MIT ZUSATZMATERIAL AUTOR VORNAME NAME JOSEF KOLERUS EDWIN BECKER Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement Josef Kolerus / Edwin Becker Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement 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. 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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 ® Danke an Dieter Busch, der vor 50 Jahren mit der Gründung von db PRÜF‐ TECHNIK den Meilenstein für die moderne Instandhaltung gelegt hat. 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. 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 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 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 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 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 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. 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 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 Abschnitt A Überblick Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement ● Überblick ● Historische Entwicklung ● Analyse und Beurteilung ● Aktuelle Konzepte ● Zukünftige Tendenzen 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 (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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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. 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 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 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 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 (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 (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 (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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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) 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 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 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 Abschnitt B Schwingungen Dieser Abschnitt befasst sich mit den Grundlagen mechanischer Schwingungen: ● Messgrößen ● Einheiten ● Darstellung ● Entstehungsmechanismen ● Erscheinungsformen 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. 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 (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 (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 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 (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 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 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 (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 (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 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 (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 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 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 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 (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 (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 (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 (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 (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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 (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 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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 (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 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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 Abschnitt C Messung und Analyse ● Datenerfassung ● Signalverarbeitung ● Zustandsüberwachung 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. 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 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 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 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 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 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 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 ● 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 Bild 2.36: Montagemöglichkeiten und Einfluss der Ankopplung eines Beschleunigungsaufnehmers auf den erfass‐ baren Frequenzbereich 219 2.4 Aufnehmermontage, Aufnehmer-Eigenfrequenz 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 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 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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 Bild 2.54: Ordnungsspektrum eines Motors mit initialen Lageranregungen Bild 2.55: Terzspektrum in doppeltlogarithmischer Balkendarstellung 248 2 Datenerfassung - der Einstieg in die Praxis 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ● 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 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. 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 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) (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 (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 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 (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) 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 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) 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 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) (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 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) (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 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) 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 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 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 (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 (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 (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) (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 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 Bild 3.13: Erweitertes Campbelldiagramm nach VDI 4550-1 286 3 Signalverarbeitung 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) 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 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 Bild 4.3: Datenbank - Organisation der zu überwachenden technischen Assets Bild 4.4: Datenbank - Konfiguration der Messaufgaben an den festgelegten Messpunkten 290 4 Zustandsüberwachung 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 Abschnitt D Fehleranalyse ● Signalanalyse - jetzt fokussiert auf Fehleranalyse ● Fehler und ihre Symptome 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. 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 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 (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 (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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 (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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 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) 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 (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) 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 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) 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 (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 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 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 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 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 Bild 5.83: Analyse von Zahnradschäden mit verschiedenen Methoden 421 5.15 Fehler an Zahnradgetrieben (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 Abschnitt E Handlungsempfehlungen ● Korrekturmaßnahmen ● Anlagenkenntnisse ● Abnahmeprüfungen ● Anlagenprüfung und Diagnostik 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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. 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 (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 (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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 (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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 umgebende Medium, im Fall des Schiffspropellers an Wasser, abgibt. Schiffspropeller werden mit festen Propellerblättern oder als Verstellpropeller, sogenannte CP-Propeller 45 ausgeführt. Der Wirkungsgrad eines Propellers steigt mit dem Durchmesser und der Propellerblattfläche, sinkt jedoch mit der Anzahl der Propellerblätter. Bild 7.17 zeigt in einem Schema die typischen Komponenten eines Schiffsantriebs. Bild 7.17: Schema eines Schiffsantriebs 544 7 Anlagenkenntnisse Eine Alternative ist der Voith-Schneider-Propeller mit senkrechter Achse (Voith-Schneider-Pro‐ peller VSP), bei welchem der Schub in Größe und Richtung beliebig eingestellt werden kann. Der VSP hat den besonderen Vorteil, dass er höchste Manövrierfähigkeit bietet. 7.3.7.2 Schwingungsanregung durch Schiffspropeller Strömungsanregung Durch den Propeller wird das Nachstromfeld im Wasser gestört, was zu Schwingungsanregungen der Schiffshaut führt. Die Schwingungen werden sowohl ins umgebende Wasser sowie auch in das Schiffsinnere übertragen. Dieser Effekt wird durch eine größere Anzahl von Blättern verringert. Mit dem gleichen Ziel werden Propellerblätter sichelförmig gestaltet - man spricht dann vom Skew. Kavitation An Propellern kann Kavitation auftreten, was zu zusätzlichen Schwingungs- und Geräuschan‐ regungen führt. Kavitation wirkt sich schädigend auf den Propeller aus. Eine kavitationsfreie Propellerauslegung geht andererseits zu Lasten des Wirkungsgrads und ist auch nicht praktikabel. Erschwerend wirkt noch bei großen Propellerdurchmessern der schwankende statische Wasser‐ druck zwischen Ober- und Unterseite. Eine Veranschaulichung eines leicht kavitierenden Propellers ist in Bild 7.18 zu sehen. Man erkennt die Entstehungsgebiete an der Propellernabe und den Flügelspitzen. Bild 7.18: Kavitierender Propeller Propellersingen Propellersingen entsteht durch die Ablösung von Karmanschen Wirbelstraßen und Wechsel‐ wirkungen mit der Struktur (siehe dazu auch die Ausführungen von Abschnitt 1.13.3). Zur Vermeidung werden die Blatthinterkanten speziell ausgeführt als sogenannte Antising-Kanten. Anmerkung: Ein gleichartiger Effekt - die im Wind flatternde Fahne. 545 7.3 Turbomaschinen Propellersingen kann auch durch Kavitation begünstigt sein. Propellerbrummen Propellerbrummen ist eine selbsterregte Schwingung vergleichbar mit Tragflügelflattern. Dabei führt das Propellerblatt eine Torsionsschwingung um die Blattachse in ihrer entsprechenden Eigenform aus, die Frequenz ist niederfrequent im Vergleich zum Singen. Die Anregung entsteht durch die Abhängigkeit der einwirkenden Strömungskräfte vom Torsionswinkel (siehe dazu die Ausführungen von Abschnitt 1.13.3). Der Effekt tritt in der Regel nur spontan innerhalb eines engen Drehzahlbereichs auf. 7.4 Verdichter (Kompressoren) Vorbemerkung Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die Begriffe Verdichter und Kompressoren oft synonym verwendet, obwohl Verdichter eigentlich nur Bestandteil eines Kompressors sind. Die Ausführungen dieses Abschnitts betreffen den Verdichter - um Missverständnisse zu vermeiden, wird der Begriff Kompressor nur dort verwendet, wo er auch normativ eingeführt ist. Unter Verdichtern versteht man Arbeitsmaschinen, die nach statischen oder dynamischen Arbeitsprinzipien die Druck- oder Geschwindigkeitsenergie von Gasen oder Dampfmedien im Nieder-, Mittel- und Hochdruckbereich erhöhen. Dabei wird vorhandenes Ansaugvolumen V 1 mit dem Betriebsdruck p 1 zu einen kleineren Volumen V 2 mit einem Betriebsdruck p 2 verdichtet. Da sich das Volumen während der Verdichtung verringert, ist es entscheidend, den jeweiligen Druckzustand zum Volumenstrom anzugeben. Grundsätzlich gibt es zwei Bauformen, unterschieden nach der Funktionsweise, ● Strömungsverdichter für große Volumenströme bei kleinen Verdichtungsdrucken sowie ● Verdrängungsverdichter mit kleinem Volumendurchsatz bei großen Verdichtungsdrücken. Eine Aufstellung einiger Verdichtertypen findet man zunächst in Tabelle 7.11. Diese einzelnen Bauarten werden in den Folgeabschnitten kurz erläutert und zugehörige schwingungstechnische Besonderheiten erwähnt. Bezüglich anderer Bauarten wie Membranverdichter, Strömungsver‐ dichter oder Vielzellen-Rotationsverdichter sei auf die Fachliteratur verwiesen. 7.4.1 Kolbenverdichter Der Kolbenverdichter gehört zu den zweiteiligen rotierenden Verdrängungsverdichtern. Er kann je nach zu erreichenden Druckverhältnissen einstufig (bis zu 8 bar), zweistufig (bis zu 20 bar) oder sogar mehrstufig (bis 250 bar) ausgeführt sein und arbeitet nach dem Verdrängerprinzip: Das Medium wird in einem Volumen gekapselt, verdichtet und wieder ausgestoßen, was natürlich Druckpulsationen und Schwingungen erzeugt. Hubkolbenverdichter gibt es in Kolbenbauart und in Membranbauart. Beide arbeiten zyklisch nach dem statischen Prinzip. Hubkolbenverdichter haben geringe Volumenströme bei hohen Druckverhältnissen. Umlaufkolbenverdichter (Vielzellen-Rotationsverdichter) sind in Drehkolbenbauart und manchmal auch in Rollkolbenbauart im Einsatz. 546 7 Anlagenkenntnisse Verdichtertyp Abschnitt Kolbenverdichter (Hubkolben- und Drehkolbenverdichter) 7.4.1; 7.5 Kreiselverdichter 7.4.2 Schraubenverdichter 7.4.3 Turboverdichter 7.4.4 Scrollverdichter 7.4.5 Rootsverdichter 7.4.6 Tabelle 7.11: Einige Bauarten von Verdichtern Typische Eigenschaften von Hubkolbenverdichtern sind die großen oszillierenden Massen (siehe dazu auch Abschnitt 7.5), die zyklisch schwankenden Eingangsdrehmomente und die Pulsations‐ kräfte. Dadurch können beträchtliche Schwingungen und zyklische Beanspruchungen in ver‐ schiedenen Teilen des Systems entstehen. Die durch Hubkolbenkompressoren angeregten Schwingungen sind im Allgemeinen höher als bei rotierenden Kompressoren. Da sie aber weit‐ gehend konstruktionsbedingt berücksichtigt sind, verhalten sie sich eher konstant über die Le‐ bensdauer. Die Messung und Bewertung der Schwingungen von Hubkolbenkompressoren ist in DIN ISO 20816 Teil 8 beschrieben. Einige Hinweise dazu werden in Anwendung 3 vom Abschnitt 10 gegeben. Bezüglich sehr langsam laufender Hubkolbenverdichter sei erwähnt, dass bei diesen Maschinen Zustandsdiagnosen vor allem auf Basis von dynamischen Zeitsignalen (TWF) der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit erfolgen. 7.4.2 Kreiselverdichter Kreiselverdichter können in radialer, axialer und diagonaler Bauart einstufig oder mehrstufig aufgebaut werden. Kreiselverdichter haben vielfältige Anwendungen in der Gasindustrie und in der chemischen Industrie. Beim Kreiselverdichter erfolgt die Druckerhöhung jedoch ausschließ‐ lich durch Geschwindigkeitsänderung des Gasstromes im Laufrad. 7.4.3 Schraubenverdichter Der Schraubenverdichter ist zumeist ein zweiteiliger rotierender Verdrängungsverdichter, er gehört zur Gruppe der Umlaufkolbenverdichter. Schraubenverdichter sind einfach aufgebaut mit geringer Masse und kleinen Abmessungen. Haupt- und Nebenläufer laufen angetrieben durch ein Synchronzahnradpaar berührungsfrei zueinander, so dass eine Schmierung innerhalb des Verdichtungsraumes nicht notwendig ist. Schraubenverdichter erfordern eine sehr hohe Bearbeitungsgenauigkeit der Stirnprofile vom Haupt- und Nebenläufer. Schwingungen sind sorgfältig zu überwachen, um zum Beispiel verschleißbedingte Abnutzung frühzeitig anhand der Trendverläufe zu erkennen. 547 7.4 Verdichter (Kompressoren) Bild 7.19: Förderprinzip eines Schraubenverdichters 7.4.4 Turboverdichter Beim Turboverdichter wird dem Strömungsmedium durch einen rotierenden Läufer lediglich Strömungsenergie zugeführt. Turboverdichter arbeiten kontinuierlich mit hohem Volumenstrom bei geringer Druckerhöhung. Beim Axialverdichter strömt das zu verdichtende Medium axial durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad und wird in radialer Richtung abgelenkt. Turboverdichter werden meist mehrstufig aufgebaut. Sie werden häufig eingesetzt in Abgas‐ turboladern (meist als Radialverdichter) und in Strahltriebwerken (Axialverdichter). 7.4.5 Scrollverdichter Der Scrollverdichter arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Er besteht aus zwei ineinander verschachtelten Spiralen, von denen eine stationär ist und die andere über einen Exzenterantrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt wird. Dabei berühren sich die Spiralen mehrfach und bilden innerhalb der Windungen mehrere ständig kleiner werdende Kammern. Scrollverdichter werden als Kompressoren für Klimaanlagen und Wärmepumpen sowie (wegen der ölfreien Arbeitsweise) auch oft in der Medizin eingesetzt. 7.4.6 Rootsverdichter Rootsverdichter (benannt nach den amerikanischen Brüdern Philander Higley und Francis Marion Roots) sind Kapselverdichter und fördern ohne jegliche Saug- und Druckventile Gas und Luft nach dem Verdränger Prinzip. Druck entsteht nur durch den entgegenwirkenden Widerstand der in einem zylindrischen Raum gegenläufig zueinander rotierenden Drehkolben. Sie sind über ein Gleichlaufgetriebe verbunden und arbeiten berührungsfrei (siehe Bild 7.20). VDI 3836 definiert zulässige Schwingungen für die verschiedenen Ausführungen von Rootsver‐ dichtern. In Bild 7.20 wurden Schwingungskennwerte für die Gruppe 4 grafisch veranschaulicht. 548 7 Anlagenkenntnisse 46 Aus Erfahrung ist bekannt: Fährt man den Motor eines KFZ in Grund und Boden, ist damit meist das Lebensende des Fahrzeugs erreicht. Bild 7.20: Schwingungsbeurteilung nach VDI 3836 7.5 Kolbenmaschinen Die Überwachung und Diagnose von Kolbenmaschinen stellen in der Praxis eine besondere Herausforderung dar. Das liegt zum einem im komplexen Aufbau dieser Maschinen (siehe Bild 7.21), zum anderen in der Anforderung, dass hier im Betrieb ein relativ hoher Erhaltungszustand gewährleistet sein muss 46 . Die spektrale Schwingungsanalyse als Basis für Zustandsdiagnosen ist in dieser Sparte eher wenig ausgeprägt. Eine technische Begründung ist, dass bei Verbrennungsmotoren sowohl die Geräusch- und Lärmabstrahlung als auch das Bewegungsverhalten deutlich ausgeprägter sind als die Maschinen- und Körperschallschwingungen direkt am Gehäuse, sodass man den Gehäu‐ seschwingungen in der Vergangenheit zu wenig Aufmerksamkeit gewidmet hat. Dies zeigt sich auch im Normungswesen, wo bezüglich Schwingungen an Hubkolben-Verbrennungsmotoren relativ hohe Gehäuseschwingungen akzeptiert werden. Interessanterweise wirbt zwischenzeitlich ein führender Hersteller von Industriemotoren mit schwingungsarmen Dieselmotoren, die dies‐ bezüglich bei der Hälfte der in den Standards vorgegebenen Werte liegen. Aus diesem Grund wird hier ein ausführliches Kapitel zu diesem Thema angeboten, auch mit Konsequenzen im Hinblick auf die Zustandsüberwachung. 549 7.5 Kolbenmaschinen Maschinentyp Arbeitsprinzip Arbeitszyklus Kolbenpumpe Kolbenverdichter einfachwirkend doppelwirkend Verbrennungsmotor Dieselmotor Zweitakt Viertakt Ottomotor Zweitakt Viertakt Gasmotor Zweitakt Viertakt Dampfmaschine einfachwirkend doppeltwirkend Tabelle 7.12: Anwendungen von Kolbenmaschinen Bild 7.21: V12 Antriebsmaschine eines Kreuzfahrtschiffs (Quelle: MAN Energy Solutions SE) Kolbenmaschinen werden vielfältig eingesetzt, sowohl treibend als Antriebsmotoren oder getrie‐ ben als Pumpen und Verdichter. Einen Überblick über die wichtigsten Kolbenmaschinen findet man in Tabelle 7.12. Die Ausführungen dieses Abschnitts werden im Wesentlichen auf den Viertakt-Verbrennungs‐ motor bezogen, sie können unschwer auf andere Bauarten übertragen werden, auch solche, die in der Tabelle nicht benannt sind. Typisch für Kolbenmaschinen ist eine spezielle Kinematik des Kurbeltriebs sowie die diskontinu‐ ierliche Arbeitsweise. So entstehen im Verbrennungsmotor Schwingungen, insbesondere Drehmo‐ mentschwingungen, durch Ungleichförmigkeiten (Takte) im Arbeitsprozess, durch Pumpverluste beim Ladungswechsel und schließlich noch infolge der oszillierenden Massenkräfte. 550 7 Anlagenkenntnisse Quelle Typ Variante Massenkräfte Unwucht Massenkraft 1. Ordnung Massenkraft höherer Ordnung 2., 4., 6. Ordnung … Interne Kräfte Zündung 0,5-te oder 1. Ordnung Ventile Öffnen, Schließen Kolbenspiel Kolbenkippen Drehmomente Kurzzeiterregung Zündfrequenz Tabelle 7.13: Schwingungsursachen in Kolbenmaschinen Tabelle 7.13 bringt zunächst einen Überblick (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), wobei nicht jeder der Punkte für alle Arten von Kolbenmaschinen relevant sein muss (zum Beispiel Zündung). Anmerkung: Der Begriff Massenkraft wird hier rein auf die Dynamik des Kurbeltriebs bezogen. Inwieweit auch Kategorien aus dem Bereich Arbeitszyklen massenbezogen sind, bleibt hier außer Betracht. 7.5.1 Massenkräfte Massenkräfte sind bei Kolbenmaschinen ein eigenes Kapitel für sich, da bei diesen Maschinen zusätzlich zu den rotierenden auch oszillierende Massen auftreten, was eine ausgeprägt nichtli‐ neare Dynamik bedeutet. 7.5.1.1 Kinematik des Kurbeltriebs Bild 7.22 zeigt das Schema der Kolbenbewegung für einen einzelnen Kurbeltrieb (oder, wenn man so will, eines Einzylinder-Motors). Der Kurbeltrieb setzt die Drehbewegung der Kurbelwelle in eine Linearbewegung, besser noch, eine oszillierende Bewegung des Kolbens um. Dies ermöglicht wiederum die für den Verbrennungsprozess erforderliche veränderliche Brennraumgeometrie sowie die Kraftübertragung vom Gasdruck im Zylinder auf ein Drehmoment an der Kurbelwelle (oder umgekehrt). Wegen der endlichen Pleuellänge l ist der Zusammenhang zwischen Kolbenbe‐ wegung und Drehwinkel der Kurbelwelle nichtlinear, wie in der nachfolgenden, kurzen Ableitung verdeutlicht oder vielmehr quantifiziert wird. 551 7.5 Kolbenmaschinen (7.3) (7.4) (7.5) (7.6) (7.7) Bild 7.22: Schema eines Kurbeltriebs Die folgende, kurze Ableitung nimmt Bezug auf Bild 7.22, das auch als Legende dienen soll. Aus dem Kosinussatz der Geometrie ergibt sich der Zusammenhang s φ = r 1 − cos φ + 1 λ 1 − 1 − λ 2 sin 2 φ = rf φ Dabei wurde für das Schubstangenverhältnis (Kurbelradius zu Schubstange) das Symbol λ = r / l eingeführt. Durch allgemeine Potenzreihenentwicklung f (x) = f (0) + xf (0) + x2 2! f ′′ (0) + ⋯ xn n! f (n) (0) + ⋯ erhält man daraus 1 − λ 2 sin 2 φ = 1 − λ 2 2 sin 2 φ − λ 4 8 sin 4 φ − λ 6 16 sin 6 φ + ⋯ Verwendet man folgende Additionstheoreme für Winkelfunktionen sin 2 φ = 12 1 + cos 2φ sin 4 φ = 18 3 − 4 cos 2φ + cos 4φ sin 6 φ = 1 32 10 − 15 cos 2φ + 6 cos 4φ − cos 6φ ergibt sich schließlich der Zusammenhang s(φ) = r 1 − cos φ + λ4 1 − cos 2φ + ⋯ 552 7 Anlagenkenntnisse (7.8) Bild 7.23: Zeigerdarstellung Nach zweimaligem Differenzieren erhält man schließlich für die oszillierende Massenkraft F m einen Ausdruck der Form F m = m ℎ rω 2 cosφ + λm ℎ rω 2 cos2φ +⋯ } } Massenkraft 1. Ordnung Massenkraft 2. Ordnung Die restlichen Terme verringern sich mit steigender Potenz von λ ≪ 1. Es treten auch in der weiteren Entwicklung nur geradzahlige Vielfache des Kurbelwinkels φ auf (außer der ersten Ordnung), also lediglich Massenkräfte erster, zweiter, vierter, sechster Ordnung usw. Was in diesem Ergebnis deutlich zutage tritt, ist die ausgeprägte und vor allem konstruktions‐ bedingte Nichtlinearität des Systems. Selbst bei völlig gleichförmiger Drehung der Kurbelwelle tritt eine ganze Reihe von Harmonischen auf, weshalb man bei spektralen Schwingungsanalysen nicht überrascht sein sollte, wenn viele Harmonische in den Frequenzspektren auftreten. 7.5.1.2 Der Kurbelstern Der Kurbelstern ist ein grafisches Verfahren zur schnellen Er‐ mittlung des Massenausgleichs von Kolbenmaschinen. Aus‐ gangspunkt für den Kurbelstern ist die schon in den Schwin‐ gungsgrundlagen eingeführte Zeigerdarstellung, hier für die Massenkraft n-ter Ordnung, wie in Bild 7.23 dargestellt (siehe Abschnitt 1.5.2.1). Die Ordnungskomponente wird durch ei‐ nen mit n-facher Winkelgeschwindigkeit rotierenden Zeiger dargestellt. Den Betrag der Massenkraft F m erhält man als Pro‐ jektion des Zeigers auf die Referenzachse, sie wirkt in Richtung der Zylinderachse. (Diese Unterscheidung wird wichtig bei mehrreihigen Anordnungen wie V- oder W-Motoren.) In der Darstellung als Kurbelstern für einen einzelnen Zy‐ linder wird der Zeiger durch die Stellung im oberen Totpunkt (OT) entsprechend φ = 0 repräsentiert. Für Mehrzylindermaschinen mit gekröpfter Kurbelwelle wird ein Zylinder (meist mit 1 nummeriert) als Referenz definiert, alle anderen werden bezogen auf diesen dargestellt. So korrelieren die Konstruktionen aus Bild 7.26 mit den Kurbelsternen aus Tabelle 7.14 (oberste Reihe). Die resultierende Massenkraft ist immer die Summe der Einzelkräfte. Sie lässt sich am besten durch Projektion des Summenzeigers (= vektorielle Summe der Zeiger) ermitteln. Anmerkung: In der englischsprachigen Literatur wird der Zeiger für die Nulllage bisweilen als Phasor bezeichnet. 7.5.1.3 Unwucht Unwucht tritt immer mit der Drehfrequenz auf. Sie ist demnach eine Massenkraft erster Ordnung und kann durch einfaches Auswuchten kompensiert werden. Sie wird für jeden Kurbeltrieb ein‐ zeln durch Auswuchten ausgeglichen, meist durch entsprechende Gestaltung der Kurbelwangen. 553 7.5 Kolbenmaschinen Für diesen Fall ist das Kurbelsternverfahren demnach ohne praktische Bedeutung (siehe Tabelle 7.14, oberste Zeile). 7.5.1.4 Massenkräfte höherer Ordnung - Reihenmaschinen Massenkräfte höherer Ordnung oszillieren mit Vielfachen der Drehfrequenz und können da‐ her nicht durch Auswuchten kompensiert werden. Eine Gegenmaßnahme sind zum Beispiel Ausgleichswellen mit entsprechender Drehzahl, die einen Massenausgleich dieser Ordnung ermöglichen. Im Allgemeinen werden solche Massenkräfte durch Mehrzylinderanordnungen ausgeglichen. Bei Mehrzylinder-Reihenmotoren wird Kurbel 1 (im Prinzip jede beliebige) als Referenz herange‐ zogen. Der OT für diesen Zylinder wird für alle anderen als Phasenreferenz φ = 0 verwendet. Die Arme des Kurbelsterns 1. Ordnung (Nullzeiger) liegen immer in Richtung der Kurbelkröpfung. Bild 7.24: Mehrzylinderanordnung Für Kurbelsterne höherer Ordnung bleibt der Zeiger des Referenztriebes unverändert bei φ = 0, die Winkel der übrigen Arme sind jeweils, entsprechend der Drehzahlordnung, um den n-fachen Kröpfungswinkel versetzt. Tabelle 7.14 zeigt diesen Zusammenhang für alle hier einbezogenen Ordnungen und Varianten für 6 Zylinder und 4 Zylinder nach Bild 7.26. Anmerkung: Massenkräfte treten nur für geradzahlige Ordnungen auf (mit Ausnahme der Unwucht). Das kann man aus obiger Kurzableitung sofort sehen. Hier noch einmal im Detail: Für die Massenkraft 1. Ordnung erhält man eine geometrische Konstellation entsprechend den Kröpfungswinkeln der Kurbeln, dargestellt in der obersten Reihe von Tabelle 7.14 - den sogenann‐ ten Kurbelstern. Die Winkel der einzelnen Kurbeln entsprechen dem jeweiligen Kröpfungswinkel. (Die Winkel sind exemplarisch nur für zwei Beispiele eingetragen, siehe Bild 7.26.) Für die zweite Ordnung bleibt die Position von Kurbel 1 im OT, die Arme des Kurbelsterns sind um den doppelten Kröpfungswinkel verdreht, da sich der Zeiger mit doppelter Motor-Win‐ kelgeschwindigkeit dreht. Entsprechendes gilt für die vierte und sechste (und ev. für weitere) 554 7 Anlagenkenntnisse Tabelle 7.14: Ermittlung des Massenausgleichs nach dem Kurbelsternverfahren Ordnungen. Die resultierende Massenkraft n-ter Ordnung ergibt sich als Projektion der entspre‐ chenden Zeigersumme. Aus den Bildern von Tabelle 7.14 lässt sich unmittelbar ablesen, dass beim 6-Zylinder nach Bild 7.26 die erste, zweite und vierte Ordnung ausgeglichen sind (die Zeiger summieren sich zu null), es tritt erstmalig eine Massenkraft 6. Ordnung auf. Für den Vierzylinder aus dem gleichen Bild ist lediglich die erste Ordnung ausgeglichen. Die Stärke des Kurbelsternverfahrens liegt in der Möglichkeit, ausgeglichene Ordnungen sofort, nur aus der Geometrie und ohne kinetische Berechnungen zu identifizieren. Man kann sich also allein auf die unausgeglichenen Ordnungen konzentrieren. 555 7.5 Kolbenmaschinen Motortyp Anordnung V-Motor 2 Reihen W-Motor 3 Reihen Boxermotor 2 Reihen 180° Sternmotor 1 oder 2 Reihen Tabelle 7.15: Mehrreihige Maschinen Anmerkung: Da der Kurbelstern vorwiegend der Ermittlung ausgeglichener Ordnungen dient, sind die Beträge der Massenkräfte in den Kurbelstern von untergeordneter Bedeutung und werden in der Regel nicht berücksichtigt. Anders gesagt: Kurbelsterne werden mit Einheitslänge dargestellt, man spart die Arbeit zur Betragsberechnung nach Gl. (7.7) für Ordnungen, die ohnehin ausgeglichen sind. 7.5.1.5 Mehrreihige Maschinen Zur Begrenzung der Baugröße werden Maschinen mit großer Zylinderzahl als mehrreihige Maschinen ausgeführt. Die wichtigsten Typen sind in Tabelle 7.15 zusammengestellt. Für V-Motoren und W-Motoren ist der Massenausgleich nach dem Kurbelsternverfahren für jede Reihe einzeln zu ermitteln, die resultierenden Massenkräfte sind dann vektoriell zu addieren. Die Qualität des Massenausgleichs entspricht damit der Zylinderzahl je Reihe. Anmerkung: Hier kommt der Unterschied zwischen Zeigern und Vektoren in der Praxis zum Tragen. Näheres dazu findet man in Abschnitt 1.5. Die höhere Zylinderzahl dient hier vorwiegend der Glättung der Betriebskräfte (zum Beispiel Zündfrequenz, siehe dazu Bild 7.26). Die Kurbelwelle mehrreihiger Maschinen ist zudem kürzer als bei einer Reihenmaschine gleicher Zylinderzahl, was die Eigenfrequenzen und damit den nutzbaren Drehzahlbereich erhöht. Eine besondere Ausführungsform ist der Boxermotor, bei dem die Kolben gegenläufig arbeiten, der Massenausgleich ist damit immer perfekt. Der Vorteil geringer Baugröße entfällt jedoch weitgehend. In Bild 7.25 ist der Boxermotor schematisch dem ähnlichen 180° V-Motor gegenüber‐ gestellt. 556 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.25: Motoren in 180° Anordnung 7.5.1.6 Massenausgleich durch Ausgleichswellen Grundsätzlich kann ein Massenausgleich auch durch ein Paar von Ausgleichswellen erfolgen. Sie werden über ein Getriebe gegenläufig an‐ getrieben mit einer Drehzahl entsprechend der auszugleichenden Ordnung. Praktisch eingesetzt werden sie zum Ausgleich der 2. Ordnung von Hochleistungsmotoren mit ge‐ ringer Zylinderzahl (Vierzylinder, siehe Ta‐ belle 7.14). 7.5.2 Schwingungserregung in Kolbenmaschinen Die internen Kräfte, die Schwingungen anregen, sind in Kolbenmaschinen vielfältig. Eine Zusam‐ menstellung wurde bereits in Tabelle 7.13 gegeben. Charakteristisch ist jedoch die Kurzzeitigkeit. Dafür treten die Anregungen zyklisch auf, der Zyklus ist immer synchron mit der Drehzahl. Kolbenmaschinen können von ihrer Arbeitsweise her ihr Antriebsmoment nicht gleichmäßig zur Verfügung stellen. Es entsteht eine Drehungleichförmigkeit und das Drehmoment schwankt während eines Arbeitsspieles periodisch um einen Mittelwert. Form und Absolutwerte der Schwankungen werden durch die Zylinderzahl, den jeweiligen Betriebspunkt und beim Verbren‐ nungsmotor durch das Verbrennungsverfahren bestimmt. Bei Mehrzylindermaschinen treten die Anregungen mehrfach innerhalb einer Umdrehung (genauer gesagt: innerhalb eines Arbeitszyklus) auf, was eine Glättung im gesamten Zeitverlauf ergibt, siehe Bild 7.26. In anderen Worten: Je mehr Zylinder, desto geringer die Anregung von Drehschwingungen - diese ziehen ja gerade die Schwingungsprobleme in Wellen, Kupplungen und Getrieben etc. nach sich. Allerdings: Wird die Kurbelwelle zu lang, liegen ihre Eigenfrequenzen zu niedrig - das begrenzt den nutzbaren Drehzahlbereich. Daher oft die Mehrreihigkeit bei Verbrennungsmaschinen. 557 7.5 Kolbenmaschinen Bild 7.26: Kurbelwellen und Schwingungsbild bei 4- und 6-Zylindermotoren Der Arbeitszyklus einer Kolbenmaschine erstreckt sich in der Regel über eine einzige Umdrehung, wie eigentlich allgemein bei Maschinen. Einzige Ausnahme ist die wichtigste Kolbenmaschinenart - der Viertaktmotor. Beim Viertaktmotor erfolgen Zündung und Verbrennung je Zylinder nur jede zweite Umdrehung. Gleiches gilt demnach auch für alle anderen Anregungsmechanismen. Typisch ist daher im Spektrum das Auftreten von halben Ordnungen (bezogen auf die Maschinendrehzahl). In Mehrzylindermaschinen, wie sie üblicherweise ausgelegt werden, wird die Zündung äquidistant auf die Zylinder verteilt, für n Zylinder treten daher die Ordnungen i = n/ 2 zu Tage. Einzig bei Auftreten von Asymmetrien wird man die halbe Ordnung im Spektrum dann auch finden. Hinweis: Hersteller und Anwender von Viertaktmotoren bezeichnen deshalb solche halben Ordnungen als Moden und beziehen Vielfache auf eine Mode. Bei Zweitaktmaschinen sind diese Effekte nicht zu berücksichtigen. Dieser Maschinentyp ist heute allerdings schon aus Umweltgründen von untergeordneter Bedeutung. Sie kommen lediglich noch dort zum Einsatz, wo vor allem Bedarf nach geringem Gewicht besteht (Rasenmäher etc.). 7.5.3 Erregungsmechanismen 7.5.3.1 Verbrennungsmotor Im Verbrennungsmotor entstehen direkte Verbrennungsschwingungen, indirekte Verbrennungs‐ schwingungen und mechanische Schwingungen. Die weiteren Betrachtungen werden jetzt wieder auf den einzelnen Zylinder bzw. Kurbeltrieb bezogen. Mechanische Schwingungen entstehen bei Verbrennungsmaschinen auch schon ohne „Befeue‐ rung“ infolge von Stößen der spielbehafteten Bauteile des rotierenden Kurbeltriebes und des Ventiltriebs (neben den Massenkräften). Schließlich müssen die Bewegungen des auf- und abwärts oszillierenden Kolbens in eine rotierende Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden. Die indirekten Verbrennungsschwingungen entstehen, da ausgehend vom dynamischen Verbren‐ nungsdruck im Brennraum zusätzliche mechanische Stoßanregungen des Kurbeltriebes auftreten. 558 7 Anlagenkenntnisse 47 Ein VR-Motor ist ein V-Motor mit engem Zylinderwinkel („Lancia Prinzip“) Die direkten Verbrennungsschwingungen entstehen wegen der Druckpulsationen im Brennraum infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches - sie sind in der Regel dominierend. Ein weiteres Unterscheidungskriterium bei Verbrennungsmaschinen ist die Arbeitsweise. So zeigen Ottomotoren mit Saugrohr- oder Direkteinspritzung, Dieselmotoren mit Vor- oder Wirbelkammereinspritzung und neuerdings Gasmotoren je nach Drehzahl ihr ganz individuelles Schwingungsverhalten. Alle diese Verbrennungsmaschinen arbeiten zumeist als Viertaktmotor, wobei das Drehmoment durch nur einmaliges Zünden während zweier Kurbelwellenumdrehun‐ gen erzeugt wird. Der gesamte Arbeitszyklus besteht aus Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen. Frequenz und Schwingstärke hängen bei Mehrzylindermaschinen von Bauform, Zylinderan‐ ordnung, Zündfolge, dem Lagerungskonzept der Kurbelwelle, dem Schubstangenverhältnis λ sowie von der Art des Massenausgleichs ab. Üblich sind Motoren mit Zylinderanzahlen von 1 bis 6, weitere sind mit 8, 10, 12, 16, 20 oder 32 Zylindern in Anwendung, die in Reihe, in V-Form (VR 47 ), in W-Form oder sternförmig angeordnet werden. Welche Kombination eingesetzt wird, hängt von der geforderten Leistung, dem Bauraum und den erlaubten Schwingungen für die jeweilige Anwendung ab. Die entstehenden Massenkräfte und Massenmomente können sich bei einigen Konstruktionsprinzipien teilweise aufheben (zum Beispiel R6, V12). Anderenfalls lassen sie sich durch Maßnahmen wie Gegengewichte oder Ausgleichswellen minimieren - das wurde zuvor schon ausgeführt. Grundsätzlich gilt, dass ein Verbrennungsmotor mit steigender Zylinderzahl laufruhiger ist. Ordnungen und Zündfrequenzen sind wichtige Schwingungskenngrößen bei der Zustandsdi‐ agnose an Verbrennungsmaschinen. Weitere Zusatzschwingungen können infolge von untypi‐ schen Momenten- und Massenanregungen höherer Ordnung entstehen. Dazu einige Beispiele: ● Ein prominentes (sportliches) Fahrzeug der Mittelklasse hat einen Vierzylindermotor in Reihen‐ anordnung. Die Zündfrequenz ist durch die Zylinderzahl gleich der doppelten Drehfrequenz, also von zweiter Ordnung. Obwohl die Massenkräfte zweiter Ordnung über zusätzlich zur Kur‐ belwelle entgegengesetzt drehende Ausgleichswellen kompensiert wurden, kam es regelmäßig oberhalb etwa 5500 min -1 zu einem Dröhnen. ● Ein anderer Sportwagen mit Sechszylinder Reihenmotor zündet dreimal pro Kurbelwellenum‐ drehung. Durch den optimalen Massenausgleich zeigt dieses Fahrzeug eine ausgesprochen kultivierte Laufruhe. Trotz dieser guten Erfahrung beim zweiten Beispiel baut man in der Automobilbranche Sechszy‐ lindermotoren lieber in V-Form, da sie dadurch kürzer und kompakter als Reihensechszylinder ausfallen und auch höher drehen können. Als Gegenmaßnahme benötigt man dann aber wieder beim V6 Motor eine Ausgleichswelle, um bei hohen Drehzahlen die freien Massenmomente und die bauartbedingten Zusatzschwingungen zu reduzieren. Technik erfordert Kompromisse. 7.5.3.2 Ventile und Einspritzpumpe Beim Dieselmotor entstehen neben der Zündfrequenz zusätzlich noch Arbeitsmomente aus der Dieseleinspritzpumpe (Einspritzfrequenz) und aus der Ventilpaarfrequenz, die sich durch die periodische Ventilbetätigung an der Nockenwelle ergeben. 559 7.5 Kolbenmaschinen 7.5.3.3 Kolbenkippen Infolge des unvermeidlichen Spiels im Bereich der Kolben kommt es vor allem in der Umgebung des oberen Totpunkts zu Stoßanregungen durch wechselnde Belastungsrichtung im Kontakt zwischen Kolben und Zylinderwand. Durch Installation von Schwingungssensoren direkt am Zylinderkopf lassen sich solche Erscheinungen nachweisen und überwachen. Bild 7.27 zeigt einen Beschleunigungssensor bei mobilen Schwingungsmessungen. Bei großen Verbrennungsmaschi‐ nen installiert man teilweise spezielle piezoelektrische Sensoren, um Zündkräfte schwingungs‐ technisch nahe zum Erreger zu erfassen und Veränderungen tendenziell zu überwachen. Bild 7.27: Mobile Schwingungsmessungen am Zylinderkopf 7.5.3.4 Drehschwingungen in Kolbenmaschinen Bedingt durch die diskontinuierlichen Gaskräfte im Arbeitsraum, speziell bei Verbrennungsma‐ schinen, kann es bei Kolbenmaschinen zu einer starken Anregung von Drehschwingungen kommen. Unterstützt wird diese Tendenz zusätzlich durch die Massengeometrie des Kurbeltriebs. Diese Drehschwingungen können zu Sekundärfehlern in den angeschlossenen Komponenten führen, vor allem in Getrieben und Kupplungen. Im Getriebe kann dies bis zum Getrieberasseln oder sogar bis zum Zahnflankenhämmern führen. Drehschwingungen wurden in Abschnitt 5.18 eingehend behandelt. Maßnahmen zur Verrin‐ gerung von Drehschwingungen, speziell durch Dämpfung oder Tilgung sind hier erforderlich - das wurde schon in Abschnitt 6.5.4 erläutert. 7.5.4 Überwachungsmethodik für Kolbenmaschinen Überwachung und Diagnose an Kolbenmaschinen ist eine besondere Herausforderung. Infolge der kurzzeitigen Anregungsmechanismen dominieren im (gemittelten) Schwingungsspektrum von Gehäuseschwingungen die Moden der Struktur. Die wirklich interessante Charakteristik der Erregerkräfte geht dabei, eben wegen der Kurzzeitigkeit, in den Spektren weitgehend verloren. 560 7 Anlagenkenntnisse Methode Ausführung Hinweis Verbrennungsprozess Indikatordiagramm HF-Druckmessung Betriebstemperaturen Öl Kühlung Leistung Performance Überwachung von Lagern Abschnitt 5.12 Schmierung Ölanalyse Abschnitt 4.7.1 Zeitbereichsanalyse Abschnitt 0.10 FFT Triggerverzögerung Abschnitt 2.7.1.4 Zeit-Frequenz-Analyse Kurzzeit FFT (STFT) Abschnitt 0.10 Gabortransformation Abschnitt 0.17 Wavelet Spektrum Tabelle 7.16: Überwachungsmethodik bei Kolbenmaschinen Tabelle 7.16 gibt eine Zusammenstellung einschlägiger Methoden, die in diesem Zusammen‐ hang eingesetzt werden können. Man kann erkennen: Die Schwingungsanalyse ist dabei stark auf getriggerte Zeitbereichsanalysen fokussiert, teilweise auch Zeit-Frequenz-Analysen (mit einer gegenüber FFT oder Filtern gesteigerten Kurzzeitauflösung). Insbesondere sei in diesem Zusammenhang auf die variable Triggerverzögerung hingewiesen (Abschnitt 2.7.1.4, Bild 2.44) 7.6 Walzwerke, Papiermaschinen und andere Prozessanlagen Kleine Ursache - große Wirkung. Bei Großanlagen dieser Art können kleine Fehler große Auswirkungen haben. Man stelle sich nur vor, welche Präzision der Fertigung zum Beispiel bei der Herstellung von hochglänzendem Dokumentenpapier erforderlich ist - und die Größe und Komplexität einer Papiermaschine (wer hat sie noch nie bewundert? ). Alles in allem - eine richtige Herausforderung für qualifizierte Zustandsüberwachung und systematisches Instandhaltungsmanagement. 7.6.1 Walzwerke Im Walzwerksprozess werden in der Metallverarbeitung Vormaterialien wie Gussblöcke oder Brammen zu Walzerzeugnissen wie Formstähle, Bleche, Bänder oder Drähte gewalzt. Man unterscheidet zwischen dem Kalt- oder Warmwalzen, der Veredlung und dem Profilieren. Walzanlagen bestehen aus mehreren Maschinen und Baugruppen. Maschinen, um Walzpro‐ dukte vor dem Walzvorgang zu erwärmen, eventuelle Wärmebehandlungen durchzuführen und das Walzgut entsprechend zu transportieren gehören genauso zur Walzwerkstechnik wie nachgeordnete Maschinen zur Adjustage durch Zerteilen, Richten, Oberflächenbearbeiten, Wärmebehandeln, um die Eigenschaften des Walzguts zu verbessern. Schließlich seien noch Wickelmaschinen erwähnt, ohne die die beim Kaltwalzen erforderlichen Bandzüge nicht erreicht werden können. 