Entmystifizierung der Schwingungsüberwachung Teil 4: Diagnose von Unwucht, Fehlausrichtung, Lockerheit und Lagerverschleiß
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Teil 1: Warum Schwingungsüberwachung wichtig ist – und wie sie funktioniert
Teil 2: Grundlagen der Schwingungsanalyse an rotierenden Maschinen
Teil 3: Identifizierung und Interpretation allgemeiner Schwingungs- und Fehlermuster
Teil 4: Diagnose von Unwucht, Fehlausrichtung, Lockerheit und Lagerverschleiß
Die vier häufigsten Maschinenfehler
Jede Maschinenkomponente erzeugt ein einzigartiges Schwingungssignal. Die im Spektrum dargestellten Signale bilden oft charakteristische Muster. Die Mustererkennung ist ein wichtiger Bestandteil der Schwingungsanalyse. Um diese Muster zu erkennen und zu interpretieren, sind jedoch umfangreiche Schulungen und Erfahrung erforderlich.
Verschwenden Sie keine Zeit mit der Analyse von Hunderten seltener Maschinenfehler, wenn rotierende Maschinen in 90 % der Fälle unter vier häufigen Fehlern leiden: Fehlausrichtung, Unwucht, Lockerheit und Lagerverschleiß.
Übersichtstabelle der vier häufigsten Fehler
Nachfolgend finden Sie eine vereinfachte Übersicht über die Muster zur Erkennung der vier häufigsten Maschinenfehler.
Unausgewogenheit
Eine Unwucht ist eine schwere Stelle auf der Welle, die Kräfte in alle radialen Richtungen verursacht, die zu übermäßigen Vibrationen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Siehe Abbildung 2 unten.
Fehlausrichtung
Eine Fehlausrichtung liegt vor, wenn die Drehachsen zweier Wellen bei normalem Maschinenbetrieb nicht kollinear sind. Dadurch entstehen Kräfte, die zu übermäßigen Vibrationen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Details finden Sie in Abbildung 3 unten.
Lockerheit
Von Lockerheit spricht man, wenn sich die Welle, das Fundament oder eine Komponente gelöst hat, wodurch Kräfte entstehen, die zu übermäßigen Vibrationen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen, wie in Abbildung 4.
Versagen des Kugellagers
Lager verschleißen durch übermäßige Belastung, andere Maschinenfehler, mangelhafte Schmierung oder Installation usw. Wenn keine Korrektur erfolgt, versagen die Lager irgendwann. Abbildung 5 zeigt, wie das aussehen kann:
Warum Lagerfrequenzen nicht synchron sind (nicht ganzzahlige Spitzen)
Die Geometrie der Kugeln, des Käfigs und der Laufringe zeigt sich bei unterschiedlichen Drehzahlen – nicht bei einem Vielfachen der Wellendrehzahl. Das bedeutet, dass asynchrone Spitzen typischerweise von Wälzlagern stammen. Viele Schwingungsprogramme benötigen vier Lagerfrequenzen zur Diagnose von Lagerfehlern: Innenring, Außenring, Käfig und Kugeldrehung (siehe Abbildung 6). Eine Ausnahme bildet Flukes 810, das mit automatischer Mustererkennung arbeitet.
Abbildung 7 (unten) ist ein Beispiel für einen Lagerfehler.
Beachten Sie, dass die Vibrationsspitze der Welle bei 1X liegt. Bei Maschinen mit vier Pumpenlaufschaufeln ist eine kleinere Spitze bei 4X zu sehen.
Aber was ist der große Peak bei 3.56X? Eine Maschine kann keine 3.56 Lüfterblätter oder 3.56 Pumpenschaufeln haben. Das kommt wahrscheinlich von einem Rollenlager.
Den Schweregrad von vier häufigen Fehlern verstehen
Die Schwere der vier häufigsten Fehler kann im Laufe der Zeit anhand der Historie von Hunderttausenden von Maschinen verfolgt werden, die über 30 Jahre von vielen Schwingungsexperten analysiert wurden.
