionierung von Antriebstechniken Die Dimensionierung von Antriebstechniken erfolgt auf Basis vertraglich vereinbarter Lastan‐ nahmen und Sicherheiten. Vertragspartner sind Maschinen- und Komponentenhersteller, Anla‐ genlieferant und Betreiber. Bei bereits vorhandenen Maschinen ist die erste Informationsquelle bezüglich Belastung das Typenschild, auf welchem Größen wie Nenndrehzahlen und Nennleis‐ tungen dokumentiert sind (Bild 5.100). Manchmal werden auf Typenschildern auch Drehmomente oder zulässige Anwendungsdrehmomente angegeben. 437 5.20 Belastungen messen und bewerten <?page no="438"?> Arbeitsweise der Antriebsmaschine Arbeitsweise der Lastmaschine Gleichmäßig Leichte Stöße Mäßige Stöße Starke Stöße Gleichmäßig 1,00 1,25 1,50 1,75 Leichte Stöße 1,10 1,35 1,60 1,85 Mäßige Stöße 1,25 1,50 1,75 2,00 Starke Stöße 1,50 1,75 1,75 ≥ 2,25 Tabelle 5.39: Anwendungsfaktoren in Abhängigkeit von den Arbeitsweisen Bild 5.100: Typenschild eines Elektromotors Werden Überlastungen vermutet, sollte man überprüfen, ob die jeweilige Maschine oder Anlage bestimmungsgemäß betrieben wird. Wurden, als Beispielfall, Antriebsmotoren durch leistungsstärkere Typen ersetzt, besteht Gefahr, dass die Arbeitsmaschine die abweichenden Belastungen über die geforderte Lebensdauer nicht ertragen kann. Mit welchen Anwendungsfaktoren und Sicherheitsfaktoren der Konstrukteur dimensioniert hat, bedarf Recherchen in Katalogen, Berechnungen, Zeichnungen, Bedienungsanleitungen bis hin zu den vertraglichen Vereinbarungen zwischen Verkäufer und Käufer. Wie unterschiedlich solche Anwendungsfaktoren sein können, wird anhand der Matrix in Tabelle 5.107 veranschau‐ licht (in Bezug zur früheren DIN 3990). So bedeutet ein Anwendungsfaktor 2,0, dass ein Antriebsmotor mit doppelt so hoher Antriebsleistung auszuwählen ist. Wurden dagegen zu kleine Anwendungsfaktoren bei der Komponentenauswahl gewählt, können Funktionsstörungen oder Gewaltbrüche auftreten. Gab es Dauerbrüche, kann ein zu kleiner Dynamikfaktor verantwortlich sein. Der Dynamikfaktor quantifiziert, welche dynamischen Drehmomentschwankungen in den Antriebskomponenten erlaubt sind, um vorzeitige Ermüdung oder Schwingbrüche zu vermeiden. Beispiel: Bei stationär betriebenen Zahnradgetrieben verwendet man oft 1,2 als Dynamik‐ faktor. Dies bedeutet quantitativ, dass 20 % schwellende Drehmomentschwankungen nach Bild 5.99 erlaubt sind - unabhängig davon, ob sie stochastisch oder regelmäßig auftreten. 438 5 Fehleranalyse <?page no="439"?> 41 VIBXPERT - siehe Bild 2.3. Die Dimensionierung von Antriebstechnik kann aber auch auf Basis von bereits vorliegenden Lastkollektiven erfolgen. Ob die Lastkollektive nach dem Klassengrenzen-Überschreitungsver‐ fahren, dem Rainflow-Klassierverfahren oder anderen Klassierverfahren ermittelt wurden, sei an dieser Stelle nicht weiter thematisiert. 5.20.3 Drehmomentmessungen Die Drehmomentmessung wurde früher schon als Königsdisziplin bezeichnet. Dort wegen der Komplexität - hier wegen der Wichtigkeit! Nachfolgend wird an zwei repräsentativen Beispielen erläutert, wie Drehmomentmessungen zur Fehleranalyse beitragen können. 5.20.3.1 Drehmomentmessungen für quantitative Belastungsanalysen Eine 38 m Charteryacht erreicht nicht die gewünschte Geschwindigkeit. Ab einem bestimmten Lastniveau sind im Schiffskörper Zusatzschwingungen spürbar. Vermutet wurden als Ursachen Kavitation und eine falsche Propellerauslegung. Aufgabe war es, mit Drehmomentmessungen die Lastschwingungen zu quantifizieren und beide Propellerkennlinien zu ermitteln. Dazu wurden sowohl auf die backbordseitige als auch auf die steuerbordseitige Propellerwelle Dehnungsmesstreifen appliziert, zwei Telemetrieanlagen montiert und mit einem mobilen All-in-one Schwingungsmesssystem 41 statische und dynamische Drehmomente aufgezeichnet. Bild 5.101 zeigt die ausgewerteten Leistungs- und Drehmomentkennlinien für beide Antriebs‐ seiten. Folgende Schlussfolgerungen lassen sich ableiten: ● Beide Motoren laufen auf ähnlichem Lastniveau. ● Sowohl der Backbordals auch der Steuerbord-Dieselmotor sind gleichmäßig eingestellt. Ein „Turboloch“ tritt nicht auf. Beide Motoren erreichen jedoch nicht ihre Nennleistung, was bestätigt, dass die verwendeten Propeller nicht zum Schiffskörper passen. Es sind zukünftig andere Propellerausführungen zu verwenden. Bild 5.101: Propellerkennlinien der beiden Antriebe (Quelle: dB Prüftechnik) 439 5.20 Belastungen messen und bewerten <?page no="440"?> Weitere Auswertungen ergaben (hier nicht dargestellt), dass die Backbordseite etwas weniger Vollastleistung erreicht und dass ein Propellerflügelblatt beim backbordseitigen vierblättrigen Propeller hervorstand. Dies bedeutete zusätzliche Lastschwingungen, die bei Maximaldrehzahl sogar zu beginnenden Kavitationserscheinungen führten. Betroffen war das Blatt kurz nach der geklebten Drehzahlmarke. 5.20.3.2 Drehmomentmessungen zum Erkennen von kritischen Lastzuständen An mehreren Lüfteraggregaten eines Kühlturms entstanden im Untersetzungsgetriebe wiederholte und unerklärbare Zahneckbrüche, die Überlastungen vermuten ließen. Mit messtechnischen Drehmomentmessungen war zu ergründen, ob die Anfahrvorgänge, die Umschaltvorgänge in den polumschaltbaren Motoren oder andere externe Einflüsse verantwort‐ lich für die vermuteten Überlastungen des Getriebes sind. Des Weiteren waren auf Basis der Ergebnisse Ertüchtigungsmaßnahmen abzuleiten. Bild 5.102 zeigt links eine Ansicht der Messstelle nahe zum Getriebe und rechts beispielhaft ei‐ nen Anlaufvorgang. Deutlich erkennbar ist im Drehmomentverlauf eine starke Dreheigenschwin‐ gung, die sogar die Bemessungsauslegung des Getriebes überschritten hat. Ein Sanftanlasser war nachzurüsten, um die zu hohe Amplitude der ersten Torsionseigenfrequenz unmittelbar nach dem Einschalten zu reduzieren. Bild 5.102: Drehmomentmessstelle (links) und Messergebnisse beim Anfahren (rechts) Quelle: dB Prüftechnik 5.21 Allgemeine Fehlererkennung Als Zusammenfassung sind in Tabelle 5.40 die häufigsten Fehlerarten mit den elementaren Grundlagen in einer Diagnosekarte zusammengestellt. Sie bringt den erforderlichen Überblick zur Ersterkennung einer Fehlerursache. Bei komplexeren Konstruktionen wie mehrstufigen Zahnradgetrieben sind noch Kinematikta‐ bellen nach dem Muster von Tabelle 5.32 heranzuziehen. 440 5 Fehleranalyse <?page no="441"?> Fehlerart Frequenz Beschreibung Unwucht 1X Ursache starker Maschinenschwingungen oft Grundursache von Wälzlagerschäden Fluchtfehler 1X, 2X oft nX Verbogene Welle Wälzlagerschäden Überrollfrequenzen Körperschall hochfrequent (Ultraschall) f AR = z2 f n 1 − DW DT cos α f I R = z2 f n 1 + DW DT cos α f W = 12 f n DT DW 1 − DW DT cos α f K äf ig = 12 f n 1 − DW DT cos α Öl-Whirl 0,40X bis 0,48X bei hochtourigen Maschinen Öl-Whip (Wellenklettern) f Resonanz beim Durchfahren der Resonanzdrehzahl angefacht, Schwingungen bleiben mit der Resonanzfrequenz erhalten Unzulässiges Spiel in Gleitlagern 1X, Subharmonische, Interharmonische lockere Komponenten, Lose Zahnradgetriebe Zahneingriffsfrequenz & Harmonische Hunting Tooth Phasenkoinzidenz Seitenbänder infolge Modulation oft periodische Verschleißmuster Schadhafter Riementrieb Riemenfrequenz & Harmonische subsynchrone Schwingungen mit Harmonischen Elektromagnetisch induzierte Schwingungen 1p, 2p, … np & Seitenbänder Seitenbänder im Abstand der Drehfrequenz, Polpassierfrequenz, Schlupffrequenz (bei Asynchronmaschinen) Erhöhte Turbulenz Schaufelpassierfrequenz & Harmonische ausgeprägtes breitbandiges Hintergrundgeräusch Selbsterregte Schwingungen System-Eigenfrequenzen unabhängig von der Drehfrequenz starke, spontan auftretende Schwingungen mit drehzahlunabhängiger Frequenz Getrieberasseln Struktur- Eigenfrequenzen Anregung durch Stöße zufolge von Spiel (Zahnspiel, Drehschwingungen) Prasseln Struktur- Eigenfrequenzen Anregung durch Druckstöße in Strömungen (Abgasanlagen, Wasserturbinen) Tabelle 5.40: Diagnosekarte 441 5.21 Allgemeine Fehlererkennung <?page no="442"?> Abschnitt E Handlungsempfehlungen ● Korrekturmaßnahmen ● Anlagenkenntnisse ● Abnahmeprüfungen ● Anlagenprüfung und Diagnostik <?page no="443"?> 6 Korrekturmaßnahmen Im Anschluss an das Kapitel der Fehlererkennung und Diagnose widmet sich dieser Abschnitt - in logischer Abfolge - den Korrekturmaßnahmen. Im modernen Instandhaltungsmanagement sind diese Themenkreise nicht mehr voneinander zu trennen. Es beschränkt sich nicht allein auf Technik, Analyse und Management im herkömmlichen Sinn, man muss auch Korrekturmaß‐ nahmen im Portefeuille haben. Gleichgütig, ob man diese veranlasst, ob man sie überwacht und kontrolliert oder ob man sie selbst mit dem eigenen Team durchführt. Grundsätzlich sollte der Instandhaltungsmanager Mitsprache- und Gestaltungsrechte haben, angefangen von der Aufgabenstellung und Planung bis hin zur Ausführung, Inbetriebnahme und Abnahme des jeweiligen Assets - Stichwort Maintainability. Da dies bei größeren Objekten um‐ fangreich und auch sehr komplex werden kann, wird in der Industrie diese Aufgabe zunehmend auf dezidierte Reliability Engineers übertragen, die entweder innerhalb der Instandhaltung oder auch als separater Bereich organisiert sind. Korrekturmaßnahmen beschränken sich nicht auf das Beheben aufgetretener Fehler. Kor‐ rekturmaßnahmen, darauf sei hier ausdrücklich hingewiesen, zielen vor allem auch auf die Behebung der Grundursachen von Fehlern ab, die ja zunächst selbst nicht unmittelbar als Fehler in Erscheinung treten, jedoch Auslöser von evidenten Folgefehlern sind. Die Aufgabe der Korrekturmaßnahme darf also nicht nur auf die unmittelbare Fehlerbeseitigung beschränkt bleiben, sie soll auch das wiederholte Auftreten dieser Fehler vermeiden. Bild 6.1: Systematik einer FMEA <?page no="444"?> Korrekturmaßnahme Abschnitt Ausrichten 6.1 Betriebswuchten 6.2 Austausch von Maschinenkomponenten 6.3 Durchflusskontrolle 6.4 Isolierung und Dämpfung 6.5 Resonanzbeseitigung 6.6 Grundlegende Wartungsarbeiten 6.7 Präventive Maßnahmen 6.8 Tabelle 6.1: Korrekturmaßnahmen im Rahmen eines Instandhaltungskonzepts Die Korrektur von Grundursachen ist wesentlicher Bestandteil einer präventiven sowie einer zuverlässigkeitsorientierten Instandhaltung, die mehr und mehr zum zentralen Punkt eines qualifizierten Instandhaltungskonzepts werden. Korrekturmaßnahmen erfordern aber auch ein ganzheitliches, sehr systematisches Vorgehen. Den routinemäßigen Ansatz bietet hier die Fehler‐ mode- und -auswirkungsanalyse, kurz FMEA, deren Systematik in Bild 6.1 veranschaulicht ist. Ein Überblick, welche Korrekturmaßnahmen an industriellen Maschinen und Anlagen nach Erkennen oder Auftreten eines Fehlers angebracht sind, ist in Tabelle 6.1 zusammengestellt. Dabei wurde auch den Vorgaben der Norm DIN ISO 18436-2 Rechnung getragen. Die Tabelle führt die wichtigsten Maßnahmen in einer überblickshaften Strukturierung vor Augen, die in den Unterabschnitten dieses Kapitels näher beschrieben werden. 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten Wellenausrichten, engl. Shaft Alignment, bezeichnet das Ausrichten von Wellen von zwei oder mehreren miteinander gekuppelten Maschinen, sodass die Drehachsen aller verbundenen Wellen präzise in einer Flucht liegen. Ursprünglich war es vorwiegend auf Kupplungen fokussiert, doch heute hat man erkannt: Ein sachgerechtes Wellenausrichten vermindert Beanspruchungen und Verschleiß von Kupplungen, Lagern, Wellendichtungen und anderen angeschlossenen Kompo‐ nenten. Mit der Qualität der Ausrichtung steigen auch Abnutzungsvorrat und Wirkungsgrad als weitere wirtschaftlich interessante Gesichtspunkte! Sowohl das Ausrichten von Wellen als auch das Ausrichten von Maschinenkomponenten sind wichtige, aber nicht ganz einfache Arbeitsvorgänge, die sowohl Sachkenntnis wie auch Sorgfalt bei der Ausführung erfordern. Teilweise wird die Bedeutung einer korrekten Ausrichtung unterschätzt. Daher ist besonders diesem Thema nachfolgend ein relativ ausführlicher Beitrag gewidmet. 444 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="445"?> 6.1.1 Symptome einer Fehlausrichtung In Abschnitt 5.9 wurden die verschiedenen Erscheinungsformen von Fehlausrichtung vorgestellt, die entsprechenden Fachbegriffe wurden dort bereits eingeführt. Die grundsätzlichen Fehler sind in Bild 6.2 zur Veranschaulichung gezeigt. Bild 6.2: Veranschaulichung eines gleichzeitigen radialen und winkligen Ausrichtfehlers in vertikaler Richtung Es ist nicht immer einfach, eine Fehlausrichtung an einer laufenden Maschine zu erkennen oder zu diagnostizieren. Die radialen Kräfte, die von Welle zu Welle übertragen werden, können von außen nur schwer gemessen werden. Mit Hilfe einer Schwingungsanalyse oder manchmal auch mittels Infrarotthermographie ist es möglich, primäre Symptome einer Fehlausrichtung wie hohe Schwingungsmesswerte in radialer und axialer Richtung oder anormale Temperaturgradienten an Maschinengehäusen zu identifizieren. Es gibt aber auch sekundäre Maschinenprobleme, die auf eine fehlerhafte Wellenausrichtung hinweisen können. Repräsentative Beispiele sind in Tabelle 6.2 zusammengestellt, eine visuelle Situation im Zusammenhang mit einem Zahnradgetriebe veranschaulicht Bild 6.3. 445 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="446"?> Quelle Symptom Fehler Montage Lose oder beschädigte Schrauben am Fundament Lose Passplatten oder Spannstifte p Lager Dichtung Reduzierte Lebensdauer Übermäßiger Ölaustritt an Lagerdichtungen s Kupplung Lose oder beschädigte Kupplungsschrauben Ungewöhnliche Erwärmung elastischer Kupplungen Gummiabrieb bei Elastomerkupplungen Viele Kupplungsausfälle oder starker Verschleiß Starke Ansammlung von Fett oder Öl innerhalb des Kupplungsschutzes s Lebensdauer Geringere Schwingungen oder längere Lebensdauer bei ähnlichen Maschinen Wellenbrüche oder Wellenanrisse an oder nahe Lagerungen oder Kupplungen s p Primärfehler s Sekundärfehler Tabelle 6.2: Häufige Symptome von Ausrichtfehlern Bild 6.3: Beeinflussung einer Getriebeverzahnung durch fehlerhafte Wellenausrichtung Anmerkung: Die hier beispielhaft zitierten sekundären Probleme sind Zielpunkt der prä‐ ventiven Instandhaltung, die in Abschnitt 0.6.5 vorgestellt und zum Beispiel bei Wälzlagern in Abschnitt 5.12.2 ausführlich behandelt wurden. Die präzise Wellenausrichtung sollte deshalb grundsätzlich ein strategisches Schlüsselelement bei der Instandhaltung rotierender Maschinen sein. Eine sachgerecht ausgerichtete Maschine ist ein Gewinn für jede Anlage. Sie steht zuverlässig bei Bedarf zur Verfügung und benötigt weni‐ ger planmäßige (und außerplanmäßige) Instandsetzung (Stichwort RAMS-Methoden, Abschnitt 0.23.2). 446 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="447"?> Ausrichtungsmethode Abschnitt Sichtprüfung mit Haarlineal oder Fühlerlehren 6.1.3 Messuhren (mechanische Versatzmessgeräte) 6.1.4 Laseroptische Methoden 6.1.5 Tabelle 6.3: Ausrichtmethodik 6.1.2 Ausrichtmethodik und Durchführung Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Methoden, mit denen eine akzeptable Wellenausrichtung rotierender Maschinen erzielt werden kann. Diese reichen vom einfachen Haarlineal bis hin zum hochentwickelten Lasermesssystem. Ausrichtmethoden lassen sich zunächst nach Tabelle 6.3 kategorisieren. In jeder dieser drei Kategorien gibt es verschiedene Verfahrensweisen und Optionen, die in den in der Tabelle zitierten Abschnitten behandelt werden. Die Ausführungen sind auf die üblichsten Verfahren und besonders typische Vorgehensweisen konzentriert. 6.1.2.1 Vorbereitung ist wichtig Der erste grundsätzliche Schritt für eine erfolgreiche Wellenausrichtung ist sicherzustellen, dass die auszurichtenden Maschinen in den erforderlichen Richtungen beweglich sind. Die Maschine sollte sich verschieben sowie anheben oder absenken lassen. Dies kann durch Stellfüße, verstellbare Grundrahmen oder durch geschliffene Passplatten erfolgen. Bild 6.4: Korrektur von Fehlausrichtung durch Verschieben, Absenken oder Anheben Bei Standardmaschinen erfolgt das Anheben und Absenken durch Unterlegen oder Wegnehmen von mehreren Passplatten. Diese bestehen aus einem Sortiment von in der Regel 0,05 bis 3 mm dicken, hochwertigen Platten, die unter die Füße der zu korrigierenden Maschinen unterlegt 447 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="448"?> werden. In Bild 6.5 ist eine entsprechende Ausrüstung zu sehen. Es werden auch laminierte Passplatten verwendet, die einfach nur auf die erforderliche Stärke abgeschält werden. Es wird empfohlen, dass auszurichtende Maschinenkomponenten grundsätzlich ab Werk mit Passplatten versehen werden, damit Veränderungen im Ausrichtzustand später gegebenenfalls leicht in allen Richtungen ausgeglichen werden können. Die horizontale Positionierung von Maschinen erfolgt am besten mit Verstellschrauben oder hydraulischen Geräten, die das vorsichtige, langsame und gleichmäßige Bewegen der Maschine zulassen. Methoden wie Hämmern erschweren die genaue Positionierung und können die Maschine beschädigen (zum Beispiel Stoßeinwirkung auf Wälzlager). Bild 6.5: Einsetzen von Passplatten 6.1.2.2 Arbeitsprinzipien bei der Installation von Maschinen Erfolgreiches Wellenausrichten erfordert eine Reihe vorbereitender Maßnahmen, die zum Teil schon bei der Installation eines Maschinenaggregats beginnen. Tabelle 6.4 bringt dazu eine Zusammenstellung. Im Regelfall wird man mit der Montage der Hauptmaschine, also der angetriebenen Maschine (Arbeitsmaschine) beginnen. Ist diese montiert, wird die Antriebsmaschine zur Hauptmaschine ausgerichtet. Erfolgt der Antrieb über ein zwischengeschaltetes Getriebe, sollte in der Reihenfolge Getriebe - Antriebsmaschine ausgerichtet werden. Sorgfältiges und sauberes Arbeiten ist hier unbedingt vonnöten. 6.1.2.3 Kippfuß - Messung und Korrektur Ein Kippfuß liegt vor, wenn die Maschine nicht gleichmäßig auf allen Fußflächen aufliegt. Bei einer lose auf einer Grundplatte aufgestellten Maschine zeigen sich dann an einem oder mehreren Füßen oder Fußflächen größere Abstände zum Boden hin. Als Vorbereitung jedes Ausrichtvor‐ gangs sollten solche Kippfüße behoben werden, da sie sowohl die gemessenen Ausrichtwerte wie auch den Korrekturvorgang beeinflussen. 448 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="449"?> Aktivität Maßnahmen Maschineninstallation Reihenfolge der Montage: Montage der angetriebenen Einheit (Hauptmaschine) Ausrichten des Hauptantriebs oder Montage der angetriebenen Einheit Ausrichten des Getriebes an der angetriebenen Maschine Ausrichten des Hauptantriebs am Getriebe Grundlegende Prüfung von Wellen und Kupplungshälften Rundlauf und Planlauf Konzentrizität und Koaxialität Rechtwinkligkeit zur Wellenachse Vorbereitung von Grundplatte und Bolzenlöchern Säubern Überprüfen von Ebenheit und Planheit Entgraten Passplatten Nur hochwertige Ausführungen Tabelle 6.4: Vorbereitende Maßnahmen und Systematik zum Wellenausrichten Maschinentyp Empfohlenes Niveau Empfohlene Ebenheit Komplanare Oberflä‐ chenabweichung (unterlegt) Allgemeine Prozessmaschinen bis 400 kW / 500 PS ≤ 0,8 mm/ m ≤ 10 mils/ ft ≤ 0,4 mm/ m ≤ 5 mils/ ft ≤ 50 µm ≤ 2 mils Allgemeine Prozessmaschinen über 400 kW / 500 PS ≤ 0,4 mm/ m ≤ 5 mils/ ft ≤ 0,2 mm/ m ≤ 2 mils/ ft ≤ 50 µm ≤ 2 mils Tabelle 6.5: Geometrische Anforderungen vor dem Aufstellen von Maschinen Wird ein Kippfuß vor dem Anziehen der Schraubverbindungen nicht kompensiert, wird die Ma‐ schine verspannt. Die Folgen können erhöhte Lärmbildung oder verstärkte Schwingungen und letztendlich ein erhöhter Verschleiß an einzelnen Komponenten sein, auch wenn die Ausrichtung scheinbar korrekt ist - scheinbar! Um dies zu vermeiden, muss die Aufstellung hinsichtlich Kippfuß vorher geprüft und erforder‐ lichenfalls ausgeglichen werden. Des Weiteren sollte laut ANSI/ ASA S2.75 für allgemeine Prozess‐ maschinen die komplanare Oberflächenabweichung von Fußflächen maximal 50 µm betragen. Anmerkung: Das Prinzip ist hier ähnlich wie bei der Korrektur eines wackelnden Tischs durch Unterlegen von Bierdeckeln. Der amerikanische Ausrichtstandard ANSI/ ASA S2.75 enthält noch weitere geometrische Vorga‐ ben, die in Tabelle 6.5 zusammengefasst sind. Die empfohlenen Ebenheiten und Niveaus sind insbesondere bei großen Maschinen einzuhalten, um zu verhindern, dass die großen und mehr nachgiebigen Maschinen sich ungewollt einem unpassenden Grundrahmen angleichen. 449 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="450"?> Sekundäre Kippfußursache Beispiel Fertigungsfehler am Fuß unzureichende Qualität Fertigungsfehler am Grundrahmen Ebenheit und Planheit unzureichend Mangelhafte Montage Verspannung Äußere Verspannungen angeschlossene Rohrleitungen Verformte Montageelemente verbogene Maschinenfüße Federeffekte zu viele Passplatten Tabelle 6.6: Grundursachen für Kippfuß Im Wesentlichen gibt es die in Bild 6.6 dargestellten Kippfußarten und die in Tabelle 6.6 zusammengefassten Grundursachen. Beim Parallelkippfuß liegt die Grundplatte parallel zur Unterseite des Maschinenfußes. Er lässt sich durch einfaches Unterschieben von Passplatten in der richtigen Stärke korrigieren. Ein Winkelkippfuß liegt vor, wenn die Maschinenfüße und Grundplatte einen spitzen Winkel bilden. Dieser Fall ist schwieriger zu erkennen und zu korrigieren. Ein schwankender, also immer wieder auftretender Kippfuß erfordert eine Verbesserung der Oberflächenqualität oder das Verwenden einer geringeren Anzahl von Passplatten. Ein induzierter Kippfuß wird durch äußere Verspannungen verursacht, die Gegenmaßnahmen sind im Bereich der Anschlüsse zu treffen, zum Beispiel Kompensatoren bei Rohranschlussleitungen. Bild 6.6: Kippfußarten Dass sich ein Kippfuß auch auf die horizontale Wellenlage und auf die horizontalen Ausrichtgüten miteinander gekuppelter Maschinen auswirken kann, veranschaulicht Bild 6.7. 450 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="451"?> Messmethode Vorgangsweise Messuhr Einzelnes Lockern des Maschinenfußes und Messen der Veränderung mit einer Messuhr, die mit Magnetfuß montiert wird. Fühlerlehren Lockern jeweils eines Maschinenfußes und Messen der Klaffung mittels Fühlerlehren Laseroptisch Lockern jeweils eines Maschinenfußes und Messen der Lageveränderung mit einem laseroptischen Ausrichtsystem Die Messungen sind für alle Füße durchzuführen; dabei ist immer nur jeweils ein Fuß zu lockern. Tabelle 6.7: Methoden der Kippfußmessung Bild 6.7: Verändern der horizontalen Wellenlage durch einen Winkel-Kippfuß Kippfußmessung Die Methoden zur Ermittlung eines Kippfußes sind in Tabelle 6.7 zusammengestellt. Bei laser‐ optischen Ausrichtmesssystemen sind die entsprechenden Prozeduren üblicherweise in den Ausrichtgeräten integriert. 6.1.3 Kupplungsausrichten durch Sichtprüfung Ist bei einer Korrektur nur das Ausrichten einer Kupplung erforderlich, kann man sich auf eine einfachere Methodik beschränken, zum Beispiel auf Sichtprüfung. Solche Ausrichtverfahren erfordern zwar einen vergleichsweise geringen Aufwand, sind jedoch hinsichtlich Genauigkeit schon vom Messmitteleinsatz her beschränkt. Des Weiteren handelt es sich bei der Sichtprüfung eben nur um ein Kupplungsausrichten und nicht um ein Wellenausrichten. Die Fehleranfälligkeit ist relativ groß, der tatsächlich erreichte Ausrichtzustand ist nicht vollständig feststellbar. Die unter diesem Titel laufenden Ausrichtverfahren sind in Bild 6.8 dargestellt. Obwohl sie teilweise doch über eine reine Sichtprüfung hinausgehen, werden sie in der Praxis unter diesem Titel kategorisiert und nachfolgend kurz beschrieben. 451 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="452"?> Bild 6.8: Kupplungsausrichten durch Sichtprüfung 6.1.3.1 Messung mit Haarlineal - Versatz Dieses Verfahren der Kupplungsausrichtung war früher gängige Praxis bei Maschinen mit einfachen elastischen Kupplungen. Die Korrekturwerte für die Maschinenfüße wurden dann in der Regel aufgrund der Erfahrungen des mit der Ausrichtung betrauten Personals abgeschätzt. Meistens erforderten die Korrekturen an den Maschinenfüßen eine iterative Vorgehensweise, bis die durch Sichtprüfung durchgeführte Ausrichtung abgeschlossen war. Da die Auflösung des menschlichen Auges auf etwa 0,1 mm limitiert ist, ist auch die Genauigkeit der Ausrichtung entsprechend begrenzt. Hinzu kommt, dass ohne eine umfassende Überprüfung der Passgenauigkeit der Kupplungsfläche auf der Welle keine direkte Korrelation zwischen der mit dieser Methode erreichten Kupplungsausrichtung und der tatsächlichen Ausrichtung der Maschinenwellen zueinander besteht. 6.1.3.2 Messung mit Fühlerlehre - Klaffung Auch diese Methode kann unter bestimmten Bedingungen und bei bestimmten Maschinen völlig akzeptabel sein. Mit einer Fühlerlehre oder einer Schiebelehre misst man die etwaige Klaffung zwischen den Kupplungshälften in vertikaler Orientierung. Anschließend werden die Wellen synchron um 180 Grad gedreht, und die Klaffung wird erneut geprüft. In gleicher Weise erfolgen dann die horizontalen Ausrichtmessungen. An Maschinen mit flexiblen Kupplungsbauteilen ist der Einsatz von Fühlerlehren mit denselben Einschränkungen behaftet wie das Haarlineal und gilt deshalb nur als Kupplungsausrichtung. 