561 7.6 Walzwerke, Papiermaschinen und andere Prozessanlagen Bild 7.28: Prinzip eines 6-Walzen-Gerüstes mit axial ver‐ schiebbaren Walzen (a) im Vergleich zum Quartogerüst (b) Walzwerke sind in ihren einzelnen Funktionalitäten hohen Belastungen und Beanspruchun‐ gen ausgesetzt. Sie müssen so konstruiert sein, dass sowohl die hohen Kräfte beim Walz-, Richt- und Schnittvorgang von allen Bauteilen aufgenommen werden können als auch die Spannungen und elastischen Verformungen trotz vieler Lastspiele so klein bleiben, dass Ma‐ schine und Produkt nicht beeinflusst werden. Bild 7.28 zeigt beispielhaft Prinzipien von 6- und 4- Walzen-Gerüsten, wie sie in Kaltwalzwerken zum Einsatz kommen. Besonderheit solcher Walzwerke ist eine Vielzahl von diskontinuierlichen Bewegungs‐ abläufen mit stark variierenden Beschleuni‐ gungen, Abbremsungen und Stoßvorgängen. Doch schon der Walzvorgang selbst ist stark diskontinuierlich, denn er ist ein Umformvor‐ gang, bei welchem das Umformgut durch die Werkzeuge von selbst in die Umformzone befördert wird. So unterscheidet man beim ersten Kontakt des Walzgutes mit den Walzen zwischen folgenden Kräften: ● Einer Normalkraft, womit die Anstoßkraft auf die Walze übertragen wird ● Einer Tangentialkraft, die infolge der vorgegebenen Drehbewegung erzeugt wird ● Eine Trägheitskraft, um das Walzgut zu beschleunigen oder abzubremsen ● Schubkräfte, wenn das Walzgut auf Rollgängen an die Walze herangefahren wird Neben diesen im Umformvorgang entstehenden Belastungen spielen die Umformeigenschaften des Walzgutwerkstoffes und die verwendeten technologischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Walzgeschwindigkeit und die Stichfolgen, eine große Rolle. Unregelmäßigkeiten führen im Walzwerk zu deutlichen Mehrbeanspruchungen. Hochauflösende messtechnische Analysen von Betriebs- und Prozessgrößen ermöglichen es, Transparenz in dieses Verhalten zu bringen. Bild 7.29 zeigt beispielhaft eine solche Betrachtung, bevor die Schwingungen im Detail bewertet werden. Schwingungen eignen sich bei Walzwerken auch als Parameter zur Sicherung von Produktqua‐ litäten. Insbesondere die sogenannten Chatterschwingungen, eine selbsterregte Schwingung, stellen ein großes Risiko für die Produktqualität dar. Es entstehen drehfrequente Schwingungen mit Harmonischen, die zur Unrundheit der Walzen führen, was den Effekt weiter verstärkt. Die größten Schwingungsprobleme entstehen durch das sogenannte 3. Oktav-Chatter und das 5. Oktav-Chatter. Mittlerweile existieren in der Walzwerksbranche messtechnische Lösungen, wo die prozessbedingten Schwingungen online überwacht werden und automatisch gegengeregelt wird, wenn solche Störschwingungen beginnen zu entstehen (quasi eine aktive Dämpfung). Maßgeblich für das globale Schwingungsverhalten sind bei Walzwerken die Walzenständer. Sie müssen Walzkräfte von oftmals mehreren 100 MN aufnehmen und sind dementsprechend sehr massiv gebaut. Bild 7.30 veranschaulicht den typischen Aufbau eines Walzwerkgerüsts mit weiteren wirkenden Schwingungsquellen. 562 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.29: Zeitverlauf der Drehzahl und Walzkräfte in einem Reversierkaltwalzwerk beim Walzen von 3 Coils Bild 7.30: Schwingungsquellen am Walzwerksgerüst 7.6.2 Papiermaschinen Anders als Walzwerke laufen Papiermaschinen kontinuierlich und wesentlich gleichmäßiger, dafür aber mit deutlich höheren Durchsätzen und Produktionsgeschwindigkeiten. Es werden mittlerweile Papiermaschinen gebaut, die je nach Produkt mit Papiergeschwindigkeiten bis zu 2500 m/ min arbeiten und bis zu 12 m breite Walzen haben. Erwähnt sei, dass in der Papierbranche aber auch Leistungssteigerungen an vorhandenen Papiermaschinen erreicht wurden, indem etwa 563 7.6 Walzwerke, Papiermaschinen und andere Prozessanlagen ursprünglich mit nur 100 m/ min produzierende Anlagen bis auf 1500 m/ min gesteigert wurden - ingenieurtechnisch und schwingungstechnisch eine Höchstleistung. Neben hoher Maschinenverfügbarkeit, niedrigen Ausfallraten und geringen Produktionskosten nimmt die Produktqualität in der Papierherstellung einen besonders hohen Stellenwert ein. Typische Mängel sind ● Papierfalten, ● ungleichmäßige Dickenprofile, ● eine asymmetrische Wicklung der Bahn sowie ● Papierabrisse. Der Prozess der Papierherstellung ist technologisch äußerst komplex. Insbesondere Spezialpa‐ piere erfordern so manche Sonderlösung, die bei messtechnischen Problemanalysen speziell zu beachten sind. Typischerweise bestehen Papiermaschinen aus bestimmten Sektionen, nämlich ● Stoffaufbereitung, ● Nasspartie, ● Pressenpartie, ● Trockenpartie, ● Leimpartie sowie ● Kalanderpartie. Der grundsätzliche Aufbau von Papiermaschinen ist in Bild 7.31 zu sehen. Die Prozessschritte sind in Tabelle 7.17 aufgelistet und anschließend kurz erläutert. Bild 7.31: Ansicht einer Papiermaschine Stoffaufbereitung Es werden verschiedene Rohstoffe mit Wasser in einem Stofflöser, dem sogenannten Pulper, auf‐ gelöst und in Einzelfasern zerlegt. Anschließend wird die entstandene Faserstoffsuspension je nach gewünschter Papiersorte in mehreren Prozessstufen aufbereitet und für den Stoffauflauf bereitge‐ stellt. Nasspartie Die Blattbildung erfolgt in der Nasspartie, indem aus den Papierfasern eine endlose Papierbahn gebildet wird. Dazu wird der aufbereitete Stoff mittels eines Stoffauflaufes auf ein Sieb oder zwi‐ 564 7 Anlagenkenntnisse Prozessschritt Funktion Stoffaufbereitung Stoffauflösung im Pulper Nasspartie Blattbildung Pressenpartie Pressen der Papierbahn Trocken- und Leimpartie Trockenzylinder, chemische Oberflächenbearbeitung Kalanderpartie Aufwickeln (Tambour) Tabelle 7.17: Prozessschritte in einer Papiermaschine schen zwei Siebe aufgetragen. Durch nachfolgende Entwässerung bildet sich ein immer dichter werdender Faservlies. Mehrlagige Papiere erfordern mehrere Siebeinheiten. Die gefertigten Lagen werden in der Papiermaschine miteinander verpresst und je nach gewünschter Papiersorte gezielt abgestimmt. Pressenpartie Die weitere Entwässerung erfolgt durch Pressen der Papierbahn. Es gibt klassische 2-Walzen-Pres‐ sen, Mehrwalzen-Kompaktpressen und moderne, sogenannte Schuhpressen, bei denen ein speziell geformter Pressschuh an die Gegenwalze gepresst wird. Die Papierbahn verlässt die Pressenpartie mit etwa 40 % bis 52 % Trockengehalt, je nach Papierart und Pressenkonfiguration. Anmerkung: Der Trockengehalt gibt das Masseverhältnis von Materialmasse zu Wasser‐ masse im Produkt an. Trockenpartie und Leimpartie Die weitere Trocknung erfolgt in der Trockenpartie. Dazu wird die Papierbahn mäanderartig mittels Trockensieben um eine große Anzahl dampfbeheizter Hohlzylinder (Trockenzylinder) geführt. Bestimmte Papiereigenschaften, wie zum Beispiel die Beschreib- oder Bedruckbarkeit, können in der Leimpresse durch Aufbringen von chemischen Hilfsmitteln auf die Papierbahnoberfläche beeinflusst werden. Leime machen aber auch das Papier steifer und widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeit. Kalanderpartie Am Ende der Papiermaschine wird die Papierbahn auf einer Wickelstange als Tambour aufgerollt. Zusätzlich - in Bild 7.31 nicht gezeigt - sind Ausrüstungen erforderlich, die aus diesem Tambour mehrere kleine Rollen mit unterschiedlichen Bahnbreiten schneiden. 565 7.6 Walzwerke, Papiermaschinen und andere Prozessanlagen Wie bereits zu Beginn erwähnt, treten in der Papierbranche mit zunehmenden Produktions‐ geschwindigkeiten auch Schwingungserscheinungen auf, die manchmal auch ungewöhnliche Korrekturen erfordern. Dazu zwei Beispiele: a. Über eine UV-Lichtprüfung wurde an einem Spezialpapier festgestellt, dass Rattermarken erkennbar sind. Durch Messen des Abstandes der Rattermarken, prozessspezifische Detail‐ analysen und Schwingungsmessungen konnte festgestellt werden, dass die Ursache in der Zahneingriffsfrequenz eines angehängten Trockengruppengetriebes begründet war. Zähnezahlen wurden im Getriebe verändert und die nur über die UV-Prüfung nachweisbaren Rattermarken verschwanden. b. An einer relativ breiten Papiermaschine traten bei Versuchen zur Drehzahlsteigerung unzulässig hohe Lagerbockschwingungen an zwei sehr schlanken Andrückwalzen auf. Erst nach dem Verwenden von biegesteifen Karbonwalzen reduzierten sich die Schwingungen, so dass zwi‐ schenzeitlich auch bei der höheren Papiergeschwindigkeit sicher produziert werden kann. 7.7 Werkzeugmaschinen Ähnlich wie bei Walzwerken und Papiermaschinen steht auch bei Werkzeugmaschinen die Fertigungsqualität im Vordergrund. Schwingungen, Verformungen, Bewegungen und präzise Verschiebungen sind hier wichtige Einflussgrößen, die bei der Schwingungsanalyse bauteilspe‐ zifisch sorgfältig zu selektieren und zu bewerten sind. 7.7.1 Konzept und Steuerung von Werkzeugmaschinen Unter dem Begriff Werkzeugmaschine versteht man Maschinen zur Fertigung von Werkstücken mit Werkzeugen, deren Bewegung zueinander durch die Maschine vorgegeben wird. Funktionsbe‐ dingt trifft man dabei auf eine Vielzahl von Anregungsmechanismen und damit auf ein komplexes Schwingungsverhalten mit entsprechend großer Vielfalt an Frequenzen. Aber mehr noch: Bei Werkzeugmaschinen sind für die Überwachung nicht nur Schwingungen von Bedeutung, hier sind auch exakt geführte Linearbewegungen bzw. transiente Vorgänge für die Performance der Maschine wichtig. Des Weiteren müssen infolge des komplexen Aufbaus von Werkzeugmaschinen Geometrie-, Ausricht- und Justiereinflüsse besonders berücksichtigt und ggf. optimiert werden. Bewegungsvorgänge sind bei Werkzeugmaschinen also nicht nur Begleiterscheinung oder Fehler, wie es bei anderen Maschinen oft der Fall ist. Sie sind deshalb konsequent in die ganzheitliche Überwachung und Zustandsdiagnose einzubeziehen. Typisch für Werkzeugmaschinen ist einerseits die hohe Komplexität von Maschine und Fertigungsprozess. Zum anderen werden oft nur geringe Stückzahlen, manchmal auch nur Einzelstücke gefertigt. Das hat zur Folge, dass auch nur eine einzelne Ausschussproduktion mit sehr hohen Kosten verbunden sein kann. Aus den genannten Gründen ist eine Überwachung, ggf. in Kombination mit einer Regelung, von besonderer Wichtigkeit. Das zielt vor allem auf ein ganzheitliches Konzept, wie es in Abschnitt 16 noch thematisiert wird. Ultimatives Ziel sollte es hier sein, einen Digitalen Zwilling zu erstellen, der eine vollständige Simulation des Herstellungsprozesses bis zur Kontrolle des (virtuellen) Produkts ermöglicht. Eine erste, überblickshafte Einteilung von Werkzeugmaschinen zeigt Tabelle 7.18. 566 7 Anlagenkenntnisse 48 Siehe Fußnote 5. Maschinengruppe Beispiel Spanende Werkzeugmaschinen Drehen Umformmaschinen Walzen Abtragende Maschinen Erodieren Auftragende Maschinen 3D-Druck Tabelle 7.18: Einteilung von Werkzeugmaschinen Zeitalter Prägung ca. erstmals 1. Industrielle Revolution Dampfmaschine Transmissionswellen arbeitende Klasse 1843 2. Industrielle Revolution Kraftwerke industrielle Nutzung der Elektrizität Einzelantrieb Mechanisierung (= Werkzeugmaschine) mechanische Steuerung (Lochkarten) 1900 3. Industrielle Revolution Numerische Steuerung (CNC, SPS) Mikroprozessor Programmierung Bearbeitungszentren 1970 4. Industrielle Revolution Digitalisierung (Industrie 4.0) Additive Fertigung 2013 Tabelle 7.19: Geschichte und Entwicklung der Industriellen Revolution Ergänzend zur normativ festgelegten Definition von Werkzeugmaschinen wurde in der Tabelle der 3D-Druck (Additive Fertigung) mit einbezogen. Dieser Einbezug ist einerseits vom Prozess her vertretbar und gerechtfertigt (man beachte diesbezüglich die Definition aus DIN 69651 in Abschnitt 7.7.3), andererseits ist er wiederum nicht ganz korrekt, da es sich beim 3D-Druck grundsätzlich um ein Urformverfahren handelt. Es wird aus diesen Gründen hier als Auftragendes Verfahren mit zugeordnet. 7.7.2 Historie 48 Mit Fug und Recht kann man die Werkzeugmaschinenbranche als Königsdisziplin des Maschi‐ nenbaus ansehen: Denn nichts hat die Entwicklung nicht nur des Maschinenbaus, sondern eines industriellen Zeitalters so geprägt, wie eben die Werkzeugmaschine. Die historische Entwicklung ist in Tabelle 7.19 kurz skizziert. Sie beginnt mit dem industriellen Einsatz von einfachen Maschinen und erstreckt sich bis heute und weiter in die unmittelbare und nachfolgende Zukunft. 567 7.7 Werkzeugmaschinen Maschinentyp Beispiele Spanende Werkzeugmaschinen Dreh- und Fräsmaschinen Bohrmaschinen Hobelmaschinen Sägemaschinen Schleifmaschinen Schneidende und umformende Werkzeugmaschinen Biegemaschinen Pressen Ziehmaschinen Walzmaschinen Zerteilende Werkzeugmaschinen Schlagscheren Schneidpressen Stanzmaschinen Abtragende Werkzeugmaschinen Erodiermaschinen Laserbearbeitungsmaschinen Wasserstrahlschneidemaschinen Kombinierende Werkzeugmaschine mit unterschiedlichen Automatisierungsgraden CNC-Maschinen Bearbeitungsmaschinen Bearbeitungszentren Bearbeitungszellen etc. Additive Fertigung 3D-Drucker Tabelle 7.20: Verschiedene Typen von Werkzeugmaschinen 7.7.3 Begriffsbestimmungen Ein Werkzeug ist ein nicht zum menschlichen Körper gehöriges Objekt, mit welchem die Funktio‐ nen des Körpers erweitert werden. Eine Sammlung von Werkzeugen für eine bestimmte Tätigkeit ist ein Werkzeugsatz. Werkzeugmaschinen sind Maschinen zur Fertigung von Werkstücken mit Hilfe von Werkzeugen. Dabei wird die Bewegung von Werkzeugen und Werkstücken durch die Maschine vorgegeben. DIN 69651 definiert eine Werkzeugmaschine als (Zitat) mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtung, die durch relative Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug eine vorgegebene Form am Werkstück oder eine Veränderung einer vorgegebenen Form an einem Werkstück erzeugt. 7.7.4 Einteilung von Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen sind Betriebsmittel und gehören zu den produzierenden Maschinen. Eine Einteilung nach den Fertigungsverfahren bringt Tabelle 7.20. 568 7 Anlagenkenntnisse 7.7.5 Anforderungen an Werkzeugmaschinen 7.7.5.1 Design Werkzeugmaschinenhersteller haben je nach zu realisierenden Fertigungsverfahren sowohl den Aufbau als auch die Zusatzkomponenten so zu konstruieren, dass die zu fertigenden Werkstücke fest aufgenommen, exakt relativ zueinander bewegt und die erforderlichen Kräfte und Momente bestimmungsgemäß, präzise und rückwirkungsfrei auf das jeweilige Werkstück aufgebracht werden können. Abnahmekriterium sind bei den Werkzeugmaschinen sowohl die geforderten Werkstückqualitäten als auch die flexibel pro Zeiteinheit zu fertigenden Stückzahlen. 7.7.5.2 Bauformen von Werkzeugmaschinen Die Bearbeitungskräfte einer Werkzeugmaschine werden in einem Gestell aufgenommen, welches die Position aller Baugruppen relativ zueinander sichert. Grundsätzliche Ausführungen sind beispielhaft in Bild 7.32 zu sehen. Werkzeug und Werkstück können in Werkzeugmaschinen in mehreren Richtungen relativ zueinander bewegt werden. Die Bewegungsrichtungen oder Freiheitsgrade werden je nach Aufbau in Achsen gegliedert (bis zu 6 Achsen). Man spricht dann zum Beispiel von einem sechsachsigen Bearbeitungszentrum. Mit numerischen Steuerungen (NC- oder CNC-Steuerungen) können mehrere Achsen simultan angesteuert werden. Auf diesem Weg lassen sich auch Temperatureinflüsse gezielt kompensieren. Für Werkzeugmaschinen kennt man eine Reihe grundsätzlicher Konstruktionsformen. So zeigt Bild 7.32 die Elemente einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise, das ist eine Anordnung mit ortsfester Werkstückaufspannplatte und verfahrbarem Portal. Die wichtigsten Komponenten dieser Portalfräsmaschine sind in Bild 7.32 bezeichnet. Bild 7.32: Gestellbauteile einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise (Quelle: Waldrich-Coburg; Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen) 569 7.7 Werkzeugmaschinen Auch bei Drehmaschinen sind der Aufbau des Maschinenbetts, die Gestellbauform (siehe Bild 7.33) und die Lage der Arbeitsspindel wichtige konstruktive Elemente. Zu berücksichtigende Einflussgrößen sind dabei Parameter wie Werkstückgröße, Materialfluss, thermische Belastung, Spindelverlagerungen, automatisierter Werkstückwechsel oder Biegebeanspruchung. Bild 7.33: Klassifizierung von Drehmaschinen nach Gestellbauformen (Quelle: Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen) 570 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.34: Bauformen horizontaler Bohr und Fräsmaschinen (Quelle: Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeug‐ maschinenlabor WZL der RWTH Aachen) Einen weiteren Einblick in die Vielfalt von Werkzeugmaschinen liefert der Überblick von Bild 7.34. Dort lässt sich besonders die Bedeutung von Bewegungen bei Werkzeugmaschinen erkennen. Bewegungen sind hier nicht Störgrößen, sondern maßgebliche Kenngrößen für Genauigkeit und Bearbeitungsqualität, kurz gesagt, für die Performance der Maschine oder Anlage. 7.7.6 Baugruppen Typisch für Werkzeugmaschinen sind spezifische Baugruppen, die in Tabelle 7.21 aufgelistet sind. Auf ihre Funktion oder Konstruktion wird in diesem Kontext nur kurz eingegangen. Weitere Informationen sind der umfangreichen Fachliteratur zu entnehmen. Gestell Einen Überblick über verschiedenen Gestellbauformen von Werkzeugmaschinen zeigt Tabelle 7.21. Einige Varianten wurden bereits in Bild 7.33 vorgestellt. Antriebe Der Hauptantrieb ist für die Arbeitsbewegung zuständig, die Vorschubantriebe für die Positio‐ nierung der Werkzeuge. Hier ist hohe Präzision Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Fertigung. 571 7.7 Werkzeugmaschinen Baugruppen Untergruppen Gestell Bett, Portal, C-Gestell, O-Gestell Antriebe Hauptantrieb Vorschubantrieb Nebenantriebe Führungen und Lagerungen Linearantriebe Geradführungen Wellenführungen Fundament Steuerungen elektrische Steuerungen (VPS, SPS) numerische Steuerungen (CNC) Werkzeugspeicher und -wechsler Messsysteme Werkstückwechsler Versorgung und Entsorgung Kühlschmiermittel Späneförderer Einhausung Bedienerschutz Sicherheitseinrichtungen Tabelle 7.21: Baugruppen von Werkzeugmaschinen Nebenantriebe werden für verschiedene Aufgaben wie Schmierstofftransport, Kühlung, Späne‐ förderung oder Hydraulikdruck benötigt. Führungen und Lagerungen Führungen und Lagerungen geben die Anzahl der Freiheitsgrade und der Achsen vor. Hohe Präzision ist für die Qualität der Fertigung wesentlich. Wichtig sind vor allem spielfreie und wartungsarme Konstruktion. Fundament und Maschinenaufstellung Vor allem bei großen Maschinen sind schwere und steife Fundamente für einen ruhigen Maschi‐ nenlauf wichtig. Typisch sind Betonfundamente mit 70 bis 90 Prozent der Gesamtmasse. Werkzeugspeicher und Werkzeugwechsler Werkzeugmaschinen sind vielfach mit Werkzeugspeichern ausgerüstet, aus denen die Werkzeuge nach Bedarf entnommen werden. Bei Drehmaschinen werden häufig Revolver zum Werkzeug‐ wechseln eingesetzt. 572 7 Anlagenkenntnisse Genauigkeit Parameter Geometrische Genauigkeit Übereinstimmung mit der Konstruktion Statische Steifigkeit Statik Steifigkeit kinematische Genauigkeit Dynamische Steifigkeit Trägheitseinflüsse dynamisches Verhalten Schwingungen Thermisches Verhalten Wärmedehnungen Tabelle 7.22: Genauigkeitsanforderungen bei Werkzeugmaschinen Messsysteme Zur genauen Positionierung dient eine entsprechende Vielfalt von Messsystemen, überwiegend auf optoelektronischer Basis. Daneben gibt es noch Messeinrichtungen auf ohmscher, induktiver, kapazitiver oder magnetischer Grundlage. 7.7.7 Genauigkeit Hinsichtlich Genauigkeit bestehen bei Werkzeugmaschinen ganz besondere Anforderungen. Neben der geometrischen Genauigkeit kommen noch weitere Anforderungen dazu, siehe Tabelle 7.22. Dabei ist das Verhalten sowohl zwischen Werkstück und Maschine als auch zwischen den peripheren Komponenten der Werkzeugmaschine zu beherrschen. 7.7.8 Schwingungen an Werkzeugmaschinen Werden die Genauigkeiten nicht im erforderlichen Maß eingehalten, entstehen Fehler im Werkstück. Diese Fehler oder Abweichungen können dann werkstoffbedingt, werkzeugbedingt, verfahrensbedingt und maschinenbedingt sein. Eine weitere Fehlerquelle sind bei Werkzeugma‐ schinen aber auch Schwingungen selbst. Schwingungen sind jedoch auch Informationsquelle, um Verursacher von Abweichungen zu identifizieren oder sogar gezielt mit einem Aktuator zu neutra‐ lisieren. Aber auch selbsterregte Schwingungen wie Ratterschwingungen oder Stick-Slip-Schwin‐ gungen können bei Werkzeugmaschinen wirken und zu Qualitätsabweichungen am Werkstück führen. Systembetrachtungen, messtechnische Systemanalysen und/ oder systematische FMEA Unter‐ suchungen sind zielführende Methoden zur Untersuchung und Behandlung von Schwingungser‐ scheinungen an Werkzeugmaschinen. Bild 7.35 veranschaulicht Störeinflüsse, die bei praktischen Systemanalysen an Werkzeugmaschinen mindestens zu berücksichtigen sind. 573 7.7 Werkzeugmaschinen Bild 7.35: Systemanalyse an einer Schleifmaschine Doch man muss auch die Besonderheiten des zu fertigenden Werkstückes beachten wie nachfol‐ gend am Beispiel von zu fertigenden industriellen Verzahnungen erläutert wird: Erste Voraussetzung für eine hohe Fertigungsgüte sind eine exakte Werkstückmontage und ein einwandfreies Rundlaufverhalten des Rundtisches über den gesamten Fertigungszeitraum. Kommt es beispielsweise beim Schleifen großer Präzisionsverzahnungen zu Verkippungen, kann dies zu übermäßigem Abschliff der Härteschicht, Teilungsabweichungen oder sogar zu Teilungssprüngen im zu fertigenden Verzahnungsteil führen. Zweite Voraussetzung ist, dass das Schleifen der Verzahnungen sowohl kinematisch als auch bewegungstechnisch außerordentlich präzise funktionieren muss, damit sich die evolventischen Zahnprofilformen mit entsprechenden Genauigkeiten und Oberflächengüten auch fertigen lassen. Dritte Voraussetzung ist, dass Schleifscheiben und Hauptspindeln hohe Rundlaufgenauigkeiten und möglichst niedrige Schwingungen haben und Verschleißerscheinungen frühzeitig erkannt werden. Misst man online Wellenschwingungen und Gehäuseschwingungen nahe zu den Spindellage‐ rungen, lassen sich folgende Überwachungen realisieren: ● Erkennen von unerwünschten Ratterschwingungen und vorzeitigen Werkzeugverschleiß ● Erkennen von Veränderungen in den Laufgüten der ausgeführten Lagerung (Wälzlager, Luftlager, Magnetlager) ● Identifizieren von unerwünschten Einflüssen der auf der Hauptspindel angeordneten Werk‐ zeuge oder Werkstücke, deren Aufnahmeflächen oder Spanneinrichtungen ● Erkennen von Abweichungen der geforderten Sollposition der Werkzeuge oder Werkstücke unter statischen, dynamischen und thermischen Beanspruchungen ● Erkennen von unerwünschten Einflüssen bei der Kühlmittelzufuhr In der Werkzeugmaschinenbranche zeigte sich jedoch, dass es zielführender ist, diagnostische Schwingungskenngrößen in die Maschinensteuerung zu integrieren und darauf basierend multi‐ variate Konzepte zu erstellen. 574 7 Anlagenkenntnisse 3D-Druck Additive Fertigung Additive Manufacturing Generative Fertigung Rapid Technology Tabelle 7.23: Synonyme für Additive Fertigung 7.7.8.1 Additive Fertigung 3D-Druck ist eine generelle Bezeichnung für Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht zur Erzeugung dreidimensionaler Werkstücke aufgetragen wird. Das Verfahren läuft unter verschiedenen synonymen Bezeichnungen, die man in Tabelle 7.23 findet. Anmerkung: Erwähnt werden diese hier vor allem der Vollständigkeit halber. Schwin‐ gungstechnische Anwendungen sind bisher bei diesen Anlagen nicht bekannt. 7.8 Strukturen und Rohrleitungssysteme In diesem Abschnitt werden nur bauliche Strukturen, also nicht die darin montierten Maschinen und Anlagen einbezogen. Diese, ebenso wie auch Rohrleitungssysteme gelten oft eher als Stiefkind der Zustandsüberwachung, weil sie nicht rotieren, weil sie nicht schwingen (sollten! ). Aber längst schon hat auch auf diesem Feld über das SHM (Structure Health Monitoring) ein Umdenken begonnen, was in diesem Abschnitt kurz beschrieben wird. Anmerkung: Auch dieses Thema folgt der Strukturierung von DIN ISO 18436-2. 7.8.1 Bauwerke Bauwerke rücken aus dreierlei Perspektiven in den Fokus der Schwingungsüberwachung, nämlich ● Schwingungseinleitung im Hinblick auf weitere Transmission ↓, ● Übertragung von Fundamentschwingungen auf die Maschine (Transmission ↑) sowie ● Schwingungserregung durch äußere Kräfte (zum Beispiel Windbeanspruchungen). In den beiden ersten Fällen geht es im Grund um die aufgestellten Maschinen, im letzten um das schwingende Bauwerk selbst. 7.8.1.1 Schwingungseinwirkung auf Bauwerke Schwingungseinflüsse auf Bauwerke sind in jeder Hinsicht außerordentlich vielfältig und im Bauwesen in diversen DIN und ISO Normen zur Beurteilung von z. B. Gebäudeschwingungen oder Turmschwingungen beschrieben. An dieser Stelle sei nur auf die ISO 14963 und ISO 18649 verwiesen, die recht umfassend Schwingungen und Schwingungsmessungen an Brücken beschreiben. Hingewiesen sei an dieser Stelle aber auch auf die Richtlinie VDI 2038. Sie gibt zu‐ 575 7.8 Strukturen und Rohrleitungssysteme lässige Grenzwerte für Erschütterungen von empfindlichen Maschinen als sogenannte VC-Linien an (Vibration Criteria). Tabelle 7.24 enthält zur Orientierung einige Zahlenwerte zu Frequenzbereichen und wirkenden Amplituden bei Schwingungseinwirkungen aus der Umgebung. Einflussgröße Frequenzbereich in Hz Schwingweg in µm Geschwindigkeit in mm/ s Verkehr: Straße, Schiene, Körperschall 1 - 80 1 - 200 0,2 - 50 Sprengungen Körperschall 1 - 300 100 - 2500 0,2 - 500 Pfahlrammen Körperschall 1 - 100 10 - 50 0,2 - 50 Maschinen extern Körperschall 1 - 300 10 - 1000 0,2 - 50 Akustik, Lärm Verkehr, externe Maschinen 10 - 250 1 - 1100 0,2 - 30 Luftdruck Überdruck 1 - 40 Maschinen intern 1 - 1000 1 - 100 0,2 - 30 Menschliche Aktivität Schlag, Direkt 0,1 - 100 0,1 - 12 100 - 500 100 - 5000 0,2 - 20 0,2 - 5,0 Erdbeben 0,1 - 30 10 - 105 0,2 - 400 Wind 0,1 - 10 10 - 105 Innenlärm 5 - 500 Quelle: ANSI S2.47: American National Standard Vibration of Buildings - Guidelines for the Measurement of Vibrations and Evaluation of Their Effects on Buildings Tabelle 7.24: Typische Frequenzbereiche für Umgebungseinflüsse 7.8.1.2 Bauwerkresonanzen Wegen der im Vergleich zu Maschinenkonstruktionen stärker gedämpften Bauwerkstrukturen sind Eigenfrequenzen und Resonanzen auf diesem Gebiet nicht von dieser starken Bedeutung wie bei Maschinen. Vor allem generieren Bauwerke selbst keine Schwingungen durch dynamische innere Kräfte, eine Schwingungsanregung tritt ausschließlich durch äußere Kräfte auf. Zwei Mechanismen sind hier dennoch von besonderem Interesse, ● Turmschwingungen und ● Schwingungen von Brücken. Auf dem Feld der Turmschwingungen sind vor allem die Schwingungen von Fernsehtürmen und ähnlich strukturierten Bauwerken bekannt, die durch große Pendeltilger reduziert werden. 576 7 Anlagenkenntnisse Bei Brücken kann Wind zu selbsterregten Schwingungen führen. Ein prominentes Beispiel (weil als Videodokument einzusehen) ist der Einsturz der Tacoma Bridge am 7. November 1940 im US-Bundesstaat Washington. Dieses Ereignis war der Anlass, um künftig Brücken auch dynamisch zu untersuchen. 7.8.2 Rohrleitungen Rohrleitungen sind im industriellen Umfeld vorwiegend permanent im Betrieb und können unter Schwingungseinflüssen leiden. Zu hohe Schwingbeanspruchungen können zu vorzeitigen Schwingbrüchen führen. Über Messungen der Schwinggeschwindigkeit lassen sich dynamische Beanspruchungen in Rohrleitungssystemen direkt bewerten, da Schwinggeschwindigkeit und Spannung zueinander proportional sind. VDI 3842 enthält Orientierungswerte zulässiger Rohrleitungsschwingungen, die sich insbesondere in der Petrochemie bewährt haben. Aus der gezeigten Darstellung in Bild 7.36 ist zu erkennen, dass jedoch frequenzbezogen zu messen ist. Aus den Diagrammen geht hervor, dass niederfrequente Schwingungen ein höheres Schadenspotenzial aufweisen. Sind die Anregungen dazu noch pulsierend, wie zum Beispiel bei Verdrängerpumpen, kann es wegen unzureichender Systemdämpfung in den Rohrleitungssystem zu Resonanzproblemen kommen. Höherfrequente Schwingungen können zusätzlich zu lästigen Geräuscherscheinungen führen, die sich schwingungstechnisch ergründen lassen. Bild 7.36: Beurteilung von Rohrleitungsschwingungen nach VDI 3842 7.9 Getriebe Getriebe dienen der Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten mit Übersetzung oder Untersetzung, oft auch nur zur Richtungsänderung einer Drehbewegung oder zur Leistungs‐ verteilung. 577 7.9 Getriebe 7.9.1 Bauformen von Getrieben Man unterscheidet gleichförmig und ungleichförmig übersetzende Getriebe. Zu den ungleichför‐ mig übersetzenden Getrieben gehören beispielsweise Koppel-, Kurven-, Schritt-, Schraub- und Kugelgewindegetriebe. Die gleichförmig übersetzenden Getriebe lassen sich in mechanische Getriebe (formschlüssig und kraftschlüssig) und in hydraulische Getriebe (hydrostatisch und hydrodynamisch) aufteilen. Hydraulische Getriebe haben den Vorteil, dass Übersetzungsverhält‐ nisse sich stufenlos verändern lassen. Zahnradgetriebe werden im Maschinen- und Anlagenbau am meisten verwendet, da sie aufgrund ihrer formschlüssigen Kraftübertragung es erlauben, sehr hohe Drehmomente zu übertragen. Die bei Zahnradgetrieben üblichen Zahneingriffsfrequenzen mit Harmonischen führen zu Schwingungen und zur Geräuschabstrahlung, was sich durch konstruktive Maßnahmen in den Verzahnungen und in der Getriebeauslegung mindern lässt. Die Höhe der zulässigen Schwingungen kann man zumindest für die schnell laufenden Zahn‐ radstufen anhand von ISO 20816-9 oder auf Basis von Werksnormen führender Getriebehersteller abschätzen. Bei Zahnradgetrieben unterscheidet man zwischen unterschiedlichen Bauarten und Baufor‐ men. Die einfachste Bauform sind geradverzahnte einstufige Stirnradgetriebe. Einstufig ermög‐ lichen Zahnradgetriebe Übersetzungen bis etwa 1: 8, zweistufig bis zu 1: 30 und dreistufig bis zu 1: 125. Stirnradgetriebe können mit Einfachschrägverzahnung oder mit Doppelschrägverzahnung ausgeführt werden. Eine Sonderform von Stirnradgetrieben sind schnell laufende Turbogetriebe, die mit sehr kleinem Modul verzahnt und grundsätzlich gleitgelagert sind. Turbogetriebe mit Doppelschrägverzahnung stellen eine besonders effiziente Bauform dar, da die Verzahnungen sich axial selbst zentrieren. Kegelradgetriebe werden verwendet, wenn An- und Abtriebswelle winkelig zueinander ste‐ hen. Zur Bewertung von Schwingungsamplituden von Kegelradstufen sollte man in Erfahrung bringen, ob gerad-, schräg-, bogen- oder spiralverzahnte Kegelräder eingesetzt werden. Auch Drehrichtungseinflüsse sind zu berücksichtigen. In der Regel laufen Kegeltriebe geräusch- und schwingungsmäßig besser, wenn der Antrieb von konvexen Kegelritzeln auf konkave Kegelräder erfolgt. Übliche Übersetzungsverhältnisse liegen bei Kegeltrieben bei 1: 3 bis 1: 4. Werden Kegelradstufen mit Stirnradstufen kombiniert, spricht man von Kegelstirnradgetrieben. Eine andere Bauform von Winkelgetrieben sind Schneckenradgetriebe. Sie können mit Über‐ setzungsverhältnissen bis etwa 1: 30 wirtschaftlich ausgeführt werden. Übersetzungen bis zu 1: 250 wären in einer Stufe möglich. Schneckenradgetriebe sind nur selten schwingungsauffällig. Planetengetriebe sind eine Sonderform von Stirnradgetrieben. Sie sind sehr kompakt aufgebaut und ermöglichen auf engstem Raum eine Leistungsverzweigung. In einer Planetenstufe sind Übersetzungsverhältnisse bis 1: 35 wirtschaftlich. Im Planetengetriebe sind meist mehrere Plane‐ tenräder in einem Planetenträger (Steg) gelagert, die um eine zentrale Sonne umlaufen. Bild 7.37 zeigt eine vormontierte Planetenabtriebsstufe eines Mühlengetriebes mit feststehenden Hohlrad und dem zugehörigen Kinematikschema. Planetengetriebe können aber auch so betrieben werden, dass der Steg oder die Sonne stillsteht oder alles sich dreht. Berechnungsmöglichkeiten von Drehzahlen und Zahneingriffsfrequenzen sind in Tabelle 7.25 zusammengestellt. 578 7 Anlagenkenntnisse Antrieb Abtrieb über Zahneingriffsfrequenz Steg Sonne steht Hohlrad n H = z1 + z3 z3 n ST f z = z1 . nST 60 Hohlrad Sonne steht Steg n ST = z3 z1 + z2 n H f z = z1 . z3 z1 + z3 . nH 60 Sonne Steg steht Hohlrad n H = z1 z3 n S f z = z1 . nS 60 Hohlrad Steg steht Sonne n S = z3 z1 n H f z = z3 . nH 60 Sonne Hohlrad fest Steg n ST = z1 z1 + z3 n S f z = z1 . z3 z1 + z3 . nS 60 Steg Hohlrad fest Sonne n S = z1 + z3 z1 n ST f z = z3 . nST 60 Tabelle 7.25: Berechnung der Zahneingriffsfrequenz bei Planetengetrieben (ohne Dreiwellenbetrieb) Bild 7.37: Ansicht und Schema eines Planetengetriebes mit feststehendem Hohlrad Neben den bisher genannten Standardgetrieben existieren im Maschinen- und Anlagenbau weitere diverse Bauformen von Zahnradgetrieben mit Leistungsverteilung, Leistungsverzwei‐ gung, Leistungszusammenführung und sogenannte Überlagerungsgetriebe, die auch gewisse Drehzahlveränderungen erlauben. Oft müssen Getriebe in der Anlage aber auch tragende oder funktionelle Aufgaben übernehmen, was zu zusätzlichen Schwingungen führen kann und bei der Schwingungsanalyse zu berücksichtigen ist. Ein Beispiel dafür ist in Bild 7.38 dargestellt. Besonderheit an diesem zweisträngigen Kegel‐ rad-/ Stirnrad-/ Planetenradgetriebe für einen Schaufelradbaggerhauptantrieb ist, dass auch je ein Planetengetriebe im Dreiwellen-Betrieb dafür sorgt, dass die integrierte Leistungsverzweigung und Leistungszusammenführung ordnungsgemäß funktionieren. 579 7.9 Getriebe Bild 7.38: Zweisträngiges Getriebe für den Hauptantrieb eines Schaufelradbaggers Schaltgetriebe oder Getriebe mit integrierter Schaltstufe kommen ebenfalls oft zum Einsatz. Lastschaltgetriebe können kraftschlüssig oder formschlüssig wirken und benötigen geeignete manuelle, mechanische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Schaltbetätigungs‐ einrichtungen. Eine aktuelle Entwicklung eines Automatikgetriebes ist in Bild 7.39 zu sehen. Es zeigt einen hybriden Automatik-Antrieb für flexible Anwendungen in der Elektromobilität mit integrierter Leistungselektronik. Ein 8-Gang-Getriebe der 4. Generation sorgt dafür, dass sich bis zu 550 kW und 1000 Nm mit hoher E-Performance nutzen lassen. 580 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.39: Automatikgetriebe mit E-Maschine (Quelle: © ZF Friedrichshafen AG) 7.9.2 Fehlerbilder an Getrieben Neben dem funktionellen Verhalten von Getrieben bieten Schadensanalysen und visuelle Beur‐ teilungen an den Verzahnungen wertvolle Hinweise über mögliche Schadensursachen. Tabelle 7.26 und Tabelle 7.27 vermitteln einen gewissen Überblick von Fehlerursachen, getrennt nach Herstellung und Anwendung. 581 7.9 Getriebe Schadensbild (Root Cause) Materialfehler Konstruktion Fertigungsfehler Montage Schadensbild Schlackeneinschlüsse Schmiedefalten Nichtmetallische Einschlüsse Ungeeignete Werkstoffpaarung Unzureichende Dimensionierung Falsche Zahngeometrie Eingriffsstörungen Falsches Zahnspiel Schmiedefehler Wärmeentwicklung bei Bearbeitung Falsche Wärmebehandlung Unzureichende Oberflächengüte Nicht-Fluchten Unzureichende Isolierung Dauerbruch ● ● ● Normalverschleiß ● ● Eingriffsstörungen ● ● Riefen ● Fresser ● ● ● ● Grübchen ● ● ● ● Abblätterungen ● ● ● ● ● Schleifrisse ● ● Härterisse ● ● ● Materialrisse ● ● ● Dauerbruchanriss ● ● Warmfließen ● Kaltfließen ● ● ● Stromdurchgang ● Verzunderung ● Ausglühung ● Tabelle 7.26: Schadensursachen an Getrieben - bei der Herstellung 582 7 Anlagenkenntnisse Schadensbild (Root Cause) Betriebsbedingungen Schmierungsfehler Schadensbild Häufige Lastwechsel Stoß-, Vibrationsbelastung Überlastung Unsachgemäßer Einlauf Zu niedrige/ hohe Geschwindigkeit Schmierstoffmangel Falsche Viskosität Unzureichende Qualität Verunreinigung fest/ flüssig Ölzuführung Gewaltbruch ● ● Dauerbruch ● ● Normalverschleiß ● ● ● Schleifverschleiß ● Kratzer ● Riefen ● ● ● ● ● Fresser ● ● ● ● ● Grübchen ● ● ● ● ● ● ● Absplitterungen ● ● Dauerbruchanriss ● Eindrückungen ● Riffelbildung ● ● ● ● ● Warmfließen ● Kaltfließen ● ● ● ● Chem. Korrosion ● Reibkorrosion ● ● ● Kavitation ● ● Erosion ● ● Ausglühung ● ● ● Tabelle 7.27: Schadensursachen an Getrieben - in der Anwendung 583 7.9 Getriebe Lagertyp Berührungswinkel Radiallager 0° ≤ α < 45° Axiallager 45° ≤ α ≤ 90° Tabelle 7.28: Typisierung von Wälzlagern 7.10 Wälzlager Wälzlager bestehen aus Innenring, Außenring und mehreren rollenden, über einen Käfig geführ‐ ten Wälzkörpern. Sie dienen zur Fixierung von Achsen und Wellen in definierten Richtungen (radial, axial). Je nach Bauform können Wälzlager radiale und axiale Kräfte aufnehmen und ermöglichen gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile (zum Beispiel Rad). Zwischen den drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt hauptsächlich Rollreibung auf, was den Reibungswiderstand niedrig hält. Wälzlager können je nach Kraftrichtung als Radiallager, Axiallager oder als Lager für kombi‐ nierte Belastungen ausgeführt werden. Die Einteilung erfolgt nach dem Berührungswinkel oder Druckwinkel α, dem Winkel zwischen Radialebene und Drucklinie nach Tabelle 7.28. Anmerkung: Als Drucklinie bezeichnet man die Richtung der Kraft in der Kontaktzone. Bauformen von Wälzlagern Wälzkörper können als Kugeln, Nadeln oder Rollen in zylindrischer, tonnenförmiger oder kegeliger Form ausgeführt sein. Entsprechend der Wälzkörperform unterscheidet man zwischen Kugel-, Rollen-, Kegelrollen- oder Nadellager, siehe Bild 7.40. Bild 7.40: Bauformen von Wälzlagern Rillenkugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Tonnenlager, Nadellager (von links nach rechts) Am meisten werden in der Praxis Kugellager eingesetzt. Einfache Rillenkugellager sind haupt‐ sächlich radial belastbar, in axialer Richtung können sie nur geringe Kräfte aufnehmen. Durch entsprechende Schräganordnungen, zusätzlich meist in mehrreihiger Ausführung oder Kombi‐ nation mehrerer Einzellager, können verschiedene Belastungsrichtungen realisiert werden. Einen Überblick über Bauformen bringt Tabelle 7.29. Schräglager dienen ähnlich wie Kegelrollenlager zur Aufnahme kombinierter Lasten. Pendelrollenlager oder Pendelkugellager können gewisse 584 7 Anlagenkenntnisse Ausführung Belastbarkeit Rillenkugellager radial gering axial einreihig Kugeln Schrägkugellager radial axial speziell für gleichzeitig radiale und axiale Belastung Kugeln Vierpunktlager beidseitig axial Sonderform des Schrägkugellagers Druckwinkel ca. 35° Kugeln Pendelkugellager radial beidseitig axial zweireihig Ausgleich von Winkelfehlern Kugeln Zylinderrollenlager radial hoch axial sehr hohe radiale Belastbarkeit axial je nach Bauform Zylinder Kegelrollenlager radial axial in beiden Richtungen sehr hoch belastbar meist paarweiser Einbau Kegel Tonnenlager radial sehr hohe Stoßbelastung Winkel einstellbar Tonnenrollen (fassförmig) Pendelrollenlager radial sehr hoch beidseitig axial zweireihig Winkel einstellbar Tonnenrollen Toroidrollenlager radial sehr hoch beidseitig axial zweireihig Ausgleich von Radial- und Axialversatz ballige Rollen Kugelrollenlager radial gering axial geringe Breite ähnlich Rillenkugellager abgeflachte Kugeln Nadellager radial geringe Baugröße Nadeln (zylindrisch) Tabelle 7.29: Bauformen von Wälzlagern Schiefstellungen der gelagerten Welle gegenüber dem Gehäuse aufnehmen, indem der Innenring sich gegenüber dem Außenring pendelnd bewegt. Für höhere Belastungen werden zylindrische oder tonnenförmige ballige Wälzkörper einge‐ setzt. Bei Letzteren kann durch ballige Ausführung der Lauffläche am Außenring eine gute Aufnahme von Winkelversatz erzielt werden (Kugelsegment). 585 7.10 Wälzlager Kenngröße Bemerkung Radialkraft Axialkraft Drehzahl Belastungsrichtung Schiefstellung Wellendurchbiegung Tragzahl Dauerbelastbarkeit Umgebungsbedingungen Temperatur, Verschmutzung Tabelle 7.30: Einflussgrößen für Wälzlager 7.10.1 Dimensionierung von Wälzlagern Hauptvorteile von Wälzlagern sind ihre weltweite Normung, ihre gegenüber Gleitlager geringere Reibung, das kleinere Lagerspiel und ihre minimalen Schmierungs- und Wartungsansprüche. Bei Typenauswahl und Dimensionierung ist eine Reihe von Kennwerten und Einflussgrößen nach Tabelle 7.30 zu berücksichtigen. Insbesondere ist auch auf die auftretenden Belastungen in den verschiedenen Richtungen zu achten. Schwenkbewegungen sollten grundsätzlich klein bleiben. Hinweis: Die Tragzahl (in kN) ist ein Maß für die Kraft oder Belastung bezogen auf die Dauerbelastbarkeit. Neben dem funktionellen Verhalten von Lagerungen bieten Schadensanalysen und visuelle Beurteilungen wertvolle Hinweise über mögliche Schadensursachen. Tabelle 7.31 und Tabelle 7.32 bieten für Wälzlager einen gewissen Überblick bezogen auf Herstellung und Anwendung. 586 7 Anlagenkenntnisse Schadensbild (Root Cause) Material Fertigung Handling Montage Schadensbild Gefügefehler Falsche Materialpaarung Unsachgemäße Wärmebehandlung Unsachgemäßes Schleifen Unzureichende Oberflächengüte Formengenauigkeit d. Lagerumgebung Falsche Aufbewahrung Transporterschütterung Mangelhafte elektrische Isolierung Unsachgemäßer Einbau Unsachgemäße Erwärmung Verkantung Verspannung Kollision Mangelhafte Befestigung Unsachgemäße Befestigung Ungleichmäßiges Tragen im Sitz Falsche Passung Erhöhter Verschleiß ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Laufspuren ● ● ● ● ● ● ● ● Riefen Fresser ● ● ● Schürfmarken ● ● ● ● Riffeln ● Rattermarken ● Heißläufer ● ● ● ● ● ● ● Abblätterungen ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Schälungen ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Allg. Korrosion ● Reibrost ● ● ● Stromdurchgang ● Durchrisse ● ● ● ● ● ● Käfigbrüche ● ● ● Ausbrüche ● ● ● ● Verformungen ● ● ● ● ● ● ● ● ● Eindrückungen ● ● Bruchstellen ● ● ● ● ● ● Markierungen ● ● Wärmerisse ● ● ● ● Härterisse ● Schleifrisse ● Tabelle 7.31: Schadensursachen an Wälzlagern - bei Herstellung 587 7.10 Wälzlager Schadensbild (Root Cause) Betriebsbedingungen Schmierung Schadensbild Überhöhte Drehzahl Überlastung Zu häufige Lastwechsel Schwingung Mangel Überfluss Falsche Viskosität unzureichende Qualität Verunreinigung Erhöhter Verschleiß ● ● ● ● ● ● ● ● Laufspuren ● Riefen ● ● Fresser, Aufschmierungen ● ● ● ● ● ● ● Schürfmarken, Schleudermarken ● ● ● ● ● ● Riffeln Rattermarken ● Heißläufer ● ● ● ● ● Abblätterungen ● ● ● ● ● ● ● ● Schälungen ● ● ● ● ● ● ● Allgemeine Korrosion (Rost) ● ● Reibrost ● Stromdurchgang Durchrisse ● ● Käfigbrüche ● ● ● ● ● Ausbrüche Verformungen ● ● Eindrückungen ● ● Bruchstellen ● ● Markierungen Wärmerisse ● ● ● ● Härterisse Schleifrisse Tabelle 7.32: Schadensursachen an Wälzlagern - in der Anwendung 588 7 Anlagenkenntnisse Herstellung Montage Betrieb Werkstoff Formgenauigkeit Toleranzfelder Oberflächengüte Radiale Lagerluft … Zwänge Passung Schiefstellung Abweichung von Spieltoleranzen … Schmierstoffversorgung Maschinenschwingung Belastung statisch/ dynamisch Betriebsparameter Betriebsspiel … Lebensdauer des Wälzlagers Bild 7.41: Lebensdauerreduzierende Einflüsse bei Wälzlagern 7.10.2 Fehlerbilder an Wälzlagern Ein schematischer Überblick über lebensdauerreduzierende Einflüsse bei Wälzlagerungen ist zunächst in Bild 7.41 dargestellt. Hier wird bereits zwischen Herstellung, Montage und Betrieb differenziert. Zu ergänzen sind Fehler, die durch nicht einschlägig sachkundiges Personal entstanden sind oder Fehler angefangen von der Lagerhaltung (Aufbewahrung) bis hin zum Transport der gesamten Maschine. Aber auch Korrosionsschäden durch unsachgemäße Aufbewahrung, Einflüsse von Feuchtigkeit oder aggressiver Atmosphäre oder das Nichtbeachten der Konservie‐ rungsvorschriften reduzieren die Lebensdauer der Wälzlager. Ein zu hartes Aufsetzen von Maschinen beim Verladen der Maschine oder Schwingungen oder Stöße während des Transports können ebenfalls Oberflächen von Wälzlagerungen schädigen, sie führen zu sogenannten Stillstandsmarken, was die Lebensdauer stark reduziert. Beim Transport ist deshalb zu beachten, dass entsprechende Transportsicherungen verwendet werden. Sorgfalt ist bei der Montage erforderlich. So sind Hammerschläge und andere Stoßeinrichtun‐ gen eine häufige Quelle von Frühschädigungen. Besser ist es bei Passsitzen, die Lager vor der Montage durch Erwärmen gezielt zu dehnen oder mit passenden Vorrichtungen zu montieren. Das Prinzip schonender Erwärmung kleiner Wälzlager zeigt Bild 7.42. 