Dieses Wissen und diese Erfahrung sind in regelbasierte Algorithmen und eine Basisdatenbank eingeflossen, die sich bei standardmäßigen Rotationsmaschinen – Motoren, Pumpen, Lüftern, Kompressoren, Gebläsen und Einwellenspindeln – als wirksam erwiesen haben.
Der Verlauf von Maschinenfehlern wurde für jede Maschinenklasse und jeden Fehler analysiert. Dabei zeigten sich Muster, die es dem Diagnoseprogramm eines Schwingungsprüfgeräts ermöglichen, den Schweregrad jedes Fehlers genau zu diagnostizieren. Nachfolgend wird beschrieben, wie ein erfahrener Analytiker die Daten manuell analysiert – bedenken Sie jedoch, dass ein Prüfgerät wie das Fluke 810 dies alles automatisch für Sie erledigt.
Fortschreiten des Ungleichgewichts: Beobachten Sie den Schweregrad, wenn es schlimmer wird
Eine schwere Stelle auf der Welle verursacht Kräfte in alle radialen Richtungen, die zu übermäßigen Vibrationen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Anzeichen für eine Unwucht sind ziemlich eindeutig: höhere 1X-(Wellen-)Vibration als normal in radialer und tangentialer Richtung.
Da 1X im unteren Bereich am besten sichtbar ist, suchen Sie nach Unwucht, indem Sie die 1X-Spitzen im unteren Bereich vergleichen. Wenn die 1X-Spitzen mit der Zeit radial und/oder tangential, aber nicht axial anwachsen, liegt eine Unwucht vor.
Der Schweregrad wird durch die Amplitude des 1X-Peaks über der Basislinie bestimmt.
Beobachten Sie den Fortschritt des Fehlerschweregrads in jeder Phase des Ungleichgewichts und beachten Sie die in Abbildung 8 unten vorgeschlagene Reparaturmaßnahme.
Fortschreiten der Fehlstellung: Beobachten Sie den Schweregrad, wenn er schlimmer wird
Die Drehachsen zweier Wellen sind im normalen Maschinenbetrieb nicht kollinear. Dies führt zu übermäßigen Vibrationen und erhöht den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw.
Anzeichen für eine Fehlausrichtung sind relativ eindeutig. Dazu gehören höhere als normale 1X- (Wellen-) Vibrationen in axialer Richtung und 2X-Radial-/Tangentialrichtung.
Die erhöhten Spitzen sind sowohl am Motor als auch an der Pumpe zu sehen, da zwischen den beiden Wellen eine Fehlausrichtung besteht.
Da die 1X- und 2X-Spitzen im unteren Bereich am besten sichtbar sind, suchen Sie nach einer Fehlausrichtung, indem Sie die 1X- und 2X-Spitzen im unteren Bereich vergleichen. Wenn die Spitzen mit der Zeit größer werden, liegt der Fehler in einer Fehlausrichtung.
Der Schweregrad wird durch die Amplitude über der Grundlinie bestimmt.
Beobachten Sie den Fortschritt des Fehlerschweregrads in jeder Phase der Fehlausrichtung und beachten Sie die in Abbildung 9 vorgeschlagene Reparaturmaßnahme.
Fortschreiten der Lockerheit: Beobachten Sie den Schweregrad, wenn es schlimmer wird
Die Welle, das Fundament oder eine Komponente hat sich gelöst, wodurch Kräfte entstehen, die zu übermäßigen Vibrationen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen.
Anzeichen für Lockerheit sind recht eindeutig. Sie umfassen höhere als normale 1X-Harmonische in jede Richtung. Da diese Harmonischen am besten im unteren Bereich zu erkennen sind, suchen Sie nach Lockerheit, indem Sie die 1X-Harmonischen im unteren Bereich vergleichen.