6.1.4 Ausrichtung mit Messuhren Der Einsatz von Messuhren war ein entscheidender Schritt in Richtung einer präzisen Kupp‐ lungsausrichtung und manchmal auch schon einer Wellenausrichtung. Dabei werden die Ver‐ schiebungen in radialer, zum Teil zusätzlich in axialer Richtung mit Messuhren erfasst. Die Messuhren werden mittels mechanischer Halterungen an den Rotorelementen befestigt, diese Messeinrichtung wird dann im Zuge des Verfahrens mit der Welle gedreht. Diese rein mechanische Messanordnung birgt jedoch einige Fehlerquellen in sich. Sie sind in Tabelle 6.8 zusammengestellt und begrenzen die Genauigkeit der Ausrichtung mit Messuhren. Bei der Wellenausrichtung mittels Messuhren ist ein Grundverständnis von Mathematik und Geometrie notwendig, um die Messwerte richtig zu interpretieren und Korrekturen ableiten zu können. Faktoren wie der Durchhang der Halterungen sind hier unbedingt zu berücksichtigen. 452 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="453"?> Fehler Maßnahme Durchhang der Messuhrenhalterung Durchhang sollte grundsätzlich vor dem eigentlichen Ausrichten erfasst werden (wie solide die Montage auch erscheint). Interne Reibung Hysterese Eventuell bringt leichtes Klopfen den Zeiger in die richtige Position. Begrenzte Auflösung (10 µm) Beim Auf- und Abrunden entsteht ein Fehler bis zu 5 µm. Dies kann sich innerhalb eines vollständigen Messwertsatzes zu einem erheblichen Fehler aufsummieren. Ablesefehler Einfache Fehler können auftreten, wenn Anzeigen unter schwierigen Bedingungen oder unter Zeitdruck abgelesen werden, z. B. mit Spiegel. Spiel in mechanischen Verbindungen Ein geringfügiges Spiel kann zwar unbemerkt bleiben, führt jedoch oft zu erheblichen Messfehlern. Schief montierte Messuhren Wird die Messuhr nicht genau senkrecht zur Messfläche montiert, geht ein Teil der Versatzmesswerte verloren. Axiales Wellenspiel (bei Radial/ Axial-Methode) Das axiale Wellenspiel beeinträchtigt die zur Messung des Winkelversatzes ermittelten axialen Messwerte, außer es werden zwei Messuhren eingesetzt. Tabelle 6.8: Fehlerquellen und Grenzen von Messuhrverfahren 6.1.4.1 Radial-Axial-Verfahren - iterative Vorgehensweise Bei dieser Methode wird eine Welle, und zwar die der auszurichtenden Maschine, gedreht, die Welle wird an der feststehenden Kupplung ausgerichtet (Bild 6.9). Durchhang und axiale Verschiebung der Welle bleiben dabei allerdings unberücksichtigt. Der dadurch entstehende Fehler lässt sich kompensiert, wenn beide Wellen gedreht werden. 453 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="454"?> Anmerkung: Es gibt allerdings Fälle, wo ein Drehen beider Wellen nicht möglich ist. Die Klaffung wird mit der axialen Messung und der Versatz mit der radialen Messung gemessen und iterativ korrigiert. Diese Ausrichtmethode ist relativ stark fehlerbehaftet, benötigt aber nur eine Messuhr. 6.1.4.2 Radial-Axial-Verfahren - durch Messung und Berechnung Der Messaufbau erfolgt bei diesem Verfahren ebenso nach Bild 6.8, beide Wellen werden synchron gedreht. Die Vorgangsweise ist ähnlich wie zuvor: ● Nullen der Messuhren in der Position 12: 00 Uhr ● Korrektur der Ausrichtung um den halben Ablesewert in den Positionen 6: 00 Uhr bzw. 9: 00 Uhr Die Korrekturwerte können wieder aus den geometrischen Zusammenhängen berechnet werden. Erwähnt seien hier die Gültigkeitsregeln für die Messuhrenwerte, die geprüft werden sollten. Die Summe der bei 3: 00 Uhr und 9: 00 Uhr ermittelten Messwerte sollte der Summe der bei 12: 00 und 6: 00 Uhr gemessenen Werte entsprechen. Diese Regel gilt sowohl für Radialals auch für Axial-Messwerte. Bild 6.9: Ausrichten: Radial-Axial-Verfahren und Plausibilitätscheck 1. Korrektur des Durchhangs Eine Hauptfehlerquelle des Verfahrens ist der Durchhang des Messgestänges. Dieser Fehler kann die Unterlegwerte dermaßen beeinflussen, dass eine hochgradige Fehlausrichtung der Maschine entsteht. Zur Korrektur ist der Durchhang zunächst zu messen, der Messwert ist sodann den 6: 00-Uhr-Messwerten hinzuzufügen. Mehr dazu noch am Ende des Folgeabschnitts. Anmerkung: Vorzeichen beachten! 6.1.4.3 Doppelradialverfahren Das Doppelradialverfahren ist das fortschrittlichste Messuhren-Ausrichtverfahren. Es wird auch heutzutage noch vom American Petroleum Institute (API 686) als bevorzugtes Messuhren-Aus‐ richtverfahren empfohlen. Das Doppelradial-Messuhrenverfahren hat seinen Namen von den Positionen der Messuhren, die auf entgegengesetzten Seiten der Kupplungshälften liegen (Bild 6.10). Nach der Montage werden die beiden Wellen synchron gedreht, die Messwerte werden in 454 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="455"?> den Positionen 12: 00, 3: 00, 6: 00 und 9: 00 Uhr abgelesen. Die dann durchzuführenden Korrekturen lassen sich berechnen oder grafisch ermitteln. Bild 6.10: Messuhren-Ausrichten nach dem Doppelradialverfahren (Umschlagverfahren) 2. Korrektur des Durchhangs der Messuhrenhalterung Um den Durchhang zu messen, sollte man die gesamte Messapparatur (Halterungen, Gestänge und Messuhren) auf einem Stück stabilem Rohr in analoger Art und Weise wie an der Maschine befestigen und folgendermaßen verfahren: ● Zuerst sind die Messuhren auf 12: 00 Uhr zu positionieren und auf null zu stellen. ● Dann wird das Rohr gedreht bis die Messuhren auf 6: 00 Uhr stehen. Die Messwerte werden abgelesen, notiert und zur anschließenden Berücksichtigung des Durchhangs verwendet. (Die Radial-Messuhr wird einen negativen Wert aufweisen, und die Axial-Messuhr einen positiven oder negativen Wert, der aber um null liegen sollte.) 6.1.5 Wellenausrichten mit laseroptischen Ausrichtsystemen Die laseroptische Wellenausrichtung wurde Mitte der achtziger Jahre unter dem Produktnamen OPTALIGN als das erste computergestützte Lasersystem für die Wellenausrichtung kommerziell angeboten (Bild 6.11). Trotz des vergleichsweise hohen Anschaffungspreises gewann das System rasch an Bedeutung, da die Zeit- und Kostenersparnis sowie die erzielten höheren Laufqualitäten der Maschinen sehr schnell überwogen. Anmerkung: Stichwort Life Cycle Costing LCC. 455 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="456"?> Bild 6.11: 1984 - 2005 - heute: Laseroptisches Ausrichtsystem OPTALIGN 6.1.5.1 Funktion und Arbeitsweise Wellenausrichten ist im Grunde ein komplexer Prozess mit einer ganzen Reihe vielfältiger Auf‐ gabenstellungen. Das hat die Entwicklung menügeführter Ausrichtsysteme für den praktischen Einsatz geradezu erfordert. Solche Systeme sind zwischenzeitlich für praktisch alle Wellenaus‐ richtungsaufgaben einsetzbar, unabhängig von Komplexität oder Baugröße der Anlagen und der Anzahl der miteinander gekuppelten Wellenstränge. Die Handhabung moderner Laser-Ausrichtgeräte ist nach etwas Übung einfach und weitgehend sicher gegen Fehlbedienung. Die Ausrichtung erfolgt grundsätzlich an achsenparallel verlaufen‐ den Laserstrahlen. Die Montage der Sensoren, bevorzugt direkt auf der Welle, ist problemlos. Anmerkung: Die Parallelausrichtung von Antriebs- und Abtriebswelle bei Kardanverbin‐ dungen ist ein wichtiges Kriterium für den Gleichlauf. Mehr dazu folgt noch in Abschnitt 7.13.1.1, siehe speziell Bild 7.56. Einen imposanten Einblick in die Praxis des Ausrichtens von Kardanwellen kann Bild 6.12 vermitteln. 456 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="457"?> Vorteile laseroptischer Ausrichtverfahren Handhabung Präzise Ausrichtung ohne zusätzliche Eingaben und Berechnungen. Es sind nur die Dimensionen und Ausrichtspezifikationen einzugeben Montage Keine komplizierten mechanischen Befestigungen erforderlich Durchbiegung der Messuhrenhalterung muss nicht berücksichtigt werden Universelle Halterungen und Spannvorrichtungen für viele Anwendungen verfügbar Keine spezielle Halterung für lange Wellen erforderlich Demontage von Kupplungen für Durchführung einer Ausrichtung nur selten erforderlich Bedienerführung Grafische Anzeige der Ausrichtergebnisse an den Kraftübertragungsebenen der Kupplung sowie der Unterleg- und Verschiebekorrekturen an den Maschinenfüßen Messung Keine beschränkte Ermittlung von Messwerten nur an bestimmten Positionen wie 12: 00, 3: 00, 6: 00 oder 9: 00 Uhr Ermittlung von Ergebnissen bereits bei weniger als 90 Grad Wellendrehung Datenspeicherung und Ausdruck von Ergebnissen zur Erstellung eines Berichts über den Ausrichtzustand Echtzeitanzeige bei Ausrichtkorrekturen in vertikaler und in horizontaler Richtung Auswertung Toleranztabellen und Ausrichtstandards sind integriert Zertifizierung Zertifizierte und normenkonforme Kalibrierung Tabelle 6.9: Vorteile laseroptischer Verfahren Bild 6.12: Kardanwellenausrichten an einem Papiermaschinenantrieb (links mit und rechts ohne montierte Kardan‐ welle) 6.1.5.2 Die Vorteile laseroptischer Verfahren Die Fehlerquellen und Einschränkungen von visuellen Ausrichtungsmethoden und Messuhren‐ verfahren treten bei laseroptischen Verfahren nicht mehr auf, was eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt, wie in Tabelle 6.9 zusammengestellt. 457 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="458"?> Eigenschaften laseroptischer Systeme Kommentar Zertifizierbarkeit ISO 9001 Hohe Präzision und Reproduzierbarkeit Geringer Messaufwand Robust, wasserdicht, stoßfest und staubgeschützt IP65 (staubdicht und spritzwassergeschützt) IP67 (staubdicht und zeitweiliges Untertauchen) Resume-Funktion zum Fortsetzen einer Messung Fortsetzung unterbrochener Messungen Funktion zur Erweiterung des Messbereichs Auch für extreme Aufgabenstellungen Austauschbare statische Füße Handhabbarkeit und Flexibilität Halterungssortiment Toleranzprüfung (TolCheck) Integrierte Toleranzen, automatische Prüfung Direktes Reporting Berichterstattung direkt aus dem Gerät Tabelle 6.10: Herausragende Eigenschaften laseroptischer Ausrichtsysteme 6.1.5.3 Eigenschaften laseroptischer Ausrichtsysteme Laseroptische Systeme weisen eine Reihe besonderer Eigenschaften auf, die in Tabelle 6.10 aufgelistet sind. Diese Eigenschaften spiegeln sich nicht nur in einer erhöhten Ausrichtqualität und Zuverlässigkeit wider, der Zeitaufwand zum Wellenausrichten wird erheblich reduziert. Erwähnt sei an dieser Stelle auch, dass die neu erschienene Richtlinie VDI 2526, Ausrichten an Getrieben, sogar FMEA-basiert, empfiehlt, um über eine bessere Erkennbarkeit und Entdeckbarkeit die besonderen Eigenschaften von Laserausrichttechniken zu nutzen, um die Risikoprioritätszahl zu minimieren. Anmerkung: Der FMEA ist eigens der Hauptabschnitt 14 in diesem Buch gewidmet. 6.1.5.4 Grundlegende Funktionsprinzipien von Lasersystemen Es gibt zwei grundlegende Arten von laseroptischen Ausrichtsystemen bzw. Ausrichtverfahren, das Ein-Laser-System und das Zwei-Laser-System. Ein-Laser-Systeme sind im Vergleich universeller in der Anwendung und auch bei einigen Anwendungen genauer als Zwei-Laser-Systeme. Die Beschreibung wird daher hier auf erstere fokussiert, eine Erweiterung ist mit den vermittelten Kenntnissen ohne Schwierigkeit möglich. Zunächst zeigt Bild 6.13 das Prinzip. Typisch auf den ersten Blick: Als Sender wird nur ein Laser eingesetzt, der Empfänger ist mit zwei in Strahlrichtung versetzten Sensorelementen bestückt. Der Laserstrahl, montiert auf einen der beiden auszurichtenden Wellen, gelangt achsenparallel zu dem auf Welle 2 montierten Empfänger mit den beiden versetzten Zielsensoren. Die Konfigu‐ ration unterstützt das Ausrichten in allen vier Freiheitsgraden - horizontal und vertikal, jeweils Verschiebung und Winkellage. Ein weiterer korrigierbarer Freiheitsgrad ist die gegenseitige Verdrehung der Achsen. Anmerkung: Mit einem Ein-Laser-System wäre ein einzelner Zielsensor zum Erfassen der Fehler aller vier Achsen nicht ausreichend, da mit lediglich einem Sensor an der Zielposition 458 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="459"?> Eigenschaft Kommentar Funktion zur Messbereichserweiterung Einbindung großer Fehlausrichtungen Ausrichten über große Distanzen Separate Ausrichtung Ausrichten ohne montierte Zwischenwelle oder Kupplung Separate Drehung jeder Maschine Ein-Kabel-Technik Vorteilhaft besonders bei langen Zwischenwellen Vereinfachtes Einrichten Nur ein Laser einzustellen Tabelle 6.11: Vorteile eines Ein-Laser-Ausrichtsystems nur zwei Achsen (vertikaler und horizontaler Versatz) erfassbar sind (wie beim Ziffernblatt einer Uhr). Alternativ werden deshalb auch Zwei-Laser-Systeme eingesetzt (zum Teil auch aus patentrechtlichen Gründen). Bild 6.13: Prinzip des Ein-Laser-Verfahrens - ähnlich dem Doppelradialverfahren Vorteile und Funktionalität von Ein-Laser-Ausrichtsystemen sind in Tabelle 6.11 und Tabelle 6.12 zusammengefasst. Zum Einsatz in sensibler Umgebung werden Wellenausrichtsysteme auch in ex-geschützter Aus‐ führung angeboten, Beispiele zeigt Bild 6.14. 459 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="460"?> Modernes Ein-Laser-Ausrichtsystem Kommentar Tablet-ähnlicher kapazitiver Touchscreen mit 3D-Display Extrem robuste Ausführung durch verstärkten Glasbildschirm und stabiles Gehäuse Hohe Messqualität mit intelliSWEEP Ausschalten von Störfaktoren wie Kupplungsversatz oder externe Schwingungen Live Move mit akustischem Assistenten Simultanes Ausrichten von Maschinen mit zu 6 gekuppelten Wellen Sprachsteuerung Für freihändige Bedienung Integrierte mobile Konnektivität RFID, Wifi, Bluetooth und integrierte Kamera Cloud-Speicher mit Ausrichtsoftware Informationen lassen sich damit innerhalb des Teams austauschen Live Trend Zur kontinuierlichen Überwachung der relativen Positionsveränderung von Maschinen während des Betriebs Prüfung der Schwingungskennwerte Schwingungszustand nach Inbetriebnahme messbar Messfunktionen intelliPASS und intelliPOINT Für entkoppelte Wellen Quality Faktor Ermittelt Datenqualität in Echtzeit Move Simulator Simulation der ausgerichteten Maschine Tabelle 6.12: Funktionalität derzeitiger laseroptischer Ausrichtsysteme Bild 6.14: Ex-geschütztes Wellenausrichtsystem (Quelle: Fluke Deutschland GmbH) 6.1.6 Toleranzen für das Ausrichten von Wellen Toleranzangaben für die Wellenausrichtung erfolgen in der Regel über Vorgaben zum Parallel‐ versatz und zum Winkelversatz für kurze Kupplungen. Eine unabhängige Norm über zulässige Ausrichtgrade gibt es erst seit 2018 mit dem amerikanischen Standard ANSI/ ASA S 2.75. Dieser Standard normt auch Vorzeichenkonventionen. Die normgerechten Konventionen sind in Bild 6.15 veranschaulicht (mit Blickrichtung von der auszurichtenden Maschine zur feststehenden Maschine). 460 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="461"?> Anmerkung: Allerdings gibt es am Markt auch laserbasierte Systeme, die sich nicht an diese Vorzeichenkonvention halten, was Interpretationen und Vergleiche sehr erschwert und sogar zu Fehlkorrekturen führen kann. Bild 6.15: Vorzeichenkonvention beim Wellenausrichten In Bild 6.16 sind am Beispiel von einfachen Wellenkupplungen die genormten Zahlenwerte für Ausrichtgüten grafisch veranschaulicht, die Anwendung wird dort anhand von zwei Beispielen erläutert. 461 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="462"?> Bild 6.16: ANSI/ ASA S2.75 Standard für das Wellenausrichten (einfache Kupplung) Im Standard werden folgenden Ausrichtgüten als Ausrichtlevel AL definiert: ● AL4.5 (Minimal) ● AL2.2 (Standard) ● AL1.2 (Präzision) Anmerkung: Klasse AL1.2, das Präzisionsausrichten, ist nur mit laseroptischer Ausricht‐ technik erreichbar. Die Anforderungen an die erforderliche Ausrichtgüte sind weitgehend durch den verwendeten Kupplungstyp, das Lagerspiel und den Maschinentyp gegeben. Es ist jedoch nicht Aufgabe des Komponentenherstellers, sondern Aufgabe des Maschinen- oder Anlagenherstellers, diese Anforderungen festzulegen und zu quantifizieren. Sind keine Angaben des Maschinen- oder Anlagenherstellers vorhanden, sollte man ihn zuerst kontaktieren. Für Kupplungen mit Spacer sind die jeweiligen Werte in Bild 6.17 zusammengefasst und ebenso beispielhaft erläutert. 462 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="463"?> Bild 6.17: ANSI/ ASA S2.75 Standard für das Wellenausrichten (Spacer-Kupplung) 6.1.7 Axiale Fehlausrichtung Bei der Betrachtung des Wellenausrichtens miteinander gekuppelter Maschinen ist auch auf die axiale Ausrichtung der Maschinen zueinander zu achten. In der Regel definiert der Kupplungshersteller und Anlagenprojektant, wie hoch der Abstand oder Kupplungsspalt zwischen den miteinander zu kuppelnden Maschinen sein soll. Dies zu berücksichtigen ist zum Beispiel bei gleitgelagerten Motoren ohne Axiallager besonders wichtig, da durch eine axiale Fehlausrichtung der Rotor aus der magnetischen Mitte des Statorfeldes kommt, was erhöhte Schwingungsbeanspruchungen nach sich zieht. Ein Beispiel beschreibt Bild 6.18. Links ist die Maschine mit zusätzlich montierten Messeinrich‐ tungen gezeigt. Daneben sind axial gemessene Maschinenschwingungen vor und nach der axialen Ausrichtkorrektur dargestellt. Aus dem Vergleich der beiden Schwingkennwertaufzeichnungen lässt sich entnehmen, wie die axialen Zwänge links sogar noch zu zusätzlichen überlagerten Schwingungsschwankungen führten. Die rechte Darstellung zeigt die amplitudenmäßig redu‐ zierten RMS-Schwinggeschwindigkeitskennwerte und die reduzierten Schwingungsschwankun‐ gen nach der axialen Ausrichtkorrektur. Erkannt wurde die axiale Fehlausrichtung bei einer Schwingungsanalyse vor Ort. Der rote Wellenzeiger (links) und die herstellerseitige Nut in der Motorwelle hatten nicht übereinander gelegen. 463 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="464"?> Bild 6.18: Zusatzschwingungen zufolge axialer Fehlausrichtung vor und nach der Korrektur 6.1.8 Störeffekte beim Wellenausrichten Beim Wellenausrichten ist auch eine Reihe von Störeffekten zu berücksichtigen, die unter diesem Punkt zusammengefasst sind. 6.1.8.1 Thermische Ausdehnung Bisher wurde nur die Wellenausrichtung von rotierenden Maschinen im kalten Zustand betrach‐ tet. Bei größeren und schnell drehenden Aggregaten und Anlagen, bei denen zum Beispiel eine Anlagenkomponente bei höheren Temperaturen betrieben wird, müssen auch die Auswirkungen der Wärmedehnung auf den Ausrichtungszustand berücksichtigt werden. Es hat dann wenig Zweck, ein Aggregat lediglich in kaltem Zustand genau auszurichten, wenn sich dieser Zustand unter normalen Betriebsbedingungen wieder verändert. Falls Richtung und Ausmaß des Wachstums bekannt sind, sollten die Maschinen in kaltem Zustand definiert fehlausgerichtet werden, so dass sie später in die richtige Ausrichtung hinein‐ wachsen und für den normalen Betrieb korrekt ausgerichtet sind. Bild 6.19: Vierer-Maschinenzug bestehend aus Vorpumpe, Getriebe, Turbine und Hauptpumpe Maschinenhersteller sollten in der Lage sein, Informationen sowohl zur thermischen Ausdehnung als auch zu weiteren Verlagerungen quantitativ bereitzustellen. Die Abschätzung oder Berechnung der tatsächlichen Veränderung der Ausrichtungsposition ist jedoch keine einfache Aufgabe. Bei komplexen Maschinensystemen mit mehreren Maschi‐ nenkomponenten wie in Bild 6.19, von denen jede Komponente unterschiedliche Temperaturgra‐ dienten aufweist, können sich einfache Berechnungen des thermischen Wachstums als äußerst 464 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="465"?> Einflussfaktoren Thermische Ausdehnung der Lagergehäuse Veränderung der radialen oder axialen Kräfte Eigengewicht und Durchhang von Maschinensträngen Veränderung der Ölfilmdicke in den Lagern Veränderung im Fundament oder in der Grundplattenauflage Änderungen der Kräfte angeschlossener Rohre und Leitungen Tabelle 6.13: Einflussfaktoren auf die Ausrichtgenauigkeit komplex erweisen. In solchen Fällen werden Online-Verlagerungsmessungen an den jeweiligen Maschinenbauteilen (zum Beispiel an Gehäusen, Wellen, Kupplungen) sinnvoller. Spezielle laseroptische Ausrichtsysteme sind sogar für den Dauerbetrieb unter schwierigen Bedingungen ausgelegt. Manchmal bedeutet bereits die Montage des Gerätes an einer Turbine oder einem Kompressor mit Betriebstemperaturen über 300 °C, dass das Messsystem gekühlt werden muss, um Schäden oder fehlerhaft ermittelte thermische Wachstumswerte zu vermeiden. 6.1.8.2 Weitere Störeffekte Thermische Ausdehnung ist nicht die alleinige Ursache für Veränderungen der Maschinenposition und damit des Ausrichtzustands im Betrieb. In Tabelle 6.13 sind noch weitere solcher Einfluss‐ größen zusammengestellt. Betrachtet man speziell Triebstränge auf Windenergieanlagen, sind auch Nachgiebigkeiten, Gewichtseinflüsse, Lose und maschinenbezogene Zwänge als besondere Störeffekte auf die Wellenausrichtung zu berücksichtigen. Bild 6.20 veranschaulicht einige Einflussfaktoren und mögliche Auswirkungen auf Triebstrangkomponenten. Zusätzlich wirken während des Betriebes der Windenergieanlage noch kinematische Einflüsse, die ebenso die Stillstandsausrichtung beeinflussen. Führt man regelmäßige und dokumentierte Ausrichtkontrollen zum Beispiel im Rahmen eines Flottenmanagements durch, lassen sich sogar folgende weitere Einflüsse erkennen: ● Qualitätsabweichungen ● Unpräzise Installation ● Verschleiß ● Materialermüdung ● Absinken von Maschinen oder Maschinenteilen ● Spiel, Risse und eventuelle Kollisionen 465 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="466"?> Bild 6.20: Verschiedene Einflussfaktoren auf Ausrichtzustände bei Windenergieanlagen Betriebsweisen oberhalb oder unterhalb der kritischen Drehzahlen können ebenfalls Ausricht‐ zustände beeinflussen. Bild 6.21 veranschaulicht, wie diese Einflüsse beim Kaltausrichten zu berücksichtigen sind. Eine sehr lange biegsame Welle wird bei unterkritischer Drehzahl gebogen bleiben und muss deshalb zur Zwischenkupplung hin ausgerichtet werden. Beim überkritischen Betrieb richtet man die Maschinenkomponenten zueinander ohne Berücksichtigung der Zwi‐ schenwelle aus. Bild 6.21: Ausrichten im unter- und im überkritischen Betrieb 466 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="467"?> 6.1.9 Ermitteln der Ausricht-Vorgabewerte einer Dampfturbine - ein Beispiel Um eine Dampfturbinenanlage optimal ausrichten zu können, ist es notwendig, ihr thermisches Wachstum exakt zu kennen und beim Wellenausrichten unbedingt zu berücksichtigen. Erst dann kann ein schwingungsarmer Lauf und eine hohe Lebensdauer der Komponenten gewährleistet werden. Bei besonders betriebskritischen Turbinenanlagen könnte sogar eine Online-Dauerüber‐ wachung des Ausrichtzustandes sinnvoll werden, um frühzeitig unerwünschte Fundament- oder Anlagensetzungen zu erkennen. Im hier beschriebenen Beispiel traten wiederholt Lagerschäden an einem Maschinenzug - be‐ stehend aus einer Dampfturbine, zwei Kompressoren (HP, LP) und einem Expander (Bild 6.19) auf. Erhöhte Schwingungswerte ließen auf eine fehlerhafte Ausrichtung infolge unberücksichtigter thermischer Wachstumswerte schließen. Eine anspruchsvolle Aufgabenstellung für Messsystem und Service Team. Bei laufender Anlage wurde das Messsystem mit stabilen Halterungen installiert (Bild 6.22) und die Messungen gestartet. Dann wurde die Anlage heruntergefahren und abgestellt. Mit den Messdaten, die während dieser Zeit aufgezeichnet wurden, konnten optimale Ausrichtvor‐ gabewerte ermittelt werden. Im Stillstand wurde der Maschinenzug neu ausgerichtet. Beim anschließenden Anfahren blieb die Sensorik noch montiert, wodurch die Verlagerungen mit den Erwartungswerten verglichen werden konnten. Bild 6.22: Montage von PERMALIGN® mit Dachkantprisma Das Ergebnis Durch die Ausrichtung mit Ausrichtvorgaben, die das thermische Wachstum berücksichtigen, konnten nach Erreichen der Betriebstemperatur reduzierte Schwingungswerte erreicht werden. Der Betreiber hat damit einen hinsichtlich des thermischen Wachstums optimiert ausgerichteten Maschinenzug bekommen. 467 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="468"?> Bild 6.24: Ausrichtung der Lagegenauigkeit von Bohrun‐ gen 6.1.10 Weitere Ausrichtverfahren Neben der Fluchtung der Wellenachsen von miteinander gekuppelten Maschinensträngen umfasst Ausrichten noch weitere Messverfahren und Korrekturmaßnahmen, mit denen sich dieser Abschnitt beschäftigt. Genannt seien Ausrichtverfahren beispielsweise zur ● Verbesserung der inneren Ausrichtung von Maschinen und Anlagen, ● Verbesserung von Grundrahmenausrichtungen, ● Verbesserung von axialen Parallelitäten sowie zur ● Verbesserung der Ausrichtgüte von Riementrieben. 6.1.10.1 Lagegenauigkeiten von Lagergassen und Achslagen messen und korrigieren Innere Ausrichtfehler entstehen, wenn Achslagen (Bohrungen, Lagerschalen) zueinander nicht fluchten, oder Wellenmittellinien nicht bestimmungsgemäß verlaufen. Mehrfach gelagerte Ma‐ schinen verlangen mit zunehmender Leistungsdichte und steigenden Drehzahlen sogar noch höhere interne und externe Achslagegenauigkeiten, die dann auch zu gewährleisten sind. Klassische Methoden wie die Klaviersaitenmethode (Bild 6.23) sind hier nicht mehr ausreichend. Bild 6.23: Klaviersaitenmethode Innere Achslagen lassen sich effizient verbessern, wenn Bohrungen mittels Laserstrahl zueinander ausgerichtet oder Lagergassen anforderungsgerecht innerhalb der Toleranzen montiert werden. Bild 6.25 zeigt das Foto eines Generators bei einer solchen Lagergassenvermessung mit ei‐ nem CENTRALIGN-Messsystem. Erkennbar sind auch die in der Bohrung drehbaren Hal‐ terungen für das Laserausrichtsystem, um entsprechende Wellenmittelpunkte zu messen und zur Ausrichtkorrektur zu nutzen. Solche laserbasierten Ausrichtungen sind wesentlich genauer als die klassische Klaviersaiten-Me‐ thode und man ist deutlich schneller als mit der Kalibrierwellen-Methode. 