589 7.10 Wälzlager Bild 7.42: Schonendes Erwärmen und Aufschrumpfen von Wälzlagern Auch nachträgliche Elektroschweißarbeiten haben in manchen Anwendungen dazu geführt, dass es zu vorzeitigen Ausfällen an Wälzlagerungen und auch von kompletten Großgetrieben gekommen ist. Zu ergänzen sind noch die erst neuerdings bekannten WEC Versprödungen (White Etching Cracks) in Wälzlagerungen. Bei diesem Fehlerbild treten längere, weiße Risse in der Mikrostruktur des Stahls auf, die sich erst durch Feinschliff und gezielte Anätzung nachweisen lassen. Als Verursacher wird in das Stahlgefüge eindiffundierender Wasserstoff vermutet. Ob Wasserstoff durch Überbelastungen beim Rollkontakt freigesetzt wurde, ob er sich aus dem Schmierstoff herausgelöst hat oder ob ungewollt in die Lager eindringende elektrische Ströme eine Wasser‐ stoff-Freisetzung begünstigt haben, ist jedoch noch nicht geklärt und Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben. 7.11 Gleitlager Gleitlager bestehen aus relativ dünnen Lagerschalen. Sie lassen sich wirtschaftlich fertigen, in Halbschalen teilen und vor Ort maßlich endbearbeiten, was Montagen im Vergleich zu wälzgelagerten Maschinen wesentlich vereinfacht. Nachteilig ist bei Gleitlagern das höhere Lagerspiel (etwa 0,1 bis 0,2 % des Lagerdurchmessers). Mehraufwand entsteht bei flüssigkeitsgeschmierten Gleitlagern durch die notwendige Ölver‐ sorgung mit relativ hohen Ölmengen. Dies hat jedoch den Vorteil, dass der sich ausbildende sehr trag- und dämpfungsfähige Ölfilm zwischen Welle und Lagerschale es erlaubt, Gleitlager sowohl bei hohen und auch stoßartigen Belastungen als auch bei sehr hohen Drehzahlen und Relativgeschwindigkeiten einzusetzen. Durch die Trennung der Gleitpartner über das Schmieröl haben Gleitlager zumindest theo‐ retisch eine unendlich lange Lebensdauer. Da jedoch betriebsbedingt Mischreibungsphasen nicht zu vermeiden sind, entsteht ein gewisser Lagerverschleiß. Schmierölmangel, korrosive Einflüsse, durchlaufende Schmutzpartikel und Schwingungen können die Lebensdauer zusätzlich begrenzen. 590 7 Anlagenkenntnisse (7.9) Vom Funktionsprinzip her gibt es verschiedene Varianten: ● Hydrodynamische Gleitlager ● Hydrostatische Gleitlager ● Gleitlager mit Dünnfilmschmierung ● Trockengleitlager Von Bedeutung in der industriellen Anwendung sind die ersten beiden Varianten, vor allem jedoch das hydrodynamische Gleitlager, weswegen die Ausführungen auf diesen Typ fokussiert sind. Beim Trockengleitlager besteht die Lauffläche der Schale aus einem Material mit sehr gu‐ ten Gleiteigenschaften, bei der Dünnfilmschmierung wird mit Fett oder anderen Feststoffen geschmiert, die zeitweise über eine Fettpresse ergänzt oder erneuert werden („abschmieren“). Hydrostatische Gleitlager laufen auf einem über eine externe Pumpe erzeugten Flüssigkeits‐ druck-Film. Sie werden zum Beispiel bei Rundtischen von Werkzeugmaschinen verwendet und haben im Vergleich zu wälzgelagerten Rundtischen nur 10 % der üblichen Lauffehler, weniger Formfehler, mehr Dämpfung und sind thermisch besonders stabil. Beim hydrodynamischen Gleitlager schwimmt die Welle auf einem durch die Relativbewegung erzeugten Schmierölkeil auf, der immer wieder neu durch die Wellendrehung in den Schmierspalt gefördert und mitgeschleppt wird, sodass der hydrodynamische Druck aufrecht bleibt (siehe Bild 7.43). Bild 7.43: Druckaufbau beim Gleitlager Wesentliche Einflussgrößen für den hydrodynamischen Druckaufbau sind der Durchmesser und die Breite des Lagers, die Belastung, das Lagerspiel, die Viskosität und die Gleitgeschwindigkeit zwischen Welle und Lagerschale. Aus diesen Größen bestimmt sich die dimensionslose Sommer‐ feldzahl S 0 . S 0 = pmψ 2 ηω Darin bedeuten p m die auf die projizierte Lagerfläche bezogene Lagerlast, ψ das relative Lagerspiel, η die dynamische Viskosität und ω die Winkelgeschwindigkeit der Welle. Bei S 0 < 1 handelt es sich um Traglager, bei S 0 > 1 um Führungslager. Weitere Einflussgrößen auf den hydrodynamischen Druckaufbau sind die reibungsbedingten Temperaturerhöhungen im Lager, druckbedingte elastische Deformationen und eventuelle Kavi‐ 591 7.11 Gleitlager (7.10) tationserscheinungen. Die in Bild 7.44 gezeigte Stribeck-Kurve veranschaulicht das grundsätzliche Reibungsverhalten in Gleitlagerungen. Bild 7.44: Stribeck-Kurve Eine dimensionslose Darstellung ist über den Lagerkennwert (Lagermodulus) C möglich: C = ηn p Darin bedeuten η die dynamische Viskosität, n die Drehzahl und p den Lagerdruck. Die Betriebsdrehzahl sollte mindestens das Dreifache des Wertes für minimale Reibung betra‐ gen, um Mischreibung und damit verbunden Erwärmung und erhöhten Verschleiß zu vermeiden. Bei stark überhöhten Drehzahlen würde die Strömung turbulent werden, was zu vermeiden ist, da der Schmierfilm seine Tragfähigkeit verliert. Die Kunst der Auslegung von hydrodynamischen Radialgleitlagern besteht darin, dass die resultierende Wellenexzentrizität innerhalb der Lagerschale weder zu groß und noch zu gering wird. Bei zu großer Exzentrizität wird die kleinstzulässige Schmierspalthöhe unterschritten, das Lager gerät in den Bereich der Mischreibung und verschleißt sehr schnell. Wird die Exzentrizität zu klein, kann es zu Instabilitäten der Wellenlage bis hin zum Öl-Whip oder zu hohen Reibungsverlusten des Lagers während des Betriebes kommen. Dann sollte die Viskosität geändert werden, die Lagertragflächen verringert oder auf andere Gleitlagerbauarten zurückgegriffen werden, siehe Bild 7.45. 592 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.45: Bauformen von Gleitlagern Weitere Bauformen betreffen die Lagerschalen, siehe Bild 7.46. Im kreiszylindrischen Lager links im Bild ist die Welle über 360° von einer kreiszylindrischen Hülse umgeben, der Zwischenraum ist voll mit Schmiermittel ausgefüllt. In der Segmentlagerung wird die Welle über ein Kreiszylin‐ dersegment unterstützt. Der Krümmungsradius des Segments ist größer als der Wellenradius. Beim eingepassten Segmentlager sind beide Radien gleich. Bild 7.46: Gleitlagerschalen 593 7.11 Gleitlager Bild 7.47: Verzahnungsarten 7.12 Verzahnungen Das Zahnrad ist als Maschinenelement ein Rad mit über den Umfang gleichmäßig verteilten Zähnen. Mehrere Zahnräder bilden eine Zahn‐ radstufe, die zur Übertragung zwischen zwei Drehbewegungen oder zwischen einer Drehbewegung und einer linearen Bewegung einge‐ setzt (Zahnstange) wird. Verzahnungen sind komplexe Maschinenelemente und bilden eine formschlüssige Paarung, um Drehzahlen und die Drehrichtung von einer Achse zu einer anderen Achse zwangläufig und schlupffrei zu ändern und Drehmomente zu übertragen. Je nach Art des Mit‐ einander-Kämmens unterscheidet man bei Zahnradstufen zwischen verschiedenen Bauarten nach Tabelle 7.33 und Bild 7.47. Sind die Zahnräder kreisrund, müssen nach dem allgemeinen Ver‐ zahnungsgesetz die miteinander in Eingriff stehenden Zahnflanken eines Räderpaares so gestaltet und fehlerfrei gefertigt werden, dass stets eine gleichmäßige Drehbewegung übertragen und ein konstantes Übersetzungsverhältnis gewährleistet wird. Das erste Verzahnungsge‐ setz beschreibt, wie die Zähne zweier kämmender Zahnräder geformt sein müssen, damit eine optimale Wirkung erzielt wird. Nach dem zweiten Verzahnungsgesetz darf der Formschluss während der Be‐ wegung nie verloren gehen, d. h., dass bei Verlassen des Eingriffs der nachfolgende Zahn bereits im Eingriff sein soll. Die Anzahl der gleichzeitig im Eingriff stehenden Zähne wird als Überdeckungsgrad bezeichnet. Je größer dieser ist, desto ruhiger und schwingungsfreier läuft die betrachtete Verzahnungsstufe. Getriebebauart Verzahnungsart Elliptische Wälzgetriebe Zylindrische Wälzgetriebe Stirnradverzahnung Kegelige Wälzgetriebe Kegelradverzahnung Zylindrische Schraubgetriebe Schneckenverzahnung Kegelige Schraubgetriebe Hypoidverzahnung Tabelle 7.33: Einige Verzahnungsarten 594 7 Anlagenkenntnisse (7.11) (7.12) Verzahnungsart Synonym Anmerkung Zykloidenverzahnung Kreisbogenverzahnung Epizykloide, Hyperzykloide Triebstockverzahnung Zapfenzahnrad, Zapfenzahnstange Evolventenverzahnung Geradverzahnung Schrägverzahnung Außengetriebe, Innengetriebe einfachschräg, doppelschräg Wildhaber-Novikov- Verzahnung Schrägverzahnung mit Profilüberdeckung = 0 Kreisbogenverzahnung Oktoidenverzahnung Kegelradverzahnung geradverzahnt schrägverzahnt bogenverzahnt Kreisbogen Evolventenbogen zykloidenverzahnt Schraubenradverzahnung Stirnrad-Schraubgetriebe Kegliges Schraubgetriebe Hypoid-Getriebe Schneckenradverzahnung Zylinder-Schneckengetriebe Globoid-Schneckengetriebe Galaxieverzahnung Logarithmische Spirale Kettenantrieb Rollenketten, Hülsenketten, Rundstahlketten Turas-Polygoneffekt Zahnriemen Synchronriemen Tabelle 7.34: Verzahnungen - Profilformen 7.12.1 Geometrische Größen Das Übersetzungsverhältnis i für zwei kämmende Zahnräder ist gegeben durch das Verhältnis der Zähnezahlen z und ist gleich dem Verhältnis der Teilkreisdurchmesser d: i = z2 z1 = d2 d1 Als Modul m wird das Verhältnis zwischen Teilkreisdurchmesser d und Zähnezahl z bezeichnet: m = dz Anmerkung: Hier werden lediglich geometrische Größen angeführt, die für eine Schwin‐ gungsanalyse von Bedeutung sind. Die konstruktiven geometrischen Größen sind deutlich umfangreicher. 7.12.2 Zahnformen Bei Verzahnungen werden mehrere Zahnformen unterschiedlicher geometrischer Gestalt ver‐ wendet. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Profilformen nach Tabelle 7.34. 595 7.12 Verzahnungen Die Form der Zähne ist bei Beachtung der Verzahnungsgesetze prinzipiell beliebig. Am häufigsten werden Evolventenverzahnung und Zykloidenverzahnung eingesetzt. Im Folgenden wird eine Kurzbeschreibung der verschiedenen Verzahnungsarten gegeben. 7.12.2.1 Zykloidenverzahnung Diese Verzahnungsart wird vorwiegend in der Robotik bei hohen Untersetzungen eingesetzt, wenn geringes Spiel, wenig Spielzunahme, hohe Überlastsicherheit und eine hohe Positionierge‐ nauigkeit erforderlich ist. Die Kraftübertragung erfolgt über Bolzen und Rollen. Ein Sonderfall ist die Triebstockverzahnung bei großen und langsam laufenden Drehkränzen oder bei Zahnstangen, die besonders einfach herzustellen ist. Anmerkung: Den Autoren ist ein Fall bekannt, wo die Triebstockzahneingriffsfrequenz von einer Mühlenstufe so dominant aufgetreten ist, dass auf Evolventenverzahnung umgebaut werden musste. 7.12.2.2 Evolventenverzahnung Die Evolventenverzahnung ist industriell die am meisten verbreitete Profilform bei Verzahnun‐ gen. Mit gleichem Verzahnungswerkzeug lassen sich fertigungstechnisch Radpaare mit unter‐ schiedlichsten Zähnezahlen verzahnen und Achsabstände von Zahnradstufen sich in gewissen Grenzen mit Hilfe der Profilverschiebung verändern. Es ist die industriell bedeutsamste Verzahnungsart, sie eignet sich sowohl für den Antrieb vom Schnellen ins Langsame wie auch umgekehrt vom Langsamen ins Schnelle. Eine Umkehrung der Drehrichtung ist möglich. Die Herstellung der Zahnräder ist relativ einfach und kostengünstig. 7.12.2.3 Wildhaber-Novikov-Verzahnung Die Wildhaber-Novikov-Verzahnung ist eine Kreisbogenverzahnung. Sie erlaubt es, höhere Lasten mit relativ kleinen Zähnen zu übertragen. Da sie empfindlich gegenüber Achsabstandsverände‐ rungen und fertigungstechnisch aufwändig ist, wird diese Verzahnung im industriellen Bereich nur selten verwendet. 7.12.2.4 Kegelrad- und Schneckenradverzahnung Kegelradverzahnungen sind bei sich schneidenden Wellen und Schneckenradverzahnungen bei sich einander kreuzenden Wellen notwendig. Beide Verzahnungsarten haben jedoch nur begrenzte Tragfähigkeiten, aber auch diverse zahngeometrische Ausführungsarten. Schneckenradverzahnungen dienen zur Erzeugung von sehr hohen Übersetzungsverhältnis‐ sen. Die Verzahnung der Schnecke ähnelt einem Gewinde, eine Windung entspricht dabei einem Zahn. Die Schnecke entspricht einem Stirnrad mit einer geringen Zähnezahl. Mit Kegelradverzahnungen lassen sich höhere Lasten übertragen. Kegelräder können geradver‐ zahnt, schrägverzahnt, spiralverzahnt, evolventenverzahnt oder kreisbogenverzahnt sein. Zwei Zahnverläufe für Kegelräder sind in Bild 7.48 veranschaulicht. 596 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.48: Zahnverläufe an Oktoidenverzahnungen (Kegelräder) 7.12.2.5 Schraubverzahnung Bei Schraubgetrieben liegen die Achsen der Zahnräder weder parallel zueinander, noch schneiden sie sich. Sie können ausgelegt werden als ● Schraubradgetriebe mit einer Paarung zweier schräg verzahnter Stirnräder, ● Schneckengetriebe oder ● Hypoidgetriebe mit der Paarung von zwei Schraubkegelrädern. 7.12.2.6 Galaxieverzahnung Diese völlig neuartige Verzahnung ermöglicht durch ein oszillierendes Gleiten über einen Flä‐ chenkontakt mehr Momentübertragung und ist als logarithmische Spirale ausgelegt. Die Drehmo‐ mentübertragung erfolgt über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes Antriebspolygon mit Nadellagerung herum gruppiert sind und radial gleitend entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Damit entsteht eine völlig spielfreie Kinematik mit höchster Steifigkeit auch beim Nulldurchgang, die zu neuen Anwendungen in der Robotik, bei Werkzeugmaschinen und bei Walzanlagen führt. 7.12.2.7 Kettentriebe Hier greifen Kettenglieder in die Zähne eines Zahnrads ein. Bekanntestes Beispiel ist die Fahrradkette. Verwendet werden vorwiegend genormte Rollenketten. Ein anderes Beispiel sind Antriebe von Kettenfahrzeugen. Hier können jedoch durch den sogenannten Turaseffekt zusätzliche Schwingbeanspruchungen entstehen. 7.12.2.8 Zahnriementriebe Zahnriemen oder Synchronriemen sind Treibriemen mit Zahnung, die formschlüssig in gezahnten Riemenscheiben laufen. An der Innenseite eines Zahnriemens sind Zähne, vorwiegend mit Trapezquerschnitt aus einem Elastomer aufgebracht. Zahnriementriebe vereinen die Eigenschaften von Kette und Flachriemen. Zahnriemen werden zum Beispiel zum Nockenwellenantrieb in Verbrennungsmotoren eingesetzt. 7.12.2.9 Spindeltriebe Eine Ausführungsart von Spindeltrieben sind Kugelgewindetriebe. Sie bestehen aus Spindel/ Mut‐ ter-Systemen mit Kugelführungselement und den Kugeln als Wälzelemente. Die Kräfte zwischen der Laufbahn der Mutter und dem Gewinde der Welle müssen über die Kugeln übertragen werden, weshalb hohe Steifigkeiten und Präzision erforderlich sind. 597 7.12 Verzahnungen Verzahnungsart Anordnung Vorteile Geradverzahnung parallel zu Drehachse Schrägverzahnung schräg zur Drehachse hohe Laufruhe Pfeilverzahnung pfeilförmig geringe Axialkräfte Doppelschrägverzahnung doppelschräg zur Drehachse hohe Laufruhe keine Axialkräfte Tabelle 7.35: Verzahnungsarten und einige Vorteile Bei Rundlauffehlern in der Spindel, Gewindeabweichungen oder Formfehlern wie Oberflä‐ chenwelligkeiten oder zu hohen Rauigkeiten in den Laufbahnen entstehen Zwänge und Zusatz‐ schwingungen, die sich am besten durch Frequenzanalysen vom Drehmoment nachweisen lassen. Beim Bremsen von Spindelgetrieben sind im Gleitreibungskontakt Stick-Slip-Schwingungen, Ratterschwingungen oder Flatterschwingungen besondere Schwingungserscheinungen. 7.12.3 Zahnpaarungen Zahnpaarungen bestehen in der Regel aus Ritzel und Rad. Die übertragbaren Zahnlasten und übertragbaren Drehmomente lassen sich bei Zahnpaarungen je Zahnradstufe signifikant erhöhen, indem die Flankenlinien, die Zahnbreite oder die Anzahl der im Eingriff befindlichen Zähne erhöht werden. In Abhängigkeit von der Richtung der Flankenlinie unterscheidet man bei Stirnradstufen verschiedene Konstruktionsarten wie in Tabelle 7.35 zusammengestellt. Bei einer schrägverzahnten Zahnradstufe ist die Anordnung der Zähne nicht parallel zur Drehachse und damit die Flankenlinie länger. Dies erhöht die Tragfähigkeit und mindert je nach ausgeführten Schrägungswinkel die Schwingungsanregung und Schallabstrahlung. Nachteil ist jedoch das Auftreten einer axialen Kraftkomponente, die zu erhöhter Lagerbelastung führt. Vermieden wird dieser Nachteil durch Pfeilverzahnungen oder durch Doppelschrägverzahnun‐ gen, die allerdings hinsichtlich Fertigung und Montage aufwändiger sind. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei doppelschrägverzahnten Stirnradstufen Verzahnungstragbilder und die resultierenden Verzahnungsschwingungen sehr lastabhängig sein können, siehe Bild 7.49. 598 7 Anlagenkenntnisse Bild 7.49: Lastabhängige Tragbilder in Doppelschrägverzahnungen Breitere Verzahnungen sind erforderlich, um höhere Drehmomente übertragen zu können. Mit zunehmender Zahnbreite machen sich auf das Tragbildverhalten weitere geometrische Einflüsse signifikant bemerkbar, die in Bild 7.50 zusammengefasst sind. 599 7.12 Verzahnungen Bild 7.50: Weitere Einflussgrößen auf das Tragverhalten von Verzahnungen Es ist auch Aufgabe der Schwingungsanalyse, solche Beeinflussungen zu kennen und bei der Messdurchführung zu berücksichtigen wie im nächsten Abschnitt ausgeführt wird. 7.12.4 Zahneingriffsschwingungen Das Auftreten der Zahneingriffsfrequenz ist typisch für alle Arten von Verzahnungen, egal ob es sich um geradverzahnte, schrägverzahnte, doppelschrägverzahnte oder bogenverzahnte Zahnradstufen oder um Ketten-/ Synchronriemenantriebe handelt. Die Zahneingriffsfrequenz errechnet sich als Produkt der Drehfrequenz mit der Anzahl der Zähne. Schwingungstechnisch ist es bei Laufverzahnungen von Vorteil, wenn Primzahlräder zum Einsatz kommen. Getriebe mit exakt ganzzahligen Übersetzungen sollten aufgrund ihrer höheren periodischen Überrollungen vermieden werden. Die Amplituden der Zahneingriffskomponenten und deren Harmonische stellen ebenso wie die entsprechenden Drehfrequenzen wichtige Größen in der Schwingungsdiagnose an Verzahnungen dar. So äußern sich unterschiedlichste Herstellverfahren und erzielte Verzahnungsqualitäten drehzahlabhängig auch mit unterschiedlichen Schwingungsamplituden. Bild 7.51 veranschaulicht an einer spannungsoptischen Aufnahme die Entstehung von Zahneingriffskräften infolge von Belastung. Die in der lichtoptischen Spannungsanalyse gut erkenn‐ bare Hertzsche Pressung stellt neben der Biegespannung am Zahnfuß eine wichtige Dimensio‐ nierungsgröße bei Laufverzahnungen dar. 600 7 Anlagenkenntnisse Anmerkung: In der Spannungsoptik wird ein transparentes, zweidimensionales Modell mit monochromatischem, polarisiertem Licht durchleuchtet. Bei Belastung zeigen sich die mechanischen Spannungen als farbige Streifenmuster. Bild 7.51: Spannungsoptische Aufnahme Der erste Eingriffsstoß zwischen Ritzel und Rad zu Eingriffsbeginn ist zumeist akustisch dominant und der anschließende Wechsel der Gesamtverzahnungssteifigkeiten beim Durchwälzen der tra‐ genden Zahnpaare mit Stemmen und Gleiten regt Gehäuseschwingungen an. Es ist deshalb bei der Schwingungsbeurteilung von Zahneingriffen zu unterscheiden zwischen Maschinenschwingungen (gemessen in mm/ s) und Körperschall (gemessen in m/ s²). Dabei sind folgende Gesichtspunkte zu beachten: ● Bei normaltourigen Industriegetrieben sollten Schwinggeschwindigkeitsspektren bis etwa einschließlich der vierten Harmonischen der Zahneingriffsfrequenz untersucht werden. ● Bei hochtourig drehenden Zahnradgetrieben sind Beschleunigungen vorzuziehen. ● Soll das Tragen im Zahneingriff über die Zahnhöhe bewertet werden, eignen sich besonders gut Hüllkurvenspektren der Beschleunigung. ● Einzelzahnbetrachtungen sind über dynamische Zeitsignale und über Cepstren möglich. Weitere Informationen zur schwingungstechnischen Güte von Zahneingriffen kann man über Seitenbandanalysen ermitteln. Bei symmetrischem Aufbau lassen sich über frequenzselektive Schwingungsmessungen sogar Informationen zur Güte des Breitentragens der Verzahnung ableiten, siehe Bild 7.52. Voraussetzung zum Erkennen solcher Seitenbänder sind bei langsam drehenden Verzahnungsstufen lange Messzeiten und hochauflösende Frequenzanalysen. Welche Modifikationen im Breitentragen großmoduliger Mühlenverzahnungen zusätzlich noch entste‐ hen können, ist in Bild 7.53 zu sehen. Eindeutige Diagnosen sind hier nur über begleitende Tragbildkontrollen und über Zeitbereichsmittelung möglich. 601 7.12 Verzahnungen Bild 7.52: Tragbildtaumel - Entstehung, Tragbild, Spektrum Bild 7.53: Mögliche Tragbildabweichungen einer Verzahnungsstufe 602 7 Anlagenkenntnisse 7.13 Kupplungen und Riementriebe 7.13.1 Kupplungen Kupplungen dienen in der Antriebstechnik zur Verbindung von mindestens zwei koaxial an‐ geordneten rotierenden Bauteilen, um Drehbewegungen und Drehmomente permanent oder unterbrechend zu übertragen. Die Bauarten von Wellenkupplungen sind sehr vielfältig. Einen Überblick zeigt Bild 7.54. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen nichtschaltbaren und schaltbaren Kupplungen. Nach diesem Prinzip wird auch der vorliegende Abschnitt gegliedert. Bild 7.54: Bauarten von Wellenkupplungen 7.13.1.1 Nichtschaltbare Kupplungen Nichtschaltbare Kupplungen können grundsätzlich starr und nachgiebig sein. Kraftschlüssige und formschlüssige Kupplungen lassen sich weiter einteilen in drehstarre, drehelastische und hochelastische Kupplungen mit je nach Bauart unterschiedlichen Biegenachgiebigkeiten. Mehr Flexibilität und Nachgiebigkeit werden durch elastische Elemente oder Gelenke erreicht. So sind zahlreiche Beispiele bekannt, wo ungewöhnliche Schwingungserscheinungen bis hin zu vorzeitigen Schäden entstanden sind, weil zu billige Kupplungen verwendet wurden, die den Einsatzbedingungen nicht genügten. Starre Kupplungen sind zum Beispiel als Flanschkupplung preislich günstiger, dafür aber bie‐ gesteif. Sie erfüllen lediglich ihre Verbindungsfunktion, sind jedoch nicht in der Lage, eventuelle winklige, radiale oder axiale Verlagerungen auszugleichen. Dreh- und biegenachgiebige Kupplungen erfüllen diese Anforderungen. Sie sind auch torsional etwas nachgiebig und können Stöße, Schwingungen und gewisse Drehungleichförmigkeiten dämpfen. Als Beispiel zeigt Bild 7.55 eine oft industriell verwendete elastische Bolzenkupplung. Das Bild veranschaulicht auch die unter Belastung wirkenden Verformungen der Gummipuffer. Ein besonderer Vorteil dieser Kupplungsart ist, dass es auch Puffer mit unterschiedlichen Feder‐ 603 7.13 Kupplungen und Riementriebe Bild 7.56: Synchronlaufender Kardanantrieb Bild 7.55: Elastische Bolzenkupplung charakteristiken und Dämpfungsverhalten gibt, um anwendungsspezifisch Schwingungsminde‐ rung zu erreichen. Welche Materialien dann am wirkungsvollsten sind, lässt sich messtechnisch über Drehwinkelmessungen oder durch Drehmomentmessungen entscheiden. Drehstarre und biegenachgiebige Kupplungen verwendet man, wenn eine winkelsynchrone Drehbewegung, zum Beispiel bei drehzahlgeregelten Antrieben erforderlich ist, zusätzlich jedoch gewisse winklige, radiale und axiale Verlagerungen der zu verbindenden Wellen zuzulassen sind, weil sich diese unter Betrieb verändern. Zu dieser Kupplungsart gehören Membrankupplungen, Faltenbalgkupplungen, Zahnkupplungen und Gelenkwellen. Letztere erlauben sehr große Winkel- oder Radialverlagerungen. Sie benötigen jedoch einen Mindestbeugewinkel, damit die Gelenke nicht überbeansprucht werden. Man unterscheidet konstruktiv zwischen (teuren) Gleichlaufgelenkwellen und (günstigeren) Nichtgleichlaufgelenkwellen. Letztere bestehen aus einer Welle mit je einem Kreuz- oder Kardangelenk an den Enden. Da Kreuzgelenke bei Auslenkung der Welle eine gleichförmige Drehbewegung in eine ungleichförmige Drehbewegung umwandeln, sind mindestens zwei Kreuzgelenke zu verwenden. Die Gleichförmigkeit ist auf der anzutreibenden Seite gewährleistet, wenn die Differenz der beiden Beugewinkel kleiner 0,25 Grad bleibt (siehe Bild 7.56). Doppelzahnkupplungen bestehen in der Regel aus zwei außen verzahnten Naben, die auf den miteinander zu kuppelnden Maschi‐ nenkomponenten montiert sind. Eine Kupp‐ lungshülse mit gleicher Innenverzahnung umschließt die beiden Naben. Die Nabenver‐ zahnungen sollten ballig ausgeführt sein, da‐ mit sich Nabe und Hülse gegeneinander wink‐ lig besser verlagern können. Doppelzahnkupplungen können einen ge‐ wissen Versatz und Schiefstellungen ausglei‐ chen, jedoch ist dokumentiertes laseropti‐ sches Ausrichten grundsätzlich zu empfehlen. Bei Doppelzahnkupplungen ist ein kleiner Radialversatz erforderlich, um eine ordnungsgemäße Schmierung beider Kuppelverzahnungen zu ermöglichen. Zahnkupplungen sind in der Lage, große Drehmomente bei kleinem Bauraum zu übertragen. Bei flankenzentrierten Zahnkupplungen ist des Weiteren zu beachten, dass Exzentrizitäten und damit drehmomentabhängige Unwuchten entstehen können. Bei hohen Drehzahlen werden anstatt flankenzentrierter Kupplungshülsen auch kopf- oder fußzentrierte Kupplungshülsen verwendet. 604 7 Anlagenkenntnisse Hinweis: Bei Zahnkupplungen wird keine Zahneingriffsfrequenz angeregt, da Kupplungs‐ verzahnungen nicht miteinander kämmen, sondern nur ineinander verkippen und ver‐ schränken. Membrankupplungen und insbesondere Doppelmembrankupplungen gelten als die besten bie‐ genachgiebigen Kupplungen. Es ist lediglich auf eine radial und axial korrekte Ausrichtung entsprechend der Herstellervorgaben zu achten. 7.13.1.2 Schaltbare Kupplungen Bei den schaltbaren Kupplungen unterscheidet man grundsätzlich zwischen fremdgeschaltete und selbstschaltende Kupplungen und nach der Art, wie die Verbindung hergestellt oder getrennt wird. Während formschlüssige (Klauen-)Kupplungen sich meist nur im Stillstand betätigen lassen und bei formschlüssigen Brechelementkupplungen eine Sollbruchstelle bei Überlastung bricht oder abgesichert wird, existieren bei kraftschlüssigen Schaltkupplungen eine Vielzahl von Ausführungsarten und von Betätigungsmechanismen. Der Kraftschluss oder die Krafttrennung kann zum Beispiel in Reibschlusskupplungen mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch mehr oder weniger schnell erfolgen. Schwingungstechnisch ist zu beachten, dass es spielbedingt dann zu plötzlichem Unwuchtmoment und Unwuchtschwingungen kommen kann. Bei Stirnzahnkupplungen greifen Zähne axial formschlüssig ineinander. Sie müssen mecha‐ nisch verriegelt werden, sodass diese Kupplung ebenso zu den kraftschlüssigen Schaltkupplungen gehört. Hydrodynamische Kupplungen nach dem Föttinger-Prinzip eignen sich auch als Schalt- und Sicherheitskupplung. Die hydrodynamische Kraftübertragung basiert auf dem Zusammenwirken einer Pumpe mit einer Turbine. Zwei zugehörige Schaufelräder bilden zusammen mit einer umschließenden Schale den Arbeitsraum, wo Schmieröl als Betriebsflüssigkeit umläuft. In der Regel dienen hydrodynamische Kupplungen bei drehzahlfesten Schwerlastantrieben als Anlauf-, Drehmomentbegrenzungs- und Drehschwingungsdämpfungskupplung. Hydrodynamische Regelkupplungen können zusätzlich auch als Stellkupplung wirken, indem durch Veränderung der Füllmenge zwischen Pumpen- und Turbinenrad eine Drehzahländerung herbeigeführt wird. Solch hydrodynamische Regelkupplungen sind bei der Maschinendiagnose besonders zu beachten. Unbedingt zu berücksichtigen ist auch der Sachverhalt, dass hydrodyna‐ mische Kupplungen lastabhängig einen permanenten Nennschlupf von bis zu 3 % haben. Erwähnt seien schließlich noch Wirbelstrom- und Magnetpulverkupplungen, die gelegentlich in industriellen Anlagen im Einsatz sind. Zu den selbstschaltenden Kupplungen gehören auch Freiläufe, die einschalten oder lösen, wenn Drehrichtungen abzugleichen oder zu entkoppeln sind. Eine moderne Hybridkupplung ist in Bild 7.57 zu sehen. Solche trennbaren Kupplungen werden bei vielen Hybridantrieben neben der elektrischen Maschine mit in den bestehenden Bauraum integriert, um alle Hybridfunktionen beim elektrischen Fahren zu ermöglichen. Hier ist die Kupp‐ lung in die elektrische Maschine integriert. Dabei übernehmen Bauteile der elektrischen Maschine zusätzlich Funktionen der Kupplung und umgekehrt zwecks Einhaltung von Bauraumvorgaben. 605 7.13 Kupplungen und Riementriebe Bild 7.57: Hybridkupplung (Quelle: © ZF Friedrichshafen AG) 7.13.2 Riemen- und Kettentriebe Wellen und Maschinenkomponenten lassen sich kostengünstig und konstruktiv einfach über Riemen miteinander kuppeln, um Kräfte und Drehmomente zu übertragen. Riemen werden meistens aus Gummi oder anderen Kunststoffen und hochfesten Fasern herge‐ stellt, was ihnen eine gewisse Elastizität gibt. Diese Fasern übertragen dann im Zugtrum die eigentlichen Zugkräfte. Antriebsriemen werden hinsichtlich ihrer Gestaltung in Flach-, Keil-, Rund- und Syn‐ chronriemen (Zahnriemen) unterschieden. Flach- und Keilriemen übertragen die Leis‐ tung kraftschlüssig. Keilriemen ermöglichen mehr Leistungsübertragung als Flachriemen, da durch das Einpressen des Riemens in die keilförmige Riemenscheibe mehr Reibung entsteht. Keilriemen werden ein- und mehr‐ rillig ausgeführt, die oft über einen gemein‐ samen Deckmantel miteinander verbunden sind. Je nach Riemenbreite im Verhältnis zur Querschnittshöhe unterscheidet man zwi‐ schen Normal-, Breit- und Schmalkeilriemen. Riemenschlupf ist bei kraftschlüssigen Rie‐ mentrieben eine unerwünschte Erscheinung, die entweder durch Überlastung oder durch unzu‐ reichende Riemenspannung entsteht. Zahnriemen übertragen Kräfte formschlüssig, die Drehbewegung bleibt winkelsynchron. Auf dem Zahnriemen befinden sich in regelmäßigen Abständen Zahnlücken, die in teilungsgleiche Riemenscheiben formschlüssig eingreifen. Hier tritt die Riemenzahneingriffsfrequenz mehr oder weniger stark in Erscheinung. Durch exaktes Ausrichten der Riemenscheiben und Einstellen der passenden Riemenvorspannung lassen sich Anregungen minimieren. Gegebenenfalls sind zusätzliche Andrückrollen oder Spannrollen erforderlich, um ein Anregen von Riemeneigenfre‐ quenzen zu vermeiden. Zahnketten dienen ebenso zur Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen gekup‐ pelten Maschinenkomponenten. Sie sind deutlich steifer, sodass der sogenannte Turas-Polygonef‐ fekt zu beträchtlichen Schwingungs- und Drehmomentschwankungen führen kann, was man bei der Schwingungsanalyse berücksichtigen sollte. Messungen mit Hilfe von Dehnungsmesstreifen an rotierenden Wellen oder direkt an der Kette bringen hier wertvolle Informationen. 606 7 Anlagenkenntnisse 8 Abnahmeprüfungen Organisatorische und rechtliche Anforderungen Abnahme ist eine Rechtshandlung, die in einer Entgegennahme einer Leistung durch den Kunden (Auftragnehmer, Betreiber) besteht. Der Abnahmevorgang geht jedoch über eine bloße substanzielle Entgegennahme eines Produkts hinaus. Andererseits ist der Käufer gesetzlich ver‐ pflichtet, ein vertragsmäßig hergestelltes Produkt innerhalb einer bestimmten Frist abzunehmen. Die Fristen können vertraglich vereinbart werden, wenn nicht, gelten die gesetzlichen Regeln. Dienstleistungen gelten ebenfalls als abnahmepflichtig, der Leistungsnachweis sollte schriftlich protokolliert und in einem Messbericht dokumentiert werden. Rechtlich ist zunächst zu unterscheiden, ob es sich bei dem Auftrag um einen Werkvertrag oder um einen Kaufvertrag handelt. ● Bei Werkverträgen schuldet der Lieferant dem Auftraggeber lediglich eine Leistung. Rein rechtlich zählt ein Entwicklungsauftrag oder ein Dienstleistungsauftrag zu den Werkverträgen. ● Lieferverträge sind dagegen Kaufverträge und der Lieferant oder Auftragnehmer schuldet dem Auftraggeber neben der Leistung auch den Erfolg. Der Erfolg kann dann über Abnah‐ meprüfungen nachgewiesen werden. Vertragliche und rechtliche Liefervereinbarungen sollten sowohl vertragliche Leistungen und Verpflichtungen fixieren als auch Folgen festlegen, wenn Leistungen und Verpflichtungen nicht erfüllt werden oder nicht erfüllt werden können. Damit kommt der detaillierten Spezifikation von Abnahmeprüfungen eine besondere wirtschaftliche Bedeutung zu. Abnahmeprüfungen sind aber auch wichtiger Bestandteil von Reliability-Programmen und sollten ab einem gewissen Auftrags- oder Investitionswert grundsätzlich stattfinden. Dazu ist es erforderlich, dass zwischen Betreiber und Hersteller schon vor Auftragsvergabe die Arten von Abnahmeprüfungen, deren Umfang, die Maschinenaufstellungen, die Abnahmekriterien und zu erreichende Ergebnisse quantitativ festgelegt sind. Qualifizierte Abnahmeprüfungen liegen jedoch auch im Interesse von Herstellern bzw. Liefe‐ ranten, da sie ihre Produkte nicht nur zu entwickeln, zu fertigen und zu liefern haben. Sie müssen auch vorzeitigen Ausfällen für eine bestimmte Nutzungsdauer vorbeugen, um nicht in eine unerwünschte Gewährleistung zu geraten. Vertraglich sind Begriffe, Begrifflichkeiten und Abkürzungen sorgfältig zu spezifizieren oder zu beschreiben und entsprechend zu verwenden. So sollten lieferantenseitig statt Garantien grundsätzlich nur Gewährleistungen vereinbart werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass gewohnte technische Begriffe juristisch oder versicherungstechnisch ganz andere Bedeutung und Folgen haben können. Lebensdauer kann zum Beispiel als statistischer Wert für eine begrenzte Beanspruchung oder als Mindestlebensdauer eines einzelnen Elements angegeben werden. Ausfallraten und die MTBF (Mean Time Between Failures) sollten auf eine angenommene und vertraglich vereinbarte Produktionsleistung bezogen sein. Hersteller werden bestrebt sein, Verschleißkomponenten hinsichtlich Gewährleistung aus vertraglichen Regelungen herauszuhalten. Meistens werden solche Komponenten in Verträgen oder in Bedienungsanleitungen benannt und zugleich als zusätzliche Ersatzteile angeboten. Ergänzend oder alternativ sollten periodische Wartungs- und Inspektionsmaßnahmen vertraglich festgelegt werden, wobei dann die Nichteinhaltung zu Leistungsminderungen im Falle vorzeitiger Ausfälle führt. Fremdeinwirkungen oder nicht bestimmungsgemäße Betriebsweisen sollten vom Hersteller vertraglich grundsätzlich ausgeschlossen werden. Empfohlen sei, dass Betreiber und Anwender gemeinsam über Abnahmekriterien, Risikoanaly‐ sen, FMEA und FMECA entscheiden, welche Ausfallfolgen entstehen könnten und inwieweit sich etwa Verschleiß frühzeitig über Schwingungsmessungen oder über andere Condition Monitoring Verfahren erkennen lässt. Damit können ein unnötiger Einkauf und eine aufwändige Bevorratung von Ersatzteilen oder Ersatzkomponenten vermieden werden. Ein Beispiel Wie weit solch vertragliche schwingungsbezogene Abnahmeprüfungen ins Detail gehen können, sei nachfolgend für ein zu optimierendes Rohrleitungssystem an einer Biogasanlage zitiert. a. Das Rohrleitungssystem der Biogasanlage muss im Arbeitsbereich 60 bis 95 % resonanzfrei bleiben. Treten Resonanzerscheinungen auf, besteht Nachbesserungspflicht. b. Für die Laststufen 65 %, 85 % und 95 % erfolgen schwingungsbasierte Abnahmemessungen. c. Bei stationärem Betrieb darf an keiner gasführenden Rohrleitung der Hubkolbenkompres‐ soren ein Schwingungswert von 19 mm/ s (bezogen auf ISO 10816-8) überschritten werden. d. Bezugnehmend auf VDI 3842 gilt für die anderen Rohrleitungen im Maschinenhaus die Grenzlinie „brauchbar“ (siehe dazu Bild 7.36 in Abschnitt 7.8.2). Diese Grenzlinie darf in den Laststufen laut Punkt b) nicht überschritten werden. e. Zusätzlich zu den vereinbarten Schwingungsabnahmepunkten sollte eine videobasierte Schwingungstechnik zur Abnahmeprüfung eingesetzt werden (Bild 8.1). Solche Einrichtun‐ gen wurden in Abschnitt 4.7.2 vorgestellt. Bild 8.1: Videobasierte Schwingungsabnahmeprüfung an Rohrleitungssystemen 608 8 Abnahmeprüfungen Unabhängig von solchen technisch sehr spezifischen Vereinbarungen existieren gesetzliche An‐ forderungen, die sich bei Gewährleistungsansprüchen rechtlich am Stand der Technik orientieren. Eine wesentliche und vor allem relevante Dokumentation dafür sind nationale und internationale Normen, da sie von einem breiten Fachpublikum erarbeitet wurden und in der Fachwelt allgemein bekannt sind. Eine Zusammenstellung einschlägiger Dokumente findet man in Abschnitt 10, der exklusiv diesem Thema gewidmet ist. Anmerkung: Auch in gerichtlichen Streitfällen wird die Urteilsbegründung meist am Stand der Technik orientiert, für welchen die Normung als relevant gilt. Für Schwingungen von rotierenden Maschinen ist die Normenreihe DIN ISO 20816 auch als Grundlage für die Festlegung von Abnahmekriterien ausgelegt. Die Zahlenwerte selbst sollten jedoch nicht zur alleinigen Abnahmespezifikation dienen, zumal vertragliche Abnahmeprüfungen auch mit einer entsprechenden Dauer und zu vereinbarenden Bedingungen zu definieren sind. Dazu folgende Zitate: Zitat aus DIN ISO 20816-1 Abschnitt 1, Anwendungsbereich: … Die allgemeinen Bewertungskriterien, die sowohl für die Größe der Schwingung als auch für eine Schwingungsänderung angegeben sind, gelten für die Betriebsüberwachung und für die Abnahmeprüfung. Und weiter Die Abnahmekriterien sollten zwischen dem Hersteller der Maschine und dem Betreiber vereinbart wer‐ den, wozu vorherige Verhandlungen nahegelegt werden. Die Bewertungszonen stellen eine Grundlage zur Festlegung von Abnahmekriterien dar, jedoch sind die den Zonengrenzen zugeordneten Zahlenwerte nicht dazu bestimmt, als Abnahmespezifikation zu dienen. Das Ausführen von Schwingungsmessungen und von Schwingungsabnahmen sind rechtlich gesehen reine Werkverträge. Bei entsprechender vertraglicher Gestaltung können sie trotzdem erfolgsorientiert sein (zum Beispiel über eine zu erreichende Schwing- oder Wuchtgüte). Zugleich lassen sich damit Istzustände erfassen, auf deren Grundlage sich bei anschließenden Vergleichs‐ messungen Verschleißerscheinungen frühzeitig erkennen lassen. Hier ist dann wieder der Bestel‐ ler gefordert, den Umfang und möglichst objektive Grenzwerte zu definieren und Prüfvorschriften so zu spezifizieren, dass sie seinen geplanten Anwendungs- und Einsatzbedingungen entsprechen. Es ist in jedem Fall zu empfehlen, dass bei den Abnahmeprüfungen auch Personen mit entsprechenden Kenntnissen über Schwingungsanalyse einzubeziehen sind. Der beste Nachweis dafür ist eine persönliche Zertifizierung nach DIN ISO 18436-2 mit der entsprechenden ID-Num‐ mer, die auszuweisen ist. Darüber hinaus sollten sich zertifizierte Personen grundsätzlich vor Beginn der Abnahmemessungen damit vertraut machen, welche vertraglichen Vereinbarungen im Kaufvertrag im Detail existieren, um auch den Anforderungen bei der Abnahmeprüfung gerecht zu werden. 609 8 Abnahmeprüfungen 8.1 Versuchsablauf 8.1.1 Organisation von Abnahmen Wie schon eingangs dieses Abschnitts ausgeführt, sollen Abnahmen sicherstellen, dass das Gesamtprodukt sowie betriebskritische Komponenten auftragsgemäß gefertigt und geliefert wurden und ihre Aufgaben erfüllen können. Die Abnahme kann für Einzelkomponenten sowohl beim Hersteller als auch beim Anwender erfolgen. Im ersten Fall spricht man von einer Werksabnahme, im zweiten von einer Prüfung am Aufstellungsort. In der Regel werden beide Prozeduren durchgeführt. Bei der Werkabnahme wird die Lieferung auf Vollständigkeit geprüft und es erfolgt nur ein eingeschränkter Funktionstest. Um schon hier zu gewissen belastbaren Ergebnissen zu kommen, sollten für Funktionstests Dauer und Testbedingungen (Schmierung, Temperatur, Last) vertraglich definiert werden. Anmerkung: Im Schiffsbau wird, vor allem bei Großprojekten, zusätzlich eine Abnahme an der Pier im Bereich der Werft durchgeführt, der sogenannte Harbour Acceptance Test (HAT). 8.1.2 Prüfkonzepte bei Antriebssystemen In der Antriebstechnik unterscheidet man bei Abnahmeprüfungen zwischen Prototypenprüfungen und Serienprüfungen. In beiden Varianten sind Abnahmemessungen erforderlich, jedoch mit unterschiedlichen Anforderungen und auch gewissen Kompromissen. Beide Varianten werden in den folgenden Ausführungen dieses Abschnitts an praktischen Beispielen vorgestellt und erläutert. Bei Abnahmeprüfungen von kleinen Antriebskomponenten erfolgt die Lastaufbringung meist durch Lastbremsen wie zum Beispiel über Wirbelstrom- oder Wasserwirbelbremsen. Bei Mul‐ timegawattantrieben existieren technische und kostenmäßige Begrenzungen bezüglich Lastauf‐ bringung und Energieeffizienz, weshalb hier Verspannprüfungen bevorzugt werden. 