Entmystifizierung der Schwingungsüberwachung Teil 2: Prinzipien der Schwingungsanalyse an rotierenden Maschinen

Schnellzugriff 
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

Schwingungsprüfungen an rotierenden Maschinen liefern wichtige Informationen zum Maschinenzustand. Hier sind einige Grundlagen zur Schwingungsprüfung: 

Wenn eine Motorwelle die Pumpenwelle beispielsweise mit 1776 U/min dreht, verursacht eine schwere Stelle auf der Welle beim Drehen eine nach außen gerichtete Kraft in alle radialen Richtungen. Dies ist wie bei einem Hula-Hoop-Reifen. 

Hinweis: Auch bei einer intakten Maschine kommt es beim Drehen der Welle zu leichten Vibrationen, dies gilt jedoch als normal. 

Der obere Sensor erfasst Vibrationen nur einmal pro Umdrehung in der vertikalen Achse (siehe Abbildung unten links). Die Sinuswelle (siehe Abbildung unten rechts) zeigt die vertikale Vibration während der Rotation der Welle. Eine vollständige Umdrehung der Welle ergibt einen vollständigen Zyklus einer Sinuswelle. Die Spitze befindet sich oben, das Tal unten. 

In Abbildung 1 sehen Sie, dass die Drehzahl der Welle = CPM der Sinuswelle ist. 

Weitere Maschinenbauteile auf der Welle

Die rotierende Motorwelle dreht die Pumpenwelle über die Kupplung. Jedes Mal, wenn ein Laufradflügel den Sensor oben passiert, entsteht eine leichte Vibration. Bei einer Pumpe mit 10 Laufradflügeln erfasst der Sensor pro Wellenumdrehung 10 Vibrationen eines Flügels. (Das Pumpenlaufrad dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Pumpenwelle.) Eine Sinuswelle zeigt 10 vollständige Zyklen. 

Die größere Masse von Motor und Pumpenwelle verursacht eine größere Schwingungsamplitude (Größe) als das Laufrad. Die Sinusschwingung des Pumpenlaufrads hat eine geringere Amplitude als die Wellenschwingung, weist aber mehr Zyklen (10) pro Wellenumdrehung auf. Abbildung 2 zeigt, wie die Schwingungen der Laufradschaufeln auf der Welle den Zyklen der Sinusschwingung entsprechen. 

Komplexe Wellenformen

Wenn wir die beiden Sinuswellen (Welle und Pumpenlaufrad) überlagern, könnte es wie in Abbildung 3 aussehen:

Figure 3

Tatsächlich jedoch verstärken sich die Vibrationen gegenseitig und ähneln eher Abbildung 4:

Figure 4

Und 20 oder 30 Schwingungen von verschiedenen Komponenten einer realen rotierenden Maschine könnten wie in Abbildung 5 aussehen:

Frequenzanalyse (Spektrumanalyse)

Die Zeitwellenform enthält Informationen über die Maschine, doch die Muster der verschiedenen Komponenten überlappen und vermischen sich, wodurch eine sehr komplexe Ansicht entsteht. Ein mathematischer Algorithmus (FFT) wandelt die komplexe Zeitwellenform in ein einfaches Diagramm, das sogenannte Frequenzspektrum, um. Er trennt die einzelnen Wellenformen, sodass wir sie separat analysieren können. Diese Konvertierung erfolgt im Tester. 

Bei Wellenformdaten und Spektraldaten handelt es sich um dieselben Schwingungsdaten, es handelt sich lediglich um zwei verschiedene Arten der Datenvisualisierung. 

Anhand unseres vorherigen Beispiels können wir erkennen, wie sich die komplexe Wellenform oben links aus den beiden separaten Wellenformen in der Mitte zusammensetzt. Diese können dann in ein Spektrum umgewandelt werden (siehe Abbildung 6 oben), das eine einfache Darstellung der Signalamplitude (y-Achse) gegen die Frequenz (x-Achse) darstellt. 

Dasselbe sehen wir in den Spektren einer realen rotierenden Maschine in Abbildung 7 oben. 

•  Diese Spitzen liegen bei bestimmten Frequenzen und stellen Vibrationen in der Maschine dar. Bei der Maschinendiagnose werden die Spitzen im Spektrum mit Ereignissen in der Maschine abgeglichen. 
•  Die Spektralanalyse ist das wichtigste Werkzeug, das wir zur Diagnose des Zustands unserer rotierenden Maschinen verwenden. 

Fazit

Durch die Fähigkeit, komplexe Vibrationssignale in einfache, erkennbare Muster zu zerlegen, verschafft uns die Spektralanalyse einen umfassenden Einblick in das, was tatsächlich im Inneren unserer Maschinen vor sich geht – oft bevor Probleme sichtbar oder hörbar werden.

???? Lesen Sie Teil 3 → Erkennen und Interpretieren allgemeiner Vibrations- und Fehlermuster

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.