468 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="469"?> Bild 6.25: Messen und Erstellen einer korrekten inneren Ausrichtung in einem Turbogenerator Toleranzklasse Gradheits- und Ebenheitstoleranzen nomineller Längen in Millimetern bis zu 10 von 10 bis zu 30 von 30 bis zu 100 von 100 bis zu 300 von 300 bis zu 1000 von 1000 bis zu 3000 Allgemeine Gradheits- und Ebenheitstoleranzen nomineller Längen in Millimetern H 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 K 0,05 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 L 0,1 0,2 0,4 0,8 1,2 1,6 Tabelle 6.14: Geradheits- und Ebenheitstoleranzen nach ISO 2768-2 6.1.10.2 Formabweichungen von Bauteilen messen und korrigieren Formabweichungen sind beispielsweise Ab‐ weichungen in den Gradheiten und Ebenhei‐ ten bei Grundrahmen oder Gehäuseteilfugen. Vorgegebene Formabweichungen einzuhalten ist in vielen Fertigungsbereichen maßgebend für eine einwandfreie Funktion, Produktquali‐ tät und für ein ordnungsgemäßes Laufverhal‐ ten von rotierenden Maschinen. Schon relativ einfache laserbasierte Mess- und Prüftechni‐ ken erlauben es, Gradheiten und Ebenheiten mit einer Auflösung von besser als 0,02 mm zu vermessen. Tabelle 6.14 zeigt entsprechende Toleranzklassen und Toleranzwerte nach DIN ISO 2768-2, Allgemeintoleranzen; Toleranzen für Form und Lage ohne einzelne Toleranzeintragung. Bild 6.26 zeigt das Prinzip einer derartigen Messeinrichtung mit einstellbarem, horizontal oder vertikal rotierendem Laserstrahl beim Vermessen eines Grundrahmens. Auf Basis der Messer‐ gebnisse genügte es bei dieser Anwendung, die Grundrahmenfehler durch Unterfüttern mit Ausrichtblechen zu korrigieren. Man erreichte damit nach dem Aufsetzen des Kompressors ein schwingungsarmes Laufverhalten. Form- und Lageabweichungen lassen sich auch mit Lasertrackern vermessen. Dabei handelt es sich um 3D-Messgeräte, bei denen ein Laserstrahl einem Reflektor automatisch folgt. Damit lassen sich die dreidimensionalen Koordinaten großer Strukturen bei Objekten mit Sichtverbindung schnell und zuverlässig bestimmen. Nur die Bewertung kann manchmal beim Einsatz von Lasertrackern aufwändig werden. Weitere Beispiele für den Einsatz sind die Langzeitkontrolle von Fundamentsetzungen, die Bestimmung absoluter Lagekoordinaten oder der Abgleich mit CAD-Daten. 469 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="470"?> Bild 6.26: Vermessen und korrektes Einstellen eines Kompressor-Grundrahmens 6.1.10.3 Parallelitäten messen und korrigieren Parallelitäten können beispielsweise wichtig bei Führungsbahnen sein. Bei Produktionsanlagen mit rotierenden Walzensystemen sind Walzenparallelitäten sogar entscheidend für Verfügbarkeit, Produktionsleistung und für die Produktqualität. In Tabelle 6.15 findet man eine Zusammenstel‐ lung von bewährten Toleranzvorgaben für die Walzenausrichtung in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung. Werden diese Genauigkeiten erreicht, schont das beispielsweise in der Papierherstellung nicht nur Filze und zugehörige Walzenbeschichtungen, es erhöht auch die Prozesssicherheit der gesamten Produktionsanlage und verbessert noch dazu die Produktqualität. Mit ruhigem Gewissen lassen sich jetzt Durchsätze durch Erhöhen der Produktionsgeschwindigkeiten steigern. Bei den hohen Genauigkeitsanforderungen ist allerdings eine sehr genaue, schnell arbeitende und wegen der begrenzten Begehbarkeit ohne Sichtverbindung funktionierende Ausrichtmesstechnik erforderlich. Ein inertiales Ausrichtungssystem für solche Parallelitätsmessungen zeigt Bild 6.27. Es basiert auf Laser-Rotationskreiseln, wie sie in der Luftfahrt oder zur Navigation von U-Booten eingesetzt werden. Messungen von Abweichungen in der Parallelität von Walzen sind damit ohne Sichtver‐ bindung über große Distanzen, auch über mehrere Etagen oder für getrennte Hallen möglich. Bild 6.28 demonstriert die Anwendung. Als besonderer Vorteil gilt, dass mit diesem System die Korrekturwerte unmittelbar nach der Messung automatisch ermittelt werden, sodass die Kor‐ rektheit der Ausführung sofort an Ort und Stelle überprüfbar ist. Auch frühere Messergebnisse lassen sich einlesen zum Vergleich, ob unerwünschte Veränderungen in Anlagenkomponenten oder Setzungen aufgetreten sind - auch über Jahre hinweg. 470 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="471"?> Papierindustrie 1 Absolute Werte Winkel für 2 m Walzenlänge Winkel für 10 m Walzenlänge Filz- und Siebleitwalzen ± 1,00 mm ± 0,50 mm ± 0,10 mm Papierführende Walzen ± 0,50 mm ± 0,25 mm ± 0,05 mm Converting Industrie 2 Absolute Werte Winkel für 2 m Walzenlänge Winkel für 4 m Walzenlänge Kaschierung, Druck ± 0,20 mm ± 0,10 mm Extrusion ± 0,50 mm ± 0,25 mm ± 0,05 mm Stahlindustrie 2 Absolute Werte Winkel für 1 m Walzenlänge Winkel für 2 m Walzenlänge Walzwerke ± 0,20 mm ± 0,20 mm ± 0,10 mm Fördersysteme ± 0,50 mm ± 0,50 mm ± 0,25 mm 1 einzelne Walzen können engere Toleranzen erfordern 2 PARALIGN erreicht bei entsprechenden Voraussetzungen eine Genauigkeit ≤ 0,05 mm/ m Tabelle 6.15: Toleranzen für das Walzenausrichten Bild 6.27: Inertiales Ausrichtsystem für Parallelitäten - Bezugssystem ist der Erdmittelpunkt 471 6.1 Ausrichten von Wellen und Maschinenkomponenten <?page no="472"?> Bild 6.28: Erfassen der Walzenparallelitäten mit einem PARALIGN-Messsystem 6.1.10.4 Messen und Korrigieren von Nivellierung, Neigung und Lotrechtigkeit Durch Erstellen bestimmungsgemäßer Nivellierung, Neigung und Lotrechtigkeit lässt sich die Performance von Maschinen und Anlagen erhöhen. Sehr einfache einschlägige Methoden sind zum Beispiel die Schlauchwasserwaage oder die Klaviersaitenmethode. Ein wesentlich empfindlicheres Messsystem namens INCLINEO ist in Bild 6.29 in verschiede‐ nen Einsätzen zu sehen. Es ist für industrielle Anwendungen konzipiert. Man kann damit sehr schnell und zielsicher neben Gradheiten auch Neigungen und Lotrechtigkeiten messen sowie die ausgeführten Korrekturen kontrollieren. Die Messungen erfolgen zueinander relativ, mit Hilfe der Umschlagmethode können auch Absolutmessungen durchgeführt werden. In den meisten Fällen werden Ebenheits- und Nivellierungsmessungen in einem durchgeführt. Lotrechtigkeitsmessungen sind bei vertikalen Maschinen und Anlagen von besonderer Be‐ deutung. Ein typischer Anwendungsfall ist die Überprüfung der Lotrechtigkeit bei vertikalen Wasserturbinen. 472 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="473"?> Bild 6.29: Ausrichtsystem INCLINEO für Neigung, Ebenheit und Rechtwinkligkeit 6.1.10.5 Vermessen und Ausrichten von Riemenscheiben Zur Schonung von Riemen, Wälzlagern und Dichtungen ist eine korrekte Ausrichtung von Riemenscheiben erforderlich. Das Ausrichten kann über spezielle, ebenfalls laserbasierte Systeme erfolgen (Bild 6.30). Korrekturen werden entweder iterativ oder online durch Beobachten der Veränderungen durchgeführt, wie in Bild 6.30 dargestellt. Bild 6.30: Ausrichten von Riemenscheiben 6.2 Betriebswuchten Als Unwucht bezeichnet man eine unsymmetrische Massenverteilung wie zum Beispiel Exzentrizität des Schwerpunkts bei einem Rotor - der Schwerpunkt liegt also nicht auf der Drehachse. Von den Grundlagen her wurde diese Thematik schon in Abschnitt 5.8 behandelt. Unwucht 473 6.2 Betriebswuchten <?page no="474"?> Rotortyp Methode Ziel Starrer Rotor Einebenen-Wuchten Beseitigung der Exzentrizität Zweiebenen-Wuchten Hauptachsenkorrektur Nachgiebiger Rotor (unterkritisch) Mehrebenen-Wuchten Kompensation der Biegung Wellenelastischer Rotor (überkritisch) Modales Wuchten Tabelle 6.16: Methodik des Wuchtens kann Ursache starker Schwingungen sein. Die Beseitigung von Unwucht durch am Rotor anzubringende Ausgleichsmassen nennt man Auswuchten oder kurz Wuchten. Es gibt jedoch außer der Massenverteilung noch eine Reihe anderer Fehler, die ebenfalls zu drehfrequenten Kräften führen und die durch Wuchten kompensierbar sind, zum Beispiel thermischen oder elektromagnetischen Ursprungs. Auch diese Phänomene werden unter dem Begriff der Unwucht geführt (siehe dazu Tabelle 12.19 in Abschnitt 12.5.2.2). 6.2.1 Methodik des Wuchtens Das Wuchten reicht von der Beseitigung einer Massenunwucht auf Basis eines einfachen Auspen‐ delns des auf horizontalen Schneiden gelagerten Rotors bis hin zum hochkomplexen Wuchten wellenelastischer Rotoren in einer Vakuumkammer. Ein Rotor lässt sich auf einer Wuchtmaschine oder in seinem funktionellen Einbauzustand wuchten. Letzteres wird als Betriebswuchten bezeich‐ net und fällt in den Zuständigkeitsbereich der Instandhaltung. Ein Überblick über die entsprechende Methodik ist zunächst in Tabelle 6.16 gegeben. Dabei wird zusätzlich noch zwischen einem nachgiebigen und einem wellenelastischen Rotor unterschieden, was sich auf die Rotordrehzahl in Relation zur niedrigsten Biegeeigenfrequenz (unterkritisch bzw. überkritisch) bezieht. Für die allgemeine Instandhaltung ist hauptsächlich das Betriebswuchten starrer Rotoren von Interesse, entsprechend beschränken sich im Umfang auch die Ausführungen dieses Buches. Das Wuchten wellenelastischer Rotoren wird zwar angeschnitten, erfordert jedoch ein hohes Maß an Spezialwissen und einschlägige Erfahrungen, welches man in der Regel beim Maschinenhersteller suchen sollte. 6.2.2 Begriffe Unwucht kann allein massengeometrisch begründet sein, sie kann aber auch erst im Betrieb infolge von Verformungen oder Verlagerungen entstehen. Man unterscheidet deshalb neben der Massenunwucht weiter zwischen thermischer, hydraulischer, aerodynamischer und elektro‐ magnetischer Unwucht. Auf diese Unterscheidungen wird noch an entsprechender Stelle in Abschnitt 12 eingegangen, für den Vorgang des Betriebswuchtens sind sie hier ohne Bedeutung. Die Erscheinungsformen der Unwucht starrer Rotoren wurden bereits in Abschnitt 5.8 vor‐ gestellt. Jetzt wird hier das Thema Betriebswuchten als korrektive und als präventive Korrektur‐ maßnahme, zuerst für starre Rotoren, danach (eher andeutungsweise) für elastische Rotoren behandelt. Als Referenz wurden bereits in Bild 5.21 sowohl für den starren Rotor als auch für den elastischen Rotor die beiden Unwuchtsituationen für den einfachsten Fall dargestellt, die statische 474 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="475"?> Bild 6.31: Modell eines starren Rotors mit nachgiebiger Lagerung Unwucht mit einer Exzentrizität des Schwerpunkts. Egal ob man Gehäuseschwingungen oder Wellenschwingungen misst, es ergeben sich signifikante Ergebnisse. 6.2.3 Betriebswuchten starrer Rotoren Auswuchten ist nach ISO 21940-1 (Zitat) ein Vorgang, durch den die Masseverteilung eines Rotors geprüft und, wenn nötig, korrigiert wird, um sicherzustellen, dass die Restunwucht oder die drehfrequenten Schwingungen der Lagerzapfen und die Lagerkräfte bei Betriebsdrehzahl in festgelegten Grenzen liegen. Diese Definition beinhaltet einige wichtige Aussagen: Wuchten ist nur bis zu einer bestimm‐ ten Wuchtgüte sinnvoll oder überhaupt möglich. Man wird immer eine gewisse verbleibende Unwucht, die Restunwucht, zu akzeptieren haben, die konstruktionsbedingt auftreten wird, auch wenn das Wuchten im Augenblick über diesen Bereich hinaus geht. Andererseits sollte im Sinne des präventiven Gedankens der Wuchtzustand immer so gut wie möglich gehalten werden. Man spricht in diesem Fall auch vom Feinwuchten. Bei Unwucht eines starren Rotors unterscheiden sich Schwerachse und Drehachse, der Rotor verhält sich über den gesamten Betriebsdrehzahlbereich starr. Gewisse Zusatzbeeinflussungen können durch Nachgiebigkeiten (zum Beispiel aus den Lagerungen) wirken wie in Bild 6.31 veran‐ schaulicht. Deshalb ist im Rahmen des Instandhaltungsmanagements sinnvoll zu berücksichtigen, dass ein Betriebswuchten bei Betriebsdrehzahlen sogar zielführender ist als ein Wuchten nur auf der Wuchtmaschine. Anmerkung: Erwähnt sei an dieser Stelle, dass die gewählte Wuchtdrehzahl auf der Wuchtmaschine nicht mit der Betriebsdrehzahl übereinstimmen muss. Das Auswuchten von Rotoren ist im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau Stand der Technik. Die erforderlichen Wuchtgüten sind für viele Maschinentypen in der Normenreihe ISO 21940 maschinenspezifisch definiert. Wuchtgüten beim Betriebswuchten direkt quantitativ auszuwei‐ sen erfordert jedoch eindeutige Angaben zur Rotorgesamtmasse, die oft nicht verfügbar sind. Alternativ werden deshalb beim Betriebswuchten die Schwinggeschwindigkeitsgrenzen nach DIN ISO 10816 oder die Wellenschwingungsgrenzen nach DIN ISO 7919 verwendet. Das Betriebs‐ wuchten war erfolgreich, wenn die dort festgelegten „Grünwerte“ erreicht wurden. Betriebswuchten erfordert ein sehr präzises Messen von Drehzahl und Phasenlage der Unwuchtkomponente (= Drehfrequenz). Notwendig sind auch ausreichend lange Messzeiten. 475 6.2 Betriebswuchten <?page no="476"?> Dies stellt bei sehr hohen und sehr niedrigen Drehzahlen hohe Anforderungen an Sensorik und Messtechnik. Beim Betriebswuchten werden meist speziell ausgerüstete und konfigurierte Messgeräte eingesetzt, die eine Software zur Unterstützung des Wuchtvorgangs enthalten. Werden gut gewuchtete Maschinenkomponenten wieder demontiert und ohne Kennzeichnung neu montiert, können neue Unwuchten entstehen. Bei drehzahlvariablen Maschinen stellen Eigenfrequenzanregungen ein zusätzliches Risiko dar, da durch Resonanz Unwuchtschwingungen sich überproportional verstärken. Effiziente Abhilfe schafft in diesem Fall nur das sogenannte Präzisionswuchten. 6.2.3.1 Festlegung der erforderlichen Wuchtgüte Wuchtgüte Einen guten Auswuchtzustand kann man oft subjektiv an der Maschine fühlen oder, zum Beispiel in der Gondel einer WEA, sogar spüren. Quantitativ lässt sich die zulässige Restunwucht anhand von Nomogrammen der DIN ISO 21940 (früher ISO 1940) ablesen, siehe Bild 6.32. Das Nomogramm rechts im Bild zeigt das Nomogramm für allgemeine Maschinen im Drehzahlbereich 200 bis 10.000 U/ min. Das linke Nomogramm betrachtet langsam drehende Anlagen im Drehzahlbereich von 2 bis 100 U/ min. Diese Extrapolation bis auf Drehzahlen von 2/ min war erforderlich, da insbesondere WEA langsam drehen. Besonders gekennzeichnet wurde die Auswuchtgüte G16, die zum Beispiel für Propellerwellen gilt und mit der in Serviceeinsätzen auf Windenergieanlagen gute Erfahrungen beim Betriebswuchten von Rotorblättern gemacht wurden. Mit diesen Nomogrammen lässt sich auch abschätzen, wie hoch die Testgewichte sein sollten, ob das Anbringen von Zusatzgewichten bei WEA nahe zur Rotornabe sinnvoll ist oder ob Ausgleichsgewichte besser in den Rotorblättern in größerer Distanz zur Nabe anzubringen sind. Bild 6.32: Ableiten von Restunwuchten für langsam laufende und schneller laufenden Maschinen und Anlagen (in Anlehnung an DIN ISO 1940) 476 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="477"?> 6.2.3.2 Allgemeine Vorgehensweise beim Betriebswuchten Grundsätzlich gibt es entsprechend Bild 6.33 zwei Möglichkeiten, einen Rotor zu wuchten, nämlich ● Wuchten auf der Wuchtmaschine (Wuchtbank) oder ● Betriebswuchten direkt in der Anwendung. Zum Wuchten auf der Wuchtmaschine ist der Rotor aus- und nachher wieder einzubauen. Einflüsse der Lagerung werden dabei nicht erfasst. Beim Betriebswuchten wird der Rotor im eingebauten Zustand, also direkt in der Maschine in seiner Arbeitsposition ausgewuchtet. Das erfordert keinen Aus- und Einbau. Es vermeidet außerdem die Gefahr, dass der gewuchtete Rotor bei Transport und Wiedereinbau seine Wuchtgüte durch unsachgemäße Behandlung wieder einbüßt (und außerdem, sofern der Ausbau überhaupt möglich ist). Bild 6.33: Wuchten auf einer Wuchtbank (oben) und Betriebswuchten im Feld Zum Auswuchten werden zunächst am Rotor eine oder mehrere Ausgleichsebenen festgelegt, das sind Ebenen senkrecht zur Rotorachse, in denen Ausgleichsmassen anzubringen sind. Vorzugs‐ weise wird man Messpositionen an den Rotorlagern wählen, da dort der beste Störabstand der drehfrequenten Komponente zu erwarten ist (Störabstand = Differenz zu den übrigen Komponenten sowie zum Hintergrundgeräusch). Anmerkung: Rein theoretisch können die Messpunkte beliebig gewählt werden. Man könnte sogar an die Fensterscheiben der Maschinenhalle gehen. 477 6.2 Betriebswuchten Nachfolgend wird zuerst der einfachste Fall, das Auswuchten in einer Ebene behandelt. Diese Methode beschreibt die gesamte Methodik, also auch das Mehrebenenwuchten, ansatzweise sogar das Auswuchten wellenelastischer Rotoren. <?page no="478"?> 6.2.3.3 Auswuchten in einer Ebene Zunächst wird in diesem Abschnitt das Auswuchten in einer Ebene beschrieben. Es setzt einen scheibenförmigen Rotor voraus, der lediglich eine statische Unwucht aufweist (also Exzentrizität des Schwerpunkts) und keinerlei Momentenunwucht (keine schräg aufgezogenen Scheibe). Die zugehörigen schwingungstechnischen Phänomene wurden bereits in Abschnitt 5.8 ausführlich beschrieben und mit Skizzen hinterlegt. Das Einebenen-Wuchten zeigt das Prinzip des Betriebswuchtens in einfacher Klarheit. Das Auswuchten in mehreren Ebenen basiert auf dem gleichen Prinzip, es ist in seinem Ablauf jedoch etwas komplexer. Darauf wird dann aufbauend in den Folgeabschnitten eingegangen. Zurück zum Einebenen-Wuchten: Zur Vorbereitung ist auf der Rotorwelle eine Triggermarke, zum Beispiel eine optische Reflektormarke anzubringen, am besten möglichst nahe zu einer Passfeder oder einem ähnlichen Strukturelement. Der Drehimpulsgeber wird auf die Marke aus‐ gerichtet. Am Lagergehäuse ist ein geeigneter Beschleunigungssensor zu montieren, bevorzugt in horizontaler Messrichtung, möglichst nahe beim Drehimpulsgeber. Zunächst ist eine Diagnosemessung auszuführen, um im Frequenzspektrum zu prüfen, ob die Rotordrehfrequenz diskret und auch ausgeprägt erscheint. In diesem Fall kann sofort mit dem Wuchten begonnen werden. Ist dies nicht der Fall, liegt entweder keine Unwucht vor oder die Messstelle ist ungünstig gewählt - man sollte es an einer anderen Stelle versuchen. Bild 6.34: Sensoranordnung beim Betriebswuchten und angeschweißte Ausgleichsgewichte Bild 6.34 zeigt sehr anschaulich die Anordnung beim Betriebswuchten: Ein geöffneter Lüfter, montierte Schwingungsaufnehmer, ein installierter Drehzahl- und Phasengeber - und es sind bereits Ausgleichsgewichte am Laufrad angeschweißt. Falls möglich, sollten vor Beginn des Auswuchtens noch Auslaufspektren gemessen werden. Dazu werden die Frequenzspektren beim Herunterfahren der Maschine kontinuierlich erfasst und aufgezeichnet. Trägt man diese Spektren in Abhängigkeit der Drehzahl auf, erkennt man, bei welchen Drehzahlen gewuchtet werden kann, ohne störende Eigenschwingungen anzuregen. Im Beispiel von Bild 6.35 ist abzulesen, dass ein Betriebswuchten unterhalb von 4400 min -1 problemlos möglich ist. Würde man bei etwa 5500 min -1 versuchen zu wuchten, könnten wegen zusätzlich wirkender Resonanzeinflüsse Schwierigkeiten entstehen. Anmerkung: In der Umgebung von Resonanzstellen wird die Phase instabil. 478 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="479"?> 42 Das beschrieben Prozedere bezieht sich zwar auf ein bestimmtes Standardgerät (VIBXPERT), kann aber als typisch angesehen werden. Bild 6.35: Auslaufspektren vor dem Betriebswuchten Danach kann im Messgerät der Auswucht-Modus gestartet werden. Die verwendete Messgröße, die Rotormassen, Auswuchtradien und die gewünschte Wuchtgüte werden eingegeben 42 . An‐ schließend kann das eigentliche Betriebswuchten beginnen, wobei folgende Schritte durchlaufen werden: Schritt 1: Ermitteln der Urunwucht Zuerst wird die sogenannte Urunwucht, der Ausgangszustand, gemessen. Als Urunwucht be‐ zeichnet man diejenige Unwucht, die im gesamten Rotor vor dem Auswuchten vorhanden ist. Repräsentant sind die Schwingungswerte (Betrag und Phase) in diesem Zustand. Schritt 2: Ermitteln der Testmasse und Messen ihrer Auswirkung Zur Ermittlung der Einflusszahlen (= Sensitivität) ist zunächst eine Testmasse bekannter Größe in der Ausgleichsebene zu montieren. Die erforderliche Testmasse wird aus den eingegebenen Daten und der Erstmessung ermittelt. Das Setzen (oder Reduzieren) der Testmasse dient dazu, das ganze Wuchtsystem und seine Reaktion auf die Testmasse kennenzulernen. Durch die Testmasse muss sich am Messgerät der Schwingungszeiger in Amplitude und Phasenwinkel ausreichend verändern, damit der eigentliche Massenausgleich am Rotor mit hinreichender Genauigkeit vektoriell berechnet werden kann. Anmerkung: Die Zeigerdarstellung einer harmonischen Schwingung wurde in Abschnitt 1.5.2 ausführlich behandelt. Die Veränderung des Schwingungszeigers, also die Differenz zwischen Testlauf und Urunwucht, zeigt den Einfluss der Testmasse auf das Schwingungsverhalten. Daraus lässt sich die erforderliche Ausgleichsmasse nach Betrag und Winkellage berechnen. Das Messsystem schlägt jetzt Ausgleichsmassen vor, erlaubt es aber auch, die tatsächlich angebrachten Massen und Positionen einzutragen. Schritt 3: Ausgleichsmassen setzen und Kontrollläufe ausführen Die vorgeschlagenen Auswuchtgewichte werden montiert und der Auswuchtlauf wird wiederholt. 479 6.2 Betriebswuchten <?page no="480"?> In der Regel benötigt man zwei bis vier iterative Läufe, um die geeigneten Ausgleichsmassen und Ausgleichspositionen zu finden. Letztlich wird man eine gewisse Restunwucht akzeptieren, die man durch vergleichende Diagnosemessungen einschätzen kann. Schritt 4: Wiederholen der Diagnosemessungen Nach Abschluss der Wuchtläufe wird erneut das Schwingungsspektrum oder am besten das gesamte Auslaufspektrum gemessen und mit dem Ausgangszustand verglichen. Haben sich die drehfrequenten Anregungen hinreichend verringert, war das Betriebswuchten erfolgreich. 6.2.3.4 Weitere Vorteile des Betriebswuchtens Über die reine Zielsetzung, bestimmte Vorgaben, Herstelleranforderungen oder normative Werte zur Wuchtgüte zu erfüllen, bringt Betriebswuchten eine Reihe weiterer Vorteile. Das betrifft vor allem präventive Maßnahmen, da Unwucht sehr häufig als Grundursache (Root Cause) anderer Fehler auftritt, was im Allgemeinen viel zu wenig berücksichtigt wird. Eine Reihe solcher Zusammenhänge wird nachfolgend anhand von praktischen Beispielen vorgestellt. Betriebswuchten mindert Gehäuseschwingungen Ein Saugzuglüfter war schwingungs- und lärmauffällig und zeigte unzulässig hohe Gehäuse‐ schwingungen, sodass man einen Neukauf ins Auge gefasst hatte. Durch Betriebswuchten ließ sich das Schwingungsniveau beträchtlich reduzieren. Um die Verbesserung des Laufverhaltens zu belegen, wurde im Wuchtbericht auch ein Maschinenspektrum vor dem Auswuchten (as found) und eines nach dem Auswuchten (as left) dokumentiert. Der Vorgang ist in Bild 6.36 gezeigt. Ein Neukauf war nicht notwendig. Bild 6.36: Messpunkte am Saugzugrad und FFT-Spektren vor und nach dem Auswuchten Betriebswuchten mindert auch Wellenschwingungen An einem gleitgelagerten Speisewasserpumpenaggregat wurden für diesen Maschinentyp zu hohe Schwingungen festgestellt, sodass eine zuvor durchgeführte Instandsetzung nicht akzeptiert werden konnte. Erst durch ein Feinwuchten auf Basis der Wellenschwingungen ließ sich das erforderliche Schwingungsniveau erreichen. Bild 6.37 zeigt die Messeinrichtung, das Pumpenaggregat und die am Motor angebrachten Wuchtmassen. In Tabelle 6.17 sind in einer Doppeltabelle die dokumentierten Ergebnisse vor und nach dem Betriebswuchten eingetragen. 480 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="481"?> AS Lager Motor DE BS Lager Motor NDE Erreger U/ min Messpunkte 1 2 1 2 1 2 4330 Wellenschwingung 75 µm 100 µm 50 µm 65 µm 75 µm 80 µm Gehäuseschwingung (horizontal) 3,8 mm/ s 2,9 mm/ s 2,5 mm/ s AS Lager Motor DE BS Lager Motor NDE Erreger U/ min Messpunkte 1 2 1 2 1 2 4330 Wellenschwingung 50 µm 60 µm 25 µm 20 µm 45 µm 45 µm Gehäuseschwingung (horizontal) 2,2 mm/ s 0,8 mm/ s 1,6 mm/ s Tabelle 6.17: Wellenschwingungen und Schwinggeschwindigkeiten vor und nach dem Wuchten Bild 6.37: Messeinrichtung für Wellenschwingungen - Speisewasserpumpe und angebrachte Auswuchtgewichte Betriebswuchten reduziert Anregungen von Eigenfrequenzen An einem Kohleförderband waren an der Schwinge starke Resonanzanregungen auffällig, die sich über den gesamten Bandantrieb so stark ausbreiteten, dass ein Dauerbetrieb nicht zulässig war. Über messtechnische Analysen wurde festgestellt, dass die Drehfrequenz an der Motorseite der dominierende Anreger war. Durch anschließendes Präzisionswuchten auf der motorseitigen Kupplungshälfte wurden die Schwingungen sowohl auf der Motorseite als auch auf der Getrie‐ beseite so stark reduziert, dass bei der Eigenfrequenz danach keine unzulässig hohe Anregung mehr aufgetreten war. Die Anlage konnte in den Dauerbetrieb gehen. Messanordnung und Ergebnisse sind in Bild 6.38 zu sehen. 