8.1.3 Prototypenprüfung Bild 8.2 zeigt den Aufbau eines Back-to-back-Verspannprüfaufbaus, auf welchem mehrsträn‐ gige Schaufelradbaggerhauptgetriebe über ein zusätzliches Hilfsgetriebe und eine hydraulische Verspannkupplung bis zu Volllast geprüft wurden. Vorteil dieser Anordnung ist, dass dem Verspannkreislauf lediglich die mechanische Verlustleistung hinzugefügt werden muss. Nachteil ist, dass jeweils eine Verzahnungsseite über die Rückwärtsflanken beansprucht wird, so dass für Tragbildprüfungen ein Drehrichtungswechsel bei der Abnahmeprüfung erforderlich ist. 610 8 Abnahmeprüfungen Bild 8.2: Prototypenprüfung eines Schaufelradbaggerhauptgetriebes 8.1.4 Serienprüfung Bild 8.3 zeigt einen Back-to-back-Verspannprüfstand für zwei Hauptgetriebe von Windenergiean‐ lagen während der Serienprüfung. Erfasst werden hier bei der Abnahmeprüfung bis Nennlast auch Frequenzspektren vom Geräusch und von den Gehäuseschwingungen. Ein ähnlicher Prüfstand wurde im Rahmen einer Prototypenerprobung aber auch benutzt, um mit doppelter Nennleistung zu fahren, um erwartete Grenzbeanspruchungen für die Getriebe früher zu erreichen. Solche Tests gelten jedoch mehr als Zuverlässigkeitstests und weniger als Nachweistests, da die Testbe‐ dingungen sich von der Anwendung stark unterscheiden. Bild 8.3: Serienprüfung in einem Verspannprüfstand von Hauptgetrieben für Windenergieanlagen (Quelle: Winergy-Flender GmbH) 611 8.1 Versuchsablauf 8.1.5 Abnahmemethodik Wie schon eingangs dieses Abschnitts ausgeführt, soll die Abnahme des kompletten Assets sicherstellen, dass eine Maschine oder Anlage auftragsgemäß gefertigt und geliefert wurde und seine Aufgaben erfüllen kann. Die Abnahme kann sowohl beim Hersteller wie auch beim Abnehmer erfolgen. 8.1.5.1 Abnahme am Aufstellungsort Für Abnahmen am Aufstellungsort ist sicherzustellen, dass bei Abnahme alle wesentlichen Bauteile der Maschine und der Aufstellung installiert sind. Vergleiche der Messwerte mit anderen Maschinen derselben Art sind möglich, aber nur dann aussagekräftig, wenn die dynamischen Eigenschaften zum Beispiel von der Fundamentierung gleich sind. Die besten Bedingungen für Abnahmeprüfungen liegen in der jeweiligen Anwendung selbst vor, zumal dann in einem Zug auch messtechnisch dokumentierte Langzeittests erfolgen können. Hier liegen dann auch potenzielle Einsatzbereiche für Online-Schwingungsüberwachung und Online Condition Monitoring Systeme. Bild 8.4 zeigt Vorbereitungen für solche Abnahmeprüfun‐ gen am Hauptantrieb eines mehrsträngigen Schaufelradantriebs eines Braunkohlebaggers. Bild 8.4: Abnahmeprüfung in der Anwendung an einem Braunkohlebagger 8.1.5.2 Abnahmen am Prüfstand oder im Technikum Vielfach werden Abnahmeprüfungen an einem Prüfstand oder im Technikum durchgeführt. Das hat den Vorteil, dass die Prüfungen und der Leistungsnachweis bereits beim Produkthersteller, also vor Auslieferung erfolgen können. Bei solchen Abnahmen ist jedoch zu beachten, dass die Aufstellungsbedingungen zu sehr von denen am Aufstellungsort abweichen können, was auch die Schwingungswerte stark beeinflussen kann. Das gilt besonders für die Impedanzen der Maschinenfundamente. Daher sollte man bestrebt sein, am Prüfstand möglichst identische Fundamenteigenschaften zu schaffen. Die Beeinflussung der Schwingungen kann besonders groß werden, wenn Eigenfrequenzen der kompletten Prüfanordnung nahe zu Drehfrequenzen und Harmonischen des Prüflings liegen. 612 8 Abnahmeprüfungen DIN ISO 20816-1 empfiehlt deshalb zu überprüfen, dass die Schwingungen am Grundrahmen und an den Maschinenfüßen (Statorfüßen) 50 % der Schwingwerte am zugehörigen Lager nicht übersteigen. Des Weiteren dürfen Haupt-Resonanzfrequenzen durch die Prüfanordnung keine wesentliche Veränderung erfahren. Sind diese Anforderungen nicht erfüllbar, muss laut Standard eine Abnahme am Aufstellungsort erfolgen. Für einige Maschinenklassen können Abnahmeprüfungen bei elastischer Aufstellung durchge‐ führt werden. IEC 60034-14 schreibt dafür vor, dass alle Starrkörper-Eigenfrequenzen der auf ihrer Aufstellung montierten Maschine kleiner als die Hälfte der tiefsten wesentlichen Eigenfrequenz der Maschine selbst sind. Erreicht wird dies bei kleinen elektrischen Maschinen, wenn der Prüfling auf einer elastisch gelagerten Grundplatte montiert oder die Maschine an einer weichen Feder aufgehängt wird. Weiterhin ist zu beachten, dass Störschwingungen aus der Umgebung den Prüfling nicht beein‐ flussen. Erlaubt sind bei Abnahmemessungen Beeinflussungen von maximal 1/ 3 der empfohlenen Schwingungsgrenzwerte. 8.2 Spezifikationen und Normen 8.2.1 Abnahmen an rotierende Maschinen Die Normenreihe DIN ISO 20816 nach Abschnitt 10.1.2 enthält Anleitungen zur Abnahme von Schwingungen von verschiedenen Arten rotierender Maschinen. Dies betrifft vor allem Aufstellung, Montage und Auswahl der Messpunkte. Die Abnahmewerte selbst sollten jedoch vorher vereinbart und auch Vertragsgegenstand sein. 8.2.2 Abnahmen an Werkzeugmaschinen In der Werkzeugmaschinenbranche wurden Abnahmebedingungen und Abnahmeprüfungen schon sehr frühzeitig spezifiziert und standardisiert, da es bei diesen Maschinen nicht nur auf Leistung, geometrische Maschinengenauigkeiten und geometrische Werkstückgenauigkeiten ankommt, sondern auch die Prozessfähigkeit der jeweiligen Werkzeugmaschine wichtig für die gesamte Produktionseffizienz ist. So werden Werkzeugmaschinen nicht nur wegen einzelner geometrischer Genauigkeiten gekauft, sondern um sie als zuverlässiges Element in eine Produk‐ tionskette zu integrieren. Es hat sich deshalb in der Werkzeugmaschinenbranche schon frühzeitig ein Normungswesen entwickelt, was in nationalen und internationalen Standards, Richtlinien und Werksvorschriften dokumentiert ist. Unterschieden wird bei den Abnahmeprüfungen zwischen folgenden Verfahren: ● Geometrische Prüfverfahren (Prüfen von Maßen, Formen, Lagen und Relativbewegungen, von denen die Arbeitsgenauigkeit der Maschine abhängt) ● Prüfverfahren mit Musterwerkstücken (Prüfen von Funktionalitäten der Maschine, Einzel‐ kriterien und von erreichten Werkstückqualitäten komplexer Prüfwerkstücke) ● Vorgehensweisen bei (statistischen) Maschinen- und Prozessfähigkeitsuntersuchungen, um Qualitätsanforderungen auch dauerhaft zu erfüllen Damit konnten schon recht frühzeitig auch schwingungstechnische Abnahmen von Werkzeug‐ maschinen nach einheitlichen, vom Markt akzeptierten Verfahren, Normen und Richtlinien er‐ folgen. Es können auch besondere zusätzliche Vereinbarungen zwischen Hersteller und Betreiber 613 8.2 Spezifikationen und Normen existieren, weshalb eine sorgfältige vorherige Vertragsprüfung grundsätzlich stattfinden sollte. Die Richtlinie GM-1761 ist ein solcher besonderer Schwingungsstandard, der messtechnisch und auch technisch sehr anspruchsvoll ist. Bild 8.5 zeigt beispielhaft Abnahmekriterien für zulässige Schwinggeschwindigkeiten an getriebelosen Spindeln im Drehzahlbereich 600 bis 12.000 U/ min. Einige Teile dieser GM-Richtlinie sind auch in der ISO/ TR 17243-Reihe veröffentlicht. Bild 8.5: Ausschnitt aus der Richtlinie GM 1761 für Werkzeugmaschinen 8.2.3 Fundament- und Gebäudeschwingungen Bestandteil einer Abnahme kann auch die Einhaltung von Grenzwerten nach VDI 2038-2 (VC-Linien A bis D) sein. Bild 8.6 zeigt ein Anforderungsschaubild für Gebäudeschwingungen, was gerne genutzt wird, wenn empfindliche Komponenten bis hin zu Computertomographen oder Elektronenmikroskope aufgestellt werden sollen. 614 8 Abnahmeprüfungen Bild 8.6: Grenzwerte für Gebäudeschwingungen 8.3 Berichterstattung Bei Abnahmeprüfungen sind grundsätzlich Abnahmeberichte zu erstellen, da mit Inhalten und Ergebnissen oft auch Leistungs- und Zahlungsverpflichtungen verbunden sind. Bei Dienstleis‐ tungen wird eine Berichterstattung empfohlen, damit durchgeführte Werksleistungen transparent und nachvollziehbar bleiben und für spätere Wiederholungen dokumentiert sind. Beim Betriebswuchten sollte eine ordentliche Berichterstattung zwingend vorgeschrieben werden, da es sich hier um eine Maßnahme handelt, die sicherheitsrelevant sein kann. Im Wuchtbericht ist neben den erzielten Wuchtgüten und den einzelnen Wuchtschritten auch der Vergleich zwischen den Amplitudenspektren vor und nach dem Wuchten zu dokumentieren. 8.4 Zusammenfassung Wie die Ausführungen dieses Abschnitts gezeigt haben, sind messtechnisch begleitete Abnahme‐ prüfungen eine wichtige Voraussetzung für ein erfolgreiches Condition Monitoring und erforder‐ lich für ein qualifiziertes Instandhaltungsmanagement. Die gilt nicht nur für Neuinstallationen, sondern auch nach größeren Instandhaltungsmaßnahmen. Besonders wichtig ist bei Abnahmeprüfungen eine sorgfältige Dokumentation, die es später ermöglicht, die Maßnahmen, falls erforderlich, vollständig nachzuvollziehen. Da, je nach Vertrag, Lieferungen und Dienstleistungen erfolgsorientiert sind, ist die Dokumentation für den Nachweis des Erfolgs unumgänglich. 615 8.3 Berichterstattung 49 Es sei gestattet, sich bisweilen auf die Ausdrücke Signalanalyse und Systemanalyse zu beschränken. 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Zur Prüfung und Diagnostik von Maschinen, Anlagen und anderen technischen Assets kommen zwei grundsätzlich unterschiedliche Strategien zum Einsatz, nämlich ● Schwingungs-Signalanalyse und ● Schwingungs-Systemanalyse 49 . Bei der Signalanalyse wird nur die Schwingung selbst, ohne Berücksichtigung ihrer Anregung und der Struktur betrachtet. Oder, anders gesagt, es wird die Reaktion eines Systems auf eine im Allgemeinen unbekannte Erregung durch Betriebskräfte erfasst. Die Systemanalyse befasst sich hingegen mit der Bestimmung der inhärenten dynamischen Systemeigenschaften, also der Empfindlichkeit der Struktur gegenüber dynamischen Krafteinwirkungen. Dazu wird das System mit definierten, im Idealfall messbaren Kräften angeregt und die Reaktion mit der Anregung in Beziehung gebracht, siehe Bild 9.1. Bild 9.1: Zusammenhang zwischen Kraft- und Schwingungsspektrum Die Signalanalyse untersucht also Parameter und Kenngrößen einer Schwingung, die System‐ analyse diejenigen einer Struktur. Tabelle 9.1 bringt einen einführenden Überblick über entspre‐ chende Prüfmethoden gefolgt von einer Reihe grundsätzlicher Erläuterungen. Anmerkung: In der Nomenklatur hat sich mittlerweile ein Mix aus Bezeichnungen erge‐ ben, vor allem durch teilweise deutsche und englische Begriffe. So wird oft für deutsche Begriffe synonym die englische Kurzform verwendet. Als Orientierungshilfe wurde daher die zusätzliche Spalte Abk. eingeführt, in der die vorwiegend gebräuchliche Kurzformen genannt sind. 50 Eine grundsätzliche Einführung zu diesem Thema wurde in Abschnitt 1.8 gegeben. Gruppe Methodik Methoden Abk. Signalanalyse (Schwingungsanalyse) Spektralanalyse (Frequenz/ Ordnungsanalyse) Kontinuierliche Spektralanalyse Kurzzeit-Frequenzanalyse STFT Zeit-Frequenz-Analyse TFA Zeitbereichsanalyse Zeit-Schwingformanalyse TWF Statistische Analyse Systemanalyse (industriell) Modalanalyse Experimentelle Modalanalyse EMA Rechnerische Modalanalyse (FEM) Operational Modal Analysis OMA Betriebsschwingformanalyse schmalbandig ODS BSA breitbandig (Zeitlupendarstellung) Systemanalyse (labortechnisch) Schwingbelastungsanalysen (geregelte Rütteltests) Tests mit rauschartigen Anregungen Tests mit schmalbandiger Sweep-Anregung Betriebssimulationstests Schocktests Resonanz- und Resonanzverweiltests Tabelle 9.1: Gängige Prüfmethoden für Signal- und Systemanalysen Grundsätzliches Während sich also die Signalanalyse mit der Beschreibung von Schwingungen beschäftigt, weit‐ gehend unabhängig vor der Quelle, befasst sich die Systemanalyse mit schwingungsrelevanten Ei‐ genschaften der Struktur, vor allem mit ihren Resonanzeigenschaften und Resonanzphänomenen. Schließlich hängen die meisten Geräusch- und Schwingungsprobleme mit Resonanzphänomenen zusammen. Schlägt man etwa eine Stimmgabel, eine Glocke oder eine andere Struktur mit einem Impuls, also breitbandig an, so reagiert sie mit einem bestimmten, ihr eigenen Klang (Bild 9.2). Dieser setzt sich aus den zahlreichen Eigenfrequenzen der Struktur zusammen. Zu jeder Eigenfrequenz gehört eine strukturtypische Schwingungsform, die Eigenmode oder auch Eigenform 50 . Die Eigenfrequenzen sind unabhängig von Stärke und Ort der Anregung. Die quantitative Zusammensetzung, also die Klangfarbe, ist allerdings abhängig vom Anregungsort. Schlägt man zum Beispiel im Knoten einer Eigenform an, so kann diese dadurch nicht angeregt werden, die zugehörige Eigenfrequenz tritt im Schwingungsbild bei diesem Versuch gar nicht auf. Eine Methode zur Bestimmung von Eigenformen und Eigenfrequenzen ist die Modalanalyse. Sie liefert die Basis für das tiefere Verständnis des dynamischen Strukturverhaltens. Die Modalanalyse kann sowohl experimentell wie auch rechnerisch ausgeführt werden. In beiden Fällen wird die 617 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 51 Die deutsche Bezeichnung ist in der Praxis nicht gebräuchlich. Bild 9.2: Anschlagversuch Struktur angeregt und die Reaktion auf diese Anregung ermittelt. Bei der Operational Modal Analysis (deutsch: Betriebsmodalanalyse 51 ) werden die Eigenformen mit Hilfe der Schwingungs‐ anregungen ermittelt, die vom Maschinenbetrieb stammen. Das Gegenstück zur Modalanalyse stellt in diesem Zusammenhang die Betriebsschwingform‐ analyse dar. Sie liefert eine Darstellung der realen Objektbewegung im Betrieb. Die Analyse erfolgt immer für eine bestimmte Frequenz und macht dadurch den Zusammenhang zwischen der realen Schwingung und den Eigenmoden der Struktur erkennbar (Welche Mode wird vorwiegend angeregt? ). Eigenschwingungen und Resonanzschwingungen Eine Eigenschwingung ist laut Definition eine freie Schwingung, bei der alle Teile eines ungedämpften Systems mit der gleichen Frequenz schwingen. Die freie Schwingung tritt als Ausschwingvorgang nach einer einmaligen Anregung zum Beispiel durch einen Schlag auf, das System ist in diesem Zustand frei (von äußeren Kräften). Erzwungene Schwingungen, unter anderem Betriebsschwingungen, können mechanisch, elektrisch, hydraulisch, aeroakustisch oder durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium angeregt werden. Wenn die Anregungsfrequenz mit einer Eigenschwingungsfrequenz überein‐ stimmt, kann das zu meistens unerwünschten oder sogar schädlichen Resonanzschwingungen führen. Das Schadenspotenzial ist in der Regel bei niederfrequent angeregten Eigenschwingungen höher. Bei den mechanischen Eigenschwingungen unterscheidet man zwischen strukturellen, trans‐ versalen, axialen und torsionalen Eigenschwingungen. Strukturelle Schwingungen beziehen sich auf Strukturen als Kontinuum, die anderen Arten beschränken sich auf einen bestimmten Freiheitsgrad der Bewegung. Eine Sonderform sind selbsterregte Schwingungen. Sie entstehen durch Wechselwirkung der elastischen Struktur mit einer externen Energiequelle, aus der die Schwingung gespeist wird. Als Beispiel sei hier nur das (kontinuierliche) Anstreichen einer Saite mit dem Geigenbogen genannt. 618 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 52 Diese Aussage trifft korrekt nur zu, solange die Schwingungsamplitude klein ist. Es entsteht eine angefachte Schwingung, die letztendlich in einem nichtlinearen Prozess mündet - die Begriffe Eigenfrequenz und Eigenmode sind dann nicht mehr korrekt. Solche Schwingungen treten ebenfalls in einer Eigenform mit der zugehörigen Eigenfrequenz auf 52 . Eine entsprechende Anregungskraft wie bei den erzwungenen Schwingungen ist hierbei nicht vorhanden. Zu jeder Eigenfrequenz einer Struktur gehört eine Eigenform, auch Eigenmode genannt. Darunter versteht man die Form, in welcher die Struktur im Resonanzzustand schwingt. Die Eigenform ist eine eindeutige Funktion, gekennzeichnet durch Knoten oder Knotenlinien und Orte maximaler Schwingung, oft als Bäuche bezeichnet. In Knoten ist ein Eigenmode nur schwer zu Resonanzschwingungen anzuregen, im Bauch hingegen leicht. Jede Schwingung der Struktur ist als Linearkombination von Eigenschwingungen beschreibbar. Das ist nicht nur eine mathematische Rechenmethode, es ist vielmehr eine grundlegende Eigenschaft von Strukturschwingungen (siehe das eingangs erwähnte Beispiel der klingenden Glocke). Bild 9.3: Biegeeigenformen einfacher Wellen beim Durchfahren kritischer Drehzahlen Zur Systemanalyse gehören auch das Betrachten und Bewerten von kritischen Drehzahlen rotierender Maschinen. Sie sind unter anderem durch die Biegeeigenfrequenzen der jeweiligen Welle charakterisiert. Man unterscheidet bei rotierenden Wellen zwischen V-, S- und W-Schlag, was der 1., 2. und 3. biegekritischen Drehzahl entspricht. In Bild 9.3 sind diese Eigenmoden veranschaulicht. Bevorzugte Bewertungsgrößen sind bei niederfrequenten Systemanalysen an rotierenden Komponenten die Wellenschwingungen in µm und die Schwinggeschwindigkeiten in mm/ s. Auch akustische, bewegungsbasierte und beanspruchungsbedingte Schwingungsmessgrößen eignen sich als Bewertungsgrößen der Systemdynamik. Bild 9.4 zeigt die Querbewegungen der Gondel einer WEA, gemessen im Sekundentakt, in Abhängigkeit von der Hauptwellendrehzahl über einen Zeitraum von zwei Monaten. Hier lassen sich strukturelle Eigenschwingungen deutlich erkennen. Bei einer Drehzahl von etwa 17,5 min -1 619 9 Anlagenprüfung und Diagnostik ist sogar eine Resonanzerhöhung bis auf etwa 0,7° Querbewegung festzustellen. Rechts im Bild die verwendete Messanordnung mit MEMS-basierten Beschleunigungssensoren in der Gondel der Windenergieanlage. Bild 9.4: Querschwingungen der Gondel einer WEA (Amplitudenskalierung in °) Eigenschwingungen sind ungefährlich, solange sie nicht oder nur wenig angeregt werden. Gefährlich kann es werden, wenn Eigenschwingungen ungedämpft angeregt werden oder wenn sogar mehrere Eigenfrequenzen im gleichen Frequenzbereich liegen und miteinander interferie‐ ren. Letzteres kann zu Schwebungen führen, die nur schwer zu beherrschen sind und zusätzlich als sehr unangenehm empfunden werden. In solchen Fällen hilft es bei rotierenden Maschinen oft nur, den entsprechenden Drehzahlbereich zu sperren oder durch gezielte Maßnahmen die Eigen‐ frequenzen zu verschieben. Oder es sind die Anregungen zum Beispiel durch Präzisionswuchten zu reduzieren. Übertragungsfunktion Übertragungsfunktionen werden im englischen als Frequency Response Function (FRF) bezeich‐ net. Sie stellen den Zusammenhang zwischen Erregung (Kraft) und Systemantwort (Schwingung) von schwingenden Strukturen dar und beschreiben damit das Übertragungsverhalten einer Struktur. Man unterscheidet bezogen auf die Mobilität zwischen ● Punktimpedanz - Anregung und Messung der Systemantwort erfolgen am gleichen Punkt sowie ● Transferimpedanz - Anregung und Messung der Systemantwort erfolgen an unterschiedli‐ chen Punkten. Je nach Schwingungsgröße definiert man bei mechanischen Systemen verschiedene Übertra‐ gungsfunktionen. Eine Zusammenstellung mit Begriffsdefinitionen wurde bereits in Abschnitt 1.10 gegeben (Tabelle 1.15). Für jede dieser Übertragungsfunktionen ist zwischen Punktübertra‐ gung und Strukturübertragung zu differenzieren. Im ersten Fall sind Einleitungspunkt und Messpunkt identisch (A → A), im anderen Fall nicht (A → B). Messtechnische Analysemethoden auf Grundlage von Übertragungsfunktionen haben den Vorteil, dass sich auch sehr komplexe Geometrien gezielt und aussagekräftig bezüglich Schwin‐ gungsausbreitung und Systemverhalten untersuchen lassen. Bei experimentellem Vorgehen ist die Struktur anzuregen (Kraft) und die Systemantwort (Schwingung) messtechnisch zu erfassen. 620 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Verfahren Abk. Aspekt Methodik Anschlagversuch Freie Schwingung Struktureigenschaft Impulshammerversuch Übertragungsfunktion Experimentelle Modalanalyse EMA Modale Strukturparameter Betriebsmodalanalyse (Operational Modal Analysis) OMA Eigenfrequenzen Eigenmoden Betriebsschwingungsform (Operational Deflection Shape) ODS Strukturbewegung Schwingungsphänomene (Bewegung) Tabelle 9.2: Experimentelle Verfahren Reziprozität Eine wichtige Eigenschaft linearer Strukturen ist das Reziprozitätsprinzip nach Maxwell: Die Übertragungsfunktion von Punkt A einer Struktur zu einem Punkt B (Anregungspunkt A → Messpunkt B) ist identisch mit der Übertragungsfunktion in umgekehrter Richtung (Anregungs‐ punkt B → Messpunkt A). Transmissibilität Die Transmissibilität vergleicht in ähnlicher Weise lediglich die Schwingungen an zwei Messpunkten A und B, ohne Bezug auf die Anregung. Damit kann auch die Schwingungsausbreitung innerhalb einer Struktur beschrieben werden. Methodik Bei Strukturanalysen wird die Struktur extern angeregt, die Schwingungsantwort gemessen und in Relation zur Anregung gebracht. Beim einfachen Anschlagversuch wird die eingeleitete Kraft nicht gemessen, weshalb die Schwingungsantwort nur einen Hinweis auf mögliche Eigen‐ frequenzen liefert. Bei anderen Verfahren (zum Beispiel mit Impulshammer oder Shaker) erfolgt eine quantifizierte Anregung der Struktur über eine erweiterte Messanordnung. Anregungskraft und angeregte Schwingung werden simultan erfasst. Als Ergebnis erhält man die vollständigen modalen Parameter. Es gibt jedoch auch Verfahren, bei denen dynamische Betriebskräfte als Anregung zugrunde gelegt werden. Beispiele dafür sind breitbandiges (möglichst weißes) Rauschen bei Windener‐ gieanlagen (Windkräfte) oder Gleitsinus bei Kraftfahrzeugen im Hochlauf. Die verschiedenen Methoden von experimentellen Strukturanalysen sind in Tabelle 9.2 zusammengefasst. Validierung In der Praxis können sich bei der Validierung deutliche Abweichungen zwischen rechnerischen messtechnischen Ergebnissen zeigen. Es kann dann schwierig werden, die einzelnen Moden zuzu‐ ordnen, da die Berechnung meist mit einer Reihe von Näherungen verbunden ist. Ein optimiertes Verfahren zur Zuordnung ist das Modal Assurance Criterion, kurz MAC. Dabei wird die Ähnlichkeit zwischen zwei Moden (einem berechneten und einem gemessenen) verglichen und mit einem numerischen Parameter zwischen 1 (= Identität) und 0 (= keine Übereinstimmung) bewertet. 621 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 53 Man spricht hier manchmal scherzhaft von Poor man’s modal analysis. 9.1 Anschlagversuch 9.1.1 Einfacher Anschlagtest Bei diesem Test wird die Struktur durch Anschlagen über ein einfaches Schlaginstrument (Hammer, Holzbalken) angeregt. Der Begriff einfach sagt aus, dass bei dieser Versuchstechnik die Anregungskraft nicht gemessen wird 53 . Messtechnisch erfasst und analysiert wird nur der Ausschwingvorgang der Struktur. Der Ausschwingvorgang ist eine freie Schwingung, also eine Überlagerung von Eigenschwin‐ gungen (Abschnitt 1.1.1.1). Da die stoßartige Anregung breitbandig über einen großen Fre‐ quenzbereich erfolgt, kann man davon ausgehen, dass über eine Frequenzanalyse auch alle Eigenfrequenzen in diesem Bereich erfasst werden. Es ist lediglich zu beachten, dass die Anregung nicht gerade in einem Knoten der Eigenmode erfolgt. Anmerkung: Die Lage von Knoten kann zum Beispiel an Stellen einer Einspannung oder Aufhängung liegen. Im Zweifelsfall sollten die Versuche mehrfach durchgeführt werden, wobei man die Anschlagstelle etwas variiert. Der erfasste Frequenzbereich hängt stark von Größe und Strukturimpedanz des Hammers ab. Ein weicher Gummihammer (oder ein Holzbalken) leitet mehr Energie bei tiefen Frequenzen in die Struktur, ein harter Hammer (oder eine Metallstange) auch bei hohen Frequenzen (Bild 9.5). Bild 9.5: Frequenzgänge verschiedener Hammerspitzen Gute Dienste kann auch ein Kantholz leisten (Bild 9.6). Auf jeden Fall ist darauf zu achten, eine Beschädigung der Struktur zu vermeiden (Oberflächenbeschädigung, Wälzlagerschäden)! Die Anregung muss durch Einzelimpulse erfolgen. Es ist über eine Reihe von Messungen zu mitteln, wobei auf gute Aussteuerung zu achten ist (keinesfalls darf Übersteuerung eintreten). Der Messbereich ist vor der Messung manuell einzustellen, Autoranging ist nicht geeignet. Die Analyse sollte am besten mittels Peak Hold-Methode durchgeführt werden, wie sie an Abschnitt 0.10.1.5 beschrieben ist. Bei einer manuellen Auswertung ist darauf zu achten, dass im Zeitfenster nur ein einzelner signifikanter Vorgang vollständig erfasst wurde und kein Prellen aufgetreten ist. Zeitfenster wie Hanning sind auszuschalten. 622 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Das Verfahren ist auch bei laufender Maschine anwendbar. Die Ergebnisse zeigen dann zwar zunächst eine Überlagerung der Pulsspektren mit den Betriebsschwingungsspektren. Nach Subtraktion der Nullmessung sollten letztere jedoch kompensiert sein und es zeigen sich nur die Eigenschwingungen der Struktur. Bild 9.6: Einfacher Anschlagtest mit einem Holzbalken Ein Anschlagtest ist jedoch kein Beweis für das tatsächliche Auftreten einer Eigenfrequenz, sondern nur ein deutlicher Hinweis. Bei sehr großen Strukturen nutzt man zur Systemanregung statt solcher Anschlagtests auch andere Anregungsarten. Nachfolgend werden einige Anregungsarten genannt, die von den Autoren auch selbst bei Signalanalysen genutzt wurden: ● Lasthebemagnete bei Kränen werden einfach stromlos geschaltet oder gespannte Seile mit einer Sollbruchstelle versehen. Die Struktur wird vorgespannt und die Sprungantwort nach Entlastung gemessen. ● Überlastkupplungen lösen aus oder Anlagen werden notausgeschaltet, das Ausschwingver‐ halten wird vermessen. ● Große Straßenbrücken werden durch Befahren der Brücke mit Schwerlastfahrzeugen im Konvoi erregt. ● Baumaschinen wie zum Beispiel Verdichter werden benutzt, um Gebäudeschwingungen anzuregen. ● Findlinge werden gezielt angebaggert und die schwingungstechnischen Reaktionen der Tagebaugroßgeräte aufgezeichnet und analysiert. ● Schiffsdieselantriebe werden bei Abnahmen kurzzeitig im Zündaussetzbetrieb gefahren, um das Drehschwingungsverhalten messtechnisch zu validieren. ● Schaltstöße werden bei polumschaltbaren Motoren für torsionale Systemanalysen genutzt. 623 9.1 Anschlagversuch 9.1.2 Anschlagtest mit Impulshammeranregung Impulsanregung ist auch durch Anschlagen mit einem sogenannten Impulshammer möglich. Solche Impulshämmer haben an ihrer Spitze (dem Kontaktpunkt beim Schlag) einen piezoelektrischen Kraftsensor, der extrem kurze Signale erfassen kann. Impulsmessungen können eingesetzt werden ● zur Messung von Übertragungsfunktionen, ● zur Erfassung von Phaseninformationen, ● zur Messung der Kohärenz oder ● zur Qualitätskontrolle (zum Beispiel von montierten Turbinenschaufeln). 9.1.2.1 Verfahrensprinzip Übertragungsfunktionen lassen sich ermitteln, wenn die jeweilige Struktur mit einem Impuls‐ hammer kurzzeitig angeregt und die kalibrierte Anregungskraft bei der anschließenden Analyse mit einbezogen wird. Das Vorgehen ist in Bild 9.7 veranschaulicht. Bild 9.7: Anschlagtest mittels Impulshammer 624 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Bild 9.8: Paul Dirac (Quelle: Nobel Foundation, Public domain, via Wikimedia Commons) Modalausrüstungen bieten üblicherweise eine Kollektion von Hämmern unterschiedlicher Größe (Masse) mit auswechselbaren Spitzen an. Die Größe des Hammers ist nach der erforderlichen Anregungsenergie zu wählen, die Spitze nach dem gewünschten Frequenzbereich. Man sollte die Wahl des Frequenzbereichs mit Größe und Spitzenhärte des Ham‐ mers abgleichen. Eine zu weiche Spitze zeigt einen starken Abfall mit der Frequenz, eine zu harte Spitze erregt auch hohe Frequenzen oberhalb des interessierenden Bereichs. Im Zweifelsfall sollte das Kraftspektrum des Schlages zusätzlich beurteilt werden. Über den Impulshammer wird ein kurzzeitiger Kraftstoß, ein soge‐ nannter Dirac-Impuls, in die Struktur eingeleitet. Theoretisch ist die Stoßdauer extrem kurz (gegen null), was einen Frequenzbereich gleich weißem Rauschen ergibt (0 bis ∞). In der Praxis sind jedoch nur Stöße endlicher Dauer ausführbar. Anmerkung: Weißes Rauschen ist aufgebaut aus der Überlagerung harmonischer Komponenten mit stochastischen Frequenzen im Bereich 0 bis ∞ und sto‐ chastischen Phasenlagen. Beim Dirac-Impuls liegen bei gleichem Frequenzbereich alle Komponenten im Zeitbereich konphas mit einem Maximum im Nullpunkt. Dadurch ergeben sich die unterschiedlichen (namensgebenden) Charakteristiken im Zeitbereich bzw. die unterschiedliche physiologische Wahrnehmung, die Leistungsspektren sind jedoch für beide Fälle identisch. 9.1.2.2 Messeinstellungen Bei einem zweikanaligen FFT-Analysator lassen sich simultan sowohl der Verlauf der vom Impulshammer eingeleiteten Kraft als auch die Schwingungsantwort des Systems erfassen und phasentreu analysieren. Schwingungssignale können von Beschleunigungsaufnehmern, von Wegsensoren, Mikrofonen, Laservibrometern etc. kommen. Zuvor ist jedoch bei der Parametrie‐ rung der Messtechnik folgendes zu beachten: ● Der Frequenzbereich, insbesondere die obere Grenzfrequenz f max , ist passend zu wählen und mit dem Impulshammer abzustimmen. ● Die Verstärkung ist vorher fest einzustellen. ● Die Triggerung erfolgt am besten über den Anregungsimpuls mit Triggerverzögerung (Abschnitt 2.7.1.4). ● Die Zeitfensterlänge ist hinreichend groß zu bemessen, sodass die Schwingung innerhalb des Fensters möglichst abklingt. Erforderlichenfalls kann ein Exponentialfenster helfen (Abschnitt 3.6.3). ● Es sind mindestens vier Mittelungen erforderlich. Aussteuerung und Kohärenz sind für jeden Vorgang zu prüfen. Nur einwandfreie Signale dürfen in die Mittelung einbezogen werden. Die anfallenden Daten sollten bei der Messdurchführung sorgfältig beobachtet und am besten gleich während der Messdurchführung interpretiert werden. Moderne FFT-Analysatoren erlauben es, dass neben den Spektren auch Übertragungsfunktionen oder die Kohärenz gleich im Analy‐ sator berechnet und angezeigt werden. 625 9.1 Anschlagversuch 9.1.2.3 Kohärenzprobleme Die Kohärenz liefert einerseits Informationen über die Phasenbeziehungen zwischen zwei Prozessen, zum anderen ist sie ein Maß für die Ähnlichkeit, aber auch für die Linearität des jeweiligen Systems. Grundregel ist, dass die Kohärenz für interessierende Frequenzen immer oberhalb 0,8 liegen sollte. Liegt sie niedriger, kann dies folgende Ursachen haben: ● Zu geringe Anregung ● Anregung in Knotenpunkten ● Störung durch externe Schwingungen ● Nichtlinearität ● Schlechte Übertragung zwischen Erregung und Messpunkt (Risse, lockere Verbindungsele‐ mente) ● Prellschläge 9.2 Test mit Schwingerregern (Shaker) Umfassendere Strukturanalysen lassen sich durch lokale Erregung der Struktur über Schwing‐ erreger, sogenannte Shaker, durchführen. Dabei werden definierte dynamische Kräfte in eine Struktur eingeleitet (Bild 9.9). Bild 9.9: Modalanalyse mit Shakeranregung Erregersysteme können elektrodynamisch, piezoelektrisch, hydraulisch oder mechanisch ausge‐ führt sein (Tabelle 9.3). Elektrodynamische Schwingerreger funktionieren ähnlich wie Lautspre‐ cher und werden für höhere Frequenzen und kleine bis mittlere Kräfte bevorzugt. Piezoelektrische Shaker bestehen aus gestapelten piezokeramischen Scheiben und eignen sich zur Anregung sehr hoher Frequenzen (aber nur für kleine Massen). Hydraulische und mechanische Schwingerreger nutzt man für große Kräfte bei niedrigen Frequenzen. Beim hydraulischen Shaker lassen sich über angesteuerte Servoventile sogar Amplituden bis zu 1000 kN im Frequenzbereich 0 bis 200 Hz anregen, was insbesondere im Bauwesen für Abnahmen an Brücken genutzt wird. Bei großen Strukturen oder bei dynamischen Baugrunduntersuchungen verwendet man auch Unwuchterreger. Zur Einleitung der Erregerkraft muss die Struktur über einen geeigneten Stößel an den Shaker angekoppelt werden. Die eingeleitete Kraft wird über eine Kraftzelle gemessen und meist in einer Regelschleife über der Frequenz konstant gehalten. Mobile Shakersysteme sind gewichtsmäßig und leistungsmäßig jedoch begrenzt, das Schwingregelsystem und der Verstärker schaffen es nur bedingt, die eingeleitete Kraft und Signalform über der Frequenz konstant zu halten. Einfacher ist 626 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 54 Ein analoges oder digitales Filter, dessen Mittenfrequenz mit der Erregerfrequenz mitgezogen wird. Prinzip Frequenzbereich Elektrodynamisch 5 bis 1000 Hz Piezoelektrisch bis 20 kHz Hydraulisch 0 bis 200 kHz Mechanisch (Unwuchterreger) 0,5 bis 100 Hz Tabelle 9.3: Verschiedene Prinzipien von Schwingerregern es dagegen bei Labortests und bei Prüfeinrichtungen, wenn mit stationären Schwingprüfständen gearbeitet wird. Ein weiterer Vorteil von Schwingprüfständen ist, dass sich auch unterschiedlichen Signalarten erzeugen lassen. Man unterscheidet zwischen folgende Signalarten: ● Schmalbandige Sweepanregung (als Einzelton oder als Mehrfachton) ● Chirp-Anregung ● Rauschanregung und Anregen von verteiltem Rauschen ● Anregung auf Basis von Schwinglastkollektiven ● Burst Chirp-, Schock- und Transientenanregung ● Resonanzsuch- und Resonanzverweiltests Bei der einfachen Sweep-Anregung wird die Struktur durch eine sinusförmige Kraft mit gleitender Frequenz erregt. Diese Anregungsart entspricht einer schmalbandigen Schwingungsumgebung bei rotierenden Komponenten. Der interessierende Frequenzbereich wird langsam durchlaufen (sodass die Charakterisierung sinusförmige Kraft noch gerechtfertigt ist). Das Messsystem misst sowohl die anregende Kraft, meist mittels Kraftsensor an der Einspeisestelle als auch die Schwingungen bei der gleichen Frequenz. Durch Division wird die frequenzabhängige Übertra‐ gungsfunktion automatisch ermittelt und bezüglich Linearitäten oder Nichtlinearitäten bewertet. Beim Multisinus-Sweep werden mehrere Sweeps zur gleichen Zeit (mit eigenem Trackingfil‐ ter 54 für jede einzelne Sinuskomponente) durchgeführt, um auch Testdauern zu reduzieren. Als Chirp wird ein sehr schneller Sweep bezeichnet, der vorwiegend in der Elektroakustik und in der Sonartechnik eingesetzt wird. Rauschen ist ein Zufallssignal, und repräsentiert breitbandige Schwingungsumgebungen, die zum Beispiel bei Belastungsdauertests in der Automobilbranche verwendet werden. Das sogenannte Rauschprofil ist jeweils als PSD Spektrum definiert und beschreibt, wie viel Leistung einzelne Frequenzen zum Rauschprofil zum Beispiel bei einem Fahrwerk beitragen. Man unter‐ scheidet zwischen weißem Rauschen (konstante spektrale Leistungsdichte) oder rosa Rauschen (konstante Oktavleistung). Als Burst wird ein Signalpaket von begrenzter Dauer bezeichnet - länger als ein Impuls, jedoch kürzer als die Zeitfensterlänge. Eine transiente Schwingungsumgebung wird über klassische Schwingformen definiert, um beispielsweise Stöße bei Gewaltereignissen zu imitieren. Transiente Ereignisse sind zeitlich länger und lassen sich als aufgenommene Schwingzeitform oder als Magnituden-Spektrum generieren. 627 9.2 Test mit Schwingerregern (Shaker) Oder es werden einfach gemessene Zeiteventsignale genutzt, entsprechend vervielfacht und für die Testläufe verwendet. Bei Resonanzverweiltests wird die Struktur über eine Regelschaltung immer in einer Resonanz erregt, auch wenn sich die Eigenfrequenz im Laufe des Versuchs ändert. Diese Technik wird bei Dauerschwingversuchen oder Dauerbeanspruchungstests eingesetzt. Erwähnt seien schließlich noch Labortest auf Basis von Schwinglastkollektiven oder kombi‐ nierten Beanspruchungsarten. 9.2.1 Sweepanregung Tests mit Sweep- oder Gleitsinusanregungen eignen sich besonders für strukturelle Resonanzun‐ tersuchungen. Erfolgt die Anregung mit einer harmonischen, also sinusförmigen Kraft, ist sicher‐ zustellen, dass die Energie über den gesamten Frequenzbereich verzerrungsfrei in die Struktur eingebracht wird. Bild 9.10 zeigt einen elektrodynamischen Schwingerreger und Aufzeichnungen der aufgebrachten Schwingbeanspruchungen bei der Prüfung eines WEARSCANNER. Solche Einrichtungen erlauben es, harmonische Anregungen mit unterschiedlichen Amplituden über einen Frequenzbereich von etwa 30 Hz bis 4 kHz auf den Prüfling wirken zu lassen. Bild 9.10: Elektrodynamischer Shaker und aufgebrachte Schwingbeanspruchungen Eine Alternative zu elektrodynamischen Shakern sind mechanische oder hydraulische Unwucht‐ erreger. Das Konstruktionsprinzip beim mechanischen Unwuchterreger sind zwei gegenläufig rotierende Massen mit gleicher Unwucht, die eine harmonische Erregerkraft in definierter Richtung liefern (vgl. Bild 1.10). Sie werden vor allem zu Fundament- und Bodenuntersuchungen und in der Baudynamik eingesetzt. Der Frequenzbereich liegt typisch zwischen 5 Hz und 100 Hz. 9.2.2 Anregung durch Rauschen Strukturanalysen können auch durch breitbandige Rauschanregung durchgeführt werden. Dazu sind Shakersysteme zu verwenden, die eine Struktur in einem definierten Frequenzbereich breitbandig, zum Beispiel mit weißem Rauschen anregen. Weißes Rauschen ist eine stochastische Schwingung konstanter Leistungsdichte über einen definierten Frequenzbereich. 628 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Anmerkung: Mathematisch exakt dürfte man von Weißem Rauschen nur bei einem Frequenzbereich von 0 bis ∞ sprechen, was logischerweise eine Leistungsdichte von null nach sich ziehen würde. Zur breitbandigen Rauschanregung können auch externe Anregungen wie der vorbeiströmende Wind herangezogen werden, wobei die Anregungsenergie dann nicht mehr messtechnisch erfassbar ist. Mit dieser Methode lassen sich beispielsweise bei Windenergieanlagen die Eigen‐ schwingungen von Rotorblättern (bei trudelnder WEA) ermitteln, indem der mit verschiedenen Windstärken vorbeiströmende Wind breitbandig die Rotorblätter anregt. Bild 9.11 zeigt solche vergleichende Ergebnisse für die drei Rotorblätter einer Windenergieanlage. Gezeigt sind Frequenzspektren der Schwinggeschwindigkeit, wie sie in den einzelnen Rotorblättern über Nacht in der trudelnden WEA gemessen wurden. Die Frequenzspektren sind in Überlage‐ rungsdarstellung mit logarithmischer Skalierung dargestellt. Neben der Turmeigenfrequenz lassen sich in den Frequenzspektren mehrere Blatteigenfrequenzen identifizieren. Damit kann sogar im montierten Zustand eine Rotorblattprüfung stattfinden, indem die frequenzabhängigen Schwin‐ gungsamplituden der drei Rotorblätter miteinander und tendenziell verglichen werden. Bild 9.11: Vergleichende FFT-Messungen, direkt gemessen an den drei Rotorblättern einer trudelnden WEA 9.3 Ermitteln von Übertragungsfunktionen 9.3.1 Zweikanalmessung als Werkzeug Durch die Fast Fourier Transformation (FFT) wird die Reaktion einer Struktur in den Frequenzbe‐ reich transformiert und es lassen sich die Frequenzen identifizieren, bei denen die Amplitude einen Maximalwert annimmt. Ein solches einfaches Amplitudenspektrum liefert damit vollständige Informationen über den Frequenzinhalt einer Schwingung. Kinematische oder dynamische Be‐ ziehungen zwischen verschiedenen Strukturelementen werden dadurch jedoch nicht aufgedeckt. Der Grund für diese Einschränkung liegt in den fehlenden Aussagen hinsichtlich Phaseninfor‐ mationen. Zwar liefert das durch eine FFT ermittelte komplexe Spektrum einen Wert für die Phasenlage der einzelnen Komponenten, diese ist jedoch lediglich bezogen auf den Beginn des Zeitfensters und damit ohne Relation zur Struktur. Basis solcher Phasenmessungen oder, besser gesagt, der Interpretation und Auswertung von Schwingungen nach Betrag und Phase, sind mindestens Zweikanalmessungen, wo die Messung und Analyse von zwei oder mehreren korrelierten Signalen zeitsynchron erfolgt - das Thema dieses Abschnitts. Mehrkanalige Messungen und Analysen werden mit der gleichen Methodik durchgeführt. Das Blockschema einer Zweikanalanalyse ist in Bild 9.12 dargestellt. 629 9.3 Ermitteln von Übertragungsfunktionen (9.1) (9.2) Bild 9.12: Schema eines Zweikanal FFT-Analysators Neben den für beide Kanäle getrennt (jedoch zeitsynchron) ermittelten Autospektren ist im Schema auch das Kreuzleistungsspektrum dargestellt. Zur Erläuterung: Das Autoleistungsspektrum S xx wird berechnet aus der komplexen Multiplikation der Kompo‐ nenten des komplexen Spektrums S x S xx = S x S x * Das Kreuzleistungsspektrum wird analog durch Multiplikation der beiden Kanalterme berechnet. Der Algorithmus ist nicht kommutativ. S xy = S x S y * S yx = S y S x * Im Prinzip könnten sämtliche oder zumindest die meisten der Kreuzbeziehungen aus den Autospektren direkt berechnet werden. Der besondere Vorteil der Kreuzleistungsspektren liegt in der Verbesserung des Signal-/ Rausch-Abstands, denn das in beiden Kanälen unkorrelierte Rauschen kann dabei durch hinreichend lange Mittelung beliebig reduziert werden (vergleiche dazu Abschnitt 3.11.3, Zeitsynchrone Mittelung). Im Autoleistungsspektrum lässt sich hingegen das Rauschen bestenfalls auf die mittlere Rauschleistung reduzieren und bleibt bei der Weiterver‐ arbeitung störend erhalten. Anmerkung: Rauschen in der Signalkette (Aufnehmerrauschen, Verstärkerrauschen) ist zwischen den Kanälen per se unkorreliert. Aber auch bei extern eingespeistem Rauschen sinkt die Korrelation mit dem Abstand der Messpunkte (In der Akustik spricht man von einer Kohärenzlänge). 9.3.2 Phasenmessung Eine Phasenmessung erfolgt üblicherweise als Bezug auf ein Triggersignal, siehe dazu Abschnitt 1.6.3 oder als Cross-Channel Phase, indem relative Amplituden und Phasenwerte ermittelt werden. Die Phasenmessung kann über ein externes Triggersignal gesteuert werden. FFT-Ana‐ lysatoren sind in der Regel mit einem entsprechenden Eingang ausgestattet. Zusätzlich haben 630 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Kanal A Kanal B Kreuzfunktion Anwendung Keyphasor Schwingung relative Phasenlage Phasenmessung Kraft Schwingung Übertragungsfunktion Modalanalyse Schwingung Schwingung Transmissibilität Betriebsschwingformanalyse Tabelle 9.4: Ergebnisse und Anwendung von Zweikanal (Mehrkanal-) Messungen FFT-Analysatoren die Möglichkeit zu definieren, ob die aufsteigende oder abfallende Flanke des Pulses als Phasenbezug verwendet wird. 9.3.3 Autokorrelation Die Autokorrelation (Abschnitt 0.14.1) ist zwar kein Zweikanalverfahren, lässt sich jedoch sinn‐ gemäß in diese Verfahren einordnen. Die Autokorrelationsfunktion ist das Ergebnis des Vergleichs eines Signals mit seiner eigenen, zeitverschobenen Kopie; der Parameter Zeitverschiebung ist die unabhängige Variable (Abszisse des Graphen). Treten im Signal Periodizitäten auf, so zeigt die Autokorrelation Maxima an den Stellen der Periodendauer. Durch Mittelung lässt sich störendes Rauschen unterdrücken. Das Ergebnis ist im Prinzip gleichwertig mit der FFT. Bei Komponenten mit niedrigem Pegel und sehr niedrigen Frequenzen ist die Autokorrelation oft das überlegene Verfahren (Beispiel: Ermitteln der Käfigfrequenzen bei Wälzlagern). 