Wenn die 1X-Harmonischen mit der Zeit in eine oder alle Richtungen zunehmen, liegt ein Lockerheitsfehler vor. Der Schweregrad wird durch die Amplitude der 1X-Harmonischen über der Basislinie bestimmt.
Beobachten Sie den Fortschritt des Fehlerschweregrads in jedem Stadium der Lockerung und beachten Sie die in Abbildung 10 unten vorgeschlagene Reparaturmaßnahme.
Fortschreiten des Lagerverschleißes: Beobachten Sie den Schweregrad, wenn er schlimmer wird
Anzeichen von Lagerproblemen können kommen und gehen. In einem Monat sind sie vorhanden und im nächsten nicht. Wir alle wissen, dass sich Lagerprobleme nicht verbessern.
Beachten Sie dies bei der Diagnose von Lagerfehlern. Achten Sie auf nicht ganzzahlige Spitzen in beliebiger Richtung. Beobachten Sie den Schweregrad des Lagerfehlers in jedem Stadium des Lagerverschleißes und beachten Sie die empfohlenen Reparaturmaßnahmen (siehe Abbildung 11). Hinweis: Die Motordaten sind normal.
Lagerverschleiß wird in der Regel durch andere Faktoren verursacht, die auf die Lager einwirken. Wenn Ihre Lager vorzeitig ausfallen, sollten Sie andere geringfügige Fehler an Ihrer Maschine wie Unwucht, Fehlausrichtung oder Lockerheit untersuchen. Beispielsweise kann sich eine mäßige Fehlausrichtung mit der Zeit verschlimmern, aber die Auswirkungen einer Fehlausrichtung erhöhen mit der Zeit die Belastung von Lagern und Dichtungen.
Stellen Sie sicher, dass der von Ihnen verwendete Tester alle in einer Maschine gefundenen Fehler anzeigt, damit Sie mögliche Ursachen für den Ausfall erkennen können. Auch wenn die Fehlausrichtung nicht extrem ist, sollte sie dennoch schnell diagnostiziert und korrigiert werden, um Kollateralschäden an Lagern und Dichtungen zu vermeiden.
Fazit: Von Vibrationssignalen zu intelligenterer Wartung
In dieser Serie haben wir die Funktionsweise von Vibrationen, ihre Auswirkungen und ihren direkten Zusammenhang mit den häufigsten Fehlern in rotierenden Geräten erläutert. Die wichtigste Erkenntnis ist jedoch:
Durch die Schwingungsüberwachung erhalten Wartungsteams das richtige Signal zur richtigen Zeit.
Es ermöglicht frühzeitiges Planen und Handeln, ist aber gleichzeitig fokussiert genug, um Störsignale und Fehlalarme zu vermeiden. Es reicht von einfachen Screening-Tools bis hin zu fortschrittlichen Diagnosesystemen und begegnet Technikern dort, wo sie gerade Probleme identifizieren oder die Ursachen klären.
Da die Teams mit der Wartung einer größeren Anzahl von Geräten und dem Einsatz von weniger Ressourcen beauftragt werden, wird Vibration mehr als nur eine Messung. Sie wird zu einer Strategie.
Mit den richtigen Werkzeugen und einem klaren Verständnis der Schwingungssignale können Sie von reaktiven Reparaturen zu einer zustandsorientierten Planung übergehen – und Ihre Anlagen länger und mit weniger Überraschungen am Laufen halten.
Autor Bio: John Bernet ist Spezialist für mechanische Anwendungen und Produkte bei der Fluke Corporation. Mit seiner über 30-jährigen Erfahrung in der Wartung und dem Betrieb von Kernkraftwerken und Maschinen in kommerziellen Anlagen hat John mit Kunden aller Branchen zusammengearbeitet und Zuverlässigkeitsprogramme implementiert. Er ist zertifizierter Schwingungsanalytiker der Kategorie II und zertifizierter Wartungszuverlässigkeitsexperte (CMRP) mit über 20 Jahren Erfahrung in der Diagnose von Maschinenfehlern.