481 6.2 Betriebswuchten <?page no="482"?> Bild 6.38: Bandantriebsmotor mit Beschleunigungssensor; Flüssigkeitskupplung mit Unterlegscheiben als Aus‐ gleichsgewichte, und FFTs vor und nach dem Wuchten 6.2.3.5 Auswuchten in zwei Ebenen Das Auswuchten in zwei Ebenen ist ein Vorgang, bei dem die Massenverteilung eines starren Rotors korrigiert wird, um sicherzustellen, dass die dynamische Restunwucht (siehe Abschnitt 5.8.2.4) in festgelegten Grenzen bleibt. So ist es beispielsweise bei Rollenprüfständen für die Fahrzeugerprobung (siehe Bild 6.39) unbedingt notwendig, ein Zweiebenen-Betriebswuchten auszuführen, um sicherzugehen, dass neben der statischen Unwucht auch die Momentenunwucht ausgeglichen ist. Bild 6.39: 2-Ebenen-Präzisionswuchten an einem Rollenprüfstand für PKW bei 200 km/ h Das grundsätzliche Vorgehen ist ähnlich wie beim Einebenen Wuchten. Das Verwenden eines Zweikanal-Analysators oder eines mehrkanaligen Messsystems bringt jedoch Vorteile. Die Pro‐ zedur des Zweiebenen-Wuchtens wird nachfolgend anhand eines mobilen 2 Kanal-Analysators beschrieben. Bild 6.40 zeigt die Systematik entsprechender Auswahlmenüs an einem industriellen Messsystem. Im Prinzip werden jetzt zwei Ausgleichsebenen und zwei Messebenen festgelegt (siehe Bild 6.41). Es sind jetzt auch zwei Testläufe mit jeweils einem Testgewicht in Ebene 1 und Ebene 2 erforderlich. Erfasst wird dabei der Einfluss jedes der beiden Testgewichte auf beide Messpunkte. 482 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="483"?> Bild 6.40: Bedieneroberfläche mit Auswahlmenüs eines Wuchtsystems Nachfolgend der Messablauf beim Zweiebenen Wuchten: Schritt 1: Mess- und Ausgleichsebene A festlegen ● Aktivieren des Auswuchtmodus, und öffnen von Register ‚2 Ebenen' ● Klick auf die Rotorgrafik entsprechend dem Rotortyp ● Auswählen der Ebene A: Der in Messebene A montierte Aufnehmer ist an Kanal A anzuschließen (vgl. 'Anschlussübersicht'). Desgleichen für Kanal B Schritt 2: Probeläufe Der Probelauf gliedert sich in zwei Abschnitte, die in den Hauptbildschirmen mit '1A' bzw. '1B' bezeichnet sind: ● 1A: Das Probegewicht wird in Ebene A angebracht und dessen Einfluss in beiden Ebenen gemessen. ● 1B: Das Probegewicht wird in Ebene B angebracht und dessen Einfluss in beiden Ebenen gemessen. Schritt 3: Ausgleichslauf ● Im Datenbildschirm des Ausgleichslaufes sind die Auswuchtgewichte für beide Ebenen einzugeben. ● Mit der rechten Navigationstaste werden die Eingabefelder der Reihe nach markiert. Der Vorgang ist iterativ so lange zu wiederholen, bis die Restunwucht im akzeptablen Bereich liegt. 483 6.2 Betriebswuchten <?page no="484"?> Bild 6.41: Anordnung beim Zweiebenen-Wuchten 6.2.3.6 Wuchten elastischer Rotoren Das Wuchten von elastischen Rotoren wird in ISO 11342 beschrieben und kann dort nachgelesen werden. Die Grundlagen finden sich auch in der einschlägigen Fachliteratur (Kellenberger, Gasch). Erwähnt sei an dieser Stelle lediglich, dass modellbasierte Verfahren basierend auf Einfluss‐ koeffizienten und daraus abgeleiteten Mehrebenenwuchten sich bewährt haben und optimale Ergebnisse bringen können. 6.3 Austausch von Maschinenkomponenten Bei konsequenten Reliability-Programmen sollte normalerweise niemals ein Austausch von Maschinenkomponenten notwendig werden, da schon in der Design- und Projektierungsphase Komponenten anwendungsgerecht ausgewählt werden. Doch die Realität stellt sich oft anders dar. Anwender und Instandhalter von industriellen Anlagen haben mit dem zu leben, was ihnen geliefert und installiert wurde. Spätestens bei wiederholtem Ausfall einer Komponente sollte erwogen werden, diese vorzeitig ausgefallene Komponente gezielt präventiv zu optimieren oder gegen eine besser geeignete Alternative auszutauschen. So stellt etwa der Einsatz anwendungsgerechter Kupplungen in Antriebssystemen eine sehr wirksame Maßnahme dar, um Schwingbeanspruchungen in einer Anlage zu reduzieren. Ein anderes Beispiel für solche Korrekturmaßnahmen ist das Verwenden besser geeigneter Frequenzumrichter oder zumindest ein optimiertes und anwendungsbezogenes Parametrieren des vorhandenen Frequenzumrichters zur Reduktion von Schwingungen und Belastungen. 484 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="485"?> Nachfolgend werden dazu zwei Beispiele vorgestellt. Einsatz einer hochelastischen Kupplung anstelle einer Membrankupplung Maschinen bewegen sich, wachsen und ändern ihre Form und Position während des Gebrauchs, oft auch aufgrund von thermischen Phänomenen. Dies sind in Antriebssystemen häufige Gründe für den Einsatz von biegenachgiebigen Kupplungen. Hochelastische Kupplungen sind genauso biegeelastisch wie Membrankupplungen. Sie haben aber den besonderen Vorteil, dass sie auch Schwingungen und Körperschallleitung zwischen Arbeitsmaschine und Antriebsmaschine spürbar bedämpfen können. Über einen solchen Kupp‐ lungswechsel gelang es in einer Anwendung mit permanent auftretenden Lagerschäden an Antriebsmotoren, stark schwingende Axialdrehkolbenpumpen so gut von den Elektromaschinen zu entkoppeln, dass danach vorzeitige Wälzlagerschäden in den Motoren nicht mehr auftraten. Reduzieren der Lastschwankungen durch Umparametrieren eines Frequenzumrichters Verringerte Lastschwankungen bewirken, dass Maschinenkomponenten, die während ihrer Abroll-, Reib- und Stoßvorgängen komplexen Beanspruchungen unterliegen, besser laufen und es mit erhöhter Lebensdauer danken. Bild 6.42: Drehmomentschwankungen eines Mühlenantriebs vor und nach Optimierung des Umrichters Bild 6.42 zeigt für einen großen Mühlenantrieb, wie permanente Drehmomentschwankungen durch Einbringen einer Optimierung im Frequenzumrichter reduziert werden konnten. Darge‐ 485 6.3 Austausch von Maschinenkomponenten <?page no="486"?> Bild 6.43: Entstehung von Dampfkavitation stellt sind die Minimal-, Mittel- und Maximalwerte des Drehmoments in kNm, jeweils abge‐ speichert in 5 Minuten Zeitintervallen. Erkennbar sind ab dem 27.03. verringerte dynamische Drehmomentschwankungen. Gemessen wurde mit Dehnungsmesstreifen, die auf der rotierenden Welle appliziert waren. Einige Zeit später gelang es dann sogar noch, die Produktionsleistung der Kohlemühle durch mehr Durchsatz zu erhöhen. 6.4 Durchflusskontrolle 6.4.1 Kavitationserscheinungen Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von Dampfblasen, also dampfgefüllten Hohlräumen in Flüssigkeiten. Sie kann sich belästigend (Lärm), aber auch schädigend auf Struk‐ turen auswirken. Kavitationserscheinungen erfordern daher unmittelbaren Handlungsbedarf und auch systematische Kontrollmessungen. Kavitationserscheinungen können durch unterschiedliche Mechanismen ausgelöst werden. Man unterscheidet zwischen ● Dampfkavitation, ● Gaskavitation (oder auch Pseudokavitation genannt) sowie ● gemischter Kavitation. Die jeweils auftretende Kavitationsform ist sowohl von den Stoffeigenschaften als auch von der jeweiligen Strömungssituation abhängig. Von Dampfkavitation spricht man, wenn bei reinen und völlig entgasten Flüssigkeiten nur der Verdampfungsvorgang auftritt und der lokale Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt. Bei Gaskavitation sind in der Flüssigkeit Gase gelöst, die bei Druckabsenkung austreten. Kavitationserscheinungen sind vor allem im Bereich von hohen Strömungsgeschwindig‐ keiten zum Beispiel nach Querschnittsverjün‐ gungen bekannt. Bild 6.43 soll anhand einer strömenden Flüssigkeit das Entstehen von Ka‐ vitation veranschaulichen. Mit steigender Strömungsgeschwindigkeit kommt es zum Sinken des statischen Drucks. Durch Absin‐ ken des statischen Absolutdrucks unter den Dampfdruck entstehen Dampfblasen. Diese brechen beim Erreichen eines höheren Druckgebiets schlagartig zusammen. Während innerhalb der freien Flüssigkeit kugelförmige Dampfblasen entstehen, die beim Implodieren nur zu sehr hohen Druckspitzen führen, wirken bei nahezu Strukturen implodierenden Dampfblasen kurze, sehr energieintensive Flüssigkeitsstöße auf die Oberfläche. Folge davon können dann Material‐ abtrag, Oxidation, Erosion und Korrosion sein. Durch hochauflösendes Messen von dynamischen Druckverläufen, Durchflüssen und auch Schwingungen lassen sich Kavitationserscheinungen erkennen und kontrollieren. Problem ist nur, derartige Sensoren an den richtigen Stellen zu montieren. 486 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="487"?> Kavitation tritt vorwiegend auf bei ● Pumpen, ● Düsen und Ventilen, ● Flüssigkeitskreisläufen, ● Wasserturbinen oder ● Schiffspropellern. Kavitation ist einfach korrigierbar, wenn sie zum Beispiel bei Pumpen durch Betriebsweisen außerhalb des Betriebskennfeldes entsteht und sich über einem Wirkungsgradabfall bemerkbar macht, der überwacht wird. 6.4.2 Pumpschwingungen Pumpschwingungen sind selbsterregte rückgekoppelte Schwingungsphänomene, die im geför‐ derten Medium wirken und je nach Anlagen- und Speichergröße im Frequenzbereich bis zu 10 Hz liegen. Sie können sowohl in einfachen lufttechnischen Anlagen bestehend aus Ventilator, Rohrleitung, Speicher und Drossel als auch in komplexen Lüftersystemen, also mehreren in Reihe oder parallel geschalteten drallgeregelten Ventilatoren entstehen. Solche Pumpschwingungen werden signifikant, wenn die Ventilatorkennlinien einen Scheitel aufweisen, das Fördermedium kinetische Energie im Speicher oder in den Rohrleitungen aufnehmen kann und der genutzte Betriebspunkt im ansteigenden Kennlinienbereich (links vom Scheitelpunkt) liegt. Pumpschwin‐ gungen sollte man jedoch nicht mit Pendelschwingungen bei parallel miteinander verschalteten Aggregaten verwechseln, was sich durch hochauflösende Drehzahlmessungen nachweisen lässt. Anmerkung: Hier handelt es sich um einen Fall von Instabilität (Selbsterregung), wie er in Abschnitt 1.13.3 behandelt wurde. Auch Pumpen können zu unzulässigen Pumpschwingungen neigen, vor allem bei mehreren Pumpen im gleichen Kreislauf. Schließlich arbeiten Pumpen eigentlich nur in einem definierten Nennzustand, d. h. im Auslegungspunkt, mit höchster Effizienz und schwingungsarm. In der Regel sollten sie jedoch im Betriebsbereich 70 bis 120 % bezogen auf den Auslegungspunkt immer noch schwingungstechnisch gut laufen. DIN ISO 10816-7 erlaubt dann sogar etwas höhere Schwingungen. Über parallele Durchflussmessungen kann im Rahmen von Korrekturmaßnah‐ men überprüft werden, ob eine Pumpe bestimmungsgemäß betrieben wird oder ob im gesamten System Änderungen aufgetreten sind, die zusätzliche Maßnahmen an der Pumpe erfordern. 6.4.3 Rohrleitungen Rohrleitungen sind sehr langgestreckte und teilweise biegeweiche Strukturen, die zu Schwingungen neigen. Die Befestigungen können oft nicht starr ausgeführt werden (zum Beispiel durch Rohrschellen), um eine Wärmedehnung bei Temperaturänderungen nicht zu behindern. 487 6.4 Durchflusskontrolle <?page no="488"?> Ursachen für Rohrleitungsschwingungen können sehr unterschiedlich sein. Die wichtigsten Anregungsmechanismen sind ● Turbulenz in gefördertem Fluid, ● Anströmung von außen (Wirbelablösung), ● Druckstöße im Fluid, ● Druckpulsationen durch Pumpen sowie ● Fremderregung. Betriebsbedingt ist meist auch mit transienten Anregungen zu rechnen. Mit Druckschwingungs‐ analysen und Gehäuseschwingungsmessungen lassen sich Rohrleitungen untersuchen und Maß‐ nahmen zur Schwingungsminderung festlegen. Eine Schwingungsminderung ist durch zusätzliche Stützen, Dämpfer (aktiv und passiv) oder Tilger möglich. Bei Rohrstützen ist auf eine elastische Lagerung des Rohrs in der Stütze und ev. auch der Befestigung der Stütze an der Struktur zu achten, um die Schwingungsübertragung in die umgebende Struktur zu minimieren (Impedanzsprünge). Besonders unangenehm ist bei Rohrleitungen die Körperschallübertragung durch Longitudi‐ nalschwingungen, da diese durch Dämpfer oder Tilger nicht zu beeinflussen sind. Die genannten Maßnahmen sind im Wesentlichen nur gegen Transversalschwingungen wirksam. Longitudinal‐ schwingungen treten zwar meist zunächst kaum störend in Erscheinung, können sich jedoch weitgehend ungehindert über große Distanzen ausbreiten und an anderer Stelle Transversal‐ schwingungen im Leitungssystem erzeugen (Koppelschwingungen). Anmerkung: Man denke dabei an die oft beobachtete Ausbreitung von Installationslärm in Wohngebäuden. Die Übertragung von Schwingungen, besonders von Longitudinalkomponenten, auf angeschlos‐ sene Maschinen lässt sich durch Kompensatoren vermindern, welche den Körperschallweg unterbrechen. Ein Beispiel zeigt Bild 6.44. Kompensatoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, zum Beispiel als Balgkompensator oder Schlauchkompensator. Bild 6.44: Kompensator in einer Rohrleitung 488 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="489"?> Bei kleineren Maschinen zieht man vielfach grundsätzlich Schlauchverbindungen vor, die eine Entkopplung automatisch mit sich bringen. 6.5 Dämpfung und Isolierung Neben den in den vorigen Abschnitten behandelten korrektiven bzw. präventiven Maßnahmen, also Ausrichten, Auswuchten und Durchflusskontrolle, gibt es eine Reihe weiterer schwingungs‐ reduzierender Maßnahmen durch Dämpfung oder Behinderung der Ausbreitung, teils passiver, zum Teil aber auch aktiver Natur. Dieser Abschnitt widmet sich zunächst solchen Verfahren, die nicht explizit frequenzselektiv, also nicht resonanzbezogen sind: Dämpfung und Isolierung. Dämpfung ist eine Methodik zur Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme, also in eine zumindest hinsichtlich mechanischer Energie unschädliche oder besser zu beherrschende Form. Schwingungsisolierung soll die Übertragung von Schwingungen zwischen gekoppelten Strukturen verringern, im konkreten Fall also von einer Maschine in das Fundament (und von dort ggf. auf Nachbarmaschinen) oder von einem durch Umgebungseinflüsse schwingenden Fundament auf eine darauf gelagerte Maschine. Beide Methoden weisen einerseits eine gewisse Ähnlichkeit, jedoch auch spezifische Unterschiede auf. Man vergleiche dazu die in Abschnitt 1.6 einander gegenübergestellten Entstehungsmechanismen. Es geht also hier um Maßnahmen zur Verringerung von erzwungenen Schwingungen, also zur Verkleinerung der Amplituden, entweder durch Energieentzug oder durch Behinderung der Ausbreitung. Durch Dämpfung lassen sich zusätzlich selbsterregte Schwingungen überhaupt vermeiden, also instabile Systeme stabilisieren. Ganz allgemein werden zur Schwingungsminderung verschiedene Methoden eingesetzt, näm‐ lich Dämpfung, Isolierung und Tilgung. Eine Zusammenstellung entsprechender Maßnahmen bringt Tabelle 6.18, wobei zu beachten ist, dass die Bezeichnungen zum Teil übergreifend verwendet werden, je nach dem eigentlichen Ziel der Maßnahme. Zusätzlich kommt noch der Begriff der Dämmung hinzu, das ist jedoch vorwiegend eine Frage der Schallminderung, also der Akustik. Hier zwar nicht von unmittelbarem Bezug, soll es dennoch nicht unerwähnt bleiben. ● Dämpfung hat die Dissipation mechanischer Energie zum Ziel, also die Umwandlung in Wärme. ● Isolierung soll die Übertragung mechanischer Energie in die Umgebung oder umgekehrt, die Einleitung aus der Umgebung in die Maschine vermindern. ● Schwingungstilgung leitet die Schwingungsenergie gezielt in einen Tilger, wodurch definiert ruhende Punkte an der Struktur ausgebildet werden. Diese Methode ist ein frequenzselekti‐ ves Verfahren und wird daher erst nachfolgend in Abschnitt 6.6 behandelt. Als schwingungs‐ mindernd ist sie dennoch bereits in Tabelle 6.18 mit einbezogen. Gleiches gilt für die Parametererregung. Dämpfer sind immer mit zwei gegeneinander bewegten Strukturelementen verbunden. Als allgemein geläufiges Beispiel kann der Stoßdämpfer in der Radaufhängung eines Kfz genannt werden. Bei dessen Ausfall ist mit gefährlich hohen Schwingungen im Fahrbetrieb zu rechnen. Gegenstück ist der nur einseitig an der Struktur angelenkte Tilger, zum Beispiel als Pendel im Inneren sehr hoher und schlanker Türme. Ein Tilger nimmt Schwingungsenergie auf, kommt damit selbst ins Schwingen und beruhigt die schwingende Struktur. Dieses Prinzip wird noch in Abschnitt 6.6.3 ausführlich behandelt. In Abschnitt 6.6.4 wird als multifunktionales Beispiel der Stockbridge-Schwingungstilger vorgestellt. 489 6.5 Dämpfung und Isolierung <?page no="490"?> Maßnahme Wirkung Abschnitt Dämpfung passiv Umwandlung mechanischer Energie in Wärme aktiv Mechatronische (hydraulische) Simulation Elastische Lagerung einfach Verringerung der Übertragung ins Fundament doppelt aktiv Mechatronische (hydraulische) Simulation Dämmung Behinderung der Schwingungsausbreitung Isolierung Verringerung der Übertragung (Transmission) Schwingungstilgung Resonanzkontrolle (6.6) Parametererregung Resonanzverschiebung Tabelle 6.18: Schwingungsmindernde Maßnahmen 6.5.1 Dämpfung Als physikalischer Begriff versteht man unter Dämpfung die Umsetzung mechanischer Energie in Wärme, wodurch etwa eine einmal angestoßene, freie Schwingung mit der Zeit abklingt. Diese Umsetzung wird als Dissipation bezeichnet - die Energie dissipiert. Die dissipierte Energiemenge ist ein Maß für den Dämpfungsgrad. Erzwungene Schwingungen können auch präventiv durch entsprechende Elemente - Dämpfer - reduziert werden. Dabei dissipiert ein Teil der Schwingungsenergie und die Schwingung wird abgeschwächt. Darüber hinaus können instabile Systeme, die zu selbsterregten Schwingungen neigen, durch Dämpfer stabilisiert werden. Anmerkung: Selbsterregung kann auch als negative Dämpfung modelliert werden, wie in Abschnitt 1.13.3 beschrieben. Dämpfung wirkt immer der Schwinggeschwindigkeit entgegen. Man kennt verschiedene Dämpfungsarten, die als Korrekturmaßnahme infrage kommen: ● Viskose Dämpfer ● Reibungsdämpfer ● Strukturdämpfung Viskose Dämpfung entsteht zufolge des Widerstands gegen eine Fluidströmung. Der Effekt wird in hydraulischen Dämpfern umgesetzt. Dämpfung wird auch durch Schmierung verursacht oder entsteht durch den Prozess selbst (Fluidstrom im Lüfter, Rotor im elektrischen Feld). Reibungs‐ dämpfung entsteht durch Coulombsche Reibung zwischen Reibungspartnern, Strukturdämpfung entsteht durch innere Reibung im molekularen Bereich bei der Deformation elastischer oder rheologischer Körper. Begrifflich muss man auf diesem Sachgebiet einige Unterscheidungen treffen bzw. die Begriffe genau präzisieren. Eine entsprechende Zusammenstellung bringt Tabelle 6.19. Dabei ist deutlich 490 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="491"?> Sachbegriff Physik Strukturell Kennfunktion Dämpfung Energiedissipation Umwandlung in Wärme Transferfunktion Einfügedämpfung Energiedissipation Abschwächung des Signals Transmission Einfügedämmung Absorption Akustik (Schalldämmung) Transmission Schwingungsisolierung frequenzselektiv Verringerung der Übertragung Transmission Schwingungstilgung Schmalbandig Resonanzkontrolle Transferfunktion Tabelle 6.19: Methodik der Schwingungsminderung (6.1) zu unterscheiden zwischen einer Transferfunktion (Kraft auf Bewegung) und einer Transmission (Minderung einer physikalischen Größe). Physikalisch wird die Dämpfung immer als Übertragungsfunktion definiert. Für die Dämpfungsmaßnahme selbst trifft dies nur mit gewissen Einschränkungen zu, was sich dann aber meist in der Begriffsbezeichnung widerspiegelt (zum Beispiel Dämpfung - Isolierung). In Hochleistungsmaschinen werden oft Quetschöldämpfer (Squeeze Film Damper) zur Erhö‐ hung der äußeren Lagerdämpfung eingesetzt. Mit Quetschöldämpfern kann die meist sehr geringe Dämpfung von Wälzlagern erhöht werden. Es kann damit jedoch auch die Dämpfung von Gleitlagern zur Verbesserung des Stabilitätsverhaltens erhöht werden. Dazu wird zwischen den äußeren, feststehenden Lagerelementen (Außenring bei Wälzlagern, Lagerschale bei Gleitlagern) ein dünner, dämpfender Ölfilm eingebracht. Dadurch werden die Kräfte im Lager reduziert, die äußere Dämpfung wird erhöht. Prinzip und Funktion werden im Zuge der Rotordynamik in Abschnitt 13.2.6 noch erläutert. 6.5.2 Schwingungsdämpfer und Isolatoren Schwingungsdämpfer und Isolatoren wirken immer zwischen zwei relativ zueinander bewegten Komponenten. Im Dämpfer wird durch die Relativbewegung Energie dissipiert, im Isolator wird die Übertragung von Schwingungen reduziert. 6.5.2.1 Einfügedämpfung Die Einfügedämpfung gibt die Abschwächung einer Schwingung durch ein dämpfendes Bauteil an, das in einen Ausbreitungsweg eingefügt wird. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen einfallender und durchgelassener physikalischer Leistung und wird üblicherweise in Dezibel angegeben: a i = 10log Pein Paus dB Im gegebenen Zusammenhang ist die Einfügedämpfung vor allem interessant für die Übertragung von Schwingungen ins Fundament und von dort weiter auf benachbarte Maschinen (Überspre‐ chen). Einfügedämpfung ist nicht zu verwechseln mit Isolierung oder, besser gesagt, sollten beide Gesichtspunkte immer gemeinsam betrachtet werden. Genaueres dazu wird noch in Abschnitt 6.5.2.3 ausgeführt. 491 6.5 Dämpfung und Isolierung <?page no="492"?> Schalldämmmaß Reflexionsfaktor r = pr pe Reflexionsgrad σ = r 2 Tabelle 6.20: Quantitative Dämmung 6.5.2.2 Dämmung Unter Schalldämmung versteht man Maßnahmen zur Behinderung der Ausbreitung von Luft- oder Körperschall durch Reflexion an Unstetigkeitsstellen (Impedanzsprünge) im Ausbreitungs‐ weg. Im Gegensatz zur Dämpfung tritt hier keine Dissipation von Energie auf. Die Reflexion wird nach Tabelle 6.20 angegeben, darin bedeuten p r und p e jeweils den Schalldruck für reflektierten bzw. einfallenden Anteil (man sieht die enge Beziehung zur Akustik). Anmerkung: Dämmung und Reflexion stehen physikalisch in enger Beziehung zur Isolie‐ rung. Bei der Zustandsüberwachung kommen hier in erster Linie die Ausführungen des folgenden Abschnitts zum Tragen. 6.5.2.3 Isolierung Unter Isolierung versteht man das Verhindern des Abfließens von Energie in die Umgebung. Dies kann in das Fundament oder umgekehrt, aus der Umgebung zur Maschine hin erfolgen. Theoretisch wurden diese Fragestellungen bereits in Abschnitt 1.9 behandelt. Für die Einleitung von Schwingungen aus dem Fundament wurden dort am Fußpunkt einge‐ prägte dynamische Verschiebungen z(t) angenommen (siehe Bild 6.42), für die Krafteinleitung ins Fundament ein starres Fundament angesetzt (Bild 1.51). Beide Ansätze führten dort auf identische Lösungen und können daher gemeinsam behandelt werden. Das Bodediagramm für beide Varianten ist in Bild 6.45 zu sehen. 492 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="493"?> Bild 6.45: Isolierung Man erkennt aus dem Bild folgende Eigenschaften: ● Bis herauf zu einer Frequenz von ca. 60 % der Eigenfrequenz wirkt die Isolierung als starre Lagerung. ● Oberhalb einer Frequenz vom 2-fachen der Eigenfrequenz wirkt die Lagerung als Isolierung, also übertragungsmindernd. ● Im Resonanzbereich tritt Verstärkung auf, also keine Minderung. ● Dämpfung mindert die Isolierung - den besten Effekt hat eine ungedämpfte Isolierung. 6.5.3 Elastische Aufstellung Das elastische Aufstellen ist die praktische Ausführung einer isolierten Maschinenaufstellung. Elastische Lagerungen sollen einerseits die Einleitung von Schwingungen in das Fundament un‐ terdrücken oder vermindern, andererseits dienen sie auch der schwingungsmäßigen Entlastung der gelagerten Maschine. Allerdings sind dabei die dynamischen Eigenschaften des Fundaments in die Überlegungen mit einzubeziehen. Eine starre oder zu harte Aufstellung der Maschine kann zu erhöhter Belastung oder sogar Überlastung von Wälzlagern in der Maschine führen. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren sollten auch die Spezifikationen des Herstellers beachtet werden. Anmerkung: Erwähnt seien an dieser Stelle bekannte Probleme, wo bewährte Serienmoto‐ ren, etwa aus dem Lokomotivbau, als Antriebe für Notstromaggregate eingesetzt wurden. Sie wurden jedoch zu starr gelagert, was bereits nach kurzer Zeit zu Lagerschäden mit Totalausfall führte. 6.5.3.1 Ausführung elastischer Aufstellung Bei einer elastischen Aufstellung werden die Maschinen über Federelemente abgestützt, siehe Bild 6.46. Die Abstützung ist entweder einstufig (einfach elastische Lagerung) oder mehrstufig 493 6.5 Dämpfung und Isolierung <?page no="494"?> (mehrfach elastische Lagerung). Bei einer doppeltelastischen Lagerung werden noch Zwischen‐ massen in den Übertragungsweg eingefügt. Bild 6.46: Modelle für elastische Aufstellung von Maschinen Anmerkung: Die im Bild symbolisch eingezeichneten Federn repräsentieren meist ganze Federpakete. Im hochfrequenten Bereich ist die Dämmwirkung eines Federpakets gegenüber einer Einzelfeder gleicher Steifigkeit höher, da die Schwingungen hier teilweise deutlich geringere Kohärenz zeigen (das betrifft in erster Linie allerdings nur hochfrequenten Körperschall - also Akustik). Die Dämmung einfach elastischer Lagerungen hängt vom Verhältnis der Federimpedanz (ent‐ spricht der Federsteife) zu jener im Fundament ab. Für wirksame Dämmung muss die Feder deutlich weicher sein als das Fundament. Bei mehrfach elastischen Lagerungen werden Zwischenmassen in den Federweg eingefügt, wodurch die Übertragungseigenschaften erheblich verbessert werden können. Darüber hinaus ist eine optimierte Abstimmung der Federung auf die Betriebsdrehzahl möglich. Mehrfach elastische Lagerungen sind allerdings sehr aufwändig, nicht nur wegen der komplexen Konstruktion der Federung, sondern auch wegen der dadurch oft großen Maschinenbewegungen, die besondere konstruktive Maßnahmen bei Maschinenanschlüssen (Antrieb, Abtrieb) und Nebenaggregaten (Rohrleitungen) erforderlich machen können. Wie stark solche Bewegungen werden können, ist in Bild 6.47 veranschaulicht. 