9.3.4 Übertragungsfunktion Die am meisten verwendete Übertragungsfunktion ist die FRF (Frequency Response Function). Sie beschreibt im Frequenzbereich die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang eines linearen dynamischen Systems. Sie wird vor allem bei der Modalanalyse zugrunde gelegt. An Eingang A im Schema von Bild 9.12 wird das Kraftsignal der Erregerkraft zugeführt, an Eingang B das angeregte Schwingungssignal. Die Messung sollte möglichst nur bei stillstehender Maschine stattfinden. Zeitfensterung und Mittelung erfolgen in üblicher Weise. 9.3.5 Transmissibilität Die Transmissibilität ist eine andere Variante einer Übertragungsfunktion. Sie beschreibt das Verhältnis der Schwingungen zwischen zwei Messpunkten vorwiegend nach dem Betrag - und zwar in derselben physikalischen Dimension. Man erhält damit zum Beispiel eine Aussage über die Wirksamkeit von Isolationen oder, ganz allgemein, zur Schwingungsübertragung oder Schwingungsausbreitung in einem System (siehe Bild 1.50 oder Bild 6.45). Da an allen Messpunkten die gleiche Größe, zum Beispiel die Schwingbeschleunigung gemes‐ sen wird, liefert die Transmissibilität ein Abbild der Schwingungsform der Struktur. Dazu wird an einem festen Messpunkt ein Beschleunigungsaufnehmer als Referenz montiert, ein zweiter Beschleunigungsaufnehmer wird über die Struktur bewegt. 631 9.3 Ermitteln von Übertragungsfunktionen (9.3) (9.4) (9.5) Das Verfahren ist auch Grundlage der Betriebsschwingformanalyse. Dieses Vorgehen lässt sich ebenfalls in der Akustik bei der Fremdgeräuscheliminierung durch gleichzeitiges Erfassen von Luft- und Körperschallsignalen verwenden. 9.3.6 Frequenzgang 9.3.6.1 Berechnungsmethodik Der Frequenzgang H(f) ist ganz allgemein der Zusammenhang der Spektralfunktionen, also im Frequenzbereich, zwischen Eingang X(f) und Ausgang Y(f) eines linearen, zeitinvarianten Systems bezüglich der Amplitude und der Phase. Der Frequenzgang ist eine komplexe Funktion der Frequenz und gibt das Verhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal für sinusförmige Signale an. H (f ) = Y (f ) X (f ) Er bildet die Grundlage der Modalanalyse (mittels Impulshammer oder Shakeranregung). Die praktische Berechnung erfolgt aus dem Kreuzleistungsspektrum, da damit eine optimale Rausch‐ unterdrückung erzielt wird. Es gibt zwei Methoden, genannt H 1 (f) und H 2 (f), die wie folgt definiert sind: H 1 (f ) = Sxy(f ) Sxx(f ) H 2 (f ) = Syy(f ) Syx(f ) Zugrunde gelegt sind die gemittelten Leistungsspektren nach Gl. 9.1 und Gl. 9.2. Bei der Impulshammermethode werden beide Varianten eingesetzt. Welcher Methode man den Vorzug geben sollte, hängt von der Signalqualität an den beiden Eingängen, insbesondere vom Signal/ Rausch-Verhältnis ab. Ist dieses besser an Kanal x, sollte H 1 verwendet werden und umgekehrt. Allgemein wird für die Bestimmung von Resonanzen H 2 die bessere Wahl sein, für Antiresonanzen H 1 . 9.3.6.2 Darstellung der Frequenzgangfunktion (FRF) Die Frequenzgangfunktion, oft abgekürzt als FRF, ist eine komplexe Funktion der Frequenz. 632 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Bild 9.13: MKS-System mit FRF Realteil Der allgemeine Zusammenhang ist in Bild 9.13 veranschaulicht. ● Die Struktur wird angenähert durch ein MKS-System mit n starren Massen. Dabei wird hier dem Rechenmodell ein einläufiger Schwinger zugrunde gelegt, d. h. es findet nur eine Bewegung in einer Richtung statt (1 Freiheitsgrad pro Masse). ● Das Modell hat n Freiheitsgrade der Bewegung. ● Die Massen sind durch masselose lineare Federn und Dämpfer verbunden. ● Ein solches System hat n Resonanzfrequenzen entsprechend n Eigenmoden. Anmerkung 1: Sogenannte Entartungen, bei denen zwei oder mehr Resonanzfrequenzen identisch sind, sind in diesem Beispiel nicht berücksichtigt. Anmerkung 2: In einem allgemeinen MKS-System hat jede Masse 6 Freiheitsgrade der Bewegung. Entsprechend erhöht sich die Anzahl der Resonanzen. Anmerkung 3: Es besteht eine gewisse Analogie zwischen einem MKS-System und diskre‐ ten elektrischen Systemen aus Kapazitäten, Induktivitäten und ohmschen Widerständen. Diese beschränken sich jedoch auf einläufige Systeme nach Bild 9.13. 9.3.6.3 Resonanz und Antiresonanz Weist der Frequenzgang in seinem Verlauf ein Maximum auf, kommt die Struktur bei Anregung mit dieser Frequenz in Resonanz - die Struktur ist bei dieser Frequenz besonders leicht anzuregen. Weist der Frequenzgang ein Minimum auf, spricht man von Antiresonanz - die Struktur ist an dieser Stelle mit dieser Frequenz nur schwer anzuregen. In Bild 9.14 sind beide Fälle anhand eines Schwingungstilgers dargestellt. Im Fall ohne Tilger weist die Struktur eine Resonanzstelle auf. Der Tilger, im dargestellten Beispiel ein ungedämpfter Zusatzschwinger, erzeugt eine Antiresonanz, gekennzeichnet durch eine Nullstelle des Frequenzgangs. Ausführung und Wirkung eines Tilgers werden in Abschnitt 6.6.3 behandelt. 633 9.3 Ermitteln von Übertragungsfunktionen Bild 9.14: Antiresonanz 9.3.6.4 Modale Parameter Die über die FRF erzeugte Modellierung einer Struktur durch ein MDOF-System ist in Bild 9.13 anschaulich illustriert. Daraus geht auch unmittelbar der Begriff der modalen Parameter hervor: ● Die modalen Massen sind die Massen des MDOF-Ersatzsystems links im Bild. ● Gleiches trifft für modale Steifigkeiten und modale Dämpfungen zu. Daraus kann unmittelbar die Aussage abgeleitet werden: ● Die Strukturdämpfung ist keine universelle Stoffkonstante, sondern ein modaler Parameter. ● Die modale Dämpfung ist abhängig von der Frequenz. 9.4 Bewertung der Dämpfung In der Realität hat man es bei Maschinenschwingungen immer mit gedämpften Systemen zu tun. Durch Dämpfung wird bei einem Bewegungsvorgang Energie dissipiert, das heißt im gegebenen Fall wird mechanische Energie in Wärme umgewandelt. Oft ist die Dämpfung zwar so gering, dass eine Beschreibung über ein ungedämpftes System eine hinreichende Näherung liefert. Aber in vielen Fällen sollte sie für eine Funktionsbeschreibung berücksichtigt werden. Physikalisch gesehen kennt man verschiedene Dämpfungsmechanismen, die in drei Gruppen eingeteilt werden können: ● Viskose Dämpfung ● Reibungsdämpfung (Konstruktionsdämpfung) ● Hysteresedämpfung 634 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Viskose Dämpfung entsteht durch Widerstand gegen eine Fluidströmung. Vom Standpunkt der Mechanik ist sie als lineare Dämpfung gut modellierbar, d. h. die Dämpfungskraft ist proportional der Relativgeschwindigkeit. Sie wird daher als häufigstes Dämpfungsmodell herangezogen. Reibungsdämpfung entsteht durch Mikrobewegungen zwischen Komponenten unter Belas‐ tung, zum Beispiel bei Schrumpfsitzen von Wälzlagern, bei Pressverbänden von aufgeschrumpf‐ ten Rotorscheiben oder durch lockere Wicklungen in elektrischen Maschinen. Der Vorgang ist zwar ausgeprägt nichtlinear (Wechselspiel zwischen Haftreibung und Gleitreibung), spielt jedoch in der Systemanalyse eine untergeordnete Rolle. Auch bei diesem Modell wird durch die Dämpfung Energie dissipiert, eine Abschätzung der Folgen ist meist über ein lineares Dämpfungsmodell mit gleichen Dissipationseigenschaften gut möglich. Hysteresedämpfung hat ihre Ursachen in der inneren Reibung von Strukturen bei Verfor‐ mung. Im Prinzip kann sie äquivalent zur viskosen Dämpfung modelliert werden. Vorsicht ist lediglich in der Rotordynamik angebracht, da hier zwischen äußerer und innerer Dämpfung zu unterscheiden ist. Auf diesen Punkt wird in Abschnitt 13 noch näher eingegangen. Der vorliegende Part beschränkt sich wegen ihrer überwiegenden Bedeutung auf die viskose, also lineare Dämpfung. Dämpfung entsteht entweder durch äußere Bewegungswiderstände (Absolutdämpfung) oder durch Verformungswiderstände in den federnden Bauteilen (Relativdämpfung). Dämpfung ist immer verbunden mit der Dissipation mechanischer Energie, also Umsetzung in Wärme. Die Dämpfungskraft wird in der Regel als eine der Bewegung entgegengesetzte Kraft angesetzt, welche der Geschwindigkeit proportional und ihr entgegen gerichtet ist. Obwohl dieses Modell fast immer nur eine näherungsweise Beschreibung liefert, wird es meist verwendet, da es analytisch gut handzuhaben ist. Eine tragende Rolle spielt die Dämpfung im gegebenen Zusammenhang vorwiegend als Begrenzung der Amplituden bei Resonanzanregung. Des Weiteren sind Dämpfungskennwerte zu berücksichtigen, wenn durch spezielle Dämpfungselemente Veränderungen im Bewegungs-, Beanspruchungs- oder Schwingungsverhalten erreicht werden sollen. Messtechnisch gibt es zur Bestimmung der Dämpfung verschiedene Verfahren. Zwei davon sind in Bild 9.15 dargestellt. Dazu kommt noch bei Systemanalysen das Ermitteln des Dämpfungsmaßes aus der gemessenen Übertragungsfunktion. Bild 9.15: Experimentelle Bestimmung der Dämpfung (links: aus der Auslaufkurve, rechts: aus dem Zeitsignal) 635 9.4 Bewertung der Dämpfung 55 Die Nomenklatur stammt aus der Nachrichtentechnik - die Güte ist dort eine Filtereigenschaft. (9.6) (9.7) (9.8) (9.9) Baustoff ϑ A Stahl 0,003 - 0,016 0,02 - 0,10 Stahlbeton ungerissen 0,06 - 0,032 0,04 - 0,020 gerissen 0,01 - 0,05 0,06 - 0,3 Mauerwerk 0,020 0,12 Holzkonstruktionen 0,024 0,15 Tabelle 9.5: Lehrsches Dämpfungsmaß ϑ und logarithmisches Dekrement A für verschiedene Baustoffe Links im Bild ist das Halbleistungsverfahren dargestellt, welches sich insbesondere bei Hoch- und Auslaufanalysen anwenden lässt: Die Güte Q eines Schwingers 55 ist bestimmt durch die relative Bandbreite bei halber Leistung Q = fR f2 − f1 Es gilt der Zusammenhang zwischen der Güte Q und dem Dämpfungsgrad ϑ ϑ = 1 2Q Eine weitere Methode zur Dämpfungsermittlung bietet der Abklingkoeffizient δ (rechtes Bild). Er ist definiert als δ = 1 N ln xk xk + N Den Dämpfungsgrad erhält man damit aus ϑ = 1 1 + 2π δ 2 Anmerkung: Da der Amplitudenabfall über der Zeit logarithmisch erfolgt (siehe Bild 9.15 und Gl. 9.8), spricht man in diesem Zusammenhang auch vom Logarithmischen Dekrement. Wie sich das Dämpfungsmaß bei Systemanalysen aus der Übertragungsfunktion (Mobilität) ermitteln lässt, ist in Bild 9.16 veranschaulicht und beispielhaft berechnet. Der Dämpfungsgrad (Lehrsches Dämpfungsmaß) lässt sich für die Werkstückdämpfung und für die verschiedenen Baukonstruktionen aber auch der Fachliteratur entnehmen. Einige Daten für Baustoffe sind in Tabelle 9.5 zusammengestellt. Erwähnt sei, dass es messtechnisch relativ einfach ist, auch für andere Objekte aus zeitlichen Ab‐ klingkurven nach stoßartiger oder transienter Beanspruchung Dämpfungskennwerte zu ermitteln. 636 9 Anlagenprüfung und Diagnostik (9.10) Bild 9.16: Ermittlung des Dämpfungsmaßes aus der Mobilität 9.5 Kohärenz, Phasenfunktion Mit Hilfe der Kohärenz γ xy lässt sich die lineare Abhängigkeit zweier Zeitsignale x(t) und y(t) prüfen. Die Kohärenzfunktion gibt Aufschluss über die Korrelation und mögliche lineare Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen eines Systems. Sie ist eine Funktion der Frequenz, für jede Frequenz hat sie einen Wert zwischen 0 und 1. Ein Wert von 1 besagt, dass die Ausgangsgröße vollständig durch die Eingangsgröße bestimmt ist, ein Wert von 0 bedeutet vollständige Unabhängigkeit (im Extremfall zwei unkorrelierte Rauschsignale). Im Normalfall (Linearität vorausgesetzt) sollte der Wert der Kohärenz mehr als 0,9 betragen, bei starkem Hintergrundrauschen kann bis 0,7 akzeptiert werden. Eine Ausnahme: Im Fall von Antiresonanz (siehe Abschnitt 9.3.6.3) hat ein Einbruch in der Kohärenz meist keine Bedeutung. Mathematisch gesehen ist die Kohärenz das Betragsquadrat des normierten mittleren Kreuz‐ leistungsspektrums und berechnet sich nach der Formel γ 2xy (f ) = Sxy(f ) 2 Sxx(f )Syy(f ) Die Kohärenz ist eine reelle Funktion der Frequenz mit einem Betrag zwischen 0 und 1. Bei vollständiger linearer Abhängigkeit wird die Kohärenz im gesamten Frequenzbereich 1 sein, da das Betragsquadrat des mittleren Kreuzleistungsspektrums gleich dem Produkt der gemittelten Autoleistungsspektren wird. Über die Kohärenz kann die Qualität oder die Gültigkeit einer Zweikanalanalyse beurteilt werden. Das ist besonders wichtig bei mehrkanaligen Verfahren wie Modalanalyse oder Betriebs‐ 637 9.5 Kohärenz, Phasenfunktion schwingformanalyse. Eine schlechte Kohärenz kann auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sein, wie ● Geringer Signalpegel ● Strukturelle Knotenpunkte (Antiresonanz) ● Hintergrundschwingungen oder Rauschen ● Nichtlinearität (Risse oder Klaffungen) ● Prellschläge bei Hammeranregung ● Defekte in Sensor, Kabel oder schlechte Sensormontage Die Kohärenz liefert auch Informationen, wie sich eine Schwingungsanregung in einer Struktur ausbreitet oder über Koppelstellen übertragen wird. Bild 9.17 zeigt dazu als Beispiel ein Anre‐ gungsspektrum und die im FFT-Analysator ermittelte Kohärenz. Ein Deckel einer Industrieanlage wurde mit einem Impulshammer angeschlagen, am Grundkörper die Schwingungsantwort gemessen und die Kohärenz im Messgerät angezeigt. Der hohe Wert 1 in der Kohärenz bedeutet, dass die Energie bei der störenden dominierenden Eigenfrequenz vollständig in die Struktur übertragen wird. Eine Kohärenz kleiner 1 indiziert, dass es Beeinflussungen, Dämpfungen, Störungen im Übertragungsweg (zum Beispiel Risse) oder Messabweichungen gibt. Im gezeigten Beispiel wirkten sich die Anregungen bei der dominierenden Eigenfrequenz trotz Koppelstellen bis hin zum auffälligen Messpunkt am Grundkörper der Industrieanlage aus. Bild 9.17: Ermittlung der frequenzabhängigen Kohärenz (unten) in einer Industrieanlage 638 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 9.6 Betriebsschwingformanalyse (BSA) Die Betriebsschwingformanalyse dient zur Ermittlung der Betriebsschwingformen von Bauteilen. Man möchte erfahren, wie sich die Schwingungen der jeweiligen Bauteilstrukturen in bestimmten Betriebszuständen verhalten. Anders als bei der später noch behandelten Modalanalyse, bei der die möglichen Eigenfre‐ quenzen und die zugehörigen Eigenmoden von Strukturen unabhängig von der tatsächlichen Betriebsanregung untersucht werden, spielt bei der Betriebsschwingungsanalyse die Art der Anregung die zentrale Rolle. 9.6.1 Das Prinzip der BSA Bei einer Betriebsschwingformanalyse (BSA) werden die Strukturschwingungen frequenzabhän‐ gig unter Betriebsbedingungen an mehreren Messpunkten nach Betrag und Phase erfasst. Die BSA ist also eine Erweiterung der Phasenanalyse und bietet die Grundlage, die Bewegung unter Betriebsbedingungen darzustellen. Die Auswertung erfolgt in der Regel über eine grafische Dar‐ stellung (Bildschirmanimation). Man spricht bei dieser Analyse auch von Operating Deflection Shapes (ODS). Im Unterschied zu anderen bildlichen Darstellungen, etwa Videoaufnahmen oder Zeitlupen‐ bilder (siehe Abschnitt 4.7.2), wird bei der BSA nur die Bewegungskomponente für eine bestimmte Frequenz erfasst. Die bildliche Darstellung kann daher beträchtlich von der tatsächlichen Bewe‐ gung abweichen. Bei welchen Problemen kann eine Betriebsschwingformanalyse hilfreich sein? ● Abklärung, ob wirklich Resonanzanregungen vorliegen ● Besseres Verstehen der wirkenden Bewegungen und Verformungen ● Hilfestellung bei Planung von Umbau der Strukturen ● Grundlagen für die Auslegung von Modifikationen und schwingungsmindernden Maßnah‐ men ● Kontrolle der Wirksamkeit von Modifikationen (zum Beispiel Versteifungen) ● Aufdeckung von mechanischem Spiel ● Untersuchen von Kippfußeinflüssen ● Unwucht und Fehlausrichtung identifizieren und unterscheiden (siehe dazu Abschnitt 5.8 ff) 9.6.2 Durchführung einer BSA Bei einer BSA lassen sich Maschinenbewegungen infolge der Betriebskräfte (zum Beispiel Unwucht) erfassen und veranschaulichen. Bei einer ausreichenden Zahl von Messpunkten und geeigneter Positionierung kann dann auf Basis dieser Daten sogar das komplette Bewegungsmus‐ ter der Struktur bei jeder beliebigen Frequenz optisch dargestellt und beurteilt werden (siehe Bild 9.17). Zur Darstellung bevorzugt man heutzutage animierte Bilder. 639 9.6 Betriebsschwingformanalyse (BSA) Bild 9.18: Betriebsschwingform als Kombination von Eigenformen Bei Betriebsschwingformanalysen ist zu berücksichtigen, dass die jeweilige Betriebsschwingungs‐ form in jedem Fall abhängig von der Betriebsdrehzahl ist und zusätzlich noch weitere Einflüsse wirken können. Zur BSA sind die Maschinenschwingungen an einer hinreichenden Zahl von Messpunkten nach Betrag und Phase zu erfassen. Eine simultane, also mehrkanalige Erfassung über alle Messpunkte ist in jedem Fall einer seriellen Abtastung vorzuziehen, da sonst nicht sichergestellt ist, ob der Betriebszustand und damit vor allem die Phasenbeziehungen über die dann lange Messzeit hinreichend stabil bleiben. Zwischenzeitlich entstandene Schwankungen würden zu deutlichen Phasenfehlern und damit zu Fehlinterpretationen führen! Von besonderem Interesse sind bei solchen Untersuchungen die Bewegungen und Verformun‐ gen der Maschine als Ganzes, aber auch die Bewegungen der Komponenten relativ zueinander. Animationen erleichtern die Interpretierbarkeit und haben auch einen repräsentativen Charak‐ ter (im Sinne von spektakulär). Diverse Softwarepakete bieten hier meistens sehr leistungsfähige Userinterfaces und können oft auch mit Photographien, Filmsequenzen oder anderen Bildern hinterlegt werden. Anmerkung: Man beachte, dass gerade solche Darstellungen die Diskussion und Argumen‐ tation in agilen Arbeitsgruppen wirksam unterstützen können. Die Schwingungen können entweder direkt nach Richtung und Zeitverlauf oder frequenzselektiv beurteilt werden. Im ersten Fall erhält man einfach eine Zeitlupendarstellung der Bewegung mit überhöhten Amplituden, im zweiten Fall eine frequenzselektive Darstellung, die sich vor‐ zugsweise für die Beurteilung der Anregung von Eigenfrequenzen bzw. Eigenmoden eignet. Die Darstellungen einer BSA liefern für jede Frequenz ein gültiges Ergebnis (im Gegensatz zu Eigenschwingungen - siehe die nachfolgende Modalanalyse). Folgende Hauptzielrichtungen sind bei der Interpretation von besonderer Aussagekraft: 640 9 Anlagenprüfung und Diagnostik ● Erkennen der Bewegungen der gesamten Maschine: Schwanken, Verdrehen oder Springen kann ein Hinweis auf Resonanzanregung sein ● Erkennen von Bewegungen der Komponenten relativ zueinander, was besonders auf Un‐ wucht oder Fehlausrichtung hinweisen kann ● Erkennen von Bewegungen von Maschinenkomponenten relativ zu Fundament oder Grund‐ rahmen. Dies kann speziell auf Fehler in der Fundamentierung hinweisen, wie Kippfuß, gebrochene Schrauben, gerissene Schweißnähte etc. Betriebsschwingformanalysen können auch für den Monitoringprozess nützlich sein, da man einen realistischen und mehr globalen Eindruck vom Schwingungsgeschehen bekommt. 9.7 Modalanalyse Modalanalyse ist ein lineares Verfahren zur Ermittlung von Eigenfrequenzen, modalen Dämpfungen und modalen Eigenformen für jeden Eigenmode der Struktur. Modalanalysen befassen sich im Gegensatz zu den Betriebsschwingformanalysen nur mit den Eigenfrequenzen einer Struktur. Sie ist hilfreich bei der Interpretation von Strukturschwingungen, speziell bei der Beurteilung, warum bestimmte Schwingungserscheinungen auftreten und wie die Struktur schwingungsmäßig optimiert werden kann. Sie kann auch Basis für präventive Problemlösungen bieten, um etwa Eigenfrequenzen durch Strukturmodifikationen aus einem Erregungsbereich zu verschieben oder Krafteinleitungen in Schwingungsknoten des Modells zu positionieren. Auf Basis einer Modalana‐ lyse können strukturelle Umbauten zunächst rechnerisch simuliert werden. Die Modalanalyse kann durch analytische mathematische Modelle (meist gekoppelt mit FEA Berechnungen) oder durch experimentelle Techniken durchgeführt werden. Ein historisches experimentelles Beispiel sind die Chladnischen Klangfiguren. Eine dünne Platte wird mit Sand bestreut und in Schwingungen versetzt wie in Bild 9.19 gezeigt. Kommt die Platte in Resonanz wandern die aufgestreuten Sandkörner zu den Stellen, wo keine oder nur schwächere Schwin‐ gungen auftreten (Knoten). Als Folge werden frequenzabhängig Knotenlinien von stehenden Wellen sichtbar gemacht, die sich auf der Platte als Muster ausprägen. Genau diese werden bei der Modalanalyse ausgewertet. Rechnerische und messtechnische Modalanalysen liefern Näherungslösungen. Schwierigkeiten können dadurch bei der eindeutigen Zuordnung von gemessenen und berechneten Moden entstehen. Hier bietet das Verfahren der Modal Assurance Criteria (MAC) Unterstützung. Zur Durchführung der experimentellen Analyse ist zunächst ein geeignetes Netz von Mess‐ punkten auf der Struktur festzulegen. Damit wird auch die maximale Zahl von Freiheitsgraden des Modells festgelegt. Modalsysteme bieten meist die Möglichkeit, die Strukturgeometrie in einem Grafikeditor einzugeben oder sogar Bilder der Struktur für eine realistische Darstellung zu hinterlegen. Die Gesichtspunkte der Definition sind denen bei der BSA identisch (Abschnitt 9.6.2). 641 9.7 Modalanalyse Bild 9.19: Chladnische Klangfiguren (Quelle: Links: Flight W. A Chapter in the History of Meteorites. London: Dulau & Co., 1887. 224 p., Public domain, via Wikimedia Commons; rechts: William Henry Stone (1879) Elementary Lessons on Sound, Macmillan and Co., London, p. 26, fig. 12. Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) Zur Messung ist die obere Grenzfrequenz f max hinreichend hoch festzulegen. Dazu muss man eine Vorstellung von den dynamischen Eigenschaften der Struktur entwickeln. Im Zweifelsfall kann man diese Informationen aus einfachen Anschlagversuchen oder aus hochauflösenden Messungen der Betriebsschwingungen ableiten. 9.7.1 Experimentelle Modalanalyse (EMA) 9.7.1.1 Prinzipien der experimentellen Modalanalyse Bei der EMA wird die Struktur mit definierter Kraft angeregt, d. h. die anregende Kraft wird synchron mit der Schwingung messtechnisch erfasst. Im Gegensatz zur Betriebsschwingform‐ analyse und zur Betriebsmodalanalyse ist die experimentelle Modalanalyse nur bei stillstehender Maschine zu empfehlen. Die Anregung erfolgt vorwiegend über einen Impulshammer, alternativ kann sie über einen oder mehrere Shaker erfolgen. Die Schwingungen können als Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit oder Schwingbeschleunigung erfasst werden. Aus den Messungen werden die Übertragungsfunk‐ tionen nach Abschnitt 9.3 berechnet, die Validierung erfolgt über die Kohärenz (Abschnitt 9.5). Die Modalanalyse erfolgt zumeist über die Untersuchung der Frequenzgangfunktionen (FRF). Wie schon in den Grundlagen für den einfachen Schwinger erläutert, wird bei bestimmten Frequenzen die Schwingung verstärkt angeregt - man spricht von Eigenfrequenzen. Zu jeder dieser Eigenfrequenzen gehört eine struktureigene Schwingungsform, die Eigenform oder der Eigenmode. Eine elastische Struktur hat stets eine hohe Anzahl von Freiheitgraden der Bewegung (Multi Degree of Freedom, MDOF) und eine entsprechend hohe Anzahl von Eigenfrequenzen und Eigenmoden. Die Bestimmung von Eigenformen und Eigenmoden ist Ziel der Modalanalyse. Damit erhält man eine Reihe wichtiger Informationen, zum Beispiel ● Welche Anregungsfrequenzen sind zu vermeiden? ● Wie kann die Einleitung dynamischer Kräfte optimiert werden? ● Werden im Betrieb Resonanzen angeregt? ● Wie ist Resonanzanregung zu vermeiden? 642 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 9.7.1.2 Durchführung der experimentellen Modalanalyse Grundlegendes Verfahren der Modalanalyse ist die FFT, ermittelt werden die Übertragungsfunk‐ tionen von einem Anregungspunkt zu den einzelnen Messpunkten nach Betrag und Phase. Die Qualität, bzw. überhaupt die Gültigkeit jeder Messung muss laufend über die Kohärenz geprüft (validiert) werden. Bei der Impulshammermethode ist jeder Versuch über mehrere Schläge zu mitteln. Anhalts‐ werte sind 4 bis 6 Mittelungen. Damit lässt sich die Kohärenz gut überprüfen. Sie sollte möglichst über 0,8 liegen. Anmerkung: Eine Einzelmessung würde immer die Kohärenz 1 liefern - die Schwingung ist mit sich selbst identisch. Aus den Ergebnissen werden Eigenfrequenzen und Systemdämpfungen berechnet, die einzelnen Eigenmoden werden rechnerisch separiert (jede Schwingung der Struktur ist schließlich immer eine Linearkombination vieler Eigenmoden). Dazu werden die gemessenen Spektren durch die entsprechenden rechnerischen Simulationen eines idealen n-Massen-Schwingers angenähert - das sogenannte Curvefitting. Das Curvefitting liefert aus der FRF die modalen Parameter und die Zerlegung in einzelne Einheitsgradsysteme. Anmerkung: Der Begriff des Curvefitting ist eine anschauliche Namensgebung, siehe dazu auch Bild 9.21: Man nimmt an, dass jedes Maximum in der Übertragungsfunktion durch Anregung einer Eigenmode mit der entsprechenden Eigenfrequenz entstanden ist und approximiert dann das Modell eines Einmassenschwingers in der Umgebung dieser Frequenz. Als Ergebnis erhält man die Eigenfrequenzen und die zugehörigen Eigenmoden. Letztere werden meist als animierte Grafik dargestellt. Die Güte der Messung ist, wie zuvor schon erklärt, über die Kohärenz zu beurteilen. Bei schlechter Kohärenz sollte ggf. der Messort für den jeweiligen Punkt geändert werden. Im Prinzip wäre das System voll bestimmt, wenn durch Anregung an einem einzigen Punkt die Übertragungsfunktionen für alle Messpunkte erfasst sind. Während man früher bei solchen Systemanalysen den Schwingungsaufnehmer nach und nach an die verschiedenen Messpunkte setzte, bevorzugt man heutzutage fest mit Aufnehmern bestückte Messpunkte. Umgekehrt kann die Anregung (mit Impulshammer) auch von Punkt zu Punkt erfolgen, dann würde wieder eine Schwingungsmessung an einem einzigen Punkt genügen. Beide Verfahren sind in Bild 9.20 veranschaulicht. Nach dem Reziprozitätsprinzip, welches in der Einführung dieses Abschnitts erläutert wurde, sind beide Verfahren im Prinzip gleichwertig. Um die Bewegungen in allen Raumrichtungen zu erfassen, werden vorzugsweise triaxiale Schwingungsaufnehmer eingesetzt. Es genügt die Anregung in einer Schlagrichtung, man sollte jedoch bei der Wahl der Schlagrichtung die in der Struktur wirkenden Kraftrichtung verwenden. 643 9.7 Modalanalyse Bild 9.20: Modalanalyse mit Impulshammer In der Praxis bevorzugt man, alle signifikanten Messpunkte mit Schwingungsaufnehmern zu bestücken und auch in jedem Punkt anzuregen. Die dadurch bestimmten Übertragungsfunktionen sind aufgrund des Reziprozitätsprinzips zwar überbestimmt, über anschließende Ausgleichsrech‐ nungen lassen sich Ergebnisse optimieren. Für eine kalibrierte Bestimmung des modalen Ersatzsystems, also die Ermittlung von modalen Steifigkeiten und modalen Massen, muss eine Anregung in jedem der Punkte erfolgen. Aus diesen Ergebnissen können dann die Einflüsse von Modifikationen simuliert und in der Animation be‐ trachtet werden, zum Beispiel die Auswirkung von Versteifungen oder Zusatzmassen. Zusätzlich lässt sich daraus die Reaktion auf beliebige Erregerkräfte skaliert darstellen (Forced Response Simulation). Als Anschauungsbeispiel zeigt Bild 9.21 die gemessene Übertragungsfunktion eines Systems mit drei Freiheitgraden sowie das Ergebnis eines Curvefittings. Eingetragen sind dort die Moden 1, 2 und 3 in blauer, roter und grüner Farbe. Bild 9.21: FRF und Curvefitting mit 3 Freiheitsgraden Man kann die einzelnen Moden interpretieren als jeweilige Übertragungsfunktion eines linearen Einmassenschwingers. In den Eigenfrequenzen wird das System optimal angenähert. Das Ermitteln der modalen Parameter ist für komplexe Geometrien keine einfache Aufgabe, und erfordert eine entsprechend aufwändige Messtechnik. Neben einachsigen und mehrachsigen Beschleunigungssensoren werden zunehmend auch optische Verfahren wie Laser-Doppler-Scan‐ ning Vibrometer eingesetzt, letzteres vor allem für schwer zugängliche Messstellen. Diese Verfah‐ 644 9 Anlagenprüfung und Diagnostik 56 Structural Health Monitoring ren erlauben es, Eigenschwingungsformen direkt zu veranschaulichen und damit Schwachstellen zielsicher zu identifizieren. 9.7.2 Betriebsmodalanalyse (OMA) Die Betriebsmodalanalyse (Operational Modal Analysis, OMA) wird für Systemanalysen einge‐ setzt, wenn bei Strukturen eine Anregung durch Impulshammer oder Shaker zu aufwändig oder praktisch überhaupt nicht möglich ist. Bei der Betriebsmodalanalyse versucht man, geeignete, beim Betrieb auftretende Erregerkräfte zu benutzen, die bekannt sind und reproduzierbar wirken. Die Strukturschwingungen werden wie bei der EMA gemessen. Nachteilig ist bei der Betriebsmodalanalyse, dass die Anregungskräfte quantitativ nicht bekannt sind. Wenn jedoch folgende Voraussetzungen erfüllt sind, lassen sich trotzdem modale Eigen‐ schaften ermitteln: ● Die Charakteristik der Eingangskräfte ist zufällig, breitbandig und gleichmäßig. ● Die Kräfte sind untereinander nicht korreliert. ● Die Verteilung ist auch in räumlicher Hinsicht zufällig. Anmerkung: Relativ gut sind diese Voraussetzungen bei Windenergieanlagen erfüllt, da hier naturbedingt breitbandige zufällige Windanregungen wirken. Condition Monitoring Systeme, die auch SHM-Funktionalitäten 56 haben, nutzen diese Besonderheit sogar im Condition Monitoring Prozess aus. Die modalen Eigenschaften umfassen in erster Linie Eigenfrequenzen, Dämpfungsgrade und Modenformen. Eine ordnungsgemäße Identifizierung der Moden erfordert, dass die spektralen Eigenschaften der gemessenen Schwingungen durch die Struktur und nicht durch die Anregung geprägt sind. Unter diesen Annahmen werden die Leistungsspektren der erregenden Kräfte geschätzt, die Analyse wird auf Basis dieser Schätzungen durchgeführt. Die Identifizierung modaler Eigenschaften anhand von Umgebungsdaten bringt jedoch eine Reihe von Einschränkungen mit sich: ● Die Identifikationsmethoden sind aufwändiger. Da die Erregung nicht gemessen wird, muss sie bei der Entwicklung der Identifikationsmethode modelliert werden (durch einen stochastischen Prozess). Oder ihre dynamischen Auswirkungen auf die gemessene Reaktion müssen eliminiert werden, sodass die ermittelten Eigenwerte ausschließlich auf den modalen Eigenschaften der Struktur beruhen. ● Da keine Informationen über die Erregung vorhanden sind, können die identifizierten mo‐ dalen Eigenschaften erhebliche Unsicherheiten aufweisen. Insbesondere sind die Ergebnisse nur so gut wie die Annahme über Breitbandanregung. ● Die identifizierten modalen Eigenschaften spiegeln nur die Eigenschaften bei der Umge‐ bungsanregung wider, die in der Regel niedriger ist als die Gebrauchstauglichkeit. Dies gilt insbesondere für die Dämpfungscharakteristik, die im Allgemeinen amplitudenabhängig, also nichtlinear sein könnte. Da die erregenden Kräfte bei dieser Methode nicht bekannt sind, ist es ledig möglich, die modalen Eigenschaften, also Eigenfrequenzen, Strukturmoden und Dämpfungen zu schätzen. 645 9.7 Modalanalyse Eine Simulation von Strukturmodifikationen oder Reaktion auf Erregerkräfte ist auf dieser Basis nicht möglich. Zur Unterstützung werden auch Plausibilitätsannahmen über die Struktur eingebracht. Solche Methoden wurden schon in Abschnitt 0.10.1.3 unter dem Begriff Maximum Likelihood-Methode vorgestellt. Die Basis solcher Annahmen hat entweder konstruktive Hintergründe (man weiß, dass das eine Rotorblattschwingung sein muss) oder basiert auf dem Vergleich mit gleichartigen Strukturen; letzteres spielt vor allem im Zusammenhang mit Serienversuchen eine bedeutende Rolle. Anmerkung: Die Wahrscheinlichkeit, die Plausibilität einer Aussage im Licht neuer Erkennt‐ nisse zu bewerten, geht auf den englischen Mathematiker Thomas Bayes zurück, man spricht in diesem Zusammenhang von Bayesscher Statistik oder Bayesscher Wahrscheinlichkeit. Sie ist weniger ein Begriff klassischer Wahrscheinlichkeit und wäre eher als relative Häufigkeit zu interpretieren. Der Begriff soll hier lediglich zitiert, aber nicht weiter vertieft werden. Mit Hilfe solcher Plausibilitätsansätze wurde diese Methodik auch für Betriebsschwingungen entwickelt, wo die Anregung zwar gleichmäßig über einen weiten Frequenzbereich, jedoch keineswegs stochastisch erfolgt, zum Beispiel bei Hochlaufversuchen am Prüfstand. Der wesentliche Vorteil dieser Methodik ist in der Wirtschaftlichkeit der Implementierung zu sehen, da eben nur die (Ausgangs-)Schwingungen der Struktur gemessen werden müssen. Neben den Windenergieanlagen ist dies besonders vorteilhaft für Ingenieurbauwerke (zum Beispiel Gebäude oder Brücken), bei denen es teuer oder störend sein kann, freie Schwingungs- oder Zwangsschwingungsversuche (mit definierter Erregung) durchzuführen. Die typische Datenausgabe ist die animierte Darstellung der Eigenmoden am Bildschirm in Zeitlupe, die Eigenfrequenz wird im Bild alphanumerisch angezeigt. Ist die Darstellung von der bildlichen Seite nicht zufriedenstellend, können rein geometrisch Zwischenpunkte der Struktur definiert werden, deren Messergebnisse durch Interpolation aus benachbarten, gemessenen Punkten emuliert werden (sogenannte Constraints). Wegen der Frequenzselektivität lassen sich lediglich parallelogrammartige Bewegungen dar‐ stellen, Drehbewegungen würden den Einbezug von Harmonischen erfordern. Einen Ausweg bildet die Definition von Starrkörpermoden, wobei meist kleinere Substrukturen als Starrkörper mit jeweils 6 Freiheitsgraden der Bewegung modelliert werden (zum Beispiel die Lichtmaschine an einem Motor). Die meisten kommerziellen Modalsysteme bieten diese Option an. 9.7.3 Modalanalyse und Betriebsschwingformanalyse Betriebsschwingformanalyse (BSA) und Modalanalyse weisen viele Ähnlichkeiten auf, die vor allem bei der Betrachtung animierter Darstellungen ins Auge springen. Nicht zuletzt auch wegen der Ähnlichkeit im Versuchsaufwand (Messgitter, Schwingungsmesspunkte, Constraints etc.) wird man beide Verfahren oft gekoppelt einsetzen. Eine typische Fragestellung ist, ob eine konkrete Schwingungsform sich in einem Resonanz‐ zustand befindet. Die BSA allein kann darauf keine fundierte Antwort liefern, da für Resonanzen die Phasenlage zwischen Erregung und Schwingungsantwort das entscheidende Kriterium ist. 646 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Den besten Hinweis auf Resonanzen wird der Vergleich beider Animationen liefern. Bei der Beurteilung ist jedoch einschränkend folgendes zu beachten: ● Bei der Modalanalyse sind die Ergebnisse lediglich bei den Resonanzfrequenzen gültig. ● Die Betriebsschwingformanalyse zeigt immer, auch im Resonanzfall, die Summe aller angeregten Moden - wenn auch im letzteren Fall die resonierende Mode überwiegen wird. ● Der vorhergehende Punkt gilt auch, wenn man bei der BSA direkt mit der Eigenfrequenz anregt. 9.7.4 Modalanalyse und FEA Die Methode der Finiten Elemente, kurz FEA ist ein numerisches Verfahren zur Berechnung komplexer Strukturen vorwiegend für Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen. Dazu wird die Struktur rechnerisch in kleine Substrukturen, eben die Finiten Elemente (zum Beispiel Tetraeder) zerlegt, die in ihren Eckpunkten gekoppelt sind. Innerhalb des Elements wird ein Ver‐ formungsgesetz, zum Beispiel lineare Verformung angesetzt. Die Festigkeitsberechnung erfolgt über die Lösung eines (sehr großen) linearen Gleichungssystems. Man erkennt die Affinität zur Modalanalyse. Ein wesentlicher Unterschied liegt in der Dichte und damit natürlich in der Anzahl der diskreten Punkte zur Modellierung der Struktur. Durch Datenreduktion oder, mathematisch gesehen, eine Reduktion der Matrizen entsprechend einer Reduktion der Stützpunkte, kann die FE-Rechnung auch auf das modale System abgebildet werden. Dann lassen sich FEA und Modalanalyse zur gegenseitigen Validierung einsetzen. Bezüglich Beispielen sei auf die umfangreiche Fachliteratur verwiesen. 9.8 Torsionsschwingungen Rotierende Maschinenkomponenten, die unter zeitlich wechselnder oder stoßartiger Beanspru‐ chung stehen, können zu torsionalen Schwingungen (Drehschwingungen) angeregt werden, was angefangen von Geräuscherscheinungen (Getrieberasseln) bis hin zum Bruch dynamisch besonders beanspruchter Komponenten führen kann. Dass diesem Typ von Schwingungen in der Vergangenheit nicht die entsprechende Aufmerksamkeit geschenkt wurde, liegt vorwiegend in der vergleichsweise aufwändigen Messtechnik. Heute stellt sich die Sachlage anders dar. Ursprünglich als Königsdisziplin geführt (der Name allein spiegelt die Entwicklung wider), zählen heute Messung und Analyse von Torsionsschwingungen zum Tagesgeschäft. 9.8.1 Erscheinungsbild und Bedeutung An und in rotierenden Maschinen werden immer auch Torsionsschwingungen angeregt. Am meisten sind davon Assets mit Verbrennungsmaschinen betroffen, da solche Schwingungen speziell bei Kolbenmaschinen schon rein funktionell, also nicht erst als Fehler auftreten. In großen, direkt gekuppelten Dampfturbinensätzen besteht ein gewisses Risiko, dass Torsionsschwingungen durch elektrische Stördrehmomente entstehen. Man unterscheidet dabei zwischen kurzzeitig wirkenden Einflüssen großer Stördrehmomente (zum Beispiel Kurzschlüsse, Fehlsynchronisation) und lang‐ zeitigen Einflüssen kleiner Drehmomente (Netzanregungen, Einflüsse aus langen Übertragungslei‐ tungen, Schieflasten). Liegen Torsionseigenfrequenzen in der Nähe der doppelten Netzfrequenz, können durch elektrische Schieflasten sogar Schaufelschäden in der Dampfturbine entstehen. 647 9.8 Torsionsschwingungen (9.11) Bei umrichtergesteuerten Antrieben können ebenso gefährliche Drehschwingungen in den ro‐ tierenden Komponenten angeregt werden. Empfänglich für Drehschwingungen sind Maschinen mit sehr nachgiebigen Kupplungen oder mit torsionsweichen Wellen, weshalb Drehschwingungs‐ berechnungen bei solchen Antriebssystemen schon im Entwicklungsstadium erfolgen müssen. Bei Drehschwingungsgefahr sollten Drehschwingungsmessungen ausgeführt und ggf. gezielte Abhilfemaßnahmen getroffen und in ihrer Wirkung überprüft werden. Besonders gefährlich können Kopplungen zwischen Biege- und Torsionsschwingungen wer‐ den, da diese eher schwer identifizierbar sind. Der in Bild 9.22 gezeigte Vergleich veranschaulicht den Unterschied zwischen Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen für die jeweils ersten beiden Moden. Bild 9.22: Vergleich von Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen 9.8.2 Analyse von Torsionsschwingungen Torsionsschwingungen erstrecken sich immer über das gesamte System. Den Untersuchungen wird zumeist ein lineares und ungedämpftes System zugrunde gelegt, bestehend aus: ● diskret verteilten Massen, modelliert als starre Scheiben sowie ● Federelementen, modelliert als masselose elastische Wellen. Für jede Masse (Scheibe) müssen die polaren Massenträgheitsmomente und die Drehsteifigkeiten zwischen den Massen ermittelt werden. Bei getriebegekoppelten Systemen sind Trägheitsmo‐ mente und Steifigkeiten auf eine Referenzwelle nach folgenden Gleichungen zu konvertieren: J red = ωr ef ω J k r ed = ωr ef ω k 648 9 Anlagenprüfung und Diagnostik (9.12) Die gesamte Drehsteifigkeit in einem Antriebsstrang entspricht der Serienschaltung von Federn 1 kges = 1 k1 + 1 k2 + ⋯ Torsionsschwingungen lassen sich in erster Näherung durch ihre Frequenz und ihrer Schwin‐ gungsform beschreiben. Abhängig vom Schwingungssystem können jedoch zahlreiche Eigen‐ frequenzen und Eigenmoden mit ganz unterschiedlichen Verteilungen von kinetischer und potenzieller Energie im modellierten Ersatzsystem auftreten. Veranschaulicht sei das Vorgehen bei solchen Systemanalysen nachfolgend für einen getriebe‐ losen Schiffshauptantrieb mit Dieselmotor. Das in Bild 9.23 modellierte Drehschwingungssystem besteht aus einem Drehschwingungs‐ dämpfer, mehreren Kurbeltrieben (Kurbelwelle mit Pleuel und Kolben), Schwungmasse, elasti‐ scher Kupplung und der Propellerwelle mit Propeller und einem gewissen Anteil der dynamischen Wasserlast (Masse). Die Stellen größter Torsionsbeanspruchung liegen jeweils in den Knoten der Schwingungsform, das entspricht den Stellen größter potenzieller Energie. Signifikante Anregungen bestehen an den Stellen größter kinetischer Energie. Der Knoten liegt hier zwischen den modellierten Massen 6 und 7, das entspricht der elastischen Kupplung. Besonders anregend wirkt die Masse 8, in diesem Beispiel der Propeller. Welche Anregungen einwirken und welche Beanspruchungen auftreten, lässt sich über weiterführende Simulationsberechnungen ermitteln. Bild 9.23: Eigenschwingungsform bei der ersten Eigenfrequenz Mit Drehmoment- und Drehwinkelmessungen lassen sich solche Simulationsberechnungen sehr gut validieren. Erfahrungsgemäß sollte an mindestens zwei Stellen des Drehschwingungssystems gemessen werden. Des Weiteren ist bei der Messstellenwahl zu beachten, dass auch eine hinrei‐ chende dynamische Anregung für nachträgliche Schwingformbetrachtungen vorhanden ist. 649 9.8 Torsionsschwingungen Bild 9.24 zeigt Vorbereitungen für eine solche Messung mit Dehnmessstreifen auf einer drehenden Welle. Bild 9.24: Applikation von DMS an der Eintriebswelle eines Getriebes 650 9 Anlagenprüfung und Diagnostik Abschnitt F Normen und Standards ● DIN und DIN ISO-Normen ● ISO-Normen ● VDI-Richtlinien ● Weitere Standards Bild 10.1: Beuth und Humboldt (DIN Berlin) 10 Referenzstandards Standards, Normen und Richtlinien kommt in der Zustandsüberwachung, im Instandhal‐ tungsmanagement und in Reliability-Program‐ men mittlerweile eine hohe und weiter stei‐ gende und vertrauensbildende Bedeutung zu - das nicht nur wegen der zunehmenden Globa‐ lisierung und Digitalisierung. Solche Doku‐ mente beschreiben technische Anforderungen und umfassendes Wissen, die in einem univer‐ sellen Werk, wie es dieses Buch bietet, nicht in voller Breite angeboten werden kann. Es emp‐ fiehlt sich daher, im Einzelfall die einschlägi‐ gen Normen heranzuziehen, ganz gleich, ob es in Richtung Zustandsüberwachung, zur Erstel‐ lung von Lastenheften, für Abnahmemessun‐ gen oder zur Schwingungsanalyse im Zuge eines präventiven Konzepts gehen soll. Ein Doppelstandbild, das Beuth im Gespräch mit Wilhelm von Humboldt zeigt, befindet sich seit 1987 vor dem Deutschen Institut für Normung (DIN) in der Burggrafenstraße in Berlin-Tiergarten. Die beiden Standbilder sind Abgüsse der Assistenzstandbilder aus dem von Gustav Hermann Blaeser entworfenen Figurenprogramm am Sockel des Reiterstandbildes des Preußenkönigs Friedrich Wilhelm III. in Köln. Zum Thema schwingungsbasierte Zustandsüberwachung existiert ein sehr breitgestreutes Normenwerk an nationalen und internationalen Standards und Richtlinien. Ursprünglich hervor‐ gegangen aus zwei VDI-Richtlinien, über welche im Frühstadium der Schwingungsüberwachung einschlägige industrielle Erfahrungen systematisch erfasst und statistisch ausgewertet wurden, ist ein DIN ISO-Normenwerk gewachsen, welches diese Thematik in umfassenden Regeln zusam‐ menstellt. Einige Grundkenntnisse dazu, aber auch Ausblicke auf aktuelle Entwicklungen sollen in diesem Abschnitt vermittelt werden. Vorab erwähnt sei, dass die meisten schwingungsbasierten Normen vom NALS-Fachausschuss des ISO betreut und gepflegt werden. Es existieren aber auch Schwingungsnormen von IEC-Arbeitsgruppen und von assetspezifischen Fachausschüssen. Das führte allerdings dazu, dass nicht für alle Maschinengruppen einheitliche, logisch geordnete Standards zur Verfügung stehen. Fallweise existieren dadurch auch unterschiedliche Bewertun‐ gen, was bei der Schwingungsanalyse sorgfältig berücksichtigt werden sollte. Es darf aber in diesem Zusammenhang nicht unerwähnt bleiben, dass internationale Normen auch einen gewissen Wettbewerbscharakter besitzen. Verwiesen sei hier zum Beispiel auf Schwingungsstandards von API, ASTM und NEMA. Man sollte deshalb prüfen, was in der Lieferanten-Betreiber-Beziehung zum Beispiel für Schwingungsabnahmen vereinbart wurde. In der Praxis sollte man Standards gezielt auswählen und mit dem Lieferanten vorab abstimmen. In diesem Abschnitt des Buches werden hauptsächlich die wichtigsten schwingungsbasierten ISO-Standards sowie einschlägige VDI-Richtlinien vorgestellt. Wegen der Vielzahl werden nur einige ausgewählte Standards auszugsweise beschrieben und kommentiert. Wie breit der hierar‐ chische Aufbau des Normensystems noch sein kann, ist in Bild 10.2 grafisch veranschaulicht. 