494 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="495"?> Federsystem Technologie Druckfedern (Schraubenfedern) Metall (Stahl) Tellerfedern Blattfedern Biegefedern Torsionsfedern Elastomerfedern Kunststoff (gummiartig) Tabelle 6.21: Technische Federn zur elastischen Lagerung Bild 6.47: Auslenkungen und Einsatzbereiche für verschiedene Dämpfungselemente 6.5.3.2 Federelemente und Federsysteme Als Federsysteme für elastische Lagerungen kommen verschiedene Elemente in Frage, die wichtigsten sind in Tabelle 6.21 zusammengestellt. Elastomere Federelemente Elastomere (Elaste) sind Kunststoffe, deren besondere Eigenschaft ihre Gummielastizität ist. Es handelt sich dabei um Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt unterhalb der Einsatztemperatur liegt. Elastomere sind daher formfest, aber elastisch und nehmen nach einer Verformung wieder ihre ursprüngliche Gestalt an. 495 6.5 Dämpfung und Isolierung <?page no="496"?> Elastomere sind ein wirkungsvolles und vor allem sehr rationelles Konzept zur elastischen Lagerung vor allem bei kleinen und mittleren Maschinen. Die Federelemente sind kompakt, kostengünstig und leicht zu montieren, vor allem auch als nachträgliche Korrekturmaßnahme. Elastomere Federn werden meist als quaderförmige oder zylindrische Blockelemente ausge‐ führt, durch geometrische Formgebung und technologische Materialeigenschaften können die technischen Daten in einem weiten Bereich variiert und den jeweiligen Gegebenheiten optimal angepasst werden. Durch Einfügen von Zwischenmassen können kompakte Federelemente zur doppeltelastischen Lagerung nach dem Schema von Bild 6.46 aufgebaut werden. Eine praktische Ausführung zeigt Bild 6.48. Bild 6.48: KSD ® -Elemente zur doppeltelastischen Lagerung (Quelle: Sahlberg) Aus dem Bild geht auch unmittelbar die besonders gute Handhabbarkeit solcher Federelemente hervor, was im gegebenen Zusammenhang für Korrekturmaßnahmen von entscheidender Bedeu‐ tung ist. Die Montage ist durch einfaches Anheben der Maschine möglich. Isolationskonzepte In Bild 6.49 ist eine Reihe konstruktiver Konzepte dargestellt, nach denen sich mit steigendem Aufwand eine zunehmend verbesserte Schwingungsisolierung erzielen lässt. D-Elemente sind einfache Dämpfungselemente ohne Zwischenmasse, die KSD ® -Elemente sind nach Bild 6.48 aufgebaut. Beruhigungsmassen sind mehr oder weniger starr mit der Maschine verbunden. Die dadurch erzielte Massenerhöhung liefert einen zusätzlichen Beitrag zur Schwingungsminderung. 496 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="497"?> Bild 6.49: Konstruktionen elastischer Lagerungen (Quelle: Sahlberg) In Bild 6.50 sind typische Dämmmaße für elastische Lagerungen in typischen Beispielen darge‐ stellt. Die erhöhte Dämmwirkung einer doppeltelastischen Lagerung ist hier deutlich erkennbar. Durch das Zwischenmassenkonzept von KSD®-Elementen kann die Abstimmung überdies optimiert werden. Anmerkung: Man beachte dabei den logarithmischen Maßstab der Ordinate - 20 dB kommen einer Verzehnfachung der Amplitude gleich! Bild 6.50: Typische Dämmmaße elastischer Lagerungen (Quelle: Sahlberg) 497 6.5 Dämpfung und Isolierung <?page no="498"?> 6.5.4 Reduktion von Drehschwingungen Drehschwingungen zu beherrschen gewinnt im Condition Monitoring von Antriebssystemen heute mehr und mehr an Bedeutung. Verschiedene Mechanismen der Erregung wurden schon in Abschnitt 5.18 zusammengestellt. Insbesondere Verbrennungsmotoren sind eine Quelle starker Torsionsschwingungen. Da das Problem bei diesem Maschinentyp nicht neu ist, existiert bereits eine Reihe probater Gegenmaß‐ nahmen. Durchfährt man mit einem Verbrennungsmotor resonanzkritische Drehzahlen, kann es zu Überhöhungen der Drehschwingungsamplituden kommen. Diese können schädliches Getriebe‐ rasseln auslösen und zu Maschinenschäden führen. Die Reduktion solcher Drehschwingungen ist demnach eine vordringliche Aufgabe. Weitere, vertiefende Ausführungen findet man in Abschnitt 7.5, Kolbenmaschinen. 6.5.4.1 Schwungräder Ein Schwungrad, bezeichnet auch als Schwungmasse, wirkt unter anderem als Speicher für kinetische Energie in Form von Rotationsenergie. Bei Kurbeltrieben dient es dem Ausgleich von Drehschwingungen, die durch die impulsartige Anregung entstehen. 6.5.4.2 Torsionsschwingungsdämpfer Bei diesem Typ handelt es sich im Prinzip um eine Kupplung mit Torsionsdämpfer. Ein Torsionsschwingungsdämpfer ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, einem Innen- und ei‐ nem Außenteil. Sie sind konzentrisch angeordnet und über dämpfende Elemente verbunden, zum Beispiel Federn mit hochviskosen Fetten zur Dämpfung. Bei Torsionsbeanspruchung können sich beide Teile gegeneinander verdrehen. Das Außenteil wird üblicherweise fest mit der Kurbelwelle des Motors verbunden, das Innenteil mit der angetriebenen Komponente, meist ein Getriebe. Solche Torsionsschwingungsdämpfer können aber auch elektrisch wirken, indem gegenphasige Rückholkräfte im Umrichter erzeugt werden. 6.5.4.3 Zweimassenschwungrad Das Zweimassenschwungrad ist ähnlich aufgebaut wie ein Torsionsschwingungsdämpfer. Die beiden Teile sind jedoch als Schwungmassen konzipiert, also als Schwungräder mit entsprechen‐ den Massenträgheitsmomenten. Man spricht von einer primären Schwungmasse (motorseitig) und einer sekundären Schwungmasse (getriebeseitig). Verbunden sind sie über ein Federsystem, üblicherweise mit Bogenfedern. 6.5.4.4 Drehmomentwandler Hier handelt es sich um ein hydrodynamisches Getriebe, welches vorwiegend in Fahrzeugan‐ trieben eingesetzt wird. Dabei wird die Energie von einem Pumpenrad (Primärseite) über eine Hydraulikflüssigkeit auf ein Turbinenrad (Sekundärseite) übertragen. Solche Wandler wirken dämpfend auf Torsionsschwingungen. 498 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="499"?> 6.6 Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung Resonanz tritt auf, wenn eine Eigenschwingung der Struktur angeregt wird. Sie bedeutet immer einen Schwingungsüberhöhung - sie ist genau genommen sogar so definiert und kann damit eine signifikante Schadensursache sein. Zur Vermeidung von Schädigungen gibt es mehrere Strategien: ● Verstimmung (Verändern der Eigenfrequenz) ● Verringerung der Resonanzanregung ● Mindern des Anregungspotenzials ● Zügiges Durchfahren der Resonanz ● Dämpfung der Amplitude ● Dynamische Schwingungstilgung sowie ● Vermeiden oder Verschieben der Resonanz Die verschiedenen, heute bekannten und gängigen Methoden werden in diesem Abschnitt behandelt. 6.6.1 Verändern der Eigenfrequenz Tritt im Bereich der Betriebsdrehzahl Resonanz auf, kann durch Verschieben der Eigenfrequenz aus diesem Bereich Abhilfe geschaffen werden. Das kann durch Verändern von Steifigkeiten und von Massen erfolgen. Beispiel: An einem Pumpenaggregat traten bei der maximalen Betriebsdrehzahl von 600 min -1 am Motor starke Schwingungen auf. Bei niedrigeren Drehzahlen war das Schwingungsverhalten in Ordnung. Vermutet wurde eine Resonanz der Motorabstützung. Bild 6.51 zeigt schematisch das Pumpenaggregat, die Anordnung für einen Anschlagversuch und einige Ergebnisse: In horizontaler Richtung wurde eine Eigenfrequenz von 10,42 Hz (625 min -1 ) festgestellt, also sehr nahe der maximalen Betriebsdrehzahl. Bild 6.51: Resonanzmessung mit Anschlagversuch Die möglichen Maßnahmen am Aggregat sind in Bild 6.52 skizziert. Ein Erhöhen der Masse, durch Anbringen von Zusatzmassen, würde die Eigenfrequenz erniedrigen, das Problem also lediglich 499 6.6 Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung <?page no="500"?> zu niedrigeren Drehzahlen verlagern. Durch Erhöhen der Steifigkeit lässt sich die Eigenfrequenz zu höheren Werten, also außerhalb des Betriebsbereichs verschieben. So ergab eine Verdoppelung der Steifigkeit eine Eigenfrequenz von 14,7 Hz, was ausreichend weit oberhalb der maximalen Betriebsdrehzahl liegt. Diese Maßnahme war damit erfolgreich. Bei der Auslegung von Maßnahmen sind die Hinweise aus Abschnitt 1.8.2 zu beachten. Bild 6.52: Resonanzverschiebung durch Ändern von Masse oder Steifigkeit 6.6.2 Durchfahren von Resonanzen So wie es im früheren Abschnitt 1.7.1 beschrieben wurde, ist Resonanz ein stationäres Phänomen - diese Art der Darstellung gilt, strenggenommen, nur für konstante Drehzahlen. Andererseits ist jeder reale Schwinger gedämpft und zeigt ein dämpfungsabhängiges Einschwingverhalten. Bei Durchfahren einer Eigenfrequenz ergeben sich demnach Verschiebungen in folgender Weise: ● Die Resonanz tritt bei einer in Richtung der Frequenzänderung verschobenen Frequenz auf (höher im Hochlauf und tiefer im Auslauf). ● Die maximale Amplitude ist beim Durchfahren geringer als im stationären Fall. Beide Effekte sind stark dämpfungsabhängig. Damit kann die Schädlichkeit einer Resonanz über schnelles Durchfahren verringert oder beseitigt werden. Beim Hochlauf überkritisch betriebener Rotoren spricht man sogar vom Durchreißen einer Resonanz. 500 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="501"?> (6.2) Bild 6.53: Schwingungstilger 6.6.3 Schwingungstilgung Ein Tilger entzieht einer Struktur bei einer bestimmten Frequenz Schwingungsenergie, was zu einer Beruhigung der Strukturschwingungen führt. Im Gegensatz zum Dämpfer findet jedoch keine gezielte Dissipation statt, die Energie wird vom Tilger aufgenommen. Im Gegensatz zu Dämpfern sind Tilger schwingungsfähige Systeme, die nur einseitig an die Struktur angelenkt sind. Der Tilger selbst bildet ein schwingungsfähiges System, dessen Eigenfrequenz auf die in der Struktur zu eliminierende Resonanzfrequenz abgestimmt wird. Das Prinzip ist in Bild 6.53 gezeigt. Der Tilger wird durch ein Feder-Masse-System gebildet, welches an der Maschine angekoppelt ist. Ist die Masse m des Tilgers klein gegenüber der Maschinenmasse M, so gilt für die Eigenfrequenz f T des Tilgers näherungsweise f T = 1 2π k m Bei dieser Frequenz führt die Struktur dann nur geringe (im theoretischen Idealfall keine) Schwingungen aus, der Tilger selbst führt große Bewegungen aus. Oberhalb und unterhalb dieser Frequenz entstehen allerdings zwei neue Eigenfrequenzen der Kombination von Struktur und Tilger. In großen Gebäuden werden Tilgerpendel eingesetzt, um die durch äußere Einflüsse angeregten Strukturschwingungen zu mindern. Anmerkung: Im Berliner Fernsehturm ist ein Tilgerpendel von 1,5 t in der Spitze installiert. 6.6.3.1 Drehschwingungstilger Auch bei Torsionsschwingungen ist eine Minderung durch Tilger möglich. Das Prinzip ist in Bild 6.54 skizziert: An der Schwungscheibe ist ein Pendel angebracht, die Rückführungskraft entsteht 501 6.6 Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung <?page no="502"?> (6.3) (6.4) durch die Zentripetalkraft (Fliehkraft). Der Einfluss von Gravitation ist in diesem Modell nicht berücksichtigt. Bild 6.54: Prinzip des Pendelschwingungstilgers Die Eigenfrequenz des Tilgers ist näherungsweise gegeben durch die Formel f T = 1 2π rΩ 2 l oder, ausgedrückt als Frequenzverhältnis ω Ω = rl Obige Formeln gelten allerdings nur für kleine Auslenkungen des Tilgers, wie man das vom physikalischen Pendel kennt. Ein Pendeltilger mit einer von der Auslenkung unabhängiger Eigenfrequenz ist in Bild 6.55 skizziert. Gezeigt sind im Bild die Mittellage und die Maximal‐ auslenkungen. Dabei wird die Pendelmasse entsprechend geführt, sodass im Vergleich zum einfachen physikalischen Pendel die Eigenfrequenz unabhängig von der Pendelauslenkung ist. Die Tilgereigenschaften werden dadurch gegenüber dem einfachen Pendel von Bild 6.54 verbessert. Bild 6.55: Bifilarer Pendeltilger Meist wird die Tilgermasse als Ringmasse um die Schwungscheibe ausgeführt, die mit ihr über ein Federsystem gekoppelt ist. 502 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="503"?> Bild 6.56: Stockbridge Schwingungstilger (Quelle: RIBE) Bild 6.57: Stockbridgedämpfer im praktischen Einsatz 6.6.4 Stockbridge Schwingungstilger Eine weit verbreitete Anwendung ist der Stockbridge-Schwingungstilger von Bild 6.56 und Bild 6.57. Er wird oft zur Schwingungsminderung an Freileiterseilen, vorwiegend an Hochspannungs‐ leitungen angebracht. Straff gespannte Seile stellen sehr schwach gedämpfte Schwinger dar. Durch Winderregung, speziell bei sehr geringen Windstärken, können durch Wirbelablösung starke selbsterregte Schwingungen auftreten (siehe dazu die Ausführungen von Abschnitt 1.13.3). Als Gegenmaßnahme werden Stockbridge-Tilger eingesetzt, siehe Bild 6.56. Anmerkung: Solche Tilger sieht man oft in der Nähe der Abspannungen an den Masten. Schon der bloße optische Größenvergleich zwischen Tilger und Seil zeigt sehr eindrucksvoll die Wirkung dieses Prinzips, was durch Bild 6.57 belegt wird. 503 6.6 Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung <?page no="504"?> Funktionsprinzip Eigenschaften Hydraulisch Tiefe Frequenzen Hohe Amplituden Elektrodynamisch Mittlere und hohe Frequenzen piezoelektrisch Tabelle 6.22: Aktuatorprinzipien aktiver Lagerungen Der Stockbridge-Tilger - deshalb wird er hier auch als Beispiel präsentiert - beleuchtet mehrere der bisher ausgeführten Konzepte, nämlich ● Dämpfer, ● Tilger sowie ● Stabilisierung eines selbsterregten Systems. Die Biegefedern des Stockbridge-Tilgers sind kurze Seilstücke, die bei starken Biegedeformationen hohe Dämpfung zeigen (Die Dämpfung stark gespannter Freileitungsseile über hohe Spannweiten ist hingegen sehr gering). Durch diesen Mechanismus - die Seilstücke sind jeweils zwischen Zentralstück und Masse, also beidseitig montiert - wirkt das Element als Dämpfer. Die Wirkung als einseitig angelenkter Tilger ist als Feder-Masse-System evident. Die Dämpfung verhindert die eingangs erwähnte Selbsterregung durch Karmanwirbel. 6.6.5 Aktive Maßnahmen Aktive Dämpfung erzielt man durch einen im Dämpfungssystem eingebauten Aktuator, der eine geregelte Zusatzkraft einbringt. Die Regelung erfolgt über das Strukturelement, dessen Schwingungen minimiert werden sollen. Als Beispiel zeigt Bild 6.58 das Schema einer aktiven elastischen Lagerung. In gleicher Weise lässt sich ein aktiver Tilger realisieren. Bild 6.58: Aktive Lagerung Für den Aktuator kommen verschiedene Funktionsprinzipien zum Einsatz, siehe Tabelle 6.22. 6.6.5.1 Schwingungsbeeinflussung durch Parametererregung Ein weniger bekannter bzw. auch seltener auftretender Erregermechanismus in schwingungsfähi‐ gen Systemen ist die sogenannte Parametererregung. Die Grundlagen wurden bereits in Abschnitt 504 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="505"?> (6.5) 1.12 einführend vorgestellt. Auch im Umfeld der Zustandsüberwachung werden heute schon solche Methoden fallweise mit Erfolg eingesetzt, sie zählen allerdings derzeit hier noch nicht zum Standardrepertoire. Um den Leser einen Einstieg in dieses doch recht zukunftsträchtige Gebiet zu erleichtern, wird hier auf Zitate einschlägiger Fachliteratur, vorwiegend Kongressberichte oder Publikationen in Fachzeitschriften verwiesen. Gelegentlich tritt in linearen oder auch nichtlinearen Systemen ein Systemparameter auf, welcher zeitlich variiert wird [6]. Ein bekanntes Beispiel ist die Kinderschaukel, bei der die Schwingung durch Verlagerung des Schwerpunkts oder durch periodische Veränderung des Parameters Pendellänge angeregt wird (siehe Bild 1.44). Oder starke Torsionsschwingungen in Zahnradgetrieben, welche durch die variable Steifigkeit der Zähne und wechselnden Eingriff entstehen (Bild 5.75). Beides also gut nachvollziehbare Effekte. Im Folgenden soll lediglich ein Blick auf die mathematische Fragestellung geworfen werden. In der Bewegungsgleichung eines freien Einmassenschwingers ist jetzt zum Beispiel die Steifigkeit nicht wie üblich konstant, sondern wird mit einer Frequenz Ω moduliert. mx¨ + k 1 + p sin Ωt x t = 0 Man beachte, dass die Erregung nicht als Störterm (auf der rechten Seite der Differenzialglei‐ chung) auftritt, sondern als Systemparameter und daher mit einer Zustandsgröße verknüpft ist. Man spricht in einem solchen Fall auch von einem linearen, zeitvarianten System. Für p = 0 wird das System zeitinvariant, also zum bekannten linearen Schwinger. Wenn die Modulationsfrequenz Ω in einem bestimmten Verhältnis zur Eigenfrequenz des zugrunde liegenden linearen zeitinvarianten Systems steht, tritt dynamische Instabilität auf und die Schwingungsamplituden klingen exponentiell auf. Darin unterscheidet sich eine Parameter‐ resonanz von der „klassischen“ Resonanz, bei welcher lediglich ein lineares Aufklingverhalten der Zustandsgrößen zu beobachten ist. Parametrische Instabilitäten (Parameterresonanzen) sind häufig unerwünscht, wie zum Bei‐ spiel bei Schiffsschwingungen durch Wellenanregung in schwerer See, sie können aber auch tech‐ nisch nutzbringend eingesetzt werden. So lassen sich damit sehr wirksame und besonders schmal‐ bandige Signalfilter mit extrem kurzem Einschwingverhalten (exponentiell! ) in MEMS-Technik konzipieren. Ein weiterer Effekt ist die Stabilisierung von Rotoren durch orthotrope Lagerung, die in Abschnitt 13.1.8.1 unter dem Thema Stabilitätsverhalten noch zur Sprache kommen wird. Bei Systemen mit mehr als einem Freiheitsgrad, also mit mehr als zwei Systemzuständen, kann überdies durch einen zeitperiodischen Systemparameter (eben Parametererregung) auch eine Schwingungsbeeinflussung erzielt werden. So lässt sich etwa die Schwingungsenergie zwischen zwei Moden verschieben. Durch gezielten Energietransfer können damit kritische Resonanzdurchläufe entschärft werden, indem die Schwingungsenergie zumindest temporär in einen stärker gedämpften Mode mit geringerem Schädigungspotenzial verschoben wird [5]. Im gegebenen Zusammenhang ergeben sich interessante Anwendungen in der Rotordynamik, zum Beispiel ● Systemstabilisierung bei Durchfahren von Resonanzen, ● Stabilisierung instabiler Zustände (Gleitlager, Dichtungen) oder ● Modales Wuchten höherer Moden bei unterkritischen Drehzahlen. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass bei aktiv gelagerten Rotoren (also im Hochtechnologiebereich) die für eine Parametererregung notwendigen Aktoren von vornherein bereits vorhanden sind. 505 6.6 Resonanzkontrolle und Schwingungstilgung <?page no="506"?> Eine erschöpfende analytische Behandlung der Parametererregung würde den Rahmen dieses Buches zweifelsohne sprengen. Die Maßnahme soll wegen ihrer Bedeutung jedoch hier nicht unerwähnt bleiben. Für weitere Studien wird daher lediglich auf die Fachliteratur verwiesen (Stichworte: Parametererregung, Tondl-Effekt, [2], [3], [4]). 6.7 Grundlegende Wartungsarbeiten Instandhaltung kann sich nicht nur mit Überwachung, Fehlerdiagnose und Korrekturmaßnahmen begnügen. Zusätzlich sind eine Reihe routinemäßiger Wartungsarbeiten regelmäßig durchzufüh‐ ren, die auch im Blickfeld des Instandhaltungsmanagers liegen müssen. Das Hauptziel von Wartung besteht in der Verzögerung von Abnutzung. Schon einfache Wartungstätigkeiten können eine große Wirkung zeigen. Zu den Wartungstätigkeiten gehören im engeren Sinne zunächst Maßnahmen wie Reinigen, Schmieren, Konservieren, Befestigen und Regulieren oder Einstellen. Im weiteren Sinne kommt dazu noch das gezielte visuelle und messtechnische Prüfen. All diese Tätigkeiten sollten mit Hilfe von betriebsspezifischen Wartungsanweisungen und ein‐ satzspezifischen Wartungsberichten organisiert sein. Schließlich benötigt man für grundlegende Wartungsarbeiten entsprechend qualifiziertes Personal mit den nötigen Fähigkeiten, welche die Wartungsarbeiten zum richtigen Zeitpunkt mit den richtigen Teilen und Werkzeugen in einem sicheren Umfeld erledigen. Auch einfache Wartungsarbeiten sollten effizient und sorgfältig durchgeführt werden. Alle Wartungsanweisungen sind strikt zu befolgen und zu dokumentieren, alle definierten Leistungsstandards sind zu erfüllen. In den betriebsspezifischen Wartungsanweisungen ist folgendes zu definieren: ● Wer hat die notwendigen Qualifikationen, Kenntnisse, Fertigkeiten, Fähigkeiten und Erfah‐ rungen? ● Wo oder an welchem Asset sollen Wartungsarbeiten durchgeführt werden? ● Was ist am zu wartenden Asset exakt zu tun und wie ist die Wartung im Detail auszuführen? ● Womit sind die auszuführenden Wartungsarbeiten zu erledigen, welche Hilfsmittel und Hilfsstoffe werden benötigt? ● Wie lange wird die Durchführung der Wartungsarbeiten dauern und welches sind mögliche Risiken? ● Wann, wie oft und in welchen Betriebszuständen sind die grundlegenden Wartungsarbeiten auszuführen? Schon aus dem Auflisten dieser Fragestellungen ist erkennbar, dass auch Wartungsanweisungen regelmäßig gepflegt und weiterentwickelt werden müssen, was zunehmend auch Aufgabe von unabhängigen Reliability-Departments wird. 6.7.1 Reinigung Die äußere und innere Reinigung gehört zu den grundlegendsten Wartungsarbeiten. Vergisst man das äußere Reinigen von zum Beispiel Antriebssystemen, wird die vom Konstrukteur angesetzte Wärmeabstrahlung unterbunden, was nicht nur die Schmierstoffe frühzeitig altern lässt, sondern auch thermische Ausdehnungen und funktionale Spiele verändert. Doch Vorsicht beim Reinigen. Man sollte ebenso beachten, dass durch die Reinigungsmethode (Dampfstrahler) 506 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="507"?> oder das Reinigungsmittel selbst unerwünschte Beeinflussungen entstehen können. Einlässe sind beispielsweise sorgfältig abzudecken. Die innere Reinigung übernehmen zumeist die Schmierstoffe und die Schmiereinrichtung. Schmierstoffe sind regelmäßig zu erneuern, bestimmungsgemäß zu nutzen und bei ölgeschmier‐ ten Maschinen und Anlagen ist eine sorgfältige Filtration erforderlich. Bei Hochleistungsgetrieben ist eine Bypass- oder Nebenstromfiltration zu empfehlen. Dabei handelt es sich um zusätzliche, kleinere, permanent laufende Pumpen oder Filtereinheiten, die mit im Vergleich zum Hauptfilter feinerer Filterung arbeiten. Bei Schmierölen mit Additiven ist jedoch zu beachten, dass die Feinstromfiltration nicht zu klein werden darf, um zu verhindern, dass Additive aus dem Schmieröl ausgefiltert werden. Des Weiteren ist auch Schlammbildung und Lackbildung (Varnish) zu beachten und durch besondere Reinigungsmaßnahmen ggf. zu beseitigen. 6.7.2 Schmieren, Ölen und Konservieren Regelmäßiges Schmieren und Ölen gehören zu den typischen Wartungsaufgaben an Maschinen und Anlagen. Neben zum Teil erkennbaren Verschleißerscheinungen sind oft auch akustische Erscheinungen an Anlagenelementen Frühindikator dafür, dass Ölen und Schmieren dringend erforderlich sind. Erwähnt sei an dieser Stelle die Möglichkeit zum messtechnisch unterstütz‐ ten, dosierten Nachschmieren von fettgeschmierten Lagerungen, wobei mittels hochfrequenter Schwingungs- und Ultraschallmessungen das Schmierfett auch richtig dosiert eingebracht wird. Konservieren ist insbesondere bei gelagerten Ersatzteilen sowie bei längeren Betriebspausen eine nur unzureichend beachtete Maßnahme. Von besonderer Bedeutung wird das für Teile, die in aggressiver Umgebung eingesetzt sind. Bezüglich Konservierungsmittel und Konservierungs‐ anweisungen sind die Anleitungen der Hersteller zu befolgen. 6.7.3 Sichtprüfung Wichtigstes Werkzeug bei einer Grundwartung ist das geschulte menschliche Auge. Visuelle Kontrollen ermöglichen es, Maschinenzustände im Makrobereich über Sichtprüfungen zu erfas‐ sen, Abweichungen zu erkennen und nach Merkmalen wie Farbe, Kontrast, Helligkeit oder Glanz zu beurteilen. Damit lassen sich bei einer Sichtkontrolle zum Beispiel Risse, Verschleißerschei‐ nungen, Leckstellen in Leitungen, Rohren und Behältern, Verfärbungen, untypischer Abrieb oder Fettaustritt erkennen. Eine entsprechende fotografische Dokumentation ist dabei von großem Vorteil, um den subjektiven Eindruck zu objektivieren und auch zu dokumentieren. Sollen Undichtigkeiten an Druckluftleitungen oder Behältern erkannt werden, lassen sich Sichtprüfung mit Hilfsstoffen wie Prüfsprays, mit einer Ultraschallkamera oder einer Wärme‐ bildkamera erweitern. Zur Prüfung auf Mikrorisse stehen Methoden wie Penetrierverfahren, Magnetpulververfahren oder Fluoreszenzprüfung zur Verfügung. Zur Sichtprüfung an kleinen Strukturen eignen sich auch Mikroskope. Sind Maschinenkomponenten nicht zugänglich oder nicht direkt sichtbar, kann eine Kontrolle mit Endoskopen oder Videoskopen ohne aufwändige Demontage erfolgen (siehe Bild 6.59). Hersteller von Industriegetrieben sehen dazu schon seit Jahren geeignete Schaulöcher oder verschließbare Inspektionsöffnungen vor. Auch hier ist eine Bilddokumentation zu empfehlen. Bild 6.60 veranschaulicht an einem großen Ofengetriebe die Vorgehensweise bei einer visuellen Tragbildprüfung. Die Tragbildprüfung erfolgte hier durch Auftragen eines farbigen blauen Tragbildlacks. Alternative Tragbildprüfungen mittels Thermografie oder mittels Zahnfußbiege‐ spannungsmessungen seien hier nur erwähnt. 