57 Eingeschlossen sind die derzeit noch nicht aktualisierten Vorgängerdokumente der Normenreihen DIN ISO 10816 und DIN ISO 7919. Bild 10.2: Der hierarchische Aufbau des Normensystems Anmerkung: Auf der Homepage des Beuth-Verlages findet man ein Verzeichnis aller gül‐ tigen Ausgaben von Normen und VDI-Richtlinien mit Kurzbeschreibung, Inhaltsverzeichnis und Querbeziehungen zu anderen Normen, die als wertvolle und vor allem stets aktuelle Ergänzung der Ausführungen dieses Buches herangezogen werden können. Einleitend wird im ersten Block die Normenreihe DIN ISO 20816, Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen etwas ausführlicher behandelt 57 . Insbesondere wird hier die Bewertungsphilosophie mit einer Zusammenstellung der wichtigsten Grenzwerte erläutert. Sie bilden das Rückgrat der gesamten Bewertungsstrategien. Der darauf‐ folgende tabellarische Überblick über das Normenwerk bezieht sich auf die Tabellen B.1 und B.2 im Anhang der Norm DIN ISO 18436-2, auf Verweise aus dem übergeordneten Dokument DIN ISO 17359 sowie auf diverse Zitate in diesem Buch. Sofern die zitierten ISO-Dokumente zwischenzeitlich als DIN ISO-Normen, also in deutscher Übersetzung, erschienen sind, werden letztere in der Liste vorgezogen. 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Bei DIN ISO-Dokumenten handelt es sich durchwegs um internationale Normen. Übergeord‐ net sind ISO-Normen. DIN ISO-Normen gleicher Nummer sind Übersetzungen der jeweiligen ISO-Norm, also im Prinzip inhaltsgleich. Zulässig sind lediglich nationale Vorworte und Hinweise in der entsprechenden Version. Existiert eine ISO-Norm ohne entsprechende DIN ISO-Norm, kann das bedeuten, dass diese Norm für Deutschland entweder nicht relevant ist oder dass der verantwortliche Fachausschuss 653 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen auf eine Übersetzung in die deutsche Sprache verzichtet hat. Eine Anwendung ist jedoch trotzdem zu empfehlen, um die Erfüllung anerkannter Regeln der Technik sicherzustellen. DIN-Normen sind nationale Dokumente. 10.1.1 Grundlegende Dokumente Übergeordnetes Dokument (umbrella document) für die Zustandsüberwachung ist die Norm DIN ISO 17359. In diesem Dokument werden sowohl die grundsätzlichen Verfahren beschrieben als auch ein Überblick über die relevanten einschlägigen Normen zur schwingungsbasierten Zustandsüberwachung gegeben. Beiblatt 1 zu DIN ISO 17359 bringt eine vollständige Zusammenstellung einschlägiger Begriffe mit englischen Übersetzungen. 10.1.2 Breitbandüberwachung Die Breitbandüberwachung ist eines der wichtigsten Standbeine der Bewertung und Beurteilung von Schwingungen in internationalen und nationalen Normen. Sie wird im industriellen Bereich am meisten eingesetzt. Wegen der Bedeutung werden die Normen zur Breitbandüberwachung hier nicht nur zitiert, sondern beispielhaft erläutert. Damit soll ein Einblick in die Struktur, aber auch in die Bedeutung von Normen in der modernen Technik vermittelt werden. Für den praktischen Einsatz, vor allem, was die vollständigen Definitionen, die Vorgaben über Messverfahren, Wahl der Messorte etc. betrifft, wird es jedoch unumgänglich sein, diese Dokumente im Bedarfsfall zu erwerben und im Original heranzuziehen. In diesen Normen sind vielfach auch Abnahmerichtlinien festgeschrieben und es werden entsprechende Anweisungen zu Messdurchführung und zur Bewertung gegeben. Sie bieten aber auch eine Orientierungsgrundlage für die Festlegung von Grenzwerten in Vertragsverhandlungen zwischen Maschinenhersteller und Abnehmer (Betreiber). 10.1.2.1 Allgemeines Verfahren und Grenzwerte für die Breitbandüberwachung sind ursprünglich in den Normen‐ reihen DIN ISO 10816 und DIN ISO 7919 festgelegt. Die Reihe 10816 befasst sich mit der Messung und Beurteilung von Schwingungen an nicht-rotierenden Teilen (umgangssprachlich auch Lagerschwingungsmessung), die Reihe 7919 von Schwingungen an rotierenden Wellen (Wellenschwingungsmessung). Die beiden genannten Normenreihen wurden jeweils in einer Reihe von nach Maschinen‐ gruppen spezifizierten Teilen herausgegeben. Beide Reihen laufen weitgehend parallel, jedoch entsprechend ihrer Definition mit unterschiedlichen Beurteilungskriterien. Zur Beurteilung sind prinzipiell jeweils beide Teile parallel heranzuziehen, die Beurteilung hat dann immer nach dem schärferen Kriterium zu erfolgen. Da diese Regelung nur schlecht praktikabel ist, werden aktuell die beiden parallelen Teile in einer Neufassung zur Reihe DIN ISO 20816 zusammengefasst, siehe Tabelle 10.1. Die Vorgangsweise: Sobald ein neuer Teil erschienen ist, werden die ursprünglichen Teile zu‐ rückgezogen und damit obsolet. Die Ausführungen dieses Buches berücksichtigen ausschließlich die zur Zeit der Erstellung gültigen Ausgaben. 654 10 Referenzstandards 58 Die Vorgängerversionen werden damit automatisch ungültig. DIN ISO Titel DIN ISO neu Titel 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen → DIN ISO 20816 Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen 7919 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an rotierenden Wellen Tabelle 10.1: Struktur der Normen zur breitbandigen Bewertung von Schwingungen Im weiteren Verlauf dieses Abschnitts werden einige Normen beispielhaft zumindest auszugs‐ weise beschrieben. Sofern ein Teil bereits in der Version 20816 erschienen ist 58 , wird auf diesen Bezug genommen. Wurde diese Version noch nicht veröffentlicht, werden parallel die entspre‐ chenden Teile der Reihen DIN ISO 10816 und 7919 behandelt. ACHTUNG: WIRD AUF EINE DER LETZTGENANNTEN NORMEN BEZUG GENOMMEN, SO SOLLTE MAN SICH ZUVOR VERGEWISSERN, OB DER ENTSPRECHENDE TEIL ALS VERSION 20816 MITTERWEILE ERSCHIENEN IST UND WAS URSPRÜNGLICH IN DEN VERTRÄGEN VEREINBART WURDE! 10.1.2.2 Die Normenreihe zur Breitbandüberwachung Zunächst findet man in Tabelle 10.2 eine Liste der einschlägigen Normen mit den Bezeichnungen. Dann erfolgen als Zitat Kurzkommentare aus einigen Normen mit ergänzenden Erläuterungen. DIN ISO 20816-1 - Allgemeine Anleitungen Zitat aus der Einleitung zu DIN ISO 20816-1 Dieser Teil von ISO 20816 ist eine Grundnorm, die allgemeine Anleitungen für die Messung und Bewer‐ tung mechanischer Schwingungen von Maschinen festlegt, wenn die Schwingungen an rotierenden und an nicht-rotierenden (und sofern zutreffend, an nicht-oszillierenden) Bauteilen von vollständigen Ma‐ schinen gemessen werden, wie etwa an Wellen oder Lagergehäusen. Empfehlungen für die Messung und Bewertungskriterien bei speziellen Maschinenarten werden in weiteren Teilen von ISO 20816 gegeben, sobald sie als Ersatz der entsprechenden Teile von ISO 7919 und ISO 10816 verfügbar sind. ISO/ TR 19201 enthält einen Überblick über diese und weitere Normen zu Maschinenschwingungen. Bei einigen Maschinen sind Messungen an nicht-rotierenden Bauteilen ausreichend, um ihre Laufgüte im Hinblick auf einen störungsfreien Betrieb zutreffend zu beschreiben. Es gibt aber auch Maschinenar‐ ten, wie Dampfturbinen, Gasturbinen und Turbokompressoren, bei denen mehrere Eigenformen im Be‐ triebsdrehzahlbereich liegen können und bei denen Messungen an Gehäuseteilen, wie zum Beispiel La‐ 655 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Übertitel Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen DIN ISO 20816-1 Allgemeine Anleitungen DIN ISO 20816-2 Stationäre Gasturbinen, Dampfturbinen und Generatoren über 40 MW mit Gleitlagern und Nenndrehzahlen von 1500 min -1 , 1800 min -1 , 3000 min -1 und 3600 min -1 DIN ISO 10816-3* Industrielle Maschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 min -1 und 15000 min -1 bei Messungen am Aufstellungsort DIN ISO 7919-3** Gekuppelte industrielle Maschinen DIN ISO 20816-4 Gasturbinen über 3 MW mit Gleitlagern DIN ISO 20816-5 Maschinensätze in Wasserkraft- und Pumpspeicheranlagen DIN ISO 10816-6 Hubkolbenmaschinen mit einer Leistung über 100 kW DIN ISO 10816-7 Kreiselpumpen für den industriellen Einsatz DIN ISO 20816-8 Hubkolbenkompressoren DIN ISO 20816-9 Getriebe DIN ISO 10816-21 Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse und Getriebe * Übertitel Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen ** Übertitel Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an rotierenden Wellen Tabelle 10.2: Normen zur breitbandigen Bewertung von Schwingungen gergehäusen, die Laufgüte der Maschine nicht unbedingt zutreffend beschreiben, auch wenn diese Messungen nützlich sind. Solche Maschinen haben im Allgemeinen Wellenstränge mit nachgiebigen Ro‐ toren und Änderungen des Schwingungszustands können mit größerer Zuverlässigkeit und Empfind‐ lichkeit durch Messungen an den rotierenden Teilen erkannt werden. Maschinen mit relativ steifem und schwerem Gehäuse im Vergleich zur Rotormasse sind typisch für solche Maschinenklassen, bei denen häufig Wellenschwingungsmessungen bevorzugt werden. Schwingungsmessungen werden zu verschiedenen Zwecken ausgeführt, die von der routinemäßigen Überwachung des Betriebszustands und von Abnahmeprüfungen über Versuche zur Weiterentwicklung bis zu diagnostischen und analytischen Untersuchungen reichen. Diese verschiedenen Ziele einer Messung führen zu zahlreichen Unterschieden bei den Verfahren zur Interpretation und Bewertung. Um die Anzahl solcher Unterschiede zu begrenzen, ist dieser Teil von ISO 20816 dafür konzipiert, Anleitungen hauptsächlich für die Betriebsüberwachung und Abnahmeprüfung zu geben. Der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit wird bei der normativen breitbandigen Lager‐ schwingungsbewertung am meisten verwendet. Bei einigen Maschinengruppen erfolgen Bewer‐ tungen zusätzlich noch anhand von Beschleunigungen (zum Beispiel Windenergieanlagen), 656 10 Referenzstandards Zone Beschreibung A Die Schwingungen neu in Betrieb gesetzter Maschinen liegen gewöhnlich in dieser Zone. B Maschinen, deren Schwingungen in dieser Zone liegen, werden üblicherweise als geeignet angesehen, ohne Einschränkungen im Dauerbetrieb zu laufen. C Maschinen, deren Schwingungen in dieser Zone liegen, werden üblicherweise als nicht geeignet angesehen, ständig im Dauerbetrieb zu laufen. Im Allgemeinen darf die Maschine aber für eine begrenzte Zeit in diesem Zustand betrieben werden, bis sich eine günstige Gelegenheit für Abhilfemaßnahmen ergibt. D Schwingungswerte innerhalb dieser Zone werden üblicherweise als so gefährlich angesehen, dass Schäden an der Maschine entstehen können. Tabelle 10.3: Bewertungszonen zur breitbandigen Beurteilung von Schwingungen nach DIN ISO 20816 Schwingwegen (zum Beispiel Hubkolbenkompressoren) oder 0-p-Spitzenwerten (zum Beispiel Verbrennungsmaschinen). Bei Wellenschwingungen werden vorwiegend die Spitze-Spitze-Werte des Schwingwegs nor‐ mativ bewertet. Die breitbandige Beurteilung basiert auf Schwingungsmessungen über maschinenspezifisch definierte Frequenzbereiche. Zur Amplitudenbewertung wird das jeweilige Kennfeld der Schwin‐ gungen in zumeist vier Zonen unterteilt, siehe Bild 10.3. Die vorwiegend verwendete Beschrei‐ bung der Zonen ist in Tabelle 10.3 zusammengefasst. Das „Vorwiegend“ bezieht sich auf die neue DIN ISO 20816-5, wo bei Überschreitung der Zonengrenzen auch Maßnahmenstufen empfohlen werden, um Schwingungsprobleme gezielt und konstruktiv in gemeinsamer Zusammenarbeit zwischen Anlagenhersteller und Betreiber zu ergründen. Bild 10.3: Verallgemeinerte Bewertungszonen für Schwingungen nach DIN ISO 20816 657 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Die Zahlenwerte für die Zonengrenzen sind in den Teilen der Norm 20816 für bestimmte Maschi‐ nen- und Anlagengruppen festgelegt. Für Maschinen und Maschinenanlagen, deren Bewertung nicht durch spezielle Normenteile abgedeckt ist und auch keine Erfahrungswerte vorliegen, gelten die Richtwerte für Gehäuseschwingungen nach Tabelle C.1 in Anhang C von DIN ISO 20816-1. Kleine Maschinen liegen dabei eher am unteren Ende des jeweiligen Bereichs, große Maschinen mehr am oberen Ende. Für Wellenschwingungen sind solche allgemeinen Grenzwerte nicht angegeben. Erwähnt sei an dieser Stelle, dass die Zonen A und B bei der Bewertung oft zusammengefasst werden. Dies ist darin begründet, dass Maschinenschwingungen sich umgebungsbedingt erhöhen können und dass die meisten Maschinen bei bestimmungsgemäßem Betrieb nur unwesentlich verschleißen. Zusätzlich werden in den meisten Standards noch Empfehlungen gegeben für die Festlegung von Grenzen für ● ALARM und ● ABSCHALTUNG. Erläuterungen zu einigen Normen Um einen gewissen Einblick zu eröffnen, werden nachfolgend für ausgewählte Maschinengrup‐ pen Referenzstandards ausschnittsweise vorgestellt. Zuerst wird DIN ISO 20816-5 anhand von vertikalen Francis-Turbinen erläutert, dann auf Besonderheiten der DIN ISO 10816-7 für Kreisel‐ pumpen hingewiesen, danach wird DIN ISO 20816-8 für Hubkolbenkompressoren kurz diskutiert. Als vierte Anwendung wird die Norm ISO 14694 für die schwingungstechnische Bewertung der industriellen Lüfter beispielhaft vorgestellt. Diese Anwendungsbeispiele sollen vor allem Bedeutung und Praxisnähe solcher Normen untermauern. Anwendung 1: DIN ISO 20816-5 - Maschinensätze in Wasserkraft- und Pumpanlagen Zitat aus der Einleitung zu DIN ISO 20816-5 Der vorliegende Teil von ISO 20816-5 enthält maschinenspezifische Anleitungen für Gehäuse- und Wellenschwingungen von Maschinensätzen, die in Wasserkraft- und Pumpspeicheranlagen installiert sind…. Um herauszufinden, ob das Schwingungsverhalten einer Wasserkraftanlage gut ist, ist es wesentlich, die folgenden Aspekte zu betrachten: - Die Größe der relativen Wellenschwingungen - Die Größen der Lagergehäuseschwingungen - Den prozentualen Anteil des in Anspruch genommenen Führungslagerspiels im kalten Zustand Die Betriebstemperatur der metallischen Teile der Führungslager Die Betriebsparameter (Fallhöhe und Durchfluss oder Fallhöhe und Leistung), um sich zu vergewissern, dass die Maschine im üblichen Arbeitsbereich läuft. Nach dem Lesen dieser relativ neuen Norm wird man folgern, dass die DIN ISO 20816 Teil 5 eine gewisse Vorreiterrolle innerhalb der 20816-Reihe darstellt. Sie behandelt sehr umfassend die Variantenvielfalt solcher Anlagen (siehe dazu auch Abschnitt 7.3.5), fordert ein konsequentes Betrachten von Wellen- und Gehäuseschwingungen und von Maschinenparametern, definiert ausreichend breite Frequenzbänder und auch längere Messzeiten und vor allem, sie liefert mit 658 10 Referenzstandards Gruppeneinteilung von Wasserkraftanlagen nach DIN ISO 20186-5 Gruppe 1 Horizontale Maschinensätze mit Lagerständern oder Schildlagern Gruppe 2 Horizontale Maschinen, bei denen die Lager gegen das Gehäuse der Wasserkraftmaschine verspannt sind Gruppe 3 Vertikale Maschinensätze, bei denen die oberen Lagergehäuse gegen das Fundament verspannt sind Gruppe 4 Vertikale Maschinensätze, bei denen die oberen Lagergehäuse vom Stator des Generators abgestützt werden T oder P Turbinen- oder Pumpenführungslager GE - DE Lager auf der Antriebsseite des Generators GE - NDE Lager auf der nicht angetriebenen Seite des Generators Tabelle 10.4: Gruppeneinteilung der Wasserkraftanlagen und Legenden der Tabellen den Maßnahmenstufen auch neue, präventive Ansätze zur Schwingungsursachenanalyse durch den Hersteller in Zusammenarbeit mit dem Betreiber. Das grundlegende Zonenkonzept wurde beibehalten, jedoch inhaltlich angepasst. Die Vielfalt von Wasserkraftanlagen spiegelt sich in der Norm in einer entsprechenden Auswahl von Tabellen mit Bewertungsgrenzen wider. Die dort vorgenommene Gruppeneinteilung und die Legenden sind in Tabelle 10.4 zusammengestellt. Die Norm enthält darüber hinaus eine Reihe von normativen und informativen Anhängen mit ausführlichen Erläuterungen. Eine inhaltliche Zusammenstellung bringt Tabelle 10.5. Es würde den Rahmen dieses Buches sprengen, Ausführungen in voller Tiefe hier einzuarbeiten. Es sei daher explizit auf das Dokument verwiesen. 659 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Thema Status Anhang Grenzen der Bewertungszonen normativ A Anwendung festgelegter Grenzwerte und Maßnahmen A.1 Maßnahmenstufen für die Schwingungen A.2 Maßnahmen nach Überschreiten der Maßnahmenstufen A.3 Beispiele gemessener Schwingungswerte A.4 Schwingungsüberwachung - Voraussetzungen für die Trendanalyse informativ B Allgemeine Informationen und Empfehlungen B.1 Grundlegendes physikalisches Prinzip bei Lagerschwingungen B.2 Besonderheiten der Lagergehäuseschwingungen und Wellenschwingungen von Wasserkraftmaschinensätzen informativ C Allgemeines C.1 Mechanische Ursachen C.2 Elektrische Ursachen C.3 Strömungstechnische Ursachen C.4 Datenbank, Analysierverfahren und statistische Auswertung informativ D Sammlung gemessener Wellen- und Lagergehäuseschwingungswerte D.1 Statistische Auswertung D.2 Empfohlenes Vorgehen bei der Verarbeitung von Schwingungsdaten informativ E Mögliche Datenfilterung im Zeitbereich E.2 Mögliche Datenfilterung im Frequenzbereich E.3 Angaben zur Spitze-Spitze-Bewertung E.4 Tabelle 10.5: Normative und informative Anhänge von DIN ISO 20816-5 660 10 Referenzstandards Bild 10.4 veranschaulicht grafisch beispielhaft für vertikale Francis-Turbinen die Bewertungs‐ grundlagen für Wellenschwingungen und Lagergehäuseschwingungen Bild 10.4: Maßnahmenstufen nach ISO 20816-5 für Francis-Turbinen Wird der in Bild 10.4 gelb indizierte Zustand in den Gehäuseschwingungen oder Wellenschwin‐ gungen erreicht, kommt Maßnahmenstufe 1 zur Anwendung. Maßnahmenstufe 1 heißt, dass weitere Untersuchungen erforderlich werden, um die Schwingungswerte zu reduzieren. Dies bedeutet bezüglich Gehäuseschwingungen: ● Ausführen von FFT-Analysen der Lagergehäuseschwingungen ● Prüfen, ob neben der Drehfrequenz andere dominierende Peaks existieren; diese sind ggf. zu ergründen und möglichst zu reduzieren Bezogen auf Wellenschwingungen werden danach folgende Maßnahmen erforderlich: ● Ausführen von FFT-Analysen der Wellenschwingungen und prüfen, ob Unwucht, Fehlaus‐ richtung, Ölfilminstabilität usw. vorliegen ● Messen des ausgenutzten Lagerspiels ● Analyse der Wellenorbits und Wellenverlagerungen ● Bewerten des Runouts 661 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Darüber hinaus werden im Standard noch weitere Maßnahmen empfohlen, wie zum Beispiel ● Überprüfen weiterer Zustandsgrößen (Temperaturen, Druckpulsationen, …), ● Ausführen von statischen und dynamischen Luftspaltmessungen am Generator, ● Überprüfen der Wellenausrichtung und weiterer geometrischer Größen (Konzentrizität, Vertikalausrichtung, Rundlaufabweichungen), ● Messungen in verschiedenen Betriebszuständen und in Zuständen mit erregtem und nicht erregtem Generator, ● Auslaufmessungen oder ● Geräuschmessungen. Wird der in Bild 10.4 rot indizierte Zustand in den Gehäuseschwingungen oder Wellenschwin‐ gungen erreicht, tritt Maßnahmenstufe 2 in Kraft, was ein sofortiges Einschreiten erfordert, um die Gründe für die hohen Schwingungswerte zu identifizieren. Zuerst sind alle Maßnahmen von Stufe 1 durchzuführen. Anschließend ist folgendes zusätzlich einzuplanen: ● Ausführen einer vollständige Sichtprüfung der Wasserkrafteinheit ● Prüfen der Anzugsmomente diverser Schraubverbindungen ● Zerstörungsfreie Prüfung kritischer Bauteile ● Messen der Lagerbelastungen mit Kraftmesszellen oder DMS Im Standard werden bei Erreichen der Maßnahmenstufe 2 aber auch weitere Maßnahmen wie Modalanalyse oder Trendanalysen vorgeschlagen, um das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls von Maschinenkomponenten zu verringern. Anwendung 2: DIN ISO 10816-7 - Kreiselpumpen für den industriellen Einsatz Zitat aus der Einleitung zu DIN ISO 10816-7 Schwingungsmessungen an Kreiselpumpen (Strömungspumpen) können zahlreichen Zwecken dienen, zum Beispiel Betriebsüberwachung, Abnahmeprüfung, diagnostische oder analytische Untersuchung (Zustandsüberwachung). Dieser Teil von ISO 10816 beruht auf Schwingungswerten, die an ungefähr 1500 Pumpen sowohl bei Betrieb am Aufstellungsort als auch in verschiedenen Prüfständen ermittelt wurden. Diese Datenerhe‐ bung umfasste Pumpen unterschiedlicher Art, Drehzahl und Leistung, deren Betriebseinsatz einen weiten Förderstrombereich abdeckt. Aufgrund der großen Anzahl werden diese Schwingungsmesswerte für ei‐ nen zufriedenstellenden Pumpenbetrieb als repräsentativ angesehen. Über den Zusammenhang zwischen dem Betriebszustand bei dem Schwingungsmesswert und der mittleren Dauer eines ausfallfreien Betriebs liegen jedoch zu wenige Informationen vor. Anders als in DIN ISO 10816-3 wird bei Pumpen nicht zwischen elastischer und starrer Aufstel‐ lungsart sondern anhand von folgenden zwei Kategorien unterschieden: ● Unter Kreiselpumpen der Kategorie II versteht man Pumpen für den allgemeinen oder weniger kritischen Einsatz. ● Pumpen der Kategorie 1 laufen schwingungstechnisch besser und betreffen Kreiselpumpen mit höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit. Bild 10.5 soll einen Überblick über die Bewertungszonen für Kreiselpumpen der Kategorie I und Kategorie II in dieser Norm geben. Genauere Definitionen sind dem Dokument zu finden. Betreibern sei empfohlen, Kreiselpumpen grundsätzlich nach Kategorie I zu bestellen. 662 10 Referenzstandards Besonderheit der Norm ist des Weiteren, dass für Kreiselpumpen mit Drehzahlen unterhalb 600 min -1 im normativen Teil auch Schwingwege bei 0,5X, 1X und 2X mit Grenzwerten do‐ kumentiert sind, was ebenfalls grafisch in Bild 10.5 veranschaulicht ist. Diese Schwingwege werden jedoch nicht über direkte Wellenschwingungsmessungen, sondern durch Integration der Gehäuseschwingungsmessungen ermittelt. Das direkte Messen und Beurteilen von Wellen‐ schwingungen wird lediglich in einem informativen Anhang beschrieben. Bild 10.5: Beurteilung der Schwingungen von Kreiselpumpen nach DIN ISO 10816-7 663 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Anwendung 3: DIN ISO 20816-8 - Hubkolbenkompressoren Zitat aus der Einleitung zu DIN ISO 20816-8 Das Dokument legt besondere Verfahren und Anleitungen für die Messung und Klassifizierung der me‐ chanischen Schwingungen von Hubkolbenkompressoren fest. Da die Messung von Wellenschwingungen im Allgemeinen nicht üblich ist, bezieht sich dieses Dokument auf die Schwingungen der Hauptstruktur des Kompressors, einschließlich der Unterkonstruktion, der Pulsationsdämpfer und des angeschlossenen Leitungssystems. Die für diese Schwingungen angegebenen Richtwerte sind hauptsächlich zur Klassifi‐ zierung der Schwingungen und zur Vermeidung von Problemen mit den an diesen Strukturen montierten Anbauteilen festgelegt worden. In diesem Dokument sind Empfehlungen für die Messung und für Beurteilungskriterien enthalten. Auch dieser neue Standard behandelt verschiedene Bauarten von Hubkolbenkompressoren und gibt Vorgaben hinsichtlich der Messpunkte und der Frequenzbereiche. Besonders wertvoll ist, dass dieser Standard sich nicht nur auf klassische Messstellen an den Lagern beschränkt, sondern auch Messrichtungen und Anbauteile berücksichtigt. Bild 10.6 veranschaulicht überblickshaft, wie dies im Standard erfolgt. Auch hier sei dem Leser nachdrücklich empfohlen, das gesamte Dokument als Grundlage für die schwingungsbasierte Bewertung der Hubkolbenkompressoren heranzuziehen. Bild 10.6: Beurteilung der Schwingungen von Hubkolbenkompressoren nach ISO 20816-8 Anwendung 4: ISO 14694 - Industrieventilatoren Eine Sonderstellung bezüglich schwingungstechnischer Bewertung und Beurteilung nehmen Lüfter ein. Erstes Unterscheidungskriterium ist bei Lüftern (Ventilatoren, Gebläse und Verdichter) die Leistung. Während bei Leistungen größer 300 kW die Bewertung nach DIN ISO 10816-3 erfolgt, sei bei Leistungen kleiner 300 kW die Anwendung der ISO 14694 empfohlen. 664 10 Referenzstandards Lüfterkategorien nach ISO 14694 Kategorie Industrielüfter BV-1 Stationäre Industrielüfter Deckenlüfter, Dachlüfter, Fensterlüfter ≤15kW BV-2 Stationäre Industrielüfter Deckenlüfter, Dachlüfter, Fensterlüfter >15 kW HVAC & industriell Gebäudebelüftung, Kommerzielle Systeme ≤3,7 kW BV-3 HVAC & industriell Gebäudebelüftung, Kommerzielle Systeme <3,7 kW Industrielle Prozesse & Energieerzeugung ≤300 kW Transport und Marine Lokomotiven, Lastwägen, Automobile ≤15kW Transit/ Tunnel U-Bahn Notbelüftung, Tunnellüfter, Garagenlüftung ≤75kW Petrochemische Prozesse Gefährliche Gase, Prozesslüfter ≤37kW BV-4 Transport und Marine Lokomotiven, Lastwägen, Automobile >15kW Transit/ Tunnel U-Bahn Notbelüftung, Tunnellüfter, Garagenlüftung >75kW Petrochemische Prozesse Gefährliche Gase, Prozesslüfter >37kW BV-5 Computerchip-Hersteller Reinräume Tabelle 10.6: Lüfterkategorien nach ISO 14694 Die vom Fachausschuss Lüfter erarbeitete Schwingungsnorm ISO 14694 deckt dieses Gebiet für Industrieventilatoren nicht nur mit entsprechend angepassten Grenzwerten ab, sie bietet auch detaillierte Anleitungen für Ausführung, Diagnose, Verbesserung und Dokumentation. Die Lüfter werden in ISO 14694 zur Beurteilung in sogenannte BV-Kategorien eingeordnet (siehe Tabelle 10.6). Im Normenwerk werden dann entsprechend dieser Kategorisierung sowohl Grenzwerte für den Lieferzustand, die Inbetriebnahme, für die Alarmierung und die Abschaltung dokumentiert als auch Empfehlungen für Wuchtgüten gegeben. Einen Ausschnitt aus diesem Normenwerk für die BV-3 Lüfterkategorie enthält Tabelle 10.7 und Bild 10.7 zeigt eine grafische Veranschaulichung für industrielle Lüfter. Der Erwerb diese ISO 14694 sei Anwendern und Herstellern von Industrieventilatoren sehr empfohlen. 665 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen Grenzwerte und Wuchtgüte für Lüfter nach ISO 14694 Grenzwerte in mm/ s eff Kat. Wuchtgüte Aufstellung Lieferzustand Inbetriebnahme Alarm Abschaltung BV-3 G6.3 starr 2,8 4,5 7,1 9,0 flexibel 3,5 6,3 11,8 12,5 Tabelle 10.7: Grenzwerte und Wuchtgüte beispielhaft für BV-3 Lüfter nach ISO 14694 Bild 10.7: Grenzwerte nach ISO 14694 666 10 Referenzstandards DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Beiblatt 1: Erläuterung zu Fachbegriffen Dieses Beiblatt ist eine erläuternde Zusammenstellung von Fachbegriffen der Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen. Geordnet nach Themenkomplexen gibt es Erklärungen zu Begriffen, die in Normen und Richtlinien verwendet werden. ISO 13372 Condition monitoring and diagnostics of machines — Vocabulary Diese internationale Norm definiert Begriffe für die Bereiche Zustandsüberwachung und Diagnose von Maschinen in englischer Sprache. Es soll damit ein einheitliches allgemeines Vokabular zur Verfügung gestellt werden. ISO 2041 Mechanical vibration and shock - Vocabulary Diese internationale Norm definiert Begriffe in englischer und französischer Sprache für die Bereiche Schwingungen und Schock. DIN 1311 Beiblatt 2 Schwingungen und schwingungsfähige Systeme - Wörterbuch DIN ISO 1925 Mechanische Schwingungen - Auswuchttechnik - Begriffe 10.1.3 Übersicht über relevante diagnosebezogene DIN- und DIN ISO-Normen Dieser Abschnitt bringt einen Überblick über relevante DIN- und DIN-ISO-Normen, schwer‐ punktmäßig bezogen auf das übergeordnete Dokument DIN ISO 17359. 10.1.3.1 Begriffe 667 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen 10.1.3.2 Allgemeine und maschinenspezifische Dokumente Die hier aufgeführten Dokumente enthalten auch Inhalte, die als Ergänzung zu Abschnitt 7, Anlagenkenntnisse genutzt werden können. Dies gilt besonders für die Reihe ISO 13373 Teil 3 und die weiteren Teile. ISO 281 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life DIN 1311-1 Schwingungen und schwingungsfähige Systeme Teil 1: Grundbegriffe, Einteilung DIN 31051 Grundlagen der Instandhaltung DIN EN 13306 Instandhaltung - Begriffe der Instandhaltung DIN ISO 8528-9 Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren - Teil 9: Messung und Bewertung der mechanischen Schwingungen DIN ISO 17359 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Allgemeine Anleitungen Diese internationale Norm gibt Richtlinien für allgemeine Verfahren zur Ausarbeitung von Programmen für eine Zustandsüberwachung von Maschinen einschließlich von Hinweisen auf nachfolgende Normen, die dazu erforderlich sind. Diese Norm ist bei allen Maschinen anwendbar. DIN ISO 13373-1 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Schwingungs-Zustandsüberwachung Teil 1: Allgemeine Anleitungen Dieser Teil von ISO 13373 enthält allgemeine Hinweise für die Messung und Datengewinnung von Maschinenschwingungen zur Zustandsdiagnostik. Er beabsichtigt, die Übereinstimmung von Messverfahren und -praktiken, welche üblicherweise auf rotierende Maschinen konzentriert sind, zu verbessern. DIN ISO 13373-2 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Schwingungs-Zustandsüberwachung Teil 2: Verarbeitung, Analyse und Darstellung von Schwingungsmesswerten In diesem Teil von ISO 13373 werden Vorgehensweisen für die Verarbeitung und Darstellung von Schwingungsdaten und für die Analyse von Schwingungskenngrößen zum Zwecke der Überwachung des Schwingungszustandes rotierender Maschinen und, soweit möglich, zur Ausführung der Diagnostik empfohlen. Es werden verschiedene Techniken für unterschiedliche Anwendungen beschrieben. Techniken zur Signalverbesserung sowie Analysiermethoden für die Untersuchung des Schwingungsverhaltens spezieller Maschinen werden ebenfalls behandelt. Manche dieser Techniken können auch bei anderen Maschinenarten, einschließlich Maschinen mit hin- und hergehenden Teilen, angewendet werden. Außerdem sind Beispiele für Darstellungsformate, in welchen die Kenngrößen üblicherweise für die Bewertung und Diagnose ausgegeben werden, angegeben. DIN ISO 13373-3 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Schwingungs-Zustandsüberwachung Teil 3: Anleitungen zur Schwingungsdiagnose Dieser Teil von ISO 13373 wurde als Anleitung für die zu berücksichtigenden allgemeinen Verfahren bei der Durchführung einer Schwingungsdiagnostik an Maschinen erarbeitet. Er ist für Personen auf dem Gebiet der Schwingungstechnik vorgesehen und stellt hilfreiche Diagnosewerkzeuge bereit. Diese Werkzeuge umfassen diagnostische Flussdiagramme, Prozesstabellen und Fehlertabellen. Das darin enthaltene Material stellt eine strukturierte Vorgehensweise in 668 10 Referenzstandards grundlegenden, logischen und intelligenten Schritten zur Diagnose von Schwingungsproblemen an Maschinen dar, jedoch schließt dies die Anwendung weiterer Diagnosetechniken nicht aus. DIN ISO 13373 Teile 4 bis 9 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen — Schwingungs-Zustandsüberwachung Teil 4: Verfahren zur Diagnostik an Gas- und Dampfturbinen mit Gleitlagern Teil 5: Verfahren zur Diagnostik an Lüftern und Gebläsen Teil 7: Diagnoseverfahren für Maschinensätze in Wasserkraft- und Pumpspeicheranlagen Teil 9: Diagnoseverfahren für Elektromotoren ISO 13374 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Verarbeitung, Austausch und Darstellung von Daten Teil 1: Allgemeine Anleitungen Teil 2: Datenverarbeitung Teil 3: Datenaustausch Teil 4: Darstellung von Daten ISO 13381-1 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen -Prognose Teil 1: Allgemeine Anleitungen ISO 14694 Industrieventilatoren Technische Vorschriften für die Wuchtgüte und Vibrationspegel ISO 16079 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Windenergieanlagen - Teil 1: Allgemeine Leitlinien Teil 2: Überwachung des Antriebsstrangs ISO 16232 Road Vehicles - Cleanliness of components and systems ISO 19283 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Maschinensätze in Wasserkraftwerken DIN EN 60034-14 Drehende elektrische Maschinen - Teil 14: Mechanische Schwingungen von bestimmten Maschinen mit einer Achshöhe von 56 mm und höher - Messung, Bewertung und Grenzwerte der Schwingstärke DIN EN 60068-2-64 Umgebungseinflüsse - Teil 2-64: Prüfverfahren - Prüfung Fh: Schwingen, Breitbandrauschen (digital geregelt) und Leitfaden DIN EN IEC 60034-14: 2019-04 Drehende elektrische Maschinen - Teil 14: Mechanische Schwingungen von bestimmten Maschinen mit einer Achshöhe von 56 mm und höher - Messung, Bewertung und Grenzwerte der Schwingstärke DIN EN 1299 Mechanische Schwingungen und Stöße - Schwingungsisolierung von Maschinen - Angaben für den Einsatz von Quellenisolierungen DIN SPEC 45660-2 Leitfaden zum Umgang mit der Unsicherheit in der Akustik und Schwingungstechnik Teil 2: Unsicherheit schwingungstechnischer Größen 669 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen DIN ISO 2954 Mechanische Schwingungen von Hubkolbenmaschinen und von Maschinen mit rotierenden Bauteilen - Anforderungen an Schwingstärkemessgeräte Diese Norm legt Anforderungen an Geräte zur Messung der Schwingstärke von Maschinen fest. Es ist notwendig, dass sie erfüllt werden, damit die Unsicherheit von Messwerten am Maschinengehäuse einen bestimmten Wert nicht übersteigt, insbesondere bei wiederholten Messungen an einer bestimmten Maschine zur Beobachtung des Trends. Messgeräte nach dieser Norm zeigen den Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit oder andere Schwingungsgrößen direkt an oder zeichnen sie auf. Die Messung der Phase darf zusätzlich implementiert sein. DIN ISO 5348 Mechanische Schwingungen und Stöße - Mechanische Ankopplung von Beschleunigungsaufnehmern Dieser internationale Standard beschreibt die Eigenschaften und Charakteristiken von Beschleunigungsaufnehmern, die vom Hersteller zu spezifizieren sind und gibt Empfehlungen für die Montage. DIN ISO 10817-1 Messeinrichtung für die Schwingungen rotierender Wellen Teil 1: Erfassung der relativen und der absoluten Radialschwingungen DIN ISO 16063-16 Verfahren zur Kalibrierung von Schwingungs- und Stoßaufnehmern Teil 16: Kalibrierung mittels der Erdbeschleunigung DIN ISO 21940 Mechanische Schwingungen - Auswuchten von Rotoren Teil 1: Einführung Teil 2: Begriffe Teil 11: Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit starrem Verhalten Teil 12: Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit nachgiebigem Verhalten Teil 13: Kriterien und Sicherheitshinweise für das Auswuchten von mittleren und großen Rotoren am Aufstellungsort Teil 14: Verfahren zur Ermittlung von Abweichungen beim Auswuchten Teil 21: Beschreibung und Bewertung von Auswuchtmaschinen Teil 23: Verkleidungen und andere Schutzmaßnahmen für die Messstation von Auswuchtmaschinen Teil 32: Behandlung von Passfederverbindungen ISO 16084 Auswuchten von rotierenden Werkzeugen und Werkzeugsystemen 10.1.3.3 Normen über Messgeräte und Sensoren 10.1.3.4 Normen über Auswuchten 670 10 Referenzstandards DIN EN 60812 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) DIN SPEC 91345 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0) VDMA 66412-1 Manufacturing Execution Systems (MES) - Kennzahlen IEEE 1129 IEEE Guide for Online Monitoring of Large Synchronous Generators (10 MVA and Above) IEC 61400-25-1 Wind Turbines - Part 25-1: Communications for monitoring and control of wind power plants - Overall description of principles and models 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 10.1.3.5 Normen zur Systemarchitektur 10.1.3.6 IEC- und IEEE-Normen Relevante IEC- oder IEEE-Normen werden vielfach als DIN EN oder ISO-Norm übernommen. Für die hier angeführten Dokumente ist dies aktuell noch nicht der Fall. 10.1.3.7 Zertifizierung von Fachpersonal Die Zertifizierung von Personal zur Schwingungsüberwachung und -diagnose sowie zur zerstö‐ rungsfreien Prüfung nimmt rasant an Bedeutung zu. Weltweit gibt es eine Reihe akkreditierter Schulungszentren und Zertifizierungsstellen. Die folgende Tabelle bringt einen Überblick über die wichtigsten Normen zur Zertifizierung von Personal für die Zustandsüberwachung. Im gegebenen Zusammenhang sei ganz speziell auf DIN ISO 18436 Teil 2 hingewiesen. Diese Norm enthält den Syllabus, der weiten Teilen dieses Buches zugrunde liegt. So wurde auf Übereinstimmung der Nummern in der entsprechenden Tabelle A.2 mit den Abschnittsnummern dieses Buches geachtet. Erwähnt seien schließlich noch die 3rd Party Zertifizierung von Organisationen, die Condition Monitoring ausführen und die 3rd Party Zertifizierung von Monitoringstellen, die zum Beispiel Windenergieanlagen oder Schiffe diagnostisch fernüberwachen (- mehr dazu findet man in Abschnitt 17.5). Hinweis: 3rd Party Zertifizierungen stellen die höchste und auch unabhängige Zertifizie‐ rung dar, weil sie von unabhängigen und akkreditierten Non-Profit Zertifizierungsgesell‐ schaften ausgeführt werden. 671 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen DIN EN 9712 Zerstörungsfreie Prüfung - Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung DIN ISO 18436 Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Anforderungen an die Zertifizierung von Personal Teil 1: Sektorspezifische Anforderungen an Zertifizierungsstellen und den Zertifizierungsvorgang Teil 2: Schwingungszustandsüberwachung und -diagnostik Teil 3: Anforderungen an Schulungsstellen und den Schulungsvorgang Teil 4: Schmierstoffanalyse vor Ort Teil 5: Laborant für Schmierstoffanalyse Teil 6: Schallemission Teil 7: Thermografie Teil 8: Ultraschallemission 672 10 Referenzstandards VDI 2770 Blatt 1: Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen - Mindestanforderungen an digitale Herstellerinformationen für die Prozessindustrie - Grundlagen VDI 2884 Beschaffung, Betrieb und Instandhaltung von Produktionsmitteln unter Anwendung von Life Cycle Costing (LCC) VDI 3832 Körperschallmessungen zur Zustandsbeurteilung von Wälzlagern in Maschinen und Anlagen VDI 3836 Messung und Beurteilung mechanischer Schwingungen von Schraubenverdichtern und Rootsgebläsen Ergänzung zu DIN ISO 10816-3 VDI 3839 Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von Maschinen Blatt 1: Allgemeine Grundlagen Blatt 2: Schwingungsbilder für Anregungen aus Unwuchten, Montagefehlern, Lagerungsstörungen und Schäden an rotierenden Bauteilen Blatt 4: Typische Schwingungsbilder bei Ventilatoren und Gebläsen für Gase Blatt 5: Typische Schwingungsbilder bei elektrischen Maschinen Blatt 6: Typische Schwingungsbilder bei Maschinensätzen in hydraulischen Kraftwerken Blatt 7: Typische Schwingungsbilder bei Kreiselpumpen Blatt 8: Typische Schwingungsbilder bei Kolbenmaschinen VDI 3842 Schwingungen in Rohrleitungssystemen VDI 4550 Schwingungsanalysen - Verfahren und Darstellung der Ergebnisse Blatt 1: Begriffe und grundlegende Verfahren Blatt 3: Multivariate Verfahren VDI 2062 Schwingungsisolierung - Begriffe und Methoden VDI 2065 Aktive Schwingungsminderung VDI 2038 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen 10.1.4 Nationale Standards Unter den nationalen Standards ist in Deutschland vor allem auf die VDI-Richtlinien hinzuweisen. VDI-Richtlinien haben als Ergänzung zu Normen eher den Charakter im Sinne von Handlungs‐ anweisungen. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass oftmals solche Richtlinien als Vorlage oder sogar als CD (Committee Draft) in die internationale Normung Eingang gefunden haben. 10.1.4.1 VDI-Richtlinien für Messung und Beurteilung von Schwingungen 673 10.1 DIN- und DIN ISO-Normen VDI 2044 Abnahme- und Leistungsversuche an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln) VDI 2045-1 Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern; Versuchsdurchführung und Garantievergleich VDI 2045-2 Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern; Grundlagen und Beispiele VDI 2048-1 Kontrolle und Verbesserung der Qualität von Prozessdaten und deren Unsicherheiten mittels Ausgleichsrechnung bei Betriebs- und Abnahmemessungen VDI 2048-2 Messunsicherheiten bei Abnahmemessungen an energie- und kraftwerkstechnischen Anlagen - Beispiele, insbesondere Retrofitmaßnahmen VDI 2048-3 Messunsicherheiten bei Abnahmemessungen an energie- und kraftwerkstechnischen Anlagen - Beispiele, insbesondere Vorbereitung der Abnahme einer Kombi-Anlage GM 1761 General Motors / Delphi Vibration Standard for the Purchase of new and rebuilt Machinery and Equipment DNVGL-SE-0439 Certification of condition monitoring (für Windenergieanlagen) ISO 14963 Mechanical vibration and shock - Guidelines for dynamic tests and investigations on bridges and viaducts ISO 18649 Mechanical vibration - Evaluation of measurement results from dynamic tests and investigations on bridges ISO 4866 Mechanische Schwingungen und Stöße - Schwingungen von Bauwerken - Leitfaden für die Messung von Schwingungen und die Bewertung ihrer Auswirkungen auf Bauwerke ISO 16232 Straßenfahrzeuge - Sauberkeit von Komponenten für Fluidsysteme 10.1.4.2 VDI-Richtlinien für Abnahme und Messunsicherheit 10.1.5 Weitere Standards und Normen Ergänzend werden hier noch nationale Standards zitiert, die außerhalb des deutschen Bereichs liegen, jedoch hohe internationale Bedeutung haben. 674 10 Referenzstandards Abschnitt G Dokumentation ● Zur Überwachung ● Zur Diagnose ● Zur Instandhaltung 11 Berichte und Dokumentation Was sind Berichte? Ein Bericht ist ein wichtiger Bestandteil jeder Messung, jeder Untersuchung, jeder Maßnahme. Er muss mehr sein als nur eine Bekanntgabe oder Bereitstellung von Ergebnissen. Jeder Bericht ist das Schaufenster der Firma sowie auch eine persönliche Visitenkarte. Berichte können beliebig gestaltet werden und so das Interesse in bestimmte Richtungen lenken. Ziel ist es, zu informieren und Denkprozesse zu unterstützen. Im Idealfall schafft es solch ein Text, den Leser oder den Auftraggeber umfassend und objektiv zu informieren. Dafür ist wichtig, dass die zu vermittelnde Botschaft sich wie ein roter Faden durch den Text zieht. Ein Bericht muss verständlich und logisch nachvollziehbar aufgebaut sein. Man erreicht das durch klare Formulierungen ohne Umschweife. Man sollte insbesondere berücksichtigen, an wen sich der Bericht wendet. Fachbegriffe sind zu verwenden, sodass sie auch als bekannt vorausgesetzt werden dürfen. Dabei sind Kompetenz und Interessenshorizont der Zielpersonen zu beachten. Anmerkung: Mit der konsequenten Verwendung normenkonformer Begriffe signalisiert auch der Verfasser seine Kompetenz - es gilt aber genauso das Gegenteil! Sinnvoll ist das Verwenden von Standardvorlagen, sodass alle Berichte einem einheitlichen Schema folgen. Das erleichtert vor allem die Vergleichbarkeit mit archivierten Dokumenten und ermöglicht die nahtlose Fortführung des Konzepts, vor allem auch unabhängig von der Person. Bei der Gestaltung der Berichte kommt es darauf an, die richtige Auswahl der wesentlichen Informationen zu treffen, die richtige Verdichtung der Einzelinformationen zu finden und schließlich eine geeignete Form der Darstellung zu erreichen. Wichtig ist eine gute Gliederung in Deckblatt, Einleitung und Motivation, Hauptteil und Zu‐ sammenfassung mit Handlungsempfehlungen. Die Einleitung soll zunächst die Aufgabenstellung kurz präzisieren. In der Zusammenfassung werden die wichtigsten Ergebnisse und Empfehlungen beschrieben. Dies sollte insgesamt nach Möglichkeit den Umfang einer Seite - der ersten Seite - nicht überschreiten. Anmerkung: Man spricht bei einer solchen, kompakten Zusammenfassung von einem Management Abstract. Es sollte alle Informationen enthalten, die für das Management von Interesse sind - oft wird von Vorgesetzten nur dieser Teil gelesen! Die Inhalte sind mit Grafiken, Diagrammen und Bildern zu illustrieren. Die Darstellungen müssen technisch einwandfrei sein. Diagramme sind vollständig und lesbar zu beschriften, Bilder sind mit aussagekräftigen Bildunterschriften zu erklären. Jede Beschriftung sollte zumindest einmal im Text als Hinweis erscheinen. Aus einem beschrifteten Diagramm oder Bild muss die Messung nachvollziehbar sein. Folgende Angaben sollten, sofern zutreffend, erscheinen: ● Vollständige Beschriftung der Diagrammachsen ● Angaben zur Messung (Datum, Messort) ● eindeutige Bezeichnung der dargestellten Größen ● Angabe der Einheiten ● bei Schwingungsmessgrößen Angabe der Bewertung, zum Beispiel x eff ● Mittelungsparameter ● die Angabe der dB-Referenzgröße, sofern nicht normativ festgelegt Weitere Hinweise findet man zum Beispiel in der Richtlinie VDI 4550 Blatt 1. Tabellen ziehen die Aufmerksamkeit des Lesers besonders auf sich. Sie sind gut geeignet für vergleichende und zusammenfassende Darstellungen - besser als Textabsätze. Die Strukturierung kann durch variierte Farbhinterlegungen verdeutlicht werden, jedoch ist dieses Mittel nur maßvoll einzusetzen (kein bunter Hund). Die Informationsdarstellung muss auf den potenziellen Leser zugeschnitten sein. Das betrifft vor allem das Management Abstract. Es muss alle Informationen aufweisen, die für diesen Leserkreis, vorwiegend aus Führungsebene oder Management, von Bedeutung sind. Was sind Dokumentationen? Hersteller von Produkten und technischen Gütern haben grundsätzlich eine vertragliche Do‐ kumentationspflicht. Dokumentationen beinhalten eindeutige Beschreibungen zur technischen Beschaffenheit und zu erforderlichen Tätigkeiten über alle Lebenszyklusphasen. Von technischer Seite interessieren den Anwender besonders die Bedienungs- und Betriebsanleitungen. Das Erstellen papierloser Dokumentationen ist in der Richtlinie VDI 2770 umfassend beschrieben. Sie empfiehlt auch, bei der Dokumentation für eine eineindeutige Identifikation zu sorgen und der Dokumentation die zugehörigen Vertragsunterlagen beizufügen. Für Konformitätserklärungen, Zertifikate oder Abnahmezeugnisse besteht eine gesetzliche Dokumentationspflicht. Bei messtechnischen Dienstleistungen bestehen solche vertraglichen oder gesetzlichen Doku‐ mentationsverpflichtungen nicht. Wie bereits im Kapitel 8, Abnahmeprüfungen, beschrieben, sollten Auftraggeber von Dienstleistungen das Erstellen von Berichten und Dokumentationen vertraglich vereinbaren. Insbesondere in der Schwingungstechnik lassen sich die Kompetenzen an der Qualität von Berichten und Dokumentationen sehr gut einschätzen. So ist es auch Erfahrung der Autoren, dass potenzielle Auftraggeber von Dienstleistungen sich vor Bestellung Beispielberichte zeigen lassen, was mit den neuen Möglichkeiten der Digitalisierung (zum Beispiel durch Screen-Sharing oder Videokonferenzen) effizient realisierbar ist. Die wichtigsten Dokumentationen auf dem Gebiet von Zustandsüberwachung, Diagnose und Instandhaltung sind in diesem Abschnitt zusammengefasst. Natürlich können für ein so weitge‐ strecktes Gebiet nur überblickshafte Anweisungen gegeben werden, andererseits findet man in einschlägigen Normen und Richtlinien eine ganze Reihe passender Vorlagen (Templates), auf die hier mehrfach Bezug genommen wird. Solche Vorlagen sollten bevorzugt verwendet werden, da sie in der Regel die Vollständigkeit der Information sicherstellen und die Vergleichbarkeit von Berichten weitestmöglich gewährleisten. 677 11 Berichte und Dokumentation Die Themen dieses Abschnittes gliedern sich in ● Herstellerdokumentationen, ● Routinemäßige Messungen, ● Zustandsdiagnosen und ● Instandhaltungsmanagement. Zunächst bezüglich Herstellerdokumentation wird in Bild 11.1 auf eine Klassifikation für die Dokumentation von Herstellerangaben hingewiesen. Sie stammt aus der Richtlinie VDI 2770 Blatt 1 und beschreibt sehr umfassend Gruppierung, Kategorisierung und erforderliche Dokumenta‐ tionen. Bild 11.1: Klassifikation von Herstellerinformationen zur Dokumentation (aus VDI 2770 Blatt 1) 11.1 Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsüberwachung 11.1.1 Einfache mobile Schwingungsmessungen Jede schwingungsbasierte Dienstleistung und auch jede mobile Schwingungsmessung liefert Ergebnisse, die umfassend und vor allem vollständig dokumentiert und verständlich beschrieben werden müssen. Unkommentierte Rohsignale oder einzelne Frequenzspektren, vielleicht zuge‐ sandt über E-Mail, sind weitgehend ohne dokumentarischen oder rechtswirksamen Wert. Auch wenn eine solche Information zunächst vollständig erscheinen mag, wird die Untersuchung schon in naher Zukunft nicht mehr nachvollziehbar sein, vor allem auch für Dritte. 678 11 Berichte und Dokumentation 59 DNV GL mit Sitz in der Kommune Bærum (Norwegen) und in Hamburg ist eine internationale Klassifikationsge‐ sellschaft. Ähnlich wie bei der Dokumentation von Objekten sind zuerst eindeutige Beschreibungen zur Identifikation, zur technischen Beschaffenheit, zu Besonderheiten des Messobjektes und zur Motivation der Messdurchführung erforderlich. Dann sind die verwendeten Messtechniken, Messbedingungen und Prozesszustände bei der Messdurchführung zu beschreiben. Zusätzlich sollten im Bericht ggf. Schwingungsnormen zitiert werden. Vorzeichenkonventionen sind ein‐ deutig festzulegen. Auf dieser Basis sind die Messergebnisse im Bericht zu dokumentieren. Bei Wiederholungsmessungen oder regelmäßigen Dienstleistungen am gleichen Messobjekt lassen sich die Berichterstellung oft automatisieren und im Umfang reduzieren. Bei korrektiven Dienstleistungen wie zum Beispiel Betriebswuchten oder Wellenausrichten sollten Ausgangszustand, durchgeführte Änderungen und erreichte Endzustände bewertet doku‐ mentiert werden. Bezüglich Betriebswuchten liefert die Normenreihe DIN ISO 21940 zwar umfangreiche Be‐ schreibungen zum Wuchtprozess selbst, verbindliche Beschreibungen zur Dokumentation und zur Qualifizierung des Wuchtpersonals wurden hier (noch) nicht festgelegt. Nur DIN ISO 20806, Mechanische Schwingungen - Kriterien und Sicherheitshinweise für das Auswuchten von mittleren und großen Rotoren am Aufstellungsort, gibt neben Sicherheitshinweisen in Kapitel 9 Vorgaben zur Dokumentation, in den informativen Anhängen B und C findet man dort Beispiele zur Dokumentation. Betreffend Wellenausrichtens sei besonders auf die Vorzeichenkonventionen bei Klaffungen hingewiesen, die sicherheitshalber in den Berichten sorgfältig zu dokumentieren sind. In den Normen der Reihe DIN ISO 20816 (das gilt auch für die Vorgängerdokumente 10816/ 7919) sind nur relativ wenige Anforderungen an die Dokumentation und Berichtserstellung von Schwingungsmessungen gestellt. Eine gewisse Orientierung liefern folgende Standards: ● DIN ISO 10816-6 - konkrete Informationen werden im informativen Anhang gegeben. ● DIN ISO 20816-8, normativer Anhang A. Es wird aufgelistet, welche Details über den Kompressor, welche Messdetails und welche Zusatzinformationen zu dokumentieren sind. Bild 11.2 zeigt daraus auszugsweise das in Tabelle A.1 der Norm beschriebene Formular. ● ISO 14694 liefert umfassende Hinweise zur Dokumentation bei Ventilatoren. Grundsätzlich sollte Vorlagen (Mustertabellen), Textbausteine und Korrekturcodes in einem über‐ geordneten, datenbankbasierten Managementsystem festgelegt und standardmäßig verwendet werden. Damit können gute und anforderungsgerechte Dokumentationen und Berichterstattun‐ gen rationell erstellt und sicher verwaltet werden. 11.1.2 Berichte und Dokumentationen bei Überwachungssystemen Im Rahmen einer kontinuierlichen online Schwingungsüberwachung sind Berichte regelmäßig zu erstellen. Tätigkeiten und Ergebnisse sind ordnungsgemäß und nachvollziehbar zu dokumen‐ tieren. So hat der DNV GL 59 schon recht frühzeitig unter anderem auch Anforderungen an die Doku‐ mentation und Berichtserstellung beim schwingungsbasierten Condition Monitoring von Wind‐ energieanlagen definiert. Er fordert zum Beispiel in Kapitel 4.7, Diagnose (Zitat), … dass die Er‐ gebnisse und Messungen vom Monitoring-Body in einer verständlichen Weise und auch in der beschriebenen Version zu dokumentieren sind. Der DNV GL auditiert und kontrolliert bei regelmä‐ 679 11.1 Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsüberwachung Allgemeines Nummer dieser Aufzeichnung; Aufstellungsort: Datum: Messung durchgeführt von: Details des Kompressorsystems Eindeutige Kompressor-Kennnummer: Typ/ Seriennummer: Typ: Gaskompressor/ anderer Typ* Antriebsart: * Anzahl der Zylinder: 1/ 2/ 3/ 4/ 5/ 6/ 8/ 12/ andere* Kupplung: starr/ flexibel* Konfiguration: vertikal/ horizontal/ andere* Lastbedingungen während der Messung: Nenndrehzahl: min -1 Nennleistung: kW Tatsächliche Drehzahl: min -1 Leistung während der Messung kW Aufstellung: Betriebsstunden: auf starrer Unterkonstruktion/ elastisch* direkt/ auf Grundrahmen* Anbieter: Details zum Messsystem Messgerätehersteller: Modell: Einheiten: Details zu FFT oder anderer Signalverarbeitung Kennwerte der Messgröße Schwingungsaufnehmer: Typ und Hersteller: Ankopplung: Diagramm Zeichnung des Kompressors nachfolgend: Messaufzeichnungen, Messwerte, Diagramme usw. sollten ggf. unter Angabe der Messpunkte und der Bedingungen während der Messung beigefügt werden. *nach Bedarf streichen/ ergänzen Bild 11.2: Ausschnitt aus DIN ISO 20816-8 für Hubkolbenkompressoren (Anhang A, Tabelle A.1) ßigen Reaudits und Rezertifizierungen die entsprechende Realisierung in der zuständigen Moni‐ toringstelle. Kommt es hier zu Abweichungen, wird die Zertifizierung verwehrt. Vom DNV GL wurde bei der Berichtserstellung auch die Unterscheidung zwischen Inbetrieb‐ nahmeberichten (nach einer dreimonatigen Inbetriebnahmezeit) und regelmäßigen wiederkeh‐ renden Telediagnoseberichten eingeführt. Dabei zeigte sich insbesondere beim Flottenmanage‐ ment, dass es zur besseren Dokumentation sinnvoll ist, mit kodierten Beschreibungen zu arbeiten und zur übergreifenden Bewertung ein datenbankgestütztes Managementsystem zu nutzen. Diese Anforderungen und auch Erfahrungen lassen sich zielführend auch auf andere Branchen und Anwendungen übertragen. 680 11 Berichte und Dokumentation Bild 11.3: Beispiel eines CPK-Berichts Bezüglich Berichtsumfang wird bei der Zustandsüberwachung unterschieden zwischen ● Kurzberichten, ● advanced Berichten und ● ausführlichen Berichten. Solche Berichte lassen sich in digitalisierter Form sehr kundenspezifisch erstellen und re‐ gelmäßig, zum Beispiel über Dashboards, bis hin zur Managementebene bereitstellen. Bei einer Online-Schwingungsüberwa‐ chung ist es sinnvoll, zwischen eventbasier‐ ten Berichten und zeitbasierten Berichten zu unterscheiden. Zeitbasiert bedeutet, dass in festen monatlichen, halbjährlichen oder jähr‐ lichen Zeitintervallen über Ergebnisse der Schwingungsüberwachung berichtet wird. Eventbasiert heißt, dass im Falle einer Abwei‐ chung unverzüglich über die Abweichung(en) mit entsprechenden Kritikalitäten und Hand‐ lungsmaßnahmen berichtet wird. Bevorzugt wird im Markt die hybride Variante, beste‐ hend auf eventbasierter Berichterstattung und regelmäßigen zusammenfassenden Kurz‐ berichten. Ein ähnliches Konzept wird im Rahmen des Condition Monitoring Partner Konzepts (CPK) verfolgt. Kunden führen die Zustands‐ messungen regelmäßig selbst durch, stellen die Messergebnisse auf einer Cloud zur Verfü‐ gung. Auswertung, Bewertung und Berichter‐ stellung erfolgen aus der Zentrale oder vom beauftragten Dienstleister. Bild 11.3 zeigt den Blick in einen Basis-CPK Zustandsbericht. Werden Tiefendiagnosen und Sonderanalysen erforderlich, sind diese separat zu vereinbaren; dann werden ggf. spezielle Berichte erforderlich. 11.2 Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsdiagnose Diagnostische und analytische Bewertungen von Schwingungsmessungen erfordern in der Regel das Erstellen von individuell verfassten Berichten und erweiterten Dokumentationen. Professio‐ nelle Dienstleister haben sich dafür passende Berichtsvorlagen definiert. Es ist zu beachten, dass jeder auch individuell geschriebene Bericht ein rechtlich relevantes Dokument darstellt, das juristisch bedeutsam werden kann. Vor der unüberlegten Weitergabe handschriftlicher Notizen oder dem leichtfertigen Verwenden von Begriffen oder Wertungen sei daher ausdrücklich gewarnt! Jede Berichterstellung sollte deshalb grundsätzlich nach dem Vier-Augen-Prinzip mit Prüfung durch Gegenlesen erfolgen. 681 11.2 Berichte und Dokumentationen zur Schwingungsdiagnose Neben der entsprechenden fachlichen Qualifizierung ist für den Berichtsersteller eine Zertifi‐ zierung nach DIN ISO 18436-2 von besonderem Vorteil und daher zu empfehlen. Zertifizierte Personen müssen gute Kenntnisse über den jeweils aktuellen Stand der Messtechnik aufweisen und durch Fortbildung stets am laufenden Stand bleiben. So sind in dieser Norm auch regelmäßige Rezertifizierungen vorgeschrieben. Neben der Leistungsfähigkeit sollten auch die Grenzen der verfügbaren Messtechnik bekannt sein und berücksichtigt werden. Bei der Schwingungsanalyse und -diagnose ist für Dokumentation und Archivierung der Ergebnisse besondere Sorgfalt vonnöten. Geheimhaltungserklärungen sind ggf. sorgfältig zu beachten. Im Normungswesen gibt DIN ISO 13379-1 präzise Empfehlungen für Diagnoseprotokolle bei einer Fehlermode- und Symptomanalyse. Erwähnenswert ist hier auch der Einbezug von Kritikalitäten und von Vertrauensniveaus. Eine Vorlage aus dem Anhang dieser Norm wird noch in Tabelle 15.11 vorgestellt. 11.3 Berichte und Dokumentationen im Instandhaltungsmanagement Ein erfolgreiches Instandhaltungsmanagement erstreckt sich über die gesamte Lebensdauer einer Komponente. Das wurde bereits im einführenden Abschnitt 0.22 sehr ausführlich dargestellt (Stichwort LCC). Begleitend zu einer solchen lebensdauerbasierten Strategie ist eine entsprechende, fortlaufende Dokumentation auf Managementebene unumgänglich. Sie wird zum Instrument der Qualitätssi‐ cherung, der Qualitätskontrolle - sie wird zum Spiegelbild des Erfolgs. Einen kleinen Einblick in ein solches CMMS-System - mehr muss es an dieser Stelle nicht sein - gibt Bild 11.4. Bild 11.4: Dokumentation im CMMS beim Instandhaltungsmanagement (Fluke Reliability) 11.4 Zusammenfassung In diesem Abschnitt wurde auf die Bedeutung von Berichten und Dokumentationen hingewiesen - und zwar mit der gebührenden Gewichtung. Dokumentation ist nicht nur überaus wichtig, sie ist eine unumgängliche Voraussetzung für erfolgreiches Arbeiten in der Instandhaltung. Und sie sollte schon im Planungsstadium entsprechend berücksichtigt werden. Auf die in verschiedenen Normen und Richtlinien vorgegebenen Muster sei hier nochmals ausdrücklich hingewiesen. 682 11 Berichte und Dokumentation Abschnitt H Schweregrad von Fehlern ● Spektralanalysen ● Zeitbereichs-, Orbit und Resonanzanalysen ● Pegel ● Schmierstoffanalyse ● Kritikalitäten 12 Schweregrad eines Fehlers Zustandsüberwachung und Fehlererkennung basieren vorwiegend auf regelmäßigen Schwin‐ gungsmessungen und -analysen. Ziel einer anschließenden Zustandsdiagnose sollten eindeutige Aussagen zum Schweregrad und zur Priorität eventuell vorhandener Fehler, Aussagen zum Trendverhalten und das Prognostizieren von Restnutzungsdauern (Remaining Useful Lifetime RUL) sein. Wie verlässlich, robust und vertrauenswürdig solche Aussagen sind, kann mit Hilfe von Kritikalitätsanalysen abgeschätzt werden. Wobei es solche Kritikalitätsanalysen erfordern, sich mehr mit dem gesamten System als nur mit dem individuellen technischen Asset zu beschäftigen. Bild 12.1 zeigt einen Schwingungstester, der als eines der ersten Schwingungsmessgeräte am Markt Zustandsdiagnosen automatisch durchführt und, je nach Schweregrad, auch gewisse Handlungsempfehlungen ausgibt. Wie letztlich der Schweregrad quantifiziert wird, hängt aber auch von der persönlichen Qualifikation, von firmenspezifischen Erfahrungen oder gesetzlicher Anforderungen ab. Bild 12.1: Schwingungstester mit Ausgabe von Handlungsempfehlungen Erstrebenswert wären in jedem Fall einheitliche Prinzipien und Richtlinien zur Quantifizierung des Schweregrads. Bediener wünschen sich nachvollziehbare Beurteilungen, Prioritäten, Progno‐ sen und klare Handlungsanweisungen. Mit den breitbandigen Beurteilungsklassen nach DIN ISO 20816 ist ein erster Schritt in diese Richtung vorgegeben. Allerdings basieren die dortigen Kriterien auf breitbandigen Beurteilungen und sind in diagnostischer Hinsicht zu unscharf (wenn überhaupt gegeben). Frequenz- oder ord‐ nungsselektive Verfahren sind in DIN ISO 20816 meist nur erwähnt oder beziehen sich auf einzelne Anwendungen (siehe zum Beispiel ISO 20816-7) Andererseits hat man mit diesem breitbandigen Beurteilungsschema ein breites Anwendungsfeld auf kompaktem Raum in anwendernaher Weise erfolgreich abgedeckt. Methode Kriterium Verfahren Amplitudenbewertung (statisch und dynamisch) Grenzwerte Vergleich Schwankungen statistische Kontrolle (SPC) Trends Trendanalyse Erkennen von Frequenz- und Ordnungsmustern Mustererkennung in Zeitsignalen Grenzwerte Trends Richtung Folgeschäden Frequenzanalyse Ordnungsanalyse dynamische Zeitbereichsanalyse statistische Analysen Diagnose- und Handlungsprioritäten Prioritätszahlen Kritikalitätsgrad Gesundheitsgrad (Health-Index) Performancegrad daten- und wissensgetriebenes CMS FMEA Asset-, Prozess- und Systemkritikalitäten ACR, FMEA/ FMECA Prognose Restlaufzeit Nutzungsdauer Gebrauchsdauer RUL Nachbewertung Auswertung Erfahrungen KPI (vorausschauend oder retrospektiv) Tabelle 12.1: Methodik zur Quantifizierung des Schweregrads Auf dem Feld der Fehlerdiagnose ist eine solche Universalität nicht erzielbar. Hier ist zur Quantifizierung einer Fehlerschwere eine deutlich differenziertere Methodik erforderlich. Sie wird in diesem Abschnitt, in Orientierung an bereits bestehende und bewährte Verfahren, vorgestellt und entwickelt. Eines sei vorweggenommen: In Anlehnung an den Key Performance Indikator KPI, eine Leistungszahl aus der Betriebswirtschaftslehre, hat man auch hier eine fünfstufige Klassierung der Fehlerschwere im Fokus. Dies erscheint sinnvoll, da dies einerseits eine angepasste Verfeinerung der Breitbandklassen bedeutet, andererseits könnte eine allzu feine Stufung oft eine unrealistisch hohe Konfidenz vortäuschen. Einen Überblick über die Methodik liefert zunächst Tabelle 12.1. Die bisher behandelten Methoden zur Abschätzung des Schweregrades eines Fehlers beruhen im Wesentlichen auf vier grundlegende Verfahren, nämlich ● Vergleich von Amplituden und Amplitudenschwankungen mit einem oder mehreren festen Grenzwerten, ● Analyse von bandspezifischen Amplitudentrends, ● Erkennen von Frequenz- und Ordnungsmuster und deren Veränderungen, ● Multivariate Bewertung auf Basis unterschiedlicher Messverfahren. In allen Fällen werden vorwiegend vergleichende Verfahren angewendet, manchmal nur zu baugleichen Maschinen in bekannt gutem Zustand (Gutmaschinen) oder über ein konsequentes Flottenmonitoring anhand von KPIs. 685 12 Schweregrad eines Fehlers In den meisten Fällen werden Messungen an unterschiedlichen Maschinen auch unterschied‐ liche Messergebnisse liefern, auch wenn die Maschinen in vergleichbarem Zustand sind. Das gilt auch für baugleiche Maschinen, schon auf Grund von Herstellungs- und Montagetoleranzen. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass Maschinen zunehmend drehzahlvariabel betrieben werden, was Vergleichbarkeiten zusätzlich erschwert. Andererseits sind Informationen zum Schweregrad von Fehlern im Rahmen des Diagnoseprozesses zwingend erforderlich. Für Maschinen mit fester Drehzahl gilt: Bei fortlaufenden Messungen an ein und derselben Maschine sollten sich die Messwerte nur als Folge eines sich ändernden Maschinenzustands ändern, siehe zum Beispiel Bild 0.8. Grundsätzlich gilt: Um möglichst vergleichbare Messwerte zu erzielen, ist bei identischen Betriebsbedingungen und mit einheitlichen Messbedingungen zu arbeiten. In den früheren Abschnitten von Kapitel 5 wurde die Auswirkung mechanischer und anderer Fehler auf die Schwingungssignatur behandelt und es wurden geeignete Mess- und Analyse‐ verfahren zur Fehlererkennung vorgestellt. In Ergänzung dazu wird in diesem Abschnitt der Schwerpunkt auf die Interpretation bestimmter Schwingungssignaturen im Hinblick auf vorhan‐ dene Fehler und Fehlerursachen gelegt. Ausgangspunkt von Kapitel 5 war also immer der Fehler mit dem Ergebnis einer Signatur, hier ist Ausgangspunkt die Signatur und das Ergebnis die Ursachenbewertung. Anmerkung: Man könnte auch, einem Modewort folgend, im ersten Fall von Bottom-up, im zweiten von Top-down sprechen. Anmerkung: … eine verbogene Welle ist diagnostizierbar - aber was verbiegt eigentlich die Welle? Nach einer überblickshaften Zusammenfassung der Diagnosestrategien wird in diesem Abschnitt die Quantifizierung von Messergebnissen im Pegelmaß vorgestellt, die ja den eigentlichen Bezug zur Urform von Überwachung und Diagnose mit dem menschlichen Gehör darstellt. Anschließend wird mit der sogenannten Kritikalität ein universeller und vor allem anwenderzentrierter Parame‐ ter definiert, der Prioritäten festlegt und mehr und mehr zum Kernpunkt quantitativer Diagnose‐ aussagen wird. Werden Risikoabschätzungen notwendig, sind tiefergehende Kritikalitätsanalysen durchzuführen und Ergebnisse beispielsweise als 6M System-Kritikalitäts-Diagramm darzustellen (siehe Bild 12.2). 12.1 Spektralanalyse zum Ableiten von Diagnoseprioritäten Ganz am Anfang einer systematischen Fehlererkennung und Diagnose stand die Frequenzanalyse - diese Sequenz soll, der Historie und einer gewissen Logik folgend, auch hier beibehalten werden. 12.1.1 Spektrale Phänomene Geht man von einer stationär, also mit konstanter Drehzahl und Last (Leistung) laufenden Maschine aus, so erhält man für die verschiedenen Erreger- und Eigenfrequenzen spektrale Phänomene wie zum Beispiel Peaks im Spektrum. Änderungen im Spektrum können zur Zustandsbeurteilung herangezogen werden. Bild 12.3 und Tabelle 12.2 stellen dazu geeignete Klassifizierungen vor, wie sie in den folgenden Ausführungen eingesetzt werden. 686 12 Schweregrad eines Fehlers Bild 12.2: System-Kritikalitäts-Diagramm Zunächst zur spektralen Klassifizierungen nach Bild 12.3: Dort sind allgemeingültige, signifikante Erreger und komponentenspezifische Bänder vorgegeben, aus denen bei Veränderungen die entsprechenden Diagnoseprioritäten abgeleitet werden können. Bild 12.3: Frequenzbänder zur Überwachung und Diagnose typischer Fehlerarten 687 12.1 Spektralanalyse zum Ableiten von Diagnoseprioritäten Grundsätzlich unterscheidet und bewertet man bei den spektralen Phänomenen nach einer ganzen Reihe von Charakteristika: ● Drehfrequenzen, Harmonische der Drehfrequenz und Subharmonische indizieren meist Feh‐ ler direkt im Rotorbereich. Subharmonische sind Frequenzen mit ganzzahligen Bruchteilen der Drehfrequenz ( 12 , 13 ). ● Frequenzen unterhalb der Drehfrequenz, die keine Subharmonischen sind, werden als subsynchron bezeichnet. Sie enthalten oft Fehlerinformationen zum Laufverhalten, wie zum Beispiel Instabilitäten von Gleitlagern wie Whirl oder Whip. ● Anregungen mit Höherharmonischen der Drehfrequenz beschreiben Eingriffsfrequenzen und Blattpassierfrequenzen und können bei Veränderungen typische Fehler anzeigen. ● Unrunde Vielfache der Drehfrequenz (also weder ganzzahlig noch subharmonisch) sind meist Überrollfrequenzen von Wälzlagern und könnten auf Lagerfehler (Pitting) hinweisen. ● Drehzahlunabhängig sind Anregungen aus der elektrischen Antriebstechnik. Sie sind anhand der Frequenz des Versorgungsnetzes (oder Frequenzumrichters) zu identifizieren. ● Eigenfrequenzen nicht-rotierender Bauteile sind unabhängig von der Drehzahl und können auf bestimmte Fehler hinweisen, zum Beispiel Risse im Maschinenfundament. ● Eigenfrequenzen an schnell rotierenden Komponenten zeigen oft eine charakteristische Drehzahlabhängigkeit. Die bekanntesten Beispiele sind Biegeeigenfrequenzen von Rotoren und Eigenschwingungen von Rotorschaufeln. Anmerkung: Letztere Eigenschaft, die drehzahlabhängigen Eigenfrequenzen, ist wichtig bei der Bestimmung kritischer Drehzahlen im Campbelldiagramm. Auf Grundlage dieser Charakteristika lassen sich zum Festlegen von Schweregraden Diagnose‐ prioritätszahlen ableiten. Die Diagnoseprioritätszahl wird in Anlehnung an die FMEA-Methode ermittelt und ergibt sich als Produkt dreier Indexgrößen S, F und K mit folgender Bedeutung: ● S gibt die erwartete Schwere der Auswirkung des Auftretens des Fehlers hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Maschine bzw. Maschinenkomponente an, ● F gibt die zu erwartenden maschinenspezifischen Folgekosten bei Eintritt des Fehlers an, ● K steht für die Möglichkeiten zur Korrektur des Fehlers, bevor dieser etwa die Maschine schädigen kann. Die Diagnoseprioritätszahl eignet sich damit zur Bewertung des aktuellen Maschinenzustands unter Berücksichtigung von Betriebs-, Service-, Instandhaltungs- und Diagnoseerfahrungen. Sie wird im weiteren Verlauf dieses Abschnitts noch eingeführt und erläutert. Einen Überblick über die zitierten spektralen Phänomene liefert Tabelle 12.2. 12.1.2 Spektrale Fehlerbilder Tabelle 12.3 zeigt, quasi als Umkehrung von Tabelle 12.2, die spektralen Erscheinungsbilder ver‐ schiedener Fehler, jedoch ohne Bezug zu konkreten Maschinen. Daraus lassen sich Muster ablei‐ ten, die man sowohl zur Mustererkennung als auch zum Ableiten von Diagnoseprioritäten ver‐ wenden kann. 688 12 Schweregrad eines Fehlers Frequenzkomponente Fehler Abschnitt Drehfrequenz Unwucht 1X, 2X, 3X … Drehfrequenz 5.8 Drehzahlharmonische Fehlausrichtung 5.9 Wellenriss Lose Subharmonische Nichtlinearität 1/ n Drehfrequenz 1.13.2 exzessives Lagerspiel 5.10 Lockerungen (Lose) Subsynchron Ölfilmprobleme Riementrieb < Drehfrequenz (keine Subharmonische) 5.17.2.3 Drehzahlabhängige Vielfache Drehklang Passierfrequenzen Eingriffsfrequenzen Zündfrequenzen ganzzahlige Vielfache höherer Ordnung 5.8 ff Drehzahlunabhängig Einflüsse aus der E-Technik Netzfrequenz mit Harmonischen 5.13.2 Pulsfrequenzen zum Beispiel Frequenzumrichter 5.13.3 Selbsterregung Eigenfrequenz 1.13 Eigendynamik Lagerüberrollfrequenzen Wälzlagerschäden Fehlerpassierfrequenz 5.12.2.5 Seitenbandfamilien Zahnradfehler Passierfrequenzen Eingriffsfrequenzen, Fehlerpassierfrequenzen 5.15 Stab- und Wicklungsfrequenzen elektrische Maschinen 5.13 Tabelle 12.2: Spektrale Erscheinungsbilder Grundursache Spektrales Erscheinungsbild Abschnitt Defekte im Zahneingriff Eingriffsfrequenz mit Seitenbändern 5.15 Defekte an Stäben von Rotor und Stator Passierfrequenz mit Seitenbändern 5.13 Umlaufende Abrissströmung Strömungsabriss in einzelnen Kanälen 5.14 Summen- und Differenzfrequenzen nichtlineare Mischung von zwei unterschiedlichen Frequenzen 5.13 Tabelle 12.3: Spektrale Fehlerbilder 689 12.1 Spektralanalyse zum Ableiten von Diagnoseprioritäten Darstellung Format Abschnitt Frequenzspektrum x-y-Diagramm 1.4.1 Ordnungsspektrum 1.4.2 Bodediagramm kartesisches Doppeldiagramm 5.4.2 Nyquistdiagramm Polardiagramm 5.4.2 Tabelle 12.4: Darstellungsformen spektraler Größen 12.1.3 Spektrale Darstellungen Unterschiedliche spektrale Darstellungen ermöglichen es, sowohl bestimmte Fehler gezielt zu diagnostizieren als auch multivariate Diagnosen auszuführen und entsprechende Diagnoseprio‐ ritäten festzulegen. Als markantes Beispiel für spektrale Mustererkennung sei hier auf die umlaufende Abrissströ‐ mung bei Kompressoren hingewiesen, die in Abschnitt 12.5.2.8 noch behandelt wird. 12.2 Zeitbereichs-, Orbit- und Resonanzanalysen Zeitbereichs-, Orbit- und Resonanzanalysen ermöglichen einen tiefen Einblick in das dynamische Maschinenverhalten. Entsprechende Schweregrade über diese Analysemethoden abzuleiten, ist jedoch schwierig und erfordert Wissen und Erfahrungen. Schweregrade festzulegen, erfordert aber auch das systematische Bewerten von gesammelten Erkenntnissen. So erfolgt zum Beispiel bei großen Kolbenkompressoren wegen ihrer instationären und vor allem diskontinuierlichen Arbeitsweise die Zustandsanalyse gezielt auf der Bewertung von getriggerten Zeitsignalen und einer Zeitbereichsmittelung. Verändern sich ganz bestimmte Bereiche in den Zeitsignalen, lassen sich Schweregrade auch direkt festlegen. Wertet man bei Orbitanalysen neben maximalen Schwingweg s max auch den zugehörigen Phasenwinkel als vektoriellen Kennwert aus, ermöglicht dies ebenfalls das Festlegen von Schwe‐ regraden. Bezugsgrößen sind Grenzwerte, die weitgehend normativ festgelegt sind. Bei Resonanzanalysen werden zumeist im Auslaufvorgang Resonanzbereiche hinsichtlich Veränderungen überwacht und bewertet, woraus sich ebenfalls Schweregrade festlegen lassen. 690 12 Schweregrad eines Fehlers Analysetyp Methode Analyse der Schwingungsform Effektivwert Spitzenwerte (max/ min) Einzelereignisse Spitzenhaltigkeit Crestfaktor, Crestfaktor Plus SPM, K(t), BSO, PeakVue usw. Kurtosis Orbitanalyse visuelle Beurteilung Spitzenwert, Phase Corbit 3D-Darstellung Orbit über Zeit Resonanz Bodediagramm Nyquistdiagramm Spektrogramm Tabelle 12.5: Analysen im Zeitbereich Auch hier sei als markantes Beispiel auf besondere Fehler im Bereich von Rotoren hingewiesen, die bereits in den Diagnoseabschnitten angesprochen wurden: Morton- und Newkirk-Effekt, die in Abschnitt 12.5.2.4 ausführlicher zur Sprache kommen. 12.3 Pegel (Gesamt-, Schmalband- und Komponentenpegel In den bisherigen Ausführungen wurden die verschiedenen Verfahren zur Schwingungsüber‐ wachung und zur Fehlerdiagnose aus dem Schwingungsbild, vorwiegend aus dem Spektrum vorgestellt. Zur Bewertung der Schwingungsamplituden bieten sich mehrere einfache Methoden an, im Speziellen ● Vergleich mit festen Grenzwerten, ● Beurteilung der Pegeländerungen, ● Trendanalyse. Die Ausführungen dieses Abschnitts sollen den Umgang mit diesen Verfahren erläutern und die Bewertungen bis hin zum Ableiten von diversen quantifizierten Schweregraden in Form von Schwingprioritätszahlen beschreiben. 12.3.1 Schwingungspegel In einem linearen System ist bei einer festen Frequenz die Schwingungsamplitude immer proportional der Amplitude der Erregerkraft. Maßgebend für die Beurteilung einer Schwingung ist demnach der Faktor, um den sich eine Schwingung im Falle eines Fehlers erhöht. Aus diesem Grund werden Beurteilungskriterien manchmal mit logarithmischem Amplitudenmaßstab ange‐ geben. 691 12.3 Pegel (Gesamt-, Schmalband- und Komponentenpegel (12.1) (12.2) (12.3) Zur Vermeidung logarithmischer Skalierungen in einer Grafik kann das Pegelmaß herangezo‐ gen werden. Der Pegel L in der Einheit Bel ist ein logarithmisches Maß für das Leistungsverhältnis zweier Schwingungen mit den Schwingstärken (Amplituden, Effektivwerten) x 1 und x 2 . Anmerkung: Für den Pegel wird international das Symbol L eingeführt nach der englischen Bezeichnung Level. Man erhält mit P als Symbol für die physikalische Leistung die Definitionsgleichung L = log P2 P1 Bel Vorzugsweise (bzw. praktisch ausschließlich) wird der Pegel in Dezibel (dB) angegeben, also L = 10log P2 P1 dB Für energieäquivalente Messgrößen x (man spricht in der Transformationstheorie auch von Feld‐ größen, gelegentlich auch von Leistungswurzelgrößen) erhält man wegen der Proportionalität x 2 ~ P schließlich den bekannten Ausdruck L = 10log x22 x12 = 20log x2 x1 dB Der Vorteil des Pegelmaßes geht aus Bild 12.4 unmittelbar hervor: ● Die Erhöhung der Schwingungsamplitude infolge eines Fehlers an der Quelle ist außer von der Erhöhung auch vom Messpunkt abhängig. ● In einem linearen System steigt die Schwingung unabhängig vom Messpunkt um den gleichen Faktor an. ● Diese Erhöhung entspricht einem überall gleichen Pegelanstieg. Bild 12.4: Pegelanstieg infolge eines entstandenen Fehlers 692 12 Schweregrad eines Fehlers Beurteilung auf Basis der Pegeländerung einer Schwingung Pegelerhöhung 3 dB bis 5 dB Warnung Pegelerhöhung >8dB bis >10 dB Alarm Tabelle 12.6: Beurteilung des Schwingungspegels Eine Schwingungsbeurteilung nach Pegeländerung hat den Vorteil eines unspezifischen Maß‐ stabs. Das heißt, Messung und Beurteilung sind weitgehend unabhängig von der Wahl des Messpunktes, da zumindest im theoretischen Idealfall die Pegelerhöhung infolge eines Fehlers an jedem Punkt gleich sein wird. Wie sich dann Pegelerhöhungen bezüglich Schweregrad beurteilen lassen, beinhaltet Tabelle 12.6. Hinweis: Diese Beurteilungsart lässt sich jedoch nur bei einfachen Maschinen verwenden, wo eine Überdeckung durch andere Komponenten unwahrscheinlich ist. 12.3.2 Kriterien zur Beurteilung von Schwingungen Bei der Beurteilung der Schwingstärke geht man in den verschiedenen Normenreihen ähnlich vor. Man definiert neben anwendungsspezifischen Anweisungen und Grenzwerten verschiedene Kriterien zur Beurteilung der gemessenen Schwingungen. Am meisten werden die folgenden beiden Kriterien verwendet: ● Kriterium I - Die Schwingungsgröße bei Nenndrehzahl und stationären Bedingungen. ● Kriterium II - Die Änderung der Schwingungsgröße gegenüber einem vorher festgelegten Referenzwert. Auf eine vektorielle Schwingungsmessung, also eine Messung nach Betrag und Phase für harmonische Komponenten, wird in neuen Normen zunehmend hingewiesen. Insbesondere bei Wasserkraftanlagen wird sie ziemlich konkret behandelt und auch erwähnt, dass die Phasensta‐ bilität ein weiteres wichtiges Beurteilungskriterium ist. Sie ist aber auch bei schnelllaufenden Turbomaschinen ein Kriterium, das bei der diagnostischen Wellenschwingungsüberwachung schon länger benutzt wird. Daraus lässt sich ein drittes Kriterium ableiten: ● Kriterium III - Stabilität des Phasenwinkel der drehfrequenten Komponenten Relativ neu ist ein viertes Kriterium: ● Bewerten des dynamischen Verhaltens von typischen Schwingungskenngrößen. Letzteres ist noch nicht in den Normen erfasst, da frühere Messtechniken zu träge waren und erst neue Messtechnologien es ermöglichen, auch hinreichend schnell solch Schwingungskenngrößen zu berechnen, als Statistikgrößen bereitzustellen und zu bewerten. 693 12.3 Pegel (Gesamt-, Schmalband- und Komponentenpegel Alle diese Schwingungskriterien lassen sich nutzen, um im nächsten Schritt FMEA-basiert Schwingprioritätszahlen als Indikator für den Schweregrad einer Schwingungserscheinung zu ermitteln. Die Schwingprioritätszahl ergibt sich als Produkt von drei Kenngrößen As, Bs und Es mit folgenden Bedeutungen: ● As gibt die Häufigkeit an, mit welcher der Schwingungsgrenzwert überschritten wird. ● Bs gibt die Schwere der Auswirkung hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Maschine an. ● Es steht für die Wahrscheinlichkeit der Fehlerentdeckung mit der eingesetzten Messtechnik. 12.3.3 Festlegen von Alarm- und Abschaltgrenzen Nach Neuinstallation einer Anlage oder nach Überholung einer Maschine sind in Schutz- und Überwachungssystemen Alarm- und Abschaltgrenzen festzulegen bzw. neu zu definieren. Falls vorgegebene Grenzwerte bekannt sind oder aus Erfahrung vorliegen, sind diese zu verwenden. Anderenfalls sind vorläufige Warn- und Alarmkriterien zu bestimmen, die zumeist im Verlauf der Inbetriebnahme ermittelt werden. Abschaltgrenzen sind oft im Rahmen der Maschinenzulassung, in Normen/ Richtlinien oder in Bedienungsanleitungen des Herstellers festgelegt und werden mit den Schutzsystemen über‐ wacht; bei Überschreitungen erfolgen Abschaltungen oder andere Handlungen nach Anweisung. 12.3.3.1 Warn- und Alarmkriterien In Normen werden Grenzwerte üblicherweise in zwei Stufen festgelegt, meist bezeichnet als Warnung und Alarm. Hinweise zu diesem Thema findet man in der übergeordneten Norm DIN ISO 17359. Beschrieben wird dort lediglich die Prozedur zu Bestimmung von Grenzwerten, nicht jedoch die erforderliche Aktivität bei Grenzwertüberschreitung. Diese ist sehr stark maschinenspezifisch und kann von reinem Beobachten (Aufmerksamkeitsschwelle) bis zum automatischen Abschalten reichen. 12.3.3.2 Vorläufige Warn- und Alarmkriterien Liegen keine Kriterien aus Erfahrung oder richtlinienbasiert vor, sind zunächst Kriterien indivi‐ duell und vorläufig festzulegen. Diese Kriterien können Einzelschwellen oder mehrfache Schwellen sowohl in ansteigender wie auch in abfallender Richtung sein. Die Warn- und Alarmkriterien lassen sich auch durch Auswertung mehrerer Messungen gewinnen oder aus der Einhüllenden dynamischer Messsignale ableiten. Bei der Festlegung ist auch die Kurzzeitstabilität der Messwerte zu beobachten. Dabei kann man zwischen verschiedenen Ursachen von Schwankungen unterscheiden, nämlich ● statistische Unsicherheiten aus der endlichen Dauer einer Messung, ● statistische Schwankungen aus dem Prozess oder ● fehlerbedingte Schwankungen. Scheinen die Schwankungen in Vergleich zu den Messwerten nicht akzeptabel zu sein, so sollten sie zunächst untersucht und Störeinflüsse reduziert oder beseitigt werden. Im ersten Fall können Verbesserungen in der Messtechnik Abhilfe schaffen. Meistens wird es eine Frage hinreichender Messzeit und Mittelung sein. 694 12 Schweregrad eines Fehlers Über statistische Schwankungen aus dem Prozess sind vom Standpunkt der Zustandsüberwa‐ chung keine allgemeingültigen Aussagen möglich. Hier ist vom Hersteller oder Betreiber der An‐ lage zu prüfen, ob die Schwankungen akzeptabel sind oder ob prozesstechnische Verbesserungen angebracht wären. Anderenfalls müssen mehrere Betriebsklassen mit zugehörigen Schwellwerten mit den erforderlichen Toleranzen definiert werden, um Fehlalarme zu vermeiden. Im dritten, dem fehlerbedingten Fall, sind die Fehler vor der Grenzwertdefinition zu beseitigen oder zumindest auf ein tolerierbares Maß zu reduzieren. Die Beobachtungszeit für Schwankungen muss in jedem Fall groß sein gegenüber den für die Messung gewählten Mittelungszeiten. Sie muss also den Charakter einer Langzeitbeobachtung sicherstellen, wobei andererseits ein stabiler Maschinenzustand Voraussetzung ist. Bei manchen Fehlern, vor allem bei thermisch bedingten Fehlern, kann sich dies in einer Größenordnung bis zu mehreren Stunden bewegen. Beispiele zu diesem Thema werden später im Zuge dieses Abschnitts noch vorgestellt (Abschnitt 12.5.2.4). Bei hinreichender Stabilität der Messwerte können zunächst vorläufige Kriterien festgelegt werden. Dabei sind folgende Gesichtspunkte zu beachten: ● Warnkriterien sollen nicht durch die zuvor festgestellten (und akzeptierten) Schwankungen ausgelöst werden. ● Warnkriterien sollten nicht unnötig weit außerhalb dieser Schwankungsbreite gesetzt werden. Alarmkriterium müssen dagegen sowohl prozessbedingte und kinematische Einflüsse als auch mechanische Grenzwerte berücksichtigen wie zum Beispiel: ● Wellenschwingungen sollten 70 % des verfügbaren Lagerspiels nicht überschreiten. ● Anstreifen von Rotoren an feststehenden Komponenten ist unbedingt zu vermeiden. ● Spannungsbeanspruchungen müssen hinreichend weit unterhalb der Streckgrenze oder Bruchfestigkeit bleiben. Grundsätzlich gilt sowohl für Warn- und Alarmkriterien, dass sie ausgehend von den vorläufigen Werten im Laufe der Zeit in einem iterativen Prozess optimiert werden sollten. Für die Schwingungs-Zustandsüberwachung enthalten die Normen DIN ISO 17359, DIN ISO 13373-1, DIN ISO 20816 (alle Teile) bzw. DIN ISO 10816 und DIN ISO 7919 (alle Teile) Informationen über Warn- und Alarmkriterien. Die Normen sind in Abschnitt 10 zusammengefasst. 