507 6.7 Grundlegende Wartungsarbeiten <?page no="508"?> Bild 6.59: Videoskopische Inspektion durch einen Inspektionsverschluss an einem Getriebe Bild 6.60: Vorbereitungen zur Tragbildprüfung in den Verzahnungsstufen Bei dieser großen Instandsetzung fanden folgende weitere Überprüfungen statt: ● Kontrolle der Verzahnungstragbilder ● Kontrolle der Beweglichkeiten der An- und Abtriebskupplungen ● Messen der Ausrichtzustände hin zum Ofenritzel und hin zu den Antriebsmotoren ● Erfassen der Verdrehflankenspiele der einzelnen Zahneingriffe ● Erfassen der Lagerspiele in den Gleitlagerungen 6.7.4 Befestigen Sorgfältiges Befestigen und Sichern stellt ebenfalls eine wichtige Wartungsmaßnahme dar. Insbe‐ sondere Schraubverbindungen sind regelmäßig zu kontrollieren. Bei untypischen Dauerbrüchen ist nach der Grundursache zu suchen. 508 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="509"?> Überlagerte schwingende Zusatzbeanspruchungen oder Zwänge können Ursache von Locke‐ rungen sein. Bild 6.61 zeigt eine gelockerte Verbindung eines Planetenträgers eines großen Rohrmühlengetriebes. Ursache war ein Ausrichtfehler zwischen Getriebe und Kugelrohrmühle. Das rechte Bild veranschaulicht, wie dann durch laseroptisches Ausrichten diese Verzwängun‐ gen nachgewiesen wurden. Mit den ermittelten quantitativen Ausrichtabweichungen konnte anschließend gezielt korrigiert werden. Bild 6.61: Gelockerte Schraubverbindung und Ansicht der anschließenden laserbasierten Ausrichtkontrolle 6.7.5 Regulier- und Einstellarbeiten Regulier- und Einstellarbeiten sind immer anwendungsspezifisch und können nicht allgemein und umfassend beschrieben werden. Daher werden hier lediglich beispielhaft die Einstellarbeiten bei Riementrieben beschrieben. Zuerst sind neben dem Riemenzustand die Ausrichtzustände der Riemenscheiben, deren Drehachsen sowie die notwendige Vorspannung des Riemens zu kontrollieren. Wenn am Riemen Risse, Verhärtungen, Ausbeulungen, Verformungen, lokale Ausbrüche oder ungleicher Verschleiß visuell erkennbar sind, ist der Riemen auszuwechseln. Dazu ist der Achsabstand der Riemenschei‐ ben so weit zu verringern, dass der Riemen sich in entspanntem Zustand ohne Kraftaufwand auflegen lässt. Es ist von Vorteil, wenn der Antriebsmotor auf Spannschienen montiert ist, welche sowohl eine freie Verschiebbarkeit in zwei Richtungen als auch ein gleichzeitiges Befestigen ermöglichen. Das Ausrichten von Riemenscheiben wurde bereits in Abschnitt 6.1.10.5 ausführlich behandelt. Bild 6.30 veranschaulicht dort die möglichen Ausrichtabweichungen bei Riementrieben und das laserbasierte Kontrollieren. Die richtige Riemenvorspannung ist der Herstelleranweisung zu entnehmen. Beim Anfahren ist zu prüfen, dass kein Riemenschlupf infolge zu lockeren Riemens auftritt, was oft auch mit Geräuschbildung verbunden ist. Der Leertrum sollte beim belasteten Anfahren einen gewissen Durchhang aufweisen und es sollte kein Riemenflattern auftreten. Ggf. lässt sich mittels Licht‐ blitz-Stroboskop und frequenzbasierten Schwingungsmessungen der Erreger identifizieren. Nach Abschluss dieser Einstellarbeiten am jeweiligen Riementrieb sollten die erreichten Ausrichtzustände und Spannweiten erfasst werden. Des Weiteren ist es im Rahmen von zustandsorientierter Instandhaltung empfehlenswert, den erreichten Riemenspannzustand schwingungs‐ 509 6.7 Grundlegende Wartungsarbeiten <?page no="510"?> technisch durch Anschlagversuche am Riemen zu erfassen, die Eigenfrequenz zu messen und zu dokumentieren. 6.8 Weitere präventive Maßnahmen 6.8.1 Gezielte Wellenerdung Vor allem bei elektrischen Antriebssystemen mit Frequenzumrichter kann es durch elektrische Ströme über (durch) ein Lager zu Elektroerosion mit nachfolgendem Lagerschaden bis hin zum Ausfall kommen. Vermutet man solche Einflüsse sollte man zuerst mit Stromzangen überprüfen, wie sich die einzelnen Phasen in den verschiedenen Betriebszuständen sowohl statisch als auch dynamisch zueinander verhalten. Bild 6.62 zeigt beispielhaft Messergebnisse an einem über Frequenzumrichter betriebenen Motor mit zwar gleichen aber relativ stark ausgeprägten hochfre‐ quenten Anregungen aus dem Frequenzumrichter. Dann kann über Motorstromsignaturanalysen nach Fehlern im Motor selbst gesucht werden. Bild 6.62: Weitbereichsanalysen des Motorstroms in allen 3 Phasen Im Netzbetrieb gehen solche Störströme ausschließlich von Wellenspannungen aus. Dabei handelt es sich um elektrische Spannungen, die entweder über eine Induktionsschleife aus Welle, Lagern und Gehäuse (Rahmen) oder durch Asymmetrien im Versorgungsnetz entstehen. Im ersten Fall werden die Ströme durch Magnetfelder induziert. Im zweiten Fall sind sie durch Spannungsun‐ terschiede in verschiedenen Erdungspunkten von Netzen verursacht, die in großen Anlagen oft mehrere Volt betragen können. Besonders kritisch ist das Entstehen von Lagerströmen bei 510 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="511"?> 43 Pulsdauermodulation Ursache Lagerstrom Entladungsströme über die Schmierschicht EDM-Ströme Über beide Lager mit entgegengesetztem Vorzeichen Zirkularströme Erdungsprobleme (einige Ampere, mehrere kHz) Rotor-Erdströme Kapazitive Einkopplung Kapazitive Lagerströme Tabelle 6.23: Entstehung von Lagerströmen PWM-Umrichtern 43 . Hier wäre sogar als aktive Maßnahme empfehlenswert, ein du/ dt - Filter am Umrichter-Ausgang zu installieren, um die den Lagerstrom treibende Gleichtaktspannung zu mi‐ nimieren. Ursachen für die Entstehung von Lagerströmen sind in Tabelle 6.23 zusammengefasst. Durch elektrisches Erden der Wellen lassen sich diese unerwünschten Lagerströme vermeiden. Unerwünschte Kreisströme können verhindert werden, wenn elektrisch isolierte Kupplungen ein‐ gesetzt werden. EDM-Ströme werden geringgehalten, wenn EMV-gerecht installiert wurde. Das Anwenden von zusätzlichen Erdungsbürsten oder AEGIS ® -Erdungsringen kann Wellenströme ebenso mindern. Dabei ist jedoch mit Sorgfalt vorzugehen, da Lagerbürsten oder Schleifringe grundsätzlich verschmutzen. Und durch Korrosion können sich die Übergangswiderstände mit der Zeit erhöhen, was wiederum ansteigende Lagerströme nach sich ziehen kann. Erwähnt sei noch an dieser Stelle, dass zusätzliche Wellenerdung bei einseitig isolierten Lagern nicht auf der isolierten Lagerseite montiert werden darf. 6.8.2 Gezielte konstruktive Modifikationen bei wälzgelagerten Wellen Präventive Korrekturmaßnahmen gehen oft auch bis in den Konstruktionsbereich. Dazu nachfol‐ gend zwei Vorgehensweisen. 6.8.2.1 Veränderung der Lagerkonstruktion Lagerverschleiß führt zu ausgeprägten drehfrequenten Lagerschwingungen. Eine erste Korrek‐ turmaßnahme können veränderte Passungen sein, um resultierende Lager- und Betriebsspiele gezielt an die Betriebsbedingungen anzupassen. Erst bei optimalen Passungen mindert man Schlupf beim Abwälzen des Lagers, vermeidet man Passungsrost infolge von Mikrobewegungen zwischen Welle/ Lagerring und Außenring/ Gehäuse und verhindert man in Umfangsrichtung wandernde Lagerringe. An dieser Stelle sei aber nur auf die verschiedenen Passungsklassen entsprechend ISO 286 hingewiesen, siehe Bild 6.63. 511 6.8 Weitere präventive Maßnahmen <?page no="512"?> Bild 6.63: Passungsklassen nach ISO 286 Verbesserung kann auch durch eine veränderte Lagerkonstruktion erreicht werden. Bild 6.64 veranschaulicht mögliche konstruktive Ausführungen von Lagerungen, die sowohl das radiale als auch das axiale Schwingungsverhalten spürbar beeinflussen können. Eine häufig erfolgreiche Maßnahme zur axialen Schwingungsreduktion ist in diesem Zusammenhang die Änderung von einer X-Anordnung zu einer O-Anordnung oder umgekehrt. Erwähnt sei ein praktischer Fall an einer einfachen Kreiselpumpe, wo sich erst nach einem solchen Umbau die Anregungen einer axialen Eigenfrequenz verändern ließen, sodass ein störungsfreier Dauerbetrieb möglich wurde. Diese beiden Beispiele sollen hier nur Anregung sein, Korrekturmaßnahmen auch in dieser Richtung zu überdenken. 512 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="513"?> Bild 6.64: Konstruktive Ausführung von Lagerungen 6.8.3 Gezielte konstruktive Modifikation in Verzahnungen Wie schon im Diagnoseabschnitt 5.15 erläutert, werden Zahneingriffsschwingungen primär durch die Verformung von Zähnen unter Last verursacht und durch die dadurch entstehenden Abweichungen von der idealen Geometrie stark beeinflusst. Moderne Getriebe und insbesondere einsatzgehärtete Zahnradgetriebe bekommen deshalb grundsätzlich Zahnkorrekturen. Mögliche Zahnflankenkorrekturen für Hochleistungsgetriebe beschreibt Bild 6.65. 513 6.8 Weitere präventive Maßnahmen <?page no="514"?> Bild 6.65: Zahnflankenkorrekturen zur Schwingungsminderung Bei der Schwingungsanalyse sollte man jedoch beachten, dass solche Zahnflankenkorrekturen das lastabhängige Schwingungsverhalten stark beeinflussen können. 6.9 Zusammenfassung Korrekturmaßnahmen stellen ein weites und überaus wichtiges Anwendungsfeld im Instandhal‐ tungsmanagement dar, von der bloßen Behebung aufgetretener Fehler bis zum Aufspüren und Beseitigen von Grundursachen, von der einfachen Reparatur bis zur aufwändigen Modifikation. Vollständig kann ein solch weites Feld niemals abgehandelt werden, Aufgaben- und Problem‐ kreis wachsen mit dem Fortschritt. Es kann hier nur ein Überblick über die ganze Methodik vermittelt werden. Und was den Aufwand betrifft, so ist hier, vor allem im Fall von ins Auge zu fassenden Modi‐ fikationen, der Aufwand immer im Zusammenhang mit einer Analyse der Lebenszykluskosten zu verbinden. Was im Moment sehr aufwändig erscheint, kann sich damit recht bald als rentabel erweisen. Wichtig werden auf diesem Gebiet auch ausreichende Anlagenkenntnisse sein - das Thema des nächsten Hauptabschnitts. 514 6 Korrekturmaßnahmen <?page no="515"?> 7 Anlagenkenntnisse Eine zielführende Fehlerdiagnose ist ohne Anlagen- und Prozesskenntnisse, also ohne einschlä‐ giges Wissen über die untersuchte Maschinen- oder Anlagenkomponente, nicht möglich. Über Messung und Signalanalyse Bescheid zu wissen, ist eine notwendige Voraussetzung, jedoch für eine erfolgreiche Arbeit keinesfalls hinreichend. Da nicht alle, die sich mit Schwingungsanalyse befassen, nicht unbedingt auch eine maschi‐ nenbauliche Grundausbildung besitzen, - sie könnten aus einer anderen Fachrichtung wie Elektrotechnik oder Naturwissenschaften auf dieses Gebiet gelangt sein - liefert dieser Abschnitt die erforderlichen Informationen. Es soll hier nicht nur auf Grundkenntnisse eingegangen werden, dieser Abschnitt soll eine Basis bilden, im Bedarfsfall Personen mit entsprechendem Spezialwissen und Hersteller zu kontaktieren und auch kompetent mit ihnen zu kommunizieren. Dieses Kapitel dient vor allem dazu, Maschinen besser klassifizieren zu können, was eine wichtige Voraussetzung für gezieltes Herangehen ist. Natürlich kann im gegebenen Rahmen nur ein Überblick vermittelt werden. Mit den hier ge‐ gebenen Informationen wird man jedoch die passenden Anknüpfungspunkte für die notwendigen Vertiefungen finden, sei es in der Fachliteratur, im Internet, in fachlich orientierten Institutionen oder in Foren. Dieses Kapitel entspricht auch den Vorgaben des Syllabus der Zertifizierungsnorm (Tabelle A2 aus DIN ISO 18436 Teil 2) und ist auch entsprechend gegliedert. 7.1 Elektromotoren und andere Antriebsmaschinen Zum Antreiben von Maschinen und Anlagen benötigt man Antriebe, welche beliebige Ener‐ giearten in mechanische Energie umwandeln. Dies können Elektro-, Hydro-, Druckluft- und Verbrennungsmotoren oder Gas-, Dampf-, Wasser- und Windenergieanlagen sein. Ausgewählt wird in der jeweiligen Anwendung nach der Betriebsweise, den spezifischen Eigenschaften und vorhandenen Energiequellen. Man unterscheidet zwischen konventionellen drehzahlfesten und drehzahlgeregelten Antriebsmaschinen, wobei sich mit geregelten Antriebssystemen eine grundsätzlich effizientere Prozessführung und Nutzung erreichen lässt. 7.1.1 Elektromotoren Bei industriellen Elektromotoren unterscheidet man zwischen Drehstrom- und Gleichstrommo‐ toren. Sie können als Innenläufer, als Glockenläufer oder als Scheibenläufermotoren ausgeführt sein. Die Wicklungen von Stator und Rotor (sofern vorhanden) werden meist in Nuten geführt, die außerhalb der Blechpakete über die Wickelköpfe elektrisch verbunden sind. Die breitbandige Schwingungsbeurteilung dieser industriellen Maschinengruppe fällt weitge‐ hend in den Bereich folgender Normung: ● DIN ISO 20816 Teil 1 ● DIN ISO 10816 Teil 3 ● DIN EN IEC 60034-14 <?page no="516"?> Anmerkung: Letztere hat im Vergleich zur DIN ISO 10816-3 den Vorteil hat, dass Motoren schon ab 7,5 kW bewertet werden. Grundsätzlich besteht zwischen Elektromotoren und Generatoren, vor allem was das mechanische und das elektromagnetische Verhalten betrifft, kein wesentlicher Unterschied, was sich bei der Schwingungsbewertung nutzen lässt. Bei rotierenden elektrischen Maschinen stehen als diagnoserelevante Schwingungskomponen‐ ten zumeist drehzahlbezogene Komponenten im Vordergrund. Bei sehr großen Elektromaschinen können aber auch Wickelkopfschwingungen dominieren und relevant für die Abnahme sein. Bei Wechselstrommaschinen treten zusätzlich elektromagnetisch erregte Schwingungen durch Luftspaltkräfte und Magnetostriktion auf, die von der Netzfrequenz abhängig sind. Entstehungs‐ mechanismen und angeregte Frequenzen wurden bereits in Abschnitt 5.13 eingehend behandelt. Die Unterscheidung von drehzahlerregten, also mechanisch bedingten, und elektrisch beding‐ ten Schwingungen kann bei einigen Elektromaschinen Schwierigkeiten bereiten, da die Frequen‐ zen beider Schwingungsarten entweder deckungsgleich sind (bei Synchronmaschinen) oder nahe beieinander liegen. Bei der Asynchronmaschine wird diese Differenz als Schlupffrequenz bezeichnet. Das Grundprinzip von Elektromotoren beruht auf der magnetischen Anziehungskraft zwischen Nord- und Südpol. Ein magnetisierter Läufer versucht, dem magnetischen Feld des Ständers zu folgen und sich danach auszurichten. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Bauformen bestehen in der Art der Magnetisierung von Läufer und Ständer. Aus der Theorie lassen sich eine ganze Reihe von Erregerfrequenzen für Schwingungen bei Elektromaschinen ableiten. Neben der Drehfrequenz und ihren Harmonischen können folgende Frequenzen entstehen: ● Stabpassierfrequenzen (Anzahl der Stäbe x Drehfrequenz) ● Stabbruchfrequenz 2s − 1 f n (über Ständerstromanalyseverfahren erfassbar) ● Wicklungsfrequenzen ● Polpassierfrequenzen (oder Polpaar-Passierfrequenzen) ● Schlupffrequenzen (bei Asynchronmaschinen) ● Pendelmomente doppelter Schlupffrequenz ● Anregungen bei der einfachen und doppelten Netzfrequenz ● Anregungen aus den Frequenzumrichter Durch Veränderungen im Luftspalt werden einige dieser Frequenzkomponenten oft zusätzlich mit der Läuferdrehfrequenz moduliert, was im Spektrum entsprechende Seitenbänder erzeugt. Zusätzliche elektromagnetische Anregungen entstehen, wenn die Blechpakete oder Polräder exzentrisch auf dem Läufer sitzen oder der Ständer Ovalitäten aufweist. Insbesondere bei gleitgelagerten Antriebssystemen sollte man beachten, dass elektrische An‐ triebsmaschinen mit Ausrichtvorgaben präzise auszurichten sind. Bild 7.1 zeigt eine laseroptische Messanordnung an einem Kesselspeisepumpenaggregat. (Das laseroptische Ausrichten wurde ausführlich in Abschnitt 6.1.5 behandelt.) 516 7 Anlagenkenntnisse <?page no="517"?> Bild 7.1: Messanordnung zum Ermitteln von Ausrichtvorgaben an einem Kesselspeisepumpenaggregat 7.1.1.1 Asynchronmotor (Induktionsmaschine) Der solideste und auch kostengünstigste Elektromotor ist der Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer, da nur die Ständerwicklung an das Netz angeschlossen wird. Der Rotor (Läufer) ist bewickelt, die Wicklungen sind einfach kurzgeschlossen, meist ausgeführt als Käfig und ohne elektrische Verbindung nach außen. Stator und Rotor bestehen aus geschichteten Eisenblechen. Sie haben Nuten zur Aufnahme der Wicklungen. Der Stator erzeugt ein elektrisches Drehfeld, dem der Rotor zu folgen sucht. In den Rotorwicklungen wird durch die Drehung ein Strom induziert, welcher ein Gegenfeld erzeugt. Das resultierende Drehfeld aus Stator- und Rotorfeld erzeugt am Rotor ein Drehmoment. Wäre die Drehfrequenz des Rotors gleich derjenigen des Drehfeldes, dann würden sich beide Felder kompensieren, es würde kein Drehmoment entstehen. Zur Abgabe eines Drehmoments muss die Drehfrequenz des Rotors niedriger liegen, die Differenz wird als Schlupf bezeichnet. Der Rotor folgt dem Drehfeld also verzögert um die Schlupffrequenz und die hängt wieder ab vom Drehmoment - daher die Bezeichnung asynchron. Neben elektrischen Schäden im Ständer, wie Windungs- und Erdschlüsse, sind die häufigsten Ausfallursachen Lagerschäden, Zerstörungen von Teilen des Kurzschlusskäfigs (zumeist durch Stabbrüche) und als weitere Folge eine mögliche Zerstörung der Ständerwickelköpfe. Die Betriebsdrehzahl wird durch die Polpaarzahl, die Netzfrequenz und den lastabhängigen Schlupf bestimmt. Bei Nennmoment entsteht Nennschlupf, der sich vom Typenschild des Motors ablesen lässt und bei der Maschinendiagnose beachtet werden sollte. Bei elektromagnetischen Abweichungen wird die umlaufende Erregerkraft mit der 2p-fachen Schlupffrequenz mehr oder weniger stark moduliert, was bei Frequenzanalysen ausreichend hohe Frequenzauflösungen erfordert. 517 7.1 Elektromotoren und andere Antriebsmaschinen <?page no="518"?> Das Drehmomentverhalten solcher Kurzschlussläufermotoren kann durch Änderungen an den Käfigstäben und Kurzschlussringen und veränderte Anlaufsteuerungen optimiert werden. In der Industrie ebenso weit verbreitet sind Asynchron-Schleifringläufermotoren. Deren Kennlinie lässt sich von außen durch Widerstände im Läuferkreis verändern, was insbesondere bei Schwerlastantrieben von Vorteil ist. Solche Motoren sind aufwändiger und wegen der Schleifringe verschleißanfällig. Den Autoren sind manche Schäden bekannt, wo defekte Widerstandsstufen beim Anfahren zu Getriebe- und Kupplungsschäden führten. Werden die Schleifringe kurzge‐ schlossen, entsteht wieder ein Kurzschlussläufermotor. 7.1.1.2 Synchron- und Reluktanzmotor Bei Synchron- und Reluktanzmotoren bleiben die Normdrehzahlen absolut konstant, da kein Schlupf auftritt. Dafür werden besondere Maßnahmen beim Anfahren und beim Betreiben mit niedrigen Drehzahlen erforderlich. Besonderer Vorteil beider Motorentypen ist, dass sie einen hohen Wirkungsgrad haben und deshalb leicht die Wirkungsgradklasse IE4 (nach IEC 60034) erreichen. Beim Synchronmotor wird ein konstant magnetisierter Rotor (Läufer) von einem magnetischen Drehfeld des Ständers mitgeführt. Der laufende Motor führt eine zur Wechselspannung synchrone Drehung aus. Die Drehzahl wird über die Polpaarzahl und die Frequenz der Wech‐ selspannung bestimmt. Im Läufer von Synchronmaschinen werden zunehmend leistungsstarke Permanentmagneten verbaut, was zu deutlich erhöhten Leistungsdichten auch für exponierte Anwendungen führt. Beim Reluktanzmotor besteht der Rotor aus nicht permanent magnetisiertem Weicheisen und ist mit Polschuhen ausgeformt, die durch die Reluktanzkraft bestrebt sind, sich nach dem vom Stator erzeugten Magnetfeld auszurichten. Eine Reluktanzkraft, auch Maxwellsche Kraft, entsteht durch die Änderung des magnetischen Widerstandes. Sie wirkt in Richtung einer Verringerung des magnetischen Widerstandes bzw. einer Erhöhung der Induktivität. Bei diesem Motortyp wird demnach das Drehmoment ausschließlich durch die magnetische Reluktanzkraft erzeugt und nicht durch die Lorenzkraft, wie bei magnetisch erregten Maschinen. Damit benötigen Reluktanzmotoren weder Permanentmagnete noch elektrische Wicklungen auf dem drehenden Rotor. Verschleißanfällige Bürsten oder Schleifringe entfallen ebenso. Der Rotor ist sehr robust und lässt sich kostengünstig fertigen. Magnetspulen, die ein Magnetfeld erzeugen müssen, trägt lediglich der Stator. Der Rotor kann bei Reluktanzmotoren sehr schnell beschleunigen. Lediglich bei niedrigen Drehzahlen muss man beachten, dass die bei Reluktanzmotoren ausgeprägte Drehmomentwel‐ ligkeit durch entsprechend geeignete Umrichter reduziert wird. 7.1.1.3 Gleichstrommotor Gleichstrommotoren haben den großen Vorteil, dass sie sich einfach in der Drehzahl regeln lassen. Sie sind jedoch teurer, benötigen einen verschleißanfälligen Kommutator und müssen mit Gleichstrom gespeist werden. Man unterscheidet Gleichstrommotoren mit Fremderregung, mit Permanenterregung oder mit Reihenschlusserregung. Gleichstrom lässt sich in Stromrichtern aus Dreh- oder Wechselstrom umformen. Dies könnte zukünftig entfallen, wenn sich auch in industrieller Umgebung Gleichstromnetze durchsetzen. Deutlich effizienter ist es heutzutage noch, Asynchron-Kurzschlussläufermotoren zu verwenden und die Drehzahl durch Veränderung der Frequenz im Frequenzumrichter zu regeln. 518 7 Anlagenkenntnisse <?page no="519"?> 44 Als Sehnung wird bei einer Mehrschichtwicklung ein Versatz der Wicklungslagen bezeichnet. 7.1.1.4 Frequenzumrichter Frequenzumrichter sind Schaltungsanordnungen aus Leistungshalbleitern, die den Energiefluss zwischen zwei Netzen getaktet oder gepulst mit unterschiedlichen Spannungen und Frequenzen steuern. Grob unterscheidet man zwischen Frequenzumrichtern mit eingeprägter Zwischenkreis‐ spannung (Spannungsumrichter) und Frequenzumrichtern mit eingeprägtem Zwischenkreis‐ strom (Stromumrichter), wobei letztere bei größeren Antriebsleistungen zum Einsatz kommen. Bei Umrichterspeisung werden durch die Abweichung von der Sinusform zusätzliche Schwingungen und Geräusche angeregt. Beim „langsamen“ I-Umrichter beschränkt sich die Zahl der Stromoberschwingungen auf 6k ± 1; k=1,2,3⋯ mit abnehmenden Amplituden. Bei „schnellen“ PWM-Umrichtern tritt dagegen eine Vielzahl von Oberschwingungen mit teilweise ausgeprägten Amplituden auf. Charakteristisch ist für den PWM-Umrichter des Weiteren, dass in Abhängigkeit von der verwendeten Pulsfrequenz und der Induktivität des Motors eine schaltfrequente Wellig‐ keit des Motorstroms (Stromrippel) entsteht, die auch zu einer erhöhten Erwärmung des Läufers führt. Frequenzumrichter werden noch nach anderen Funktionsprinzipien gebaut, was ebenso Ein‐ fluss auf das gesamte Schwingungsverhalten der drehzahlelastischen Antriebe haben kann. Man sollte beachten, dass mittlerweile auch Umrichtermotoren im Einsatz sind, bei denen der Frequenzumrichter im Klemmkasten des Motors integriert ist. Vorteile dieser Lösung sind der Entfall langer Leistungskabel, eine bessere EMV und die Möglichkeit, das gesamte elektrische Antriebssystem störungsarm drehzahldynamisch zu betreiben. 7.1.1.5 Servo- und Schrittmotoren Moderne Entwicklungen in der Umrichtertechnologie erlauben es, bei industriellen Anwendun‐ gen zunehmend auch Servomotoren einzusetzen. Bei diesen Motoren ist nicht die abgegebene Leistung von Bedeutung, sondern das aufgebrachte Drehmoment (bis zum Stillstand). Dies gilt auch für Schrittmotoren, bei denen die Drehung in diskrete Winkelschritte unterteilt ist, was ein exaktes Positionieren erlaubt. 7.1.1.6 Schall- und Schwingungserregung in Elektromotoren Bei allen elektrischen Maschinen treten mehr oder weniger starke Schwingungen durch elektromagnetische Anregungen auf. Die typischen Mechanismen sind in Bild 7.2 gezeigt. Als grundsätz‐ liche konstruktive Maßnahmen ist schon bei der Wahl der Nut/ Zahn-Verhältnisse zu berücksich‐ tigen, dass Statornutenzahl und Rotornutenzahl zwar nahe zueinander liegen sollten, jedoch nicht gleich sein dürfen und dass eine geradzahlige Rotornutenzahl zu verwenden ist. Schränkungen bei den Statornuten und Sehnungsfaktoren bei gesehnten 44 Wicklungen sind ebenso gezielt auszuwählen. Anderenfalls entstehen unerwünschte Oberwellen, wodurch das Resonanzrisiko mit umgebenden mechanischen Bauteilen angefangen vom Statorjoch bis hin zu den Statorzähnen steigt. Aber auch Fertigungsungenauigkeiten wie eine unrunde Statorbohrung, exzentrische Rotorlage, unsymmetrische Ausführung der Statorwicklung oder Unsymmetrien im Rotorkäfig führen zu unerwünschten Oberwellen. Das würde dann aber nur einzelne Motoren und nicht die gesamte Serie betreffen. Bei der Zustandsdiagnose an Elektromaschinen ist grundsätzlich zu berücksichtigen, welche Art von Umrichter zur Drehzahlregelung eingesetzt wird; ferner, ob es sich um fremderregte 519 7.1 Elektromotoren und andere Antriebsmaschinen <?page no="520"?> Bild 7.2: Elektromagnetische Schall- und Schwingungser‐ zeugung Maschinen (elektrisch über Spulen) oder Permanentmagnet-Maschinen mit eigenem konstantem Erregerfeld handelt. Letztere haben den Vorteil besserer Wirkungsgrade und größerer Luftspalte, was andererseits zu niedrigeren Baukosten und geringerer Schallabstrahlung führt - ein positiver Effekt vor allem bei sehr großen Antriebsmaschinen. Es soll jedoch nicht unerwähnt bleiben, dass innere Fehler bei Elektromaschinen sehr schnell zu gewaltigen Störungen führen können. Sich anbahnende Körperschlüsse sind kaum zu erkennen (siehe auch unter der Fehleranalyse in Abschnitt 5.13.4). Aus diesem Grund sind vor allem plötzliche oder temporäre Geräuschverände‐ rungen an Elektromaschinen besonders ernst zu nehmen. 7.1.2 Weitere Antriebsmaschinen Wegen ihrer Bedeutung nehmen die Elektro‐ motoren bei den Antriebsmaschen besonders großen Raum ein. Weitere Antriebe sind in diesem Unterabschnitt zusammengefasst. 7.1.2.1 Hydromotoren Hydromotoren sind hydrostatische Antriebs‐ maschinen. Sie sind wesentlich teurer als Elektromotoren, dafür jedoch sehr kompakt aufgebaut. Hydromotoren arbeiten nach dem Verdrängerprinzip entweder als Konstantmo‐ tor mit konstantem Schluckstrom oder als Verstellmotor mit veränderlichem Schluck‐ strom. Man unterscheidet bei Hydromotoren zwischen Kolbenmotoren, Zahnradmotoren, Drehflügel- und Rollflügelmotoren. Radialkolbenmotoren sind bei Langsamläufern üblich. Axialkolbenmoto‐ ren können als hydraulische Schrägachsen- oder Schrägscheibenmotoren wiederum sehr schnell drehen. Alle Hydromotoren ermöglichen eine stufenlose Verstellung der Drehzahl und sind bis zum Stillstand in hohem Maß überlastbar. Jeder Hydromotor kann auch als Hydropumpe arbeiten. Bei schnell drehenden Hydromotoren ist das Schwingungs- und Geräuschniveau sehr ausgeprägt und erfordert in der Regel entspre‐ chende Entkopplungs- und Schalldämmmaßnahmen. 7.1.2.2 Druckluftmotoren Druckluftmotoren sind in ihren Eigenschaften und Bauarten den Hydromotoren sehr ähnlich. Ihr Leistungsvermögen ist nur niedriger und es entstehen oft lästige Geräusche infolge von austreten‐ der Luft. Ihre konstruktiv bedingten Druckpulsationen können zu deutlichen Störschwingungen und Störgeräuschen führen, weshalb man sich als Basis für eine zielführende Schwingungsanalyse auch mit dem jeweiligen Aufbau auseinandersetzen sollte. 7.1.2.3 Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren oder Wärmekraftmaschinen holen ihre Energie aus der Expansion heißer, unter hohen Druck stehender Gase heraus. Leistung bzw. Drehmoment entsteht, wenn ein entzündetes Gemisch von Luft und Kohlenwasserstoffen in einer Brennkammer ein Turbinenrad 520 7 Anlagenkenntnisse <?page no="521"?> Pumpentyp Abschnitt Strömungspumpen 7.2.1 Verdrängerpumpen 7.2.2 Strahlpumpen 7.2.3 Kolbenpumpen 7.5 Tabelle 7.1: Pumpentypen bewegt oder in einem Zylinder mit anschließender Expansion einen Kolben bewegt. Deshalb un‐ terscheidet man bei Verbrennungskraftmaschinen funktionsbedingt zwischen Strömungsmaschi‐ nen und Kolbenmaschinen. Kolbenmaschinen werden zusätzlich noch in Otto- und Dieselmotoren und in Zweitakt- und Viertaktmotoren unterschieden. Gasturbinen haben durch ihr geringes Leistungsgewicht vor allem bei hohen Leistungen Vorteile und stellen geringere Ansprüche an die Qualität des Kraftstoffes im Vergleich zu Kolbenmaschinen. Das Thema Kolbenmaschinen wird in Abschnitt 7.5 eingehend behandelt. 7.1.2.4 Wasser- und Windturbinen Wasser- und Windturbinen beziehen ihre Energie aus der potenziellen Strömungsenergie des Wassers und aus der Dynamik des Windes. Ihre Anwendung als Antriebsmaschine ist jedoch in heutiger Zeit nur im Zusammenhang mit Generatoren zur Energieerzeugung oder im Pump‐ betrieb zur Energiespeicherung sinnvoll. Genaueres findet man in Abschnitt 7.3. 7.2 Pumpen und Lüfter Als Pumpen werden Anlagen zur Förderung inkompressibler Fluide bezeichnet. Dazu zählen auch Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten und Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil. Pumpen werden nach ihrem Funktionsprinzip nach Tabelle 7.1 eingeteilt. Lüfter sind Strömungsmaschinen für kompressible gasförmige Medien. Man unterscheidet zwi‐ schen Verdichtern, Ventilatoren, Gebläsen, Turboladern oder Kompressoren. Bei Verdichtern ist das Hauptziel die Verdichtung des Mediums. Bei Gebläsen, Ventilatoren und Turboladern ist es hingegen die Erhöhung der dynamischen Energie ohne nennenswerte Druckerhöhung. Die Beurteilung der Schwingungen an Pumpen und Lüftern fällt in den Bereich der Normen DIN ISO 10816-7 und ISO 14694. Lüfter mit Leistungen oberhalb 300 kW fallen in den Bereich von DIN ISO 10816-3. Für Turbolader existieren von führenden Herstellern eigene firmenspezifische Schwingungsstandards. Bezüglich Pumpen sei erwähnt, dass noch weitere Normen sowie, speziell für die Petrolindustrie, eine Reihe von API-Standards (API - Amerikanische Petrolindustrie) in breiter Anwendung zur schwingungstechnischen Beurteilung sind. 7.2.1 Strömungspumpen (Kreiselpumpen) Strömungspumpen werden auch als Kreiselpumpen bezeichnet. In Bild 7.1 wurde eine mehrstufige Kesselspeisepumpe vorgestellt, wie sie beispielsweise in Großkraftwerksblöcken im Einsatz sind. 521 7.2 Pumpen und Lüfter <?page no="522"?> Bei Strömungspumpen wird das Medium ausschließlich durch strömungsmechanische Vor‐ gänge gefördert und das Medium durchströmt ohne Ventile oder Klappen die Pumpe. Im Stillstand könnte das Medium die Pumpe auch in umgekehrter Richtung durchströmen. Strömungspumpen sind nicht selbstansaugend, daher müssen die Saugleitungen (oder zumindest der Siphon) immer mit Flüssigkeit gefüllt sein. Die maximale Saughöhe wird durch den äußeren Luftdruck und durch Strömungswiderstände begrenzt. Strömungspumpen sollten im Betrieb auf der Saugseite nicht gedrosselt werden, da dadurch die Gefahr einer Zerstörung der Schaufeln durch Kavitation entsteht. Je nach Austrittsrichtung des Mediums unterscheidet man zwischen ● Radialpumpen, ● Axialpumpen und ● Diagonalpumpen. Bild 7.3 zeigt sowohl den Aufbau als auch die wirkenden Kräfte und potenziellen Schwingungs‐ erreger eines achtstufigen Pumpenrotors einer gleitgelagerten Kesselspeisepumpe. Bild 7.3: An einem mehrstufigen Pumpenrotor wirkende Radialkräfte 7.2.2 Verdrängerpumpen Bei diesem Pumpentyp wird das Medium durch in sich geschlossene Volumina gefördert, das Zurückströmen wird durch Ventile oder Klappen verhindert (auch im Stillstand). Der Förderstrom ist bei Verdrängerpumpen pulsierend, weil sowohl kinematische als auch kompressionsbedingte Effekte dort zeitlich nicht konstant sind. Nach dem Förderprinzip ist zwischen rotierenden und oszillierenden Verdrängerpumpen zu unterscheiden, siehe Tabelle 7.2. Verdrängerpumpen sind in der Regel selbstansaugend. Die maximale Ansaughöhe ist begrenzt durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen Luftdruck, die Dichte des Mediums und die zu überwindenden Strömungswiderstände. Verdrängermaschinen sollten auf der Druckseite nicht abgesperrt werden, sofern nicht geeignete Maßnahmen wie Rutschkupplungen, Überdruck- und Bypassventile etc. getroffen wurden, um eine Beschädigung der Pumpe, des Antriebs oder der Leitungen bis zur Absperrstelle zu vermeiden. 522 7 Anlagenkenntnisse <?page no="523"?> Pumpe Pumpentyp Zahnradpumpen rotierend Rotationskolbenpumpen Spindelpumpen Drehschieberpumpen Kolbenpumpen oszillierend Membranpumpen Membrankolbenpumpen Tabelle 7.2: Arten von Verdrängerpumpen Man unterscheidet zusätzlich noch zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen. Konstantpum‐ pen verdrängen in jedem Arbeitszyklus das gleiche Volumen. Bei Verstellpumpen kann das Ver‐ drängungsvolumen variiert werden. 7.2.3 Strahlpumpen Bei der Strahlpumpe wird die Pumpwirkung durch einen Fluidstrahl (Treibmedium) erzeugt, der durch Impulsaustausch ein anderes Medium (Saugmedium) ansaugt, beschleunigt und verdichtet (fördert). Diese Pumpenart ist sehr einfach aufgebaut und hat keinerlei bewegte Teile. Sie ist daher besonders robust und wartungsarm. Beispiele sind Wasserstrahlpumpen, Jetboote, Vakuumdiffusionspumpen, Zerstäuber oder Schlammpumpen. 7.2.4 Lüfter Bei Lüftern für industrielle Anwendungen ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen Prozess‐ ventilatoren und Gebläsen zur Be- und Entlüftung. In Anwendung sind sowohl Radiallüfter als auch Axiallüfter. Bild 7.4 zeigt die Montage eines Axiallüfters für einen Kühlturm. Für eine Schwingungsanalyse sollte man bei Lüftermessungen berücksichtigen, dass unter den Lüfterherstellern starker Wettbewerb herrscht. Dies hat teilweise zu extremer Leichtbauweise und starken Schwingungsempfindlichkeiten geführt, was durch sorgfältiges Betriebswuchten wieder etwas kompensiert werden kann. Ventilatoren liefern Druckerhöhungen bis zu einem Faktor von etwa 1,3. Gehäuse und Laufrad sind in extremer Leichtbauweise hergestellt, was sie sehr schwingungsanfällig macht. Gebläse erzeugen Druckerhöhungen zwischen 1,3 und 3. Wegen der höheren Drücke müssen Gebläse grundsätzlich materialmäßig stabiler und fertigungstechnisch präziser gebaut werden, was ihre Schwingungsempfindlichkeit im Vergleich zu Ventilatoren reduziert. Da aber auch Gebläse zunehmend drehzahlvariabel betrieben werden, versucht man gern, sie schneller zu betreiben, was wiederum zu beträchtlichen Zusatzschwingungen oder Zusatzgeräuschen führen kann. Bei Druckerhöhungen über 3 spricht man von Turboverdichtern, Turbokompressoren oder Turboladern. Sie werden später noch in einem eigenen Abschnitt 7.4 behandelt. Bild 7.5 veranschaulicht weitere Schwingungsquellen an Lüfteraggregaten. 523 7.2 Pumpen und Lüfter <?page no="524"?> Bild 7.4: Kühlturmlüfteraggregat kurz vor der Montage Diese Schwingungsempfindlichkeit von Lüftern spiegelt sich auch im Normen- und Richtlinien‐ wesen wider. So gibt Norm ISO 14694 sehr detaillierte Angaben über Grenzwerte, erforderliche Wuchtgüten und auch Abschaltwerte. In der Norm DIN ISO 13373-5, ebenfalls eine Norm, die spe‐ ziell dieser Kategorie gewidmet ist, wird in Anhang A sehr umfassend aufgelistet, welche Fehler typischerweise in Lüftern auftreten können. Für Schwingungsanalysen und Gegenmaßnahmen bietet außerdem die Richtlinie VDI 3839 Blatt 4 sehr detaillierte Anweisungen und Empfehlungen. Bild 7.5: Schwingungsquellen an Lüftersystemen 7.2.5 Zentrifugen Zentrifugen sind rotierende Maschinen, die unter Ausnutzung der Massenträgheit arbeiten. In einem Rotor, einer rotierenden Trommel, wird das zu zentrifugierende Material in eine Kreisbewegung versetzt. Die gewünschte Komponententrennung erfolgt durch die Fliehkraft. 524 7 Anlagenkenntnisse <?page no="525"?> (7.1) In technischen Zentrifugen können Bestandteile von Suspensionen, Emulsionen oder auch Gasgemische getrennt werden (vom allgemein wohl bekannten Wäschetrockner abgesehen). Bei den Industriezentrifugen wird unterschieden zwischen Filterzentrifugen und Sedimenta‐ tionszentrifugen. Bei Filterzentrifugen ist die Trommel gelocht und im Inneren mit einem geeigneten Filtereinsatz belegt (Filtertuch, Drahtgewebe oder Spaltsieb). Bei Suspension fließt die Flüssigkeit durch die Trommelwand nach außen, der Feststoff wird zurückgehalten. Anmerkung: Eine Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern (Partikeln). Bei besonders feiner Mischung spricht man von Dispersion. Die Sedimentationszentrifuge besitzt eine Vollmanteltrommel. Sie arbeitet nach dem Prinzip der Sedimentation, jedoch wesentlich schneller als eine natürliche Schwerkraftsedimentation. Bei Überlaufzentrifugen wird die Suspension konstant zu- und die klare Flüssigkeit konstant abgeführt. Die in Bild 7.6 veranschaulichte Röhrenzentrifuge aus der Lebensmittelbranche arbeitet kontinuierlich. Bild 7.6: Prinzip einer Zuckerzentrifuge Die relative Zentrifugalbeschleunigung wird nach DIN 58970-2 als Vielfaches der mittleren Erdbeschleunigung, dem RZB-Wert angegeben: RZ B = 4π2 g rn 2 Darin ist r der Radius in Metern und n die Drehfrequenz in s -1 . Da Zentrifugen meist schnelllau‐ fende Rotoren sind, müssen sie auch rotordynamisch bewertet werden. Der Unwucht kommt eine besondere Bedeutung zu, da sie nicht als Fehler zu betrachten ist und oft typischerweise auftritt. Die wirkenden Schwingungen sollte man deshalb gut kennen und konstruktiv berücksichtigen. Es ist des Weiteren notwendig, Zentrifugen vor Schäden durch Instabilitäten zu schützen. 525 7.2 Pumpen und Lüfter <?page no="526"?> Energie (Medium) Maschine Abschnitt Zufuhr Verdichter 7.4 Pumpen 7.2 (Propeller) 7.3.7 Entzug Dampfturbine 7.3.2 Gasturbine 7.3.3 Wasserturbine 7.3.5 Windturbine 7.3.6 Tabelle 7.3: Turbomaschinen (Strömungsmaschinen) 7.3 Turbomaschinen Turbomaschinen oder Strömungsmaschinen sind Fluidenergiemaschinen. In einem offenen Raum erfolgt eine Energieübertragung über die kinetische Energie einer Strömung. Zu den Strömungs‐ maschinen zählen nach dieser Definition auch Pumpen und Verdichter, die ebenfalls Medien kontinuierlich bewegen und ihnen eine gezielte Richtungsablenkung und Geschwindigkeitsän‐ derung erteilen; diese wurden schon zuvor behandelt. Der Begriff Turbo stammt aus dem Lateinischen (bedeutet Wirbel des Windes). Er beschreibt, dass einem Medium eine Drallbewegung übertragen wird. Nachfolgend werden vor allem Turbomaschinen für die Energietechnik behandelt, denn sie stehen vor allem wegen ihrer hohen wirtschaftlichen Bedeutung und ihren hohen Leistungsdich‐ ten im Zentrum jeder Zustandsüberwachung. 7.3.1 Überblick Im ersten Teil wird zunächst ein Überblick über Funktion, Physik und Konstruktionsprinzipien von Turbomaschinen gegeben, bevor auf die wichtigsten Gruppen im Detail eingegangen wird. 7.3.1.1 Grundsätzliches Eine Turbomaschine ist nach allgemeiner Definition eine thermische oder hydraulische Strö‐ mungsmaschine, bei der eine Energieübertragung zwischen einem Fluid und der Maschine durch eine Strömung erfolgt. Es ist bei Turbomaschinen zu unterscheiden zwischen Maschinen, bei denen dem Medium Energie zugeführt wird (zum Beispiel Verdichter oder Pumpen) und Maschinen, wo dem Medium Energie entzogen wird (zum Beispiel Dampfturbinen, Gasturbinen) - siehe Tabelle 7.3. Nach dem die Maschine durchfließenden Medium wird bei Turbinen zwischen Dampf-, Gas-, Wasser- und Windturbinen unterschieden, wobei die beiden letztgenannten deutlich langsamer drehen. Die Energieübertragung erfolgt über profilierte Rotorblätter, Flügel oder Schaufeln. Durch die beidseitige Umströmung entsteht auch eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite. Der Wirkungsgrad wird sowohl durch die Auslegung des Laufrades als auch durch 526 7 Anlagenkenntnisse <?page no="527"?> die Durchströmteile (Lauf- und Leitschaufeln, Läufer- und Gehäusedichtungen) innerhalb der Maschinen bestimmt. In Einschränkung dieser allgemeinen Definition beziehen sich die Ausführungen dieses Abschnitts auf solche Maschinen, die man im allgemeinen Sprachgebrauch unter Turbomaschinen versteht. Dazu zählen schnell drehende Dampfturbinen, Gasturbinen und Flugzeugtriebwerke. Sie sind erst ab einer gewissen Drehzahl in der Lage, ausreichend Strömungsenergie bereitzustellen, um elektrische Energie im Multimegawatt-Bereich oder maximale Antriebsleistung für zum Beispiel Flugzeuge oder Fregatten zur Verfügung zu stellen. Anmerkung: Umgangssprachlich werden Turbolader, Turbokompressoren, Turbogeneratoren und Turbogetriebe wegen ihrer hohen Drehzahlen ebenso den Turbomaschinen zugeordnet. Gemeinsames Bauelement aller Strömungsmaschinen ist ein Rotor, über den Strömungsenergie in mechanische Arbeit umgesetzt wird oder umgekehrt. Bild 7.7 zeigt als zentrales Element den Rotor einer Dampfturbine mit den vielen Schaufelstufen. Zusätzlich gibt Bild 7.8 einen Überblick über die vielfältigen Einflussgrößen und Messgrößen an solchen Turbomaschinen. Bild 7.7: Rotor eine Dampfturbine 527 7.3 Turbomaschinen <?page no="528"?> Typ Prinzip Beispiele Überdruckmaschine Umwandlung kinetischer Energie Kaplan-Turbine Francis-Turbine Gleichdruckmaschine Umwandlung potenzieller Energie Pelton-Turbine Laval-Turbine Durchströmturbine Tabelle 7.4: Physikalische Prinzipien von Turbomaschinen Bild 7.8: Einflussgrößen bei Turbomaschinen 7.3.1.2 Physikalische Prinzipien Man unterscheidet laut Tabelle 7.4 zwischen folgenden zwei Maschinengruppen basierend auf dem physikalischen Arbeitsprinzip der Umsetzung von Primärenergie in Sekundärenergie. Unter einer Überdruckturbine (Differenzdruckturbine) versteht man eine Maschine, bei der das Medium vor dem Laufrad einen höheren statischen Druck aufweist als dahinter. Die nutzbare Arbeit kommt im Wesentlichen aus der Umwandlung des statischen Drucks, also von potenzieller Energie. Beispiele sind Kaplan- und Francisturbinen. Gegenstück dazu sind Gleichdruckturbinen, bei denen das Medium an Laufradeintritt und Laufradaustritt den gleichen Druck hat. Die nutzbare Arbeit kommt hier aus der Umwandlung der Bewegungsenergie des Mediums (dynamischer Druck). Beispiele sind Pelton- und Laval-Turbinen. 7.3.1.3 Konstruktionsprinzipien Es gibt bei Turbomaschinen eine Vielzahl von konstruktiven Ausführungen, um eine beidseitige Umströmung der Laufradschaufeln zu erzielen. Lauf- und Betriebsverhalten werden von den 528 7 Anlagenkenntnisse <?page no="529"?> Laufradschaufelformen, der Zahl der Schaufeln und den vorherrschenden Strömungsrichtungen (Axial-, Radial- oder Diagonalmaschinen) stark beeinflusst. Turbomaschinen können ein- oder mehrstufig ausgeführt werden, wobei man unter einer Stufe sowohl Laufrad als auch Leiteinrichtung als Einheit versteht. Bei größeren Maschinen mit höheren Volumenströmen existieren neben den einflutigen Bauarten auch mehrflutige Bauarten, bei denen Volumenströme parallel geführt werden. Dies ist in Bild 7.9 veranschaulicht. Bild 7.9: Konstruktionsformen von Turbomaschinen 7.3.2 Dampfturbinen Eine Dampfturbine ist eine Wärmekraftmaschine, also eine Maschine, die von heißem Dampf unter hohem Druck angetrieben wird und Wärme in mechanische Energie umwandelt. Ein Dampfturbo‐ satz besteht aus einer Dampfturbine mit den angeschlossenen Arbeitsmaschinen, gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Getriebe. Als Dampfturbinenanlage wird die Gesamtheit von Dampfturbine, Arbeitsmaschine, Kondensator und angeschlossenen Rohrleitungen bezeichnet. Dampfturbinen werden am meisten in Kraftwerken zur Primärenergieerzeugung oder zur ge‐ koppelten Erzeugung von Elektroenergie, Wärme und Prozessdampf eingesetzt. Dampfturbinen kleiner oder mittlerer Leistung dienen zumeist in axialer Bauweise auch als Verdichter- oder Pumpenantrieb. Bezogen auf die Frischdampfparameter unterscheidet man, wie in Tabelle 7.5 aufgeführt, zwi‐ schen Heißdampf- und Sattdampfturbinen und bezogen auf den Abdampfdruck zwischen Kon‐ densations- und Gegendruckturbinen. Kondensationsturbinen nutzt man zur Energieerzeugung oder zum Antrieb von Verdichtern. Bei Gegendruckturbinen wird der Abdampf noch anderweitig genutzt, was je nach Abnahme zu stark unterschiedlichen Betriebs- und Schwingungsverhalten führen kann. Man unterscheidet weiter ein- und mehrgehäusige Dampfturbinen, die im HD-, MD- und ND-Teil (siehe Tabelle) ein- oder mehrflutig ausgeführt sein können. So kann eine 500 MW Heiß‐ dampfturbine aus einem einflutigen HD-Teil, einem zweiflutigen MD-Teil und zwei parallel ge‐ schalteten zweiflutigen ND-Teilen bestehen. Bei HD- und MD-Stufen bleiben das spezifische Dampfvolumen und die Expansion relativ niedrig. Deshalb sind sowohl die Schaufellängen als auch die Zunahmen in den Schaufellängen der einzelnen Schaufelstufen klein. Probleme mit Schaufelschwingungen könnte es trotzdem bei Dampfturbinen mit Drossel-Füllungsregelung geben, wo in der ersten HD-Stufe breitere Lauf‐ schaufeln verwendet werden. Oder, wenn in der 1.Stufe noch ein sogenanntes Curtis-Rad vorge‐ 529 7.3 Turbomaschinen <?page no="530"?> Klassierung Maschine Einsatz Frischdampfparameter Heißdampfturbinen Sattdampfturbinen Abdampfdruck Kondensationsdruckturbinen Energieerzeugung, Antriebe Gegendruckturbinen Abdampfnutzung Dampfzustand Heißdampfturbine Nassdampfturbine Druckstufen HD Hochdruckturbine Druckstufen in Serie MD Mitteldruckturbine ND Niederdruckturbine Tabelle 7.5: Einteilung von Dampfturbinen schaltet ist. Das Curtis-Rad ist ein Geschwindigkeitsrad, bei welchem der Dampfstrahl mit voller Wucht auf das Laufrad auftrifft, wodurch sich dessen Umfangsgeschwindigkeit stark erhöht. Die ND-Schaufeln sind im Vergleich zu den HD- und MD-Stufen deutlich länger. Man verwendet in dieser Stufe oft verwundene und stark verjüngte Schaufeln, die mit Steckfüssen im Rotor gehalten werden. Schaufelschwingungen oder sogar Schaufeleigenschwingungen können angeregt werden. Im Nassdampfbereich kann sich das Schwingungsbild verändern, wenn fortschreitende Erosion entsteht, was sich mit geeigneter, hochfrequent messender Schwingungsmesstechnik frühzeitig erkennbar lässt. Bild 7.10 zeigt einen Konstruktionsausschnitt eines kleineren Dampfturbinenrotors. Die ein‐ zelnen Schaufelreihen weisen unterschiedliche Schaufelzahlen auf. Über hochfrequente Gehäu‐ seschwingungsmessungen und Ordnungsanalysen war es in diesem Fall beispielsweise möglich, zusätzliche Anregungen in der 8. Schaufelreihe nachzuweisen. 530 7 Anlagenkenntnisse <?page no="531"?> Bild 7.10: Dampfturboläufers mit 13 Schaufelreihen Dampfturbinenrotoren sind schwingungsfähige Systeme und besitzen mehrere, von den Rotorab‐ messungen, der Lager- und Ölfilmelastizität und der Fundamentsteifigkeit abhängige kritische Drehzahlen. Neben den erzwungenen Schwingungen und Eigenschwingungen können während des Betriebes aber auch lastabhängige Spaltanregungen durch Kräfte infolge unsymmetrischer Strömungen in den Ringspalten (Dichtspalten) des Durchströmteils der Turbine auftreten. Analysiert man beim Hoch- und Abfahren sowohl die Wellenschwingungen als auch die Gehäuseschwingungen, lässt sich bei Dampfturbinenanlagen unterscheiden zwischen ● diskreten Gehäuse- und Gleitlagerschwingungen, ● breitbandigen Schaufeleigenschwingungen, ● strukturbedingten Eigenschwingungen und ● rotorsystembedingten Eigenschwingungen. Zusätzlich können bei Dampf- und auch bei Gasturbinen lastspezifisch transiente Komponen‐ tenschwingungen sowie strömungserregte Zusatzschwingungen auftreten. Besonders erwähnt seien lokal ausgeprägte Wirbelstrukturen (rotierende Instabilität, Spaltgeräusche) oder Anstreiferscheinungen und damit oft verbundene thermische Rotorverkrümmungen mit entsprechenden Zusatzschwingungen. Permanente Schwingungsmessungen und insbesondere ein Phasenmoni‐ toring ermöglichen es, Anzeichen für solche Störeinflüsse frühzeitig zu erkennen. 7.3.3 Gasturbinen Eine Gasturbine ist eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus Verdichter, Brennkammer und einer Gasexpansionsturbine. Mit einem Leistungsbereich bis zu 600 MW pro Gasturbine könnten damit auch Kernkraftwerke ersetzt werden. Bei der Gasturbine wird über mehrere Verdichterstufen Luft über die Beschaufelung kompri‐ miert, in der Brennkammer mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff vermischt und dann gezündet. Das Gemisch verbrennt und das so entstehende Heißgas wird anschließend im 531 7.3 Turbomaschinen <?page no="532"?> Bild 7.11: Schwingungsmessungen an einer stationären Gasturbinenanlage Turbinenteil entspannt. Dabei wird thermische Energie in kinetische Energie, genauer gesagt, in Rotationsenergie umgewandelt. Gasturbinen werden fast ausschließlich bei einfach offener Prozessführung betrieben. Einfach offen heißt, dass die Verbrennung in der Brennkammer im Fluid stattfindet und die Prozessgase nach der Expansion austreten. Folgende Vorgänge finden dabei statt: ● Kompression des Fluids im Verdichter ● Wärmezufuhr in der Brennkammer ● Expansion in der Turbine ● Wärmeabfuhr an die Atmosphäre Durch Nachschalten eines Wärmeübertragers, Zwischenkühlung der verdichteten Luft, Zwi‐ schenerhitzung des Verbrennungsgases und einer Trennung in mehrere Wellen lässt sich der offene Gasturbinenprozess erweitern und anwendungsspezifisch gestalten. Gasturbinenanlagen werden oft zur Energieerzeugung in Spitzenlastkraftwerken, in Drucker‐ höhungsstationen von Pipelines als Pumpen- und Verdichterantrieb sowie als Flugzeug- und Schiffsantriebe verwendet. Man unterscheidet zwischen Wellenturbinen, bei denen die von der Abtriebswelle abgegebene Leistung direkt genutzt wird und Strahlturbinen, bei denen die kinetische Energie des Verbren‐ nungsgases in Form von Schub benutzt wird. Beim Auslegen einer Gasturbine muss zwingend berücksichtigt werden, für welche Anwen‐ dung, unter welchen Bedingungen und wie lange die Gasturbine betrieben werden soll. Erst danach können der entsprechende Kreisprozess, die Turbineneintrittstemperatur und die Druck‐ verhältnisse innerhalb des Verdichters hinsichtlich Brennstoffe, Werkstoffe und erforderlicher Lebensdauer dimensioniert werden. Zunehmende instationäre Fahrweisen und auch mehr Kaltstart/ Stopp-Vorgänge führen bei Gasturbinen jedoch dazu, dass neben den torsionalen, zentrifugalen und Biegebeanspruchungen auch thermische Shock-Beanspruchungen Lebensdauern reduzieren, was bis hin zur Rissbildung führen kann. Regelmäßige Inspektionen und Zustandsdiagnosen sind deshalb erforderlich. Oder 532 7 Anlagenkenntnisse <?page no="533"?> man wechselt regelmäßig nach relativ kurzen Betriebsdauern Gasturbinen durch geprüfte und instandgesetzte Gasturbinen aus. Die Nutzleistung einer Gasturbinenanlage ergibt sich aus der Differenz der Leistung der Gasturbine und dem Leistungsbedarf des Verdichters. Um die für die Gasturbinenanlage üblichen Verdichterdruckverhältnisse zu erreichen, sind vielstufige Axialverdichter erforderlich. Gasturbinenrotoren werden als geschweißte Schmiedeteile oder als Trommel aus zusammen‐ gesetzten Scheiben ausgeführt. Bei der Dimensionierung der Verdichterschaufeln sind neben den aerodynamischen Kriterien vor allem die Festigkeit und das Schwingungsverhalten der Schaufelblätter maßgebend. Bei der Qualitätsprüfung der Schaufelblätter wird schwingungstechnisch sogar überprüft, dass Schaufeleigenfrequenzen sich fertigungsbedingt untereinander nicht mehr als 2 % unterscheiden. Die Ein- und Austrittsgehäuse erfordern eine hohe Formgenauigkeit (exakte Montage! ) und eine geeignete strömungstechnische Gestaltung, um Strömungen im Eintrittsgehäuse stetig zu beschleunigen und im Austrittsgehäuse nach dem Diffusor ablösungsfrei strömen zu lassen. Dann geht es in die eigentliche Gasturbine. Die Designanforderungen entsprechen denen der Dampfturbinen, jedoch mit folgenden Unterschieden: ● Wegen der größeren Enthalpiedifferenzen sind weniger Stufenzahlen erforderlich. ● Die Strömungsquerschnitte am Eintritt sind größer, die Flächenunterschiede zwischen Eintritt und Austritt sind geringer. ● Höhere Gastemperaturen am Eintritt der Turbine erfordern besondere Werkstoffe. ● Schnelle Temperaturänderungsgeschwindigkeiten erfordern wärmelastische Konstruktio‐ nen und möglichst geringe Wanddicken aller dem Heißgasstrom ausgesetzten Bauteile. Bei den Brennkammern existieren unterschiedliche Konstruktionslösungen. Einzelne Rohrbrenn‐ kammern verwendet man bei stationären Gasturbinenanlagen mit Heizöl als Brennstoff. Bei hochwertigen Brennstoffen, insbesondere bei Flugtriebwerken, nutzt man Ringbrennkammer oder Ringrohrbrennkammern. Hinsichtlich Durchströmungsrichtung unterscheidet man noch zwischen Gleichstrom-, Gegenstrom- und Winkelbrennkammern. Bei Gleichstrombrennkammern strömt die Luft von der Brennerseite zu, das Verbrennungsgas strömt am Brennkammerende aus. Dafür muss der Brennstoff gut zündbar sein. Bei Gegenstrom‐ brennkammern wird die Primärluft vorgewärmt, sie eignen sich auch für schlecht zündende Brennstoffe. 7.3.4 GuD Kraftwerke Ein GuD-Kraftwerk (Gas- und Dampf Kombikraftwerk) ist eine Kombination von Gasturbinen‐ kraftwerk und Dampfkraftwerk. Die Gasturbine dient dabei als Wärmequelle für den Dampfer‐ zeuger der Dampfturbine. Kombikraftwerke sind sehr flexibel mit kurzen Startzeiten und der Möglichkeit schneller Laständerungen. Die Kombination ergibt sehr gute Wirkungsgrade. 7.3.5 Wasserkraftanlagen In Wasserkraftanlagen wird die im Wasser gespeicherte mechanische Energie in eine andere Energieform, vorwiegend elektrische Energie, umgewandelt. Das kann in Fließgewässern, über Stauseen oder durch Strömungs- und Gezeitenkraftwerke auf See erfolgen. 533 7.3 Turbomaschinen <?page no="534"?> (7.2) 7.3.5.1 Bauarten und Einsatzbereiche In Wasserkraftwerken wird die mechanische Energie des Wassers über Turbinen vorwiegend zur Stromerzeugung genutzt. Wasserturbinen setzen die Energie des einfließenden Wassers in eine Rotationsbewegung um, die dann im Generator weiter in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energie des Wassers ergibt sich aus der Bewegungsenergie des strömenden Wassers (kineti‐ sche Energie) und der Lageenergie, die sich als statischer Druck äußert und von der Fallhöhe des Wassers abhängt (potenzielle Energie). Sind sowohl Fallhöhe h in Meter als auch Durchflussmenge Q in m 3 / s bekannt, kann anhand folgender Faustformel die erzielbare elektrische Leistung P in Kilowatt abgeschätzt werden: P = 8Qℎ Tabelle 7.6 gibt einen Überblick bezüglich der verschiedenen Bauarten von Wasserturbinen. Die besondere Vielfalt ergibt sich aus den vielfältigen Randbedingungen hinsichtlich Fallhöhen und verfügbarer Durchflussmengen. Auch das Anforderungsprofil ist unterschiedlich: Dauerbetrieb, Betrieb als Spitzenkraftwerk, Phasenschieber- oder Pumpspeicherbetrieb sind hier zu nennen. Welche Turbinenart zum Einsatz kommt, hängt vom verfügbaren Volumenstrom und der nutz‐ baren Fallhöhe ab. Hinweise dazu findet man in Tabelle 7.7. Sehr hohe Fallhöhen treten nur im Hochgebirge auf. Die nutzbaren Volumenströme sind gering, weshalb zumeist Pelton-Turbinen zum Einsatz kommen. Ein regulierbarer Düsenstrahl trifft in Pelton-Turbinen mit hoher Geschwindigkeit tangential auf die festen, becherförmigen Laufschau‐ feln auf und es wird die potenzielle Energie des durch die Druckleitungen zuströmenden Wassers in kinetische Energie umgewandelt. Besonderer Vorteil der Pelton-Turbinen ist die schnelle Re‐ gulierbarkeit über Strahlablenker. Wird das Wasser über spezielle Druckstollen oder Druckleitungen geführt, spricht man von HD-Wasserturbinen (Fallhöhe > 50 m) oder von MD-Wasserturbinen (Fallhöhe 15 bis 50 m). Mit Pelton-Turbinen sind Leistungen bis zu 450 MW möglich. Bei Wasserkraftanlagen im Flachland hat man große Volumenströmen und geringe Fallhöhen. Da das Wasser direkt weitergeleitet wird, spricht man von ND-Anlagen (geringer Druckunterschied zwischen Einlauf und Auslauf). Oft werden hier Propellerturbinen mit festen Laufradschaufeln oder Kaplan-Rohrturbinen mit verstellbaren Leit- und Laufschaufeln eingesetzt. Besonders letz‐ tere können schwingungstechnisch sehr herausfordernd sein. Axialturbinen können mit vertikaler, horizontaler oder leicht geneigter Wellenachse ausgeführt werden. Bild 7.12 zeigt eine Francis-Turbine in vertikaler Ausführung, es sind sehr umfassend Verfahren zur Zustandsüberwachung eingetragen. (Weitere Detailinformationen findet man in der relativ neuen Norm ISO 19283.) Mit solchen Francis-Turbinen lassen sich die größten Wasserturbinenleistungen realisieren (bis zu 400 MW). In der Regel bestehen diese Überdruckturbinen aus einem gegossenen oder ge‐ schweißten Spiralgehäuse mit Stützschaufeln zur Stabilisierung (ähnlich dem Gehäuse einer Weinbergschnecke) und einem von außen nach innen durchströmtem Leitrad, welches auch zur Regulierung des Wasserstroms dient. Das meist fliegend auf der Welle angeordnete Francis-Tur‐ binenlaufrad besteht aus Tragscheibe, Deckscheibe und etwa 12 bis 18 nicht verstellbaren Schau‐ feln. Über ein passendes Saugrohr fließt das Wasser möglichst frei ab. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist bei Wasserkraftanlagen die Generatordrehzahl, die von der Netzfrequenz und der Polpaarzahl des Drehstromgenerators abhängt (und ggf. zusätzlich vom Untersetzungsverhältnis beim Einsatz von Riemenstufen oder Getriebestufen). 534 7 Anlagenkenntnisse <?page no="535"?> Bezeichnung Bauart Charakteristik Durchströmturbine Querstromturbine Wasserstrom quer durch die Turbine (Ein- und Austritt am Umfang) Pelton-Turbine Freistrahlturbine Hochdruckkraftwerke (hohes Nutzgefälle, geringe Durchflussmenge) Franzis-Turbine (Pumpspeicher) Spiralturbine tangentialer Eintritt axialer Austritt Schachtturbine allseitiger Eintritt Propellerturbine Kaplanturbine (ohne Flügelverstellung) Leistungsanpassung über Drehzahl Kaplan-Turbine Vertikalmaschine axialer Antrieb verstellbares Laufrad (Schaufelverstellung) Rohrturbine Straflo-Turbine Diagonalturbine Tabelle 7.6: Bauarten von Wasserturbinen Bild 7.12: Aufbau und Überwachungskonzept von vertikalen Wasserkraftmaschinen 535 7.3 Turbomaschinen <?page no="536"?> Typ Fallhöhe bevorzugte Bauart Zuführung Leistungsgrenze HD > 50 m Pelton Druckstollen 450 MW Francis (Pumpspeicher) 700 MW MD 15 - 50 m Francis ND < 15 m Kaplan 700 MW HD = Hochdruck, MD = Mitteldruck, ND = Niederdruck Tabelle 7.7: Turbinentypen Klasse Bauart Schnellläufer Kaplan-Turbinen Propellerturbinen Diagonal-Turbinen Francis-Turbinen Mittelschnellläufer Francis-Turbinen Langsamläufer Durchströmturbinen Pelton-Turbinen Francis-Turbinen Tabelle 7.8: Klassifizierung von Wasserturbinen nach der spezifischen Drehzahl Wasserkraftanlagen lassen sich strömungstechnisch über die spezifische Drehzahl klassieren, wie in Tabelle 7.8 gezeigt. Die spezifische Drehzahl beschreibt das Verhältnis von Wassergeschwin‐ digkeit zu Turbinendrehzahl und damit auch die Effizienz der jeweils verwendeten Laufräder. Berücksichtigt werden dabei die Schnellläufigkeit, das Schluckvermögen (in m 3 / s) und die Ener‐ gieübertragungsfähigkeit der verschiedenen Laufradtypen. Während danach Durchström- und Peltonturbinen zu den Langsamläufern zählen, sind Kaplanturbinen, Propellerturbinen und Dia‐ gonal-Turbinen Schnellläufer. 7.3.5.2 Fehler- und Einflussgrößen Wasserkraftmaschinen sind außerordentlich komplexe Anlagen, entsprechend ergeben sich vielfältige Fehlerbilder. Bild 5.1 zeigte schon in einem früheren Zusammenhang eine skizzenhafte Zusammenstellung der wichtigsten Fehlermöglichkeiten, eine zusätzliche Systematik wurde durch eine FMEA eingebracht. 536 7 Anlagenkenntnisse <?page no="537"?> Schwingungsprobleme können bei allen Wasserturbinenarten auch durch Wasserstands- und Regelungsschwankungen und vor allem durch Kavitation entstehen. Besonders kavitationsge‐ fährdet sind ● bei Kaplanturbinen die Laufschaufeln und das Saugrohr, ● bei Francis-Turbinen die Leit- und Laufschaufeln sowie ● bei Pelton-Turbinen die Düsennadel und die Becher-Laufschaufeln. Es ist daher eine besonders sorgfältige hydrodynamische Auslegung und Formgebung dieser kavitationsgefährdeten Bauteile notwendig. Erwähnt sei noch bezüglich Kaplan-Rohrturbinen mit horizontaler oder nur schwach geneigter Welle, dass diese Turbinen infolge des großen Unterschiedes im statischen Wasserdruck auch über den Laufradumfang kavitationsanfällig sind. 7.3.5.3 Schwingungsmessungen Kontinuierliche Messungen der Schwingungskennwerte bieten die Möglichkeit, um ungünstige Betriebszustände oder Kavitationserscheinungen frühzeitig zu erkennen und durch gezielte Fahrweisen zu vermeiden. Bild 7.13 zeigt beispielhaft eine x-y-Darstellung einer vertikalen 25 MW Kaplanturbine, wobei Kennwerte der Maschinenschwingungen und Kennwerte der Körperschallschwingungen über der Leistung aufgetragen sind. Aus solchen Darstellungen lässt sich beispielsweise entnehmen, ob die Wasserturbine im Betrachtungszeitraum (hier monatlich) bestimmungsgemäß, also ohne Zusatzbeanspruchungen betrieben wurde. Bild 7.13: Häufigkeitsverteilung der Schwingkennwerte v und Körperschallkennwerte a an einer Kaplanturbine in Abhängigkeit von der Turbinenleistung (über einen monatlichen Zeitraum erfasst) 537 7.3 Turbomaschinen <?page no="538"?> Komponente Konzept Bauart Achsrichtung horizontal Propellerbauart vertikal keine Richtungsabhängigkeit Regelung stall nicht verstellbare Rotorblätter pitch Rotorblätter mit Blattwinkelverstellung Getriebe mit Getriebe handelsübliche Generatoren ohne Getriebe Direktantrieb Turm Gittermast Rohrturm Stahlrohrturm, Betonturm Hybridturm Rohrturm auf Betonsegmenten Tabelle 7.9: Systematik von Windenergieanlagen 7.3.6 Windenergieanlagen (WEA) Windenergieanlagen bieten ein breites und sehr anspruchsvolles Betätigungsfeld für die Schwin‐ gungsanalyse. Sie sind schwierig in der Beurteilung, aber wichtig in zeitgemäßen Energiekon‐ zepten. Durch die große Zahl von Anlagen in einem Windpark kommen hier außerdem die Gesichtspunkte eines Flottenmanagements, wie sie schon ganz zu Anfang angesprochen wurden, besonders zum Tragen. Neu ist im Vergleich zu anderen Anlagen, dass die anregenden Kräfte nicht nur aus der WEA selbst stammen sondern auch von außen, und das in schwer kalkulierbarer Weise, auf die WEA einwirken. 7.3.6.1 Bauformen Windenergieanlagen (WEA) sind trotz ihrer niedrigen Rotordrehzahl ausgesprochene Schnellläu‐ fer (vergleiche dazu auch Tabelle 7.8 und die dort gegebenen Definitionen). Schwingungstechnisch zählen WEA zu den am stärksten beanspruchten Strömungsmaschinen. Des Weiteren wirken äußere manchmal stark schwankende Windkräfte auf die WEA. Es sind also nicht nur maschi‐ neninduzierte Erregerkräfte und die entsprechenden Schwingungen zu berücksichtigen. Der komplexe Aufbau in extremer Leichtbauweise kann bei WEA zusätzlich erhebliche Schwingungs‐ probleme mit sich bringen. Für Windenergieanlagen haben sich im Lauf der Zeit (man könnte fast sagen, im Laufe der Geschichte) mehrere Bauarten entwickelt. Eine Zusammenstellung findet man in Tabelle 7.9. Wenn man heute durch die Landschaft fährt, kann man sehen, dass sich diese Vielfalt in der Praxis auf nur wenige Typen reduziert hat. WEA sind vorwiegend in Windparks zusammengefasst, wo mehrere hundert, oft sogar tausend Anlagen zusammengefasst und auch zentral betreut und gesteuert sind. Meist findet man hier eine Konzentration auf nur wenige Typen, was natürlich den Gedanken des Flottenmanagements in den Vordergrund rückt. Die Grundkonzepte bei WEA sind für alle Bauarten weitgehend ähnlich. Es treten dabei ganz bestimmte Komponenten auf. Natürlich steht der Triebstrang zunächst im Fokus des Interesses (was sich auch zum Teil im Stand der einschlägigen Normung widerspiegelt). Wegen des 538 7 Anlagenkenntnisse <?page no="539"?> durchgehenden Leichtbaus in Verbindung mit sehr hohen Leistungsdichten kann man jedoch die anderen Komponenten bei der Instandhaltung nicht außer Acht lassen. Vor allem, weil es hier nicht nur um die Maschinenkomponenten selbst geht, als Folge der typischen Infrastruktur treten auch Umweltfragen besonders deutlich zutage. Im Folgenden wird auf die Hauptkomponenten einer WEA eingegangen, worauf dann die Überwachungskonzepte und Fragen der Beurteilung zur Sprache kommen. 7.3.6.2 Triebstrangkonzepte Man unterscheidet zunächst einmal zwischen WEA mit vertikalem oder mit horizontalem Rotor, zwischen stall- oder pitchgeregelter WEA und solchen mit Getriebe oder ohne Getriebe. Wegen des besseren Leistungsbeiwerts werden bevorzugt WEA mit horizontaler Achse, kurz gesagt mit Horizontalrotoren in Propellerbauart eingesetzt. Vertikalrotoren haben zwar Vorteile wie Unabhängigkeit von der Windrichtung (sie benötigen keine Nachführung), sind einfacher und robuster im Aufbau und unempfindlich gegenüber wechselnden Winden, haben jedoch deutliche Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrades. Anmerkung: Der Leistungsbeiwert ist das Verhältnis von elektrischer Ausgangsleistung einer WEA zu der durch den Wind theoretisch verfügbaren Leistung - im Prinzip also ein Maß für den Wirkungsgrad. Heutige Multimegawattanlagen haben Rotorblattlängen von mehr als 85 Metern. Die nächste Generation mit Rotorblattlängen über 100 m und Generatorleistungen bis zu 14 MW ist in Vorbe‐ reitung. Sie sind mit einer Blattwinkelverstellung zur besseren Leistungs- und Drehzahlregelung ausgerüstet. Die Rotorblattverstellung kann gemeinsam oder individuell erfolgen. Die Rotornabe ist mit dem Triebstrang der WEA verbunden, der getriebelos oder mit Überset‐ zungsgetriebe ausgeführt ist. Die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt durch einen oder mehrere Generatoren. Bei sogenannten integrierten Triebsträngen entfällt die Rotorwelle zum Getriebe oder zum Generator, die Rotornabe ist also direkt an die nachfolgende Triebstrangkomponente angeflanscht. Die Komponenten zur Energieumwandlung sind in der Regel innerhalb der Gondel unterge‐ bracht. Bild 7.14 veranschaulich den üblichen Aufbau einer dreiblättrigen WEA mit dreistufigem Planeten/ Stirnradgetriebe und doppelt gespeisten Asynchrongenerator (Schleifringläufer-Asyn‐ chronmaschine mit läuferseitigen Frequenzumrichter zur Drehzahl- und Leistungsregelung). Die Gondel ist zur Windnachführung drehbar auf dem Turm gelagert, der in einem Fundament gegründet ist. 539 7.3 Turbomaschinen <?page no="540"?> Bild 7.14: Typischer Aufbau und typische Messpositionen am Triebstrang von Windenergieanlagen mittlerer Leistung mit Getriebe Besonderheit bei Windenergieanlagen ist die asymmetrische Windanströmung wegen der großen überstrichenen Rotorfläche. Schon bei gleichmäßigem Wind ändert sich das Geschwindigkeits‐ profil des Windes stark mit der Höhe über Grund. Die dadurch unterschiedlichen Windvertei‐ lungen sowie der Einfluss von temporären Böen, Windturbulenzen oder Schräganströmung führen zu sehr unregelmäßigen Schwankungen der lokal wirkenden Windgeschwindigkeiten. Dadurch entstehen zusätzliche dynamische Belastungen der gesamten WEA mit ausgeprägt stochastischem Charakter. Passiert das Rotorblatt den Turm, wird auch noch die Rotorblattpassier‐ frequenz impulsartig angeregt. Infolge Massenunwucht und aerodynamischer Unwucht werden Schwingungen mit der Drehfrequenz des Rotors angeregt, die im ungünstigen Fall mit Turm- oder mit Rotorblatteigenfrequenzen übereinstimmen und zu Resonanzen führen können. Neben diesen vielfältigen aerodynamischen und massenbezogenen Belastungen wirken auf die WEA aber auch Belastungen aus unterschiedlichen Betriebssituationen und Rückwirkungen aus dem elektrischen Netz infolge Drehzahl- und Lastveränderungen ein, was man zum Beispiel in Bild 7.15 gut nachvollziehen kann. Diese internen und externen Belastungen überlagern sich natürlich und wirken schwellend oder sogar lokal wechselnd auf die gesamte WEA, also auf den Rotor mit Rotorblättern, den Triebstrang, den Turm und auf das Fundament. All diese Einflüsse sind beim Condition Monitoring messtechnisch zu erfassen und bei der Schwingungsanalyse zu berücksichtigen. Man kann sogar sagen, dass diese Anforderungen auch ein richtiger Katalysator für die Weiterentwicklung von CM-Techniken waren. 540 7 Anlagenkenntnisse <?page no="541"?> Bild 7.15: Typische Leistungskennlinien einer WEA, gemessen in Sekundentakt; Links: Generatorleistung über Windgeschwindigkeit; Rechts: Generatorleistung über Generatordrehzahl (monatliche Aufzeichnung in einem windreichen Zeitraum) 7.3.6.3 Regelung Bei WEA mit Pitchregelung ermöglicht die dynamische Regelung über die um ihre Längsachse drehbar gelagerten Rotorblätter eine optimierte Anpassung an unterschiedliche Windgeschwin‐ digkeiten. Zur Abregelung werden sie gemeinsam oder einzeln aus dem Wind gedreht. Bei kleinen Anlagen wird die Stallregelung genutzt. Eine stallgeregelte Anlage hat starr montierte Rotorblätter, die Auslegung erfolgt angepasst an eine Norm-Windgeschwindigkeit. Da solche Anlagen schlecht anlaufen, kann zumindest bei Kleinwindanlagen der Generator auch kurzzeitig als Motor betrieben werden, um die Anlage auf eine Mindestdrehzahl zu bringen. 7.3.6.4 Getriebe und Generator Die Baugröße des Generators einer WEA steht in erster Linie in engem Zusammenhang mit der Generatordrehzahl. Je geringer die Drehzahl, desto größer muss der Generator sein und desto höher ist der Bedarf an kostenintensivem Material im Generator, vor allem Kupfer und Magnetwerkstoffe. Bei einer WEA mit Getriebe kann die niedrige Drehzahl des Rotors in eine wesentlich höhere Generatordrehzahl übersetzt werden. Typische Übersetzungsverhältnisse liegen hier zwischen etwa 1: 30 bis 1: 100. Die Kombination von schnelllaufenden elektrischen Maschinen mit mechanischen Getrieben bietet Kostenvorteile gegenüber getriebelosen Ausführungen. Bei der getriebelosen WEA wird die Rotorleistung direkt auf den Generator übertragen, man spricht deshalb auch von einem Direktantrieb. Der Triebstrang wird dadurch zumindest bis zum Umrichter weitgehend wartungsfrei. Getriebelose WEAs sind im Layout einfacher und robuster, was die Störanfälligkeit mindert. 7.3.6.5 Turm und Fundament Man unterscheidet hier zwischen Gittermast- und Rohrtürmen. Während in der Vergangenheit Stahlrohrtürme und bei getriebelosen WEAs Betontürme dominierten, sind aktuell bis zu 150 m hohe Türme meist hybrid, aus Betonsegmenten im unteren Bereich und Rohrtürmen im oberen Bereich aufgebaut. 541 7.3 Turbomaschinen <?page no="542"?> Fundamenttyp Charakteristik Anmerkung Schwerkraftfundament Stabilisierung durch Gewicht unwirtschaftlich für große Tiefe Monopile einzelner runder Pfahl im Boden kostengünstig, für flaches Wasser Jacket für relativ große Wassertiefe für tiefere Bereiche bis ca. 50 Meter Tripod Dreifuß Tripile drei Pfähle Schwimmendes Fundament für große Anlagen für größere Wassertiefe Tabelle 7.10: Offshore-Fundamente Onshore-WEA werden auf Schwerkraftfundamenten aufgebaut. Zur Gewährleistung der Standsicherheit ist ein ausreichender Durchmesser des Fundaments erforderlich. So benötigt man für eine Turmhöhe von 135 m einen Außendurchmesser von etwa 20 m (als Richtwert). Offshore-WEA sind zwar nicht so hoch, sie werden aber zusätzlich noch durch Wellenschlag schwingungstechnisch beansprucht. Die Auswahl der Gründung ist dann vor allem abhängig von Wassertiefe und Untergrund. Eine Zusammenstellung bringt Tabelle 7.10. Schwerkraftfundamente kommen nur für geringe Wassertiefen infrage. Voraussetzung ist aller‐ dings ein hinreichend tragfähiger Meeresboden. Eine Gründung durch Monopile und Tripile erfolgt durch einen bzw. drei Pfähle, die in den Boden gerammt werden. Die Pfähle enden knapp oberhalb der Wasseroberfläche. Jackets sind in der Grundfläche verankerte, viereckige Fachwerkkonstruktionen. Sie werden über Pfähle im Boden verankert und ragen über die Wasseroberfläche hinaus. Ein Tripod ist ein Dreifuß, der mit Pfählen im Untergrund verankert wird. Die Tragstruktur liegt meist vollständig unter Wasser. Der Anschluss erfolgt über ein zentrales Rohr. Für große Wassertiefen werden schwimmende Fundamente eingesetzt. Die WEA wird auf eine schwimmende Konstruktion aufgesetzt, die im Meeresboden nach verschiedenen Verfahren fest verankert ist. 7.3.6.6 Anregung von Schwingungen Allen WEA ist gemeinsam, dass instationäre, zyklostationäre und temporäre Anregungen vom Wind, aus der Umgebung sowie aus der Anlage selbst mehr oder weniger stark auf die WEA einwirken. Diese können die schwingungsempfindlichen und schwingungsempfänglichen Rotor‐ blätter, Türme und die Triebstrangkomponenten in der Gondel extrem beanspruchen und dazu führen, dass die gewünschte Lebensdauer von etwa 25 Jahren nicht erreicht werden kann. Triebstränge bestehen bei WEA aus Baugruppen, die bauartbedingt und triebstrangspezifisch drehzahlabhängige, aber auch drehzahlunabhängige Schwingungen anregen. 542 7 Anlagenkenntnisse <?page no="543"?> 7.3.6.7 Schwingungsbeurteilung Die Beurteilung von Schwingungen ist bei WEA sehr komplex. Sie erfolgt deshalb unterschiedlich für die einzelnen Komponenten ● Rotor und Lagerung, ● Gondel und Turm, ● Getriebe mit Wälzlagern sowie ● Generator mit Wälzlagern. Schwingungen treten bei diesen Komponenten in einem besonders großen Frequenzbereich auf, von extrem niederfrequenten Anregungen ausgehend vom Rotor bis zu hochfrequenten Anre‐ gungen in Getriebe und Generator. Wie stark unterschiedlich und drehzahlbzw. lastabhängig diese Komponentenschwingungen sich dann ändern können, geht anhand Bild 7.16 hervor. Bild 7.16: Beispielhafte Darstellung der monatlich gemessenen Generatorschwingungen in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl (gemessen im Sekundentakt) Die Beurteilung erfolgt für die einzelnen Komponenten getrennt. Aufgrund der besonderen Bedingungen werden immer Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit parallel aus‐ gewertet und beurteilt. Frequenzbereiche und Zonengrenzen sind für die einzelnen Komponenten auf der Basis statistischer Erfahrungswerte entsprechend individuell festgelegt und normativ in DIN ISO 10816-21 beschrieben. 543 7.3 Turbomaschinen <?page no="544"?> 45 Control Pitch 7.3.6.8 Spektrale Zustandsüberwachung Bei der spektralen Zustandsüberwachung und Zustandsdiagnosen von WEA sind auf Grundlage relativ langer Messzeiten grundsätzlich sowohl Frequenzspektren als auch Ordnungsspektren zu messen und zu analysieren. Über Ordnungsanalysen wird das stark drehzahlabhängige Schwin‐ gungsverhalten berücksichtigt. Das zusätzliche Messen von Frequenzspektren ist erforderlich, da Generatoren, Getriebe und Kupplungen durch die Kopplung miteinander auf der jeweiligen Windenergieanlage ein individuelles Eigenschwingungs- und Resonanzverhalten haben. Auch die elektromagnetischen Anregungen von Generatoren und von Umrichtern sind teils drehzahlabhängig, teils drehzahlunabhängig, was ein Messen von Frequenzspektren und Ord‐ nungsspektren erfordert. 7.3.7 Schiffspropeller Ähnlich wie bei Windenergieanlagen können auch Schiffe in großer Vielfalt zu Schwingungen angeregt werden. Dies beginnt bei den Roll-, Gier-, Tauch-, Schlinger- und Stampfschwingungen infolge von Seegang, Beladung, Schiffskonstruktion und Wassertiefe und führt über die Propel‐ lerschwingungen bis hin zu den unterschiedlichsten Maschinen- und Anlagenschwingungen auf dem Schiff. Die Betrachtungen werden hier, einer gewissen Logik folgend, auf Propellerschwin‐ gungen beschränkt. Für darüberhinausgehende schiffsspezifische Schwingungserscheinungen sei auf die Fachliteratur verwiesen. 7.3.7.1 Bauformen Ein Propeller ist Element einer Strömungsmaschine, die mechanische Arbeit aufnimmt und in Form von Strömungsenergie an das