12.3.3.3 Bezugswerte Bezugswerte sind (hochauflösende) Datensätze, die bei einem als einwandfrei und stabil einge‐ schätzten Betriebszustand der Anlage temporär gemessen wurden. Die Ergebnisse der laufenden Messungen können mit diesen Bezugswerten verglichen werden, um Änderungen im Maschinen‐ zustand festzustellen. Bei Anlagen, die vor der ersten Überwachungsmessung schon eine nennenswerte Betriebsdauer erreicht haben, können ebenfalls Bezugswerte als Ausgangsbasis einer Trendbeobachtung fest‐ gelegt werden. Die Methodik ist dabei prinzipiell wie die im Neuzustand, jedoch ist jetzt eine besonders sorgfältige Kontrolle der Stabilität der Bezugswerte notwendig. Anmerkung: Bezugswerte können auch für Kenngrößen ermittelt werden, die nicht in die routinemäßige Überwachung einbezogen sind. Man schafft sich damit eine Referenz für 695 12.3 Pegel (Gesamt-, Schmalband- und Komponentenpegel spätere, erweiterte und tiefergehende Nachuntersuchungen im Fall von Fehlern, ohne dass eine langwierige Trenduntersuchung neu aufgesetzt werden muss. 12.4 Schmierstoffanalyse Schmierstoffanalysen bieten ebenso Möglichkeiten, um Schweregrade von gewissen Kompo‐ nentenfehlern abzuschätzen. Bei Schmierstoffanalysen ist jedoch grundsätzlich zwischen der Überwachung der Schmierölversorgung, der Analyse des Schmierstoffs selbst und der Analyse der im Schmierstoff enthaltenen Fremdkomponenten (Debris) zu unterscheiden. Des Weiteren ist natürlich neben der anwendungsbezogenen Schmierstoffauswahl auch eine bestimmungsge‐ mäße und regelmäßige Schmierstoffpflege essentiell für die Reliability der jeweiligen Assets. Überschmierung wie in Bild 12.5 gezeigt, sollte allerdings vermieden werden. Bild 12.5: Viel hilft viel - nicht bei Schmierung Verschleißbedingte Zustandsveränderungen lassen sich grundsätzlich über Maschinenschwin‐ gungen, über Schmierstoffanalysen und auch über Partikelzählung im Schmierstoff verfolgen. Denn jede rotierende Maschine erzeugt Verschleiß durch Reibung. Durch Reibung und Verschleiß‐ prozesse entstehen erst sehr kleine Partikel. Zunächst nimmt die Anzahl der Partikel zu, bis schließlich auch die Partikelgröße steigt. Durch Maßnahmen, wie zum Beispiel Nebenstromfilte‐ rung, lässt sich dieser Prozess verzögern, jedoch nicht aufhalten, da jede Maschine altert bzw. sich abnutzt. Demzufolge enthält die Partikelmenge wertvolle Informationen zum Maschinenzustand und zum Verschleißgrad. Sehr frühzeitige Verschleißinformationen erhält man, wenn nicht nur die Partikelmenge, sondern auch die Partikelgrößenverteilung bewertet wird. 696 12 Schweregrad eines Fehlers Eigenschaft Parameter Physikalisch Verbesserung des Viskositätsindex Stockpunkt Anti-Schaum-Zusätze Dispersants Chemisch Antioxidantien Detergents Neutralisatoren Physikalisch/ chemisch Additive zum Verschleißschutz Tabelle 12.7: Verbesserung der Schmierstoffeigenschaften durch Additive In den folgenden Unterabschnitten wird ein Überblick über einschlägige Verfahren von Schmierstoffanalysen gegeben, die zusätzlich berücksichtigt werden sollten, bevor man Schwe‐ regrade von Fehlern ableitet. 12.4.1 Schmierstoffauswahl Schmieröle bestehen aus einem oder mehreren Grundölen und gezielt eingebrachten Additiven zur Verbesserung der Eigenschaften (siehe Tabelle 12.7 und Bild 12.6). Grundöle gibt es auf mineralischer, auf synthetischer und auf biologischer Basis. Beim Nachfüllen und beim Austausch (Ölwechsel) dürfen keine Vermischungen erfolgen, da dies zu Unverträglichkeiten führen kann. Bild 12.6: Aufbau von CLP-Ölen für Hochleistungsgetriebe 697 12.4 Schmierstoffanalyse Laborwerte Verschleiß Substanz Dim Aktuell Ref Eisen Fe mg/ kg 1 0 Chrom Cr mg/ kg 0 0 Zinn Sn mg/ kg 40 51 Aluminium Al mg/ kg 8 8 Nickel Ni mg/ kg 0 0 Kupfer Cu mg/ kg 1 1 Blei Pb mg/ kg 0 0 Molybdän Mo mg/ kg 2073 1775 Tabelle 12.8: Laborwerte über Verschleißkomponenten im Schmierstoff Additive werden den Grundölen zugegeben, damit der Schmierstoff bezogen auf die jeweiligen Maschinenelemente die erforderlichen Belastungen und Beanspruchungen mit der geforderten Lebensdauer unter den Umgebungsbedingungen erträgt. Als Beispiel zeigt Bild 12.6 den Aufbau von CLP-Ölen für industrielle Hochleistungsgetriebe. 12.4.2 Laborwerte Die folgenden Tabellen zeigen beispielhaft Ergebnisse von Laboranalysen bei Öluntersuchungen an Industriegetrieben. Sie sollen an dieser Stelle lediglich einen Einblick in Komplexität und Vielfalt vermitteln. Über solche Schmierstoffanalysen bewertet man in der Regel nur die Veränderungen einzelner oder mehrerer Laborkennwerte. Erfahrene Personen ordnen beispielsweise Substanzen bestimmten Bauteilen und Verunreinigungen zu, ermitteln Schweregrade und verfolgen die Ten‐ denzen über Wochen oder Monate. Treten signifikante Änderungen auf, können Rückschlüsse auf Verschmutzungen, Alterung oder Verschleiß getroffen und Handlungsmaßnahmen festgelegt werden. Besonderes Augenmerk sollte man auf den Wassergehalt des Öls legen, da Wasser nicht nur die Korrosion, die Oxidationsgeschwindigkeit und Degradationsprozesse des Öls fördert, sondern Öl in Wasser-Emulsionen auch die schützenden Ölfilme in den Maschinenelementen stören. 12.4.3 Ölalterung Die Alterung von Schmieröl ist ein sehr komplexer Prozess. Er lässt sich in drei Teilbereiche gliedern, und zwar ● Abbau des Grundöls, ● Verunreinigungen und ● Abbau von Additiven. Alle drei genannten Teilprozesse können zur Bildung von Ablagerungen beitragen, was wiederum Ergebnisse von Laboranalysen beeinflusst. Es wird heute eine große Zahl von teilweise sehr aufwändigen Tests angeboten, die vorwiegend von Speziallabors durchgeführt werden und meist auf einschlägigen Normen basieren. 698 12 Schweregrad eines Fehlers Laborwerte Verunreinigung Substanz Dim Aktuell Ref Silizium, Staub Si mg/ kg 4 3 Kalium K mg/ kg 10 5 Natrium Na mg/ kg 1 1 Wasser < 0,1 % < 0,1 % Tabelle 12.9: Laborwerte über Verunreinigungen im Schmierstoff Laborwerte Ölzustand Parameter Dim Aktuell Ref Viskosität 40°C mm 2 / s 317,96 324,91 Viskosität 100°C mm 2 / s 21,90 24,23 Viskositätsindex - 96 96 Oxidation Aussehen dunkelbraun braun Tabelle 12.10: Laborwerte zum Ölzustand Laborwerte Additive Substanz Dim Aktuell Ref Kalzium Ca mg/ kg 140 121 Magnesium Mg mg/ kg 0 0 Bor B mg/ kg 0 0 Zink Zn mg/ kg 1260 1196 Phosphor P mg/ kg 3396 2607 Barium Ba mg/ kg 15 15 Tabelle 12.11: Laborwerte zu den Additiven 699 12.4 Schmierstoffanalyse Zusatztests Reinheitsklasse ISO 4406 18/ 16/ 13 16/ 13/ 11 > 4µm(c) Anzahl/ 100ml 140240 43000 > 6µm(c) Anzahl/ 100ml 32790 7700 > 14µm(c) Anzahl/ 100ml 5637 1056 Reinheitsklasse NAS 1638 8 8 5µ - 15µ Anzahl/ 100ml 27262 6734 15µ - 25 µ Anzahl/ 100ml 4100 832 25µ - 50µ Anzahl/ 100ml 1095 122 50µ - 100µ Anzahl/ 100ml 203 61 > 100µ Anzahl/ 100ml 40 41 Tabelle 12.12: Zusatztests (hier Reinheitsklassen) 700 12 Schweregrad eines Fehlers Tabelle 12.13 bringt eine Zusammenstellung von Verfahren. Die Untersuchungen werden vor‐ wiegend von Spezialfirmen im Labor durchgeführt und dort unter diesen Standardbezeichnungen bzw. Kurzzeichen angeboten. Methode Code Anwendung Acid Number AN Säuregehalt - Rückschluss auf Öloxidation und Abbau von Additiven Strong Acid Number SAN wie AN, bei Vorhandensein aggressiver Säuren Antioxidantien Gehalt an Antioxidantien über IR-Spektroskopie zur Abschätzung der Resistenz gegen Ölalterung. Viskosität physikalischer Parameter Buntmetall Inhibitor Gehalt an Substanzen, welche die Oberfläche von Buntmetallen schützen Basenzahl BN Alkalische Reserve des Schmierstoffs zur Neutralisation von Säuren Schmutztragevermögen CCD zeigt, ob das Öl noch in der Lage ist, Schmutzpartikel in Schwebe zu halten Filtrierbarkeit (Cold Filter Plugging Point) CFPP Tieftemperatureignung, bestimmt die tiefste Temperatur, bei der sich das Öl durch einen definierten Filter saugen lässt Chlorgehalt Chemischer Parameter Cloudpoint Temperatur, bei welcher der Schmierstoff durch Ausscheiden von Paraffin bei tiefen Temperaturen trüb wird Conradson Residue Koksrückstände (Ablagerungen) Dichte Bestimmung der Dichte oder des Dichte-Temperatur-Profils Dielektrischer Verlustfaktor Gibt Hinweise über polare Bestandteile, die zu dielektrischen Verlusten im Öl führen Durchschlagspannung elektrische Spannung, bis zu der unter definierten Bedingungen keine Funkenentladung auftritt Elemente, AES-Retrode Bestandteil an bestimmten chemischen Elementen (Al, Ba, Pb, Cr, B, Cr, Fe, K, Ca, Cu, Li, Mg, Mo, Na, Ni, P, Si, Zn, Sn) Farbzahl ASTM Messtechnische Farbbestimmung, liefert Information über Alterung und Verschmutzung Ferrographie Magnetische Bestimmung von magnetisierbaren Partikeln, Rückschluss auf Verschleißvorgänge, die zur Entstehung der Partikel geführt haben, durch mikroskopischen Partikelbetrachtung Feste Fremdstoffe Bestimmung der Gesamtverschmutzung des Schmierstoffs Filterung mit Möglichkeit zur Betrachtung der gefilterten Partikel 701 12.4 Schmierstoffanalyse Methode Code Anwendung Filtrierbarkeit Stufe I & Stufe II Flammpunkt Kriterium für Entflammbarkeit (verringert sich durch Kraftstoffeintrag in Motorölen) Schaumtest Volumenzunahme durch Öl-Luft-Dispersion und Schaumbildung. Die Schaumbildung hat einen negativen Einfluss auf die Tragfähigkeit des Schmierfilms in Verzahnungen und Lagern. Furane Zersetzungsprodukte von Zellulose (Isolierungen in Transformatoren) FZG-Test FZG Fresstragfähigkeit bei Zahnradgetrieben (entwickelt von der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der TU München) Gas in Öl gelöste Gase in Transformatorölen Glykol HS-GC Eindringen von Kühlmittel in den Schmierstoff bei Motoren Grenzflächenspannung Gehalt an unlöslichen polaren Bestandteilen gibt Hinweis auf Alterung und Restnutzungsdauer des Schmierstoffs i-pH Wert Belastung mit korrosiv wirkenden Säuren (Stufe 1 bis 14) IR-Spektroskopie IR Identifikation von Molekülen im Öl über Absorption von Rotlicht. Der Vergleich mit einem Referenzöl liefert Informationen über Verunreinigungen und Veränderungen: Sauerstoffbindungen (Alterung) Wassergehalt Öltyp (mineralisch - synthetisch) Ölmischung. Jodzahl Gehalt an ungesättigten Verbindungen (Halogene) Karl-Fischer-Titration exakte Bestimmung des Wassergehalts eines Schmierstoffs Korrosionsschutz Aussage, inwieweit bei Anwesenheit von Wasser Korrosion von Stahlflächen stattfindet (für Schmierstoffe bei Turbinen) Gaschromatographie Kraftstoffeintrag bei Benzin-, Diesel- und Biodieselmotoren (besonders wichtig bei Letzteren) KRL-Scherstabilität KRL Bestimmung der Veränderung der Viskosität durch Zerstörung von VI-Verbesserern Kupferstreifenprüfung Bestimmung der korrosiven Eigenschaften von Schmierölen auf Kupfer (Schwefelgehalt) Leitfähigkeit Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Ölen (Gefahr von Schäden durch elektrostatische Entladungen) Luftabscheidevermögen Verschlechterung des Schmierfilmaufbaus in Gleitlagern durch hohen Luftgehalt im Schmierstoff 702 12 Schweregrad eines Fehlers Methode Code Anwendung MPC-Test (Membrane Patch Colorimetry) MPC Erfassen des Harzanteils im Öl und anderer alterungsbedingter Ablagerungen (dimensionsloser Index) Neutralisationszahl Rückschluss auf Öloxidation und Abbau von Additiven Verdampfungsverlust nach Noack Differenzierung von Ölen (Vielstoffgemischen) nach ihrem Verdampfungsverhalten wird in einigen Schmierstoffspezifikationen gefordert (API) Optische Partikelanalyse Partikelzählung siehe Abschnitt 12.4.5 PCB-Bestimmung Messung des Gehalts an gesundheitsgefährdenden PCB-Verbindungen PQ Index (Particle Quantifier) PQ Abrieb aller magnetisierbaren Bestandteile, unabhängig von ihrer Größe Rasterelektronenmikroskop- Aufnahmen REM- EDX Aufnahmen der Oberflächen fester Partikel. Mit der EDX-Analyse (energiedispersive Röntgenanalyse) wird die Materialzusammensetzung bestimmt. Eingesetzt bei der Aufklärung von Schadensfällen. Reservealkalität Verbrauch an alkalischen Additiven Rotating Pressure Vessel Oxidation Stability RPVOT Ermitteln der Oxidationsstabilität von Schmierstoffen in großen Umlaufanlagen (Turbinen,Papiermaschinen,Walzwerksanlagen) Remaining Useful Lifetime Evaluation Routine RULER Anteil der noch im Öl vorhandenen Oxidantien Schluss auf die noch zu erwartende Restlaufzeit Gaschromatographie Bestimmung der Komponenten komplexer Stoffgemische Spratztest Vorhandensein von freiem Wasser im Schmierstoff Sulfatasche Bestimmen anorganischer Bestandteile (metallischer Abrieb, Staub) durch „Verbrennen“ der organischen Bestandteile (z. B. Öl) Turbineoil Oxidation Stability Test TOST Oxidationsstabilität von Schmierölen und Druckflüssigkeiten unter hoher Belastung für Langzeiteinsatz VKA-Schweißkraft VKA Test von Schmierstoffen für hohe Belastungen Verdampfungsverlust Gaschromatograph - Stabilität der Viskositätseigenschaften Wasserabscheidevermögen Dampf WAV Möglichkeit, eingedrungenes Wasser mit Separatoren aus dem Öl zu entfernen Wasserabscheidevermögen (Emulgatoren) Möglichkeit, eingedrungenes Wasser mit Emulgatoren aus dem Öl zu entfernen Tabelle 12.13: Methodik der Schmierstoffanalyse 703 12.4 Schmierstoffanalyse 12.4.4 Ölreinheit und Verschleiß Die Feststoffverschmutzung von Schmierölen wird unter anderem über Reinheitsklassen klas‐ sifiziert. Bei der Klassifizierung nach ISO 4406/ 1999 werden die gezählten Partikel je 100 ml Flüssigkeit kumulativ den jeweiligen Partikelgrößenbereichen zugeordnet und ISO-Codes (Rein‐ heitsklassen) gebildet. Dieser Code wird für jeden Partikelgrößenbereich neu bestimmt und gibt die jeweilige maximale Partikelanzahl an. In Tabelle 12.14 ist beispielhaft der Code 21/ 18/ 15 grafisch besonders gekennzeichnet. Bei der Anwendung ist jedoch Vorsicht angebracht: Diese Ölreinheitsklassen stellen oft nur ein Kriterium für die Wirksamkeit der Filtration und nicht für den aktuellen Zustand, zum Beispiel des jeweiligen Zahnradgetriebes dar. Verschleiß- oder schadensbedingte Partikel in vorgeschädigten Getrieben, die größer 16 µm (bezogen ISO 4406) oder größer 70 µm sind (bezogen SAE AS4059: 2001), werden bei den ISO-Öl‐ reinheitsklassen überhaupt nicht berücksichtigt. Lediglich ISO 16232 ermöglicht es, Verschleiß- und schadensbedingte Partikel größenabhängig in die Klassen B bis K einzuteilen (siehe Tabelle 12.15). Wie viele Verschleißpartikel dann wiederum mengenmäßig zulässig sind, ist jedoch an‐ wendungsbezogen zu entscheiden. Bild 12.7 veranschaulicht größen- und mengenabhängig das zu erwartende Verschleißverhalten. Es ist zwischen folgenden Verschleißphasen zu unterschieden: a. Normaler Verschleiß (sehr kleine Partikel) b. Zunahme des Mikroverschleißes, dadurch steigt die Partikelgröße und -menge c. Entstehen größerer Partikel d. Zunahme des Makroverschleißes, es entstehen erste grobe Partikel e. Unzulässiger Verschleiß; weitere Komponenten werden geschädigt und erzeugen Abrieb (höchste Kritikalität) Bei Planetengetrieben ist hier zum Beispiel zu beachten, dass komplett einsatzgehärtete Plane‐ tengetriebe ein anderes Verschleißverhalten haben als Planetengetriebe mit naturharten innen‐ verzahnten Hohlrädern. Bild 12.7: Veränderung der Partikelgrößenverteilung durch Verschleißfortschritt 704 12 Schweregrad eines Fehlers Über 4µm Partikelgröße Über 6 µm Partikelgröße Über 14 µm Partikelgröße ISO- Code Partikelanzahl/ 100 ml ISO- Code Partikelanzahl/ 100 ml ISO- Code Partikelanzahl/ 100 ml Von Bis Von Bis Von bis 10 500 1000 10 500 1000 10 500 1000 11 1000 2000 11 1000 2000 11 1000 2000 12 2000 4000 12 2000 4000 12 2000 4000 13 4000 8000 13 4000 8000 13 4000 8000 14 8000 16000 14 8000 16000 14 8000 16000 15 16000 32000 15 16000 32000 15 16000 32000 16 32000 64000 16 32000 640000 16 32000 64000 17 64000 130000 17 64000 130000 17 64000 130000 18 130000 260000 18 130000 250000 18 130000 260000 19 260000 500000 19 260000 500000 19 250000 500000 20 50000 1000000 20 500000 1000000 20 500000 1000000 21 1000000 2000000 21 1000000 2000000 21 1000000 2000000 22 2000000 4000000 22 2000000 4000000 22 2000000 4000000 23 4000000 8000000 23 4000000 8000000 23 4000000 8000000 Tabelle 12.14: Reinheitsklassen nach ISO 4406/ 1999 Klasse 1 C D E F G H I J K Größe 5µm- 15µm 15µm- 25µm 25µm- 50µm 50µm- 100µm 100µm- 150µm 150µm- 200µm 200µm- 400µm 400µm- 600µm 600µm- 1000µm >1000µm Tabelle 12.15: Klasseneinteilung in der ISO 16232 12.4.5 Partikelmengen Neben der visuellen Prüfung und neben Ölanalysen stellen unter Betriebsbedingungen Filterkon‐ trollen und Kontrollen der Verschmutzung am Magnet (siehe Bild 12.8) einfache Möglichkeiten zur Verschleißerfassung dar. Eine andere Möglichkeit sind Massebilanzen, um den Verschleißgrad zu ermitteln. Man erhält daraus beispielsweise die Information, dass man nach Abschluss eines Testlaufes zum Beispiel 20 g Massenverlust und somit 20 g Verschleiß oder Metallabrieb hatte. Bei druckumlaufgeschmierten Getrieben könnte man Partikelmengen aus der Gewichtszunahme der Ölfilterpatrone ermitteln. Den Metallabrieb nachträglich aus der Ölfilterpatrone herauszulösen, zu separieren und größenabhängig zu zählen, ist allerdings ziemlich schwierig. Mit Partikelzäh‐ 705 12.4 Schmierstoffanalyse lern lässt sich die Partikelmenge, die der Ölfilter aufzunehmen hat, vorher online größenabhängig erfassen und klassifizieren. Die Partikelzahlen sollte man jedoch nicht unterschätzen. Nach der Tabelle in Bild 12.8 könnten 20 g metallischer Abrieb sowohl auf 4,8 Mio. Partikel von 100 µm Durchmesser wie auch auf 5000 Partikel von 1 mm Durchmesser zurückzuführen sein. Bild 12.8: Metallpartikel >1mm am Filtermagnet und Tabelle zum Abschätzen erwarteter Partikelzahlen in Abhän‐ gigkeit von der Partikelgröße 12.4.6 Beurteilen von Verschleiß Maschinen verschleißen einerseits durch Komponentenfehler und -schäden, andererseits durch Partikel produzierende Abnützung. Die Verschleißprozesse selbst wirken maschinen- und komponentenspezifisch. Sie sind abhän‐ gig von der Beanspruchung, verändern sich über die Betriebsdauer, initiieren Folgeschäden und verstärken sich ab einem gewissen Grad überproportional bis zum Ausfall oder dem Lebensdauerende. Bild 12.9 zeigt einige typische Erscheinungsformen von Partikeln. Damit soll lediglich die Vielfalt von Verschleißprozessen demonstriert und auf die Möglichkeiten einer Partikelanalyse hingewiesen werden. Verschleißmechanismen können aber auch sehr komplex sein, wie nachfol‐ gend beispielhaft an Verzahnungen und Wälzlagerungen erläutert. Bild 12.9: Verschleißpartikel aus Wälzlagern und Verzahnungen (Quelle: Z.Tribologie/ Schmierungstechnik 5/ 2003) Von links nach rechts: Abriebpartikel aus fortgeschrittenem Wälzlagerschaden Ausgewalzter Abriebpartikel aus Wälzlager (etwa 35µm) Abriebpartikel aus Zahnflanke mit länglichen Formen Einzelner Ausbruchpartikel aus Zahnflanke (etwa 15µm) 706 12 Schweregrad eines Fehlers Verzahnungen Bei einsatzgehärteten Verzahnungen tritt oft Graufleckigkeit als eine Vorstufe zum Verschleiß auf. Dabei handelt es sich um Mikropittings, also Pittings von sehr geringer Größe aber hoher Dichte. Zuerst bilden sich in den am meisten beanspruchten Verzahnungsbereichen unter der Oberfläche kleine Anrisse, die dann aufbrechen und es werden erste kleine Partikel von etwa 10 µm Größe herausgelöst, vom Öl aufgenommen und im Getriebe verteilt. Wälzlager Ein ähnliches Verhalten ist bei Wälzlagerungen zu beobachten. Durch Materialabrieb verringert sich bei Rollenlagern der Wälzkörperdurchmesser. Der Abrieb wird vom Öl aufgenommen, von anderen Wälzlagern wieder überrollt, bis durch Ermüdung auch größere Partikel in den Lastzonen der Wälzlager ausbrechen. Es entstehen als Charakteristika plättchenförmige Partikel von etwa 50 µm Größe. 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten In der Folge dieses Abschnitts wird auf das Thema Fehlerklassifikation näher eingegangen. Fehlerklassifikation soll heißen, den Fehler nicht lediglich nach Pegelerhöhungen, Anstieg von Amplituden oder anhand von Fremdbestandteilen im Schmierstoff zu beurteilen. Das mag zwar in manchen Fällen ausreichend sein. Das normale Betriebspersonal will eindeutige Zustandsinformationen, Prioritäten, Risiken, Prognosen und am besten auch noch eindeutige Handlungsanweisungen genannt bekommen. Mehr noch: Was soll der Betreiber, was kann der Bediener an der Anlagensteuerung mit Begriffen wie Dezibel oder mit bloßen Amplitudenangaben wirklich anstellen? Aus welchen Quellen stammen überhaupt solche Beurteilungen? Anmerkung: Frühere Prognoseaussagen wie „Wir können auf den Tag genau sagen, wann Ihre Maschine ausfällt“ haben sich als unrealistisch erwiesen. Man muss sogar sagen, dass man mit solchen Versprechungen um die Jahrtausendwende der gesamten Zustandsüberwa‐ chungstechnologie eher geschadet hat. Was erforderlich ist, sind Beurteilungen in Klartext, Aussagen über Bedeutung, Fehlerschwere, Risiken und das Benennen realer Handlungsanweisungen. Im Diskussionsfall und bei der Beile‐ gung von Interessenskonflikten (die immer entstehen, wenn es um die Frage geht: Abschalten oder Weiterfahren) sind solche Angaben entscheidend und damit ein objektiver Ausgangspunkt für weitere Maßnahmen. Zur Beurteilung nach solchen, realistischen Gesichtspunkten wird die sogenannte Kritikalität eingeführt. Sie ist einerseits ein ganzzahliger Beurteilungswert, der mit zunehmender Fehler‐ schwere ansteigt. Andererseits liefert die Kritikalität zusätzlich die erforderlichen Klartextaussagen. Und man kann über weitergehende Kritikalitätsbeurteilungen Risiken systematisch analysieren und bewerten. Im Vorfeld ist nur zu klären, welche Einflüsse in welchem System wirken können, und wie die unterschiedlichen Kritikalitäten zu priorisieren sind. 707 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Mögliche Gefahrenauswirkung Leichte Verletzung oder Erkrankung Mittelschwere Verletzung oder Erkrankung Schwere Verletzung oder Erkrankung Schwere Verletzung oder Erkrankung Kein bleibender Gesundheits‐ schaden Kein bleibender Gesundheitsschaden Leichter bleibender Gesundheits‐ schaden Schwerer bleibender Gesundheits‐ schaden Wahrschein‐ lichkeit der Gefährdung Sehr gering 1 2 3 4 Gering 2 3 4 5 Mittel 3 4 5 6 Hoch 4 5 6 7 Anmerkung: In DIN 60812 findet man für die Kritikalität auch die Bezeichnungen Kritizität und Ausfallsbedeutung. 12.5.1 Kritikalität Im Condition Monitoring werden verschiedene Gesichtspunkte für die umfassende Bewertung eines Fehlers berücksichtigt. Es entstehen Fragen wie: ● Was sind die möglichen Konsequenzen des Fehlers? ● Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Fehler auftritt? ● Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, wann der Fehler auftritt? ● Wie sicher kann der Fehler entdeckt werden? ● Besteht Gefahr für Leib und Leben? ● Besteht Gefahr für die Umwelt, oder sogar für unser Geschäft? Schon aus diesen Fragestellungen lässt sich erkennen, dass vor allem Gefährdungen oder besser Kritikalitäten einzuschätzen sind. Kritikalitäten beschreiben den Schweregrad oder allgemein die Bedeutung und Priorität eines Fehlers wesentlich umfassender und vor allem aussagekräftiger, als es eine bloße Beurteilung nach Grenzwerten könnte. Wie Gefährdungen beispielsweise bei Arbeitsplätzen bewertet werden, zeigt Tabelle 12.16. Zur Ergebnisdarstellung nutzt man oft die dargestellte Risikomatrix. Je nach Risikogruppe werden Dringlichkeiten von Maßnahmen festgelegt und später im Folgeaudit kontrolliert. Was sind eigentlich Kritikalitäten? Die Kritikalität ist ein standardisierter Beurteilungswert, der über teilweise genormte Verfahren, über Gewichtungen und nach Erfahrungen unter Einbezug unterschiedlicher Experten erstellt und mit einem anwenderzentrierten Kommentar versehen wird. Kritikalitäten sind anwendungs‐ offen. Es ist deshalb zu definieren, ob Systeme, Maschinen, Prozesse, Zustände oder einfach nur Schwingungen bezüglich Kritikalitäten zu bewerten sind. Anstatt ‚Der Grenzwert ist um 3 dB überschritten‘ heißt es dann zum Beispiel bei der Zustands‐ beurteilung: ‚Der Zustand hat Kritikalitätsgrad 4, ein Ausfall ist wahrscheinlich und Maßnahmen sind kurzfristig erforderlich‘. 708 12 Schweregrad eines Fehlers Risiko‐ gruppe Risiko Dringlichkeit der Maßnahme > 1 - 2 gering Keine Risikoreduzierung nötig (zwischen Restrisiko und Grenzrisiko) > 3 - 4 signifikant Restrisikoreduzierung notwendig (in der Nähe des Grenzrisikos bis leicht darüber) > 5 - 7 hoch Restrisikoreduzierung dringend notwendig (über dem Grenzrisiko) Tabelle 12.16: Standard-Risikomatrix bei der Bewertung von Gefährdungen am Arbeitsplatz Kritikalität Ausfallwahrschein‐ lichkeit Maßnahmen Sehr gering (KPI = 1) unwahrscheinlich keine Maßnahmen erforderlich Gering (KPI = 2) niedrig Erhöht (KPI = 3) erhöht Maßnahme(n) beim nächsten Serviceeinsatz erforderlich Hoch (KPI = 4) hoch Maßnahme(n) kurzfristig erforderlich Sehr hoch (KPI = 5) sehr wahrscheinlich Maßnahmen sofort erforderlich, kritischer Betriebszustand Tabelle 12.17: Kritikalitäten Die Kritikalität als KPI In Tabelle 12.17 ist ein Beispiel für eine fünfstufige Definition einer Kritikalität zusammengestellt. Eine solche Stufung in fünf Klassen entspricht auch den aus der Betriebswirtschaft bekannten KPI-Werten und bedeutet eine Vereinheitlichung, was vor allem für ganzheitliche Überwachungs‐ systeme anzustreben ist. Es ist also naheliegend, auch für die Beurteilung der Kritikalität eine Bewertung über einen KPI einzuführen. Solche Kritikalitätsbewertungen eignen sich auch für das datengetriebene Condition Monito‐ ring. In Bild 12.10 ist veranschaulicht, wie sich bei statistischer Auswertung von monatlichen Generatorschwingungen in Windenergieanlagen Bereiche mit unterschiedlichen Kritikalitäten erkennen, zuordnen und auch automatisiert überwachen lassen. Treten im Histogramm Schwin‐ gungserscheinungen mit höherer Kritikalität auf, bedeutet dies, dass eine höhere Priorität vorliegt und das Ausführen weiterer wissensbasierter Zustandsdiagnosen erforderlich wird. 709 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Bild 12.10: Monatliches Histogramm von sekündlich gemessenen Generatorschwingungen in einer Windenergiean‐ lage In den folgenden Ausführungen dieses Abschnitts wird für Rotoren, Elektromaschinen, Verzah‐ nungen und Wälzlagerungen die Klassifikation von Kritikalitäten beschrieben. Dabei werden zumindest die wichtigsten Gesichtspunkte für darauf aufbauende Kritikalitätsanalysen erläutert. 12.5.2 Klassifikation von Fehlern an Rotoren Speziell bei rotierenden Maschinen spielt die breitbandige Bewertung nach wie vor eine tragende Rolle. 12.5.2.1 Breitbandige Beurteilung Die breitbandige Beurteilung von Schwingungen nach der Normenreihe DIN ISO 20816 und ver‐ wandten Dokumenten erfüllt im Prinzip schon die an eine Kritikalität gestellten Anforderungen. Tabelle 12.18 zeigt hier nochmals die Einteilung in vier Zonen A bis D mit den zugehörigen Beschreibungen in Kurzform. Zusätzlich sind in Tabelle 12.18 verfügbare Lagerspiele bei gleitge‐ lagerten Maschinen eingetragen, die sich ebenfalls zur Klassifizierung von Schweregraden eignen. Vergleicht man diese Beschreibung der Bewertungszonen mit den Kritikalitätskriterien könnte man im Grunde genommen Kritikalitäten 1 bis 4 adäquat verwenden und für die fehlende Kritikalität 5 dann die ggf. maschinenspezifisch definierten Abschaltzonen verwenden. 710 12 Schweregrad eines Fehlers Zone Beschreibung Verfügbares Lagerspiel A gut < 40 % B brauchbar < 60 % C noch zulässig / Alarm < 80 % D verursacht Schäden / Abschaltung ≥ 80 % Tabelle 12.18: Bewertungszonen zur breitbandigen Beurteilung von Schwingungen Doch Vorsicht! Zoneneinteilung und Bewertung beruhen auf Erfahrungswerten, die auf statistischen Analysen von früheren Messdaten beruhen. Des Weiteren hat die breitbandige Beurteilung der Gehäuseschwingungen nicht die Schärfe nach dieser Zonenstufung. Das liegt jedoch im Wesentlichen an der im Hinblick auf Diagnosen reduzierten Sensibilität von Breitbandverfahren im Vergleich zu spektralen Signalanalysen. Außerdem sind hier, im Gegensatz zu den allgemeinen Anforderungen, Häufigkeit und Entdeckungswahrscheinlichkeit von Fehlern überhaupt nicht berücksichtigt. Zusätzlich zu den Breitbandbewertungen spricht die Norm DIN ISO 20186-1 im Anhang noch von einer Vektoriellen Analyse von Schwingungsänderungen. Damit werden frequenzselektiv erfasste Schwingungsänderungen angesprochen, dort ausdrücklich fokussiert auf drehfrequente Komponenten. In den weiteren Ausführungen dieses Abschnitts wird genau diese Komponente, die wichtigste, näher hinsichtlich Kritikalitätsbeurteilung beschrieben. 12.5.2.2 Frequenzselektive Beurteilung Bei rotierenden Maschinen treten typischerweise immer drehfrequente (1X) Komponenten mit verschiedenen Ursachen von 1X-Komponenten auf, was schon in Abschnitt 5.9.5 zusammenge‐ stellt wurde. Die wichtigsten Ursachen sind in Tabelle 12.19 zusammengefasst. Im Fall zu hoher Maschinenschwingungen sind Kritikalitäten immer erhöht, es werden ggf. Gegenmaßnahmen erforderlich. In manchen Fällen tritt nicht nur ein Ansteigen der Schwingung mit konstanter Phasenlage auf. Man findet vielmehr deutliche Schwankungen des 1X-Vektors. Die Amplitude zeigt einen wechselnden Trend, abwechselnd ansteigend und abfallend. Die Phase ist instabil und sie wandert. Man sollte dann den Trend solcher Schwingungserscheinungen über Polardiagramme, Orbits und Corbits näher analysieren und höhere Kritikalitäten festlegen. 12.5.2.3 Unwucht Unter Unwucht wird zumeist Massenunwucht verstanden. Sie entsteht durch unsymmetrische Massenverteilung, die bei Rotation zu 1X-Schwingungen führt. Eine Reihe anderer Fehler macht sich ebenfalls vorwiegend in einer Änderung der bevorzugt überwachten 1X-Komponente bemerkbar. Die wichtigsten sind in Tabelle 12.20 zusammengestellt. Sie werden in der Folge behandelt mit Hinweisen auf Möglichkeiten zur näheren Identifizierung. 711 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Fehlerart Maschinenart Abschnitt Unwucht Rotoren 5.8 Verbogene Welle 5.9.4 Anstreifen 5.11.1 Thermische Unwucht thermische Turbomaschinen 12.5.2.4 Strömungsunwucht Wasserkraftanlagen Windenergieanlagen 12.5.2.3 Magnetische Unwucht Generatoren 12.5.2.3 Runout Messeinrichtung 2.3.3.2 Tabelle 12.19: Ursachen einer 1X-Komponente Bezeichnung Maschinenart Kritikalität Massenunwucht alle 1 - 5 Aerodynamische Unwucht WEA, Gebläse 3 - 5 Hydraulische Unwucht Wasserkraftmaschinen 3 - 5 Magnetische Unwucht Generatoren, Elektromotoren 3 - 5 Thermische Unwucht alle 4 - 5 Fehlausrichtung alle 2 - 4 Runout alle Tabelle 12.20: 1X-Fehler Allgemeingültige Angaben über die Kritikalität können für schmalbandige Bewertungen nicht oder nur einschränkend angegeben werden. Sie sind für den Einzelfall zu ermitteln. Die Spalte Kritikalität in der Tabelle soll nur Anhaltpunkte geben, in welchem Bereich sie sich jeweils bewegen wird. Können solche Angaben allgemein nicht erstellt werden, bleibt das Feld in der Tabelle leer. Massenunwucht Im Kapitel über Fehlererkennung wurden lediglich spektrale oder allgemein schwingungsbezo‐ gene Phänomene von Unwucht behandelt. In Ergänzung dazu bringt Tabelle 12.21 typische Ursachen für Unwucht, die ein wesentlicher Bestandteil für die Einschätzung der Kritikalität sein werden. Verwiesen sei hier aber auch auf maschinenspezifische Normen und auf maschinenspe‐ zifische VDI-Richtlinien (zum Beispiel für Pumpen). Massenunwucht starrer Körper wurde in Abschnitt 5.8 bearbeitet, Hinweise auf die Besonder‐ heiten bei biegeelastischen Rotoren werden später behandelt. Die Korrektur kann durch Wuchten nach Abschnitt 6.2 erfolgen. 712 12 Schweregrad eines Fehlers Maschinenart Ursache Kritikalität Windenergieanlagen ungleiche Rotorblattmassen 2 - 4 Flüssigkeitseinlagerungen (Kondensat) 3 - 4 Austausch von Einzelblättern 2 - 5 Eisablagerung 3 - 5 Thermische Turbomaschinen Materialabtragung infolge Anstreifens 2 - 4 Schaufelverlust 4 - 5 Wasserkraftanlagen Materialabtragung infolge Anstreifens 2 - 3 asymmetrische Erosion durch Fördermedium 2 - 4 asymmetrische Korrosion durch Fördermedium 2 - 4 asymmetrische Abtragung durch Kavitation 3 - 5 Tabelle 12.21: Massenunwucht - mögliche Ursachen Maschinenart Ursache Kritikalität Windenergieanlagen unterschiedliche Anstellwinkel 3 - 5 schlecht ausgeführte Reparaturen (Blattgeometrie) 3 - 4 Beschädigung von Strömungselementen 3 - 4 Vereisung 3 - 5 Tabelle 12.22: Aerodynamische Unwucht Aerodynamische Unwucht Bei axialen Strömungsmaschinen treten strömungsbedingt 1X-Kräfte vor allem in axialer Rich‐ tung auf, die nach ihrem Entstehungsmechanismus als aerodynamische Unwucht bezeichnet werden. Hersteller versuchen, durch sorgfältiges Design, gezieltes Auswählen und präzises Montieren der Rotorblätter diese Anregungen gering zu halten. Aerodynamische Unwuchten sind zwar kaum zu vermeiden, sie können insbesondere bei Windenergieanlagen unzulässig hoch werden. Einige Ursachen sind in Tabelle 12.22 zusammengestellt. Auch hier lassen sich, je nach Messergebnissen, Kritikalitäten zuordnen und entsprechende Handlungsmaßnahmen festlegen. Hydraulische Unwucht Bei Wasserturbinen und auch Pumpen können, ähnlich wie bei Windenergieanlagen, strömungs‐ induzierte Fehler auftreten, die man als hydraulische Unwucht bezeichnet und die bei hoher Kritikalität bis hin zu Kavitation führen. 713 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Unwuchtart Fehlerart Kritikalität Axialturbinen (Kaplanturbinen) ungleiche Schaufeln oder Kanäle 3 - 5 unterschiedliches Kavitationsverhalten von Schaufeln 2 - 4 ungleiche Anströmwinkel 2 - 4 Radialturbinen Pumpen Ablagerungen in Strömungskanälen ungleichmäßige Erosion 2 - 4 Tabelle 12.23: Beispiele hydraulischer Unwucht Magnetische Unwucht Magnetische Unwucht kann bei großen Elektromaschinen infolge unsymmetrischer Magnet‐ kräfte entstehen. Sie entsteht zum Beispiel, wenn durch interne Kurzschlüsse in den Rotorwick‐ lungen das Magnetfeld in dem entsprechenden Pol geschwächt wird. Diese magnetische Unwucht ist über Amplitude und Phase der Wellenschwingung beim Übergang vom stromlosen in den angeregten Zustand identifizierbar, da sich dabei lediglich die magnetischen Kräfte ändern. Ein Kurzschluss in Rotorwicklungen kann auch mit magnetischen Flusssonden detektiert werden, die an einem Steg des Stators montiert sind. Anmerkung: Es ist eine durchaus gängige Praxis der Generatorhersteller, die Maschine im Erregungs- oder Lastzustand auszuwuchten, da dies die normale Betriebsart ist. Für einen guten Gesamtzustand wird dabei eine magnetische Unwucht durch mechanisches Gegenwuchten kompensiert. Diese Vorgehensweise hat jedoch Grenzen oder birgt sogar Gefahren, da bei Lastabwurf infolge eines elektrischen Fehlers schlagartig die mechanische (Gegen-)Unwucht in voller Stärke als Schwingung zutage tritt. 12.5.2.4 Thermische Unwuchteinflüsse Partielle Anstreifvorgänge (Soft Touch) oder Asymmetrien im Ölfilm von Gleitlagern und daraus entstehende Unwuchten können infolge lokal begrenzter Erwärmungen (sogenannte Hotspots) zu thermischen Asymmetrien in Rotoren führen. Die Folge sind Verformungen, genau gesagt Verbiegungen des Rotors, was starken Einfluss auf das Schwingungsverhalten hat oder sogar zu neuen Schwingungen führen kann - bis hin zur Instabilität (Man erinnert sich an die Frage eingangs dieses Kapitels - was verbiegt eigentlich die Welle? ). In solchen Fällen Kritikalitäten festzulegen, erfordert besonderes Wissen und auch erweiterte Diagnosemessungen. Zwei bekannte Phänomene dieser Art werden nachfolgend behandelt. Beim Morton-Effekt entstehen die Hotspots infolge von lokalen Erwärmungen im Schmierfilm und beim Newkirk-Ef‐ fekt durch leichte Anstreifvorgänge. Morton-Effekt Beim Morton-Effekt tritt der Hotspot als Folge lokaler Rotorerwärmung an einer begrenzten Stelle der Rotoroberfläche auf. Diese lokale Erscheinung ist die Folge von Unterschieden der lokalen Schubspannungen und damit der Energiedissipation im Schmierspalt in Abhängigkeit von 714 12 Schweregrad eines Fehlers Parameter Newkirk-Effekt Morton-Effekt Rotorbewegung synchroner Whirl synchroner Whirl Überhang nicht ursächlich ursächlich Mechanische Unwucht in Phase mit dem Hot Spot in Gegenphase zum Hot Spot Ursache des Hot Spot Anstreifen Rotor am Stator unterschiedlicher viskoser Schub Lage des Hot Spot außerhalb des Lagers Im Lager Tabelle 12.24: Thermische Fehler bei Rotoren der Schmierfilmdicke (engerer Spalt → höhere Scherspannung → stärkere Erwärmung). Wenn etwa infolge Unwucht eine bestimmte Stelle (Winkelposition) der Rotoroberfläche periodisch mit einer Enge im Schmierspalt zusammentrifft, entsteht ein Hotspot am Rotor, was zu einer thermischen Verbiegung der Welle führt, wie in Bild 12.11 gezeigt. Charakteristisch ist dabei, dass keine Berührung zwischen Rotor und feststehenden Komponenten, also kein Anstreifen auftritt, was sich im Wellenorbit verifizieren lässt. Grundursachen sind Restunwuchten, die zusätzlich noch durch geometrische Abweichungen im drehenden Rotor verstärkt werden. Durch die entstehende Verformung nimmt der Rotor einen neuen Gleichgewichtszustand ein. Dadurch verändern sich die Reibvorgänge, Anstreifen und Hotspot verschwinden, der lokale Wärmeeintrag und damit die thermisch bedingte Wellenbiegung gehen zurück. Der Rotor kommt wieder in den Ausgangszustand - und der gesamte Prozess wiederholt sich in der Folge. Charakteristisch für den Morton-Effekt ist eine nahezu periodisch veränderliche Amplitude (und Phase) mit einer Präzession in Drehrichtung. Die Periodendauer ist langzeitlich, sie kann bis in den Bereich von Stunden gehen. Aufdeckung und Analyse können mit den Methoden von Abschnitt 5.5 erfolgen (siehe dazu auch Bild 5.37). Als Gegenmaßnahmen bieten sich Präzisionsausrichten sowie das Verbessern des Wuchtzustands an. Bild 12.11: Hot-Spot zufolge Anstreifen in gleitgelagerten Maschinen Newkirk-Effekt Ähnliche thermische Effekte entstehen durch partielle Soft-Reibung der drehenden Welle im Lager oder an Dichtungen, also durch lokale Kontakte zwischen Rotor und feststehenden Konstruktionsteilen (sanftes Anstreifen, Soft touch). Folge ist, ähnlich wie beim Morton-Effekt, eine zeitlich langsam veränderliche Amplitude der 1X-Komponente. Man spricht hier vom 715 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Newkirk-Effekt. Die Untersuchung kann ebenfalls mit den Methoden von Abschnitt 5.9 erfolgen. Die Verformung steigt oft kontinuierlich an und kann bis zur Instabilität führen, sichtbar in einen spiralförmig anwachsenden Wellenorbit. Diese Gefahr entsteht vor allem bei fliegend gelagerten Rotoren mit hoher Masse. Häufig stellt sich als Folge der Verbiegung ein neuer Gleichgewichtszustand der Wellenbewe‐ gung ein, der den Hotspot verschwinden lässt und nach einiger Zeit wieder zum Ausgangszustand zurückführt. Ein solches Verhalten ist Ursache für die genannten Schwankungen im Schwin‐ gungsverhalten. Vorgänge dieser Art werden noch in der Rotordynamik behandelt (zum Beispiel Selbstzentrierung eines biegeelastischen Rotors). Andererseits kann jedoch auch ein stetiges Anwachsen zu unzulässigen Zuständen führen (Instabilität). Hauptsächliche Grundursache, vor allem im Hinblick auf Zustandsüberwachung und Fehler‐ diagnose, sind Unwuchten, die auch lastabhängig wirken und zumeist in prozessbedingten aerodynamischen Störungen begründet sind. 12.5.2.5 Starrkörperresonanz Bei niedrigen Drehzahlen, die deutlich unterhalb der Biegekritischen eines Rotors liegen, kann es zu Starrkörperresonanzen des Rotors infolge niedriger Lagersteifigkeit kommen. Dabei bewegt sich der Rotor selbst als Starrkörper. Dieser Effekt tritt besonders bei geringer Lagerbelastung und in Hoch- und Auslaufvorgängen auf. Er wird im Allgemeinen nicht als gefährlich eingestuft, weshalb Kritikalitäten nur zwischen 1 und 3 liegen. 12.5.2.6 Fehlausrichtung Fehlausrichtungen können durch Setzungen im Maschinenfundament oder Verformungen in der Maschinenaufstellung entstehen. Sie lassen sich zwar durch Wellenausrichten mit Ausrichtvor‐ gaben oder durch den Einsatz besser ausgleichender Kupplungen kompensieren, eine Kritikalität 1 kann in solchen Einsatzfällen jedoch nicht erreicht werden (siehe Abschnitt 6.1). Bei Wasserkraftanlagen ist die Verbindung zwischen Turbine und Generator sehr starr ausge‐ führt, sodass keine Ausgleichsmöglichkeiten über eine Kupplung bestehen. Hier kann es sogar zu einer Fehlausrichtung infolge von magnetischem Zug kommen, wobei auch entstehende Schwingungen und Orbits sich nutzen lassen, um Kritikalitäten festzulegen. 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 als negative Lagersteifigkeit auf die Resonanzfrequenz auswirken. 12.5.2.7 Anisotropie Isotrop ist ein Rotor mit über dem Winkel konstantem Flächenträgheitsmoment, also in azimutaler Richtung konstanter Biegesteifigkeit. Ein Lager (Gleitlager) ist isotrop, wenn die Lagersteifigkeit unabhängig von der radialen Richtung ist. Anisotropie kann eine Frage der Auslegung des Rotors, speziell des Wellenquerschnitts sein - dann ist sie eine Eigenschaft und kein Fehler. In der Regel handelt es sich dabei um einen Rotor 716 12 Schweregrad eines Fehlers Symptome umlaufender Abrissströmung Frequenz Kritikalität Starker Anstieg des Breitbandpegels Hörbarkeit 3 - 5 Verstärktes Auftreten von Harmonischen der Drehfrequenz kf rot 2 - 4 Anstieg der 1. und 2. Harmonischen der Schaufelpassierfrequenz f BPF , 2f BPF 3 - 4 Tabelle 12.25: Umlaufende Abrissströmung mit nicht-kreisförmigem Querschnitt. Anisotrop sind in der Regel auch Lagerungen ausgelegt, zum Beispiel mit geringerer Steifigkeit in horizontaler Richtung. Als Fehler tritt Anisotropie beispielsweise durch Anriss des Rotors, durch asymmetrischen magnetischen Zug oder durch Lockerungen auf. Fehler und Fehlerbilder wurden in Abschnitt 5.9.7 behandelt. 12.5.2.8 Umlaufende Abrissströmung Beim einsetzenden Kompressor-Stall (Abschnitt 5.14.2) tritt der Strömungsabriss zunächst nur an einer einzelnen oder bei wenigen Schaufeln auf. Als Folge verblockt die Strömung lokal in einem Kanal (man spricht von einer Störzelle), die Strömung muss auf die Nachbarkanäle ausweichen. Der Strömungsabriss tritt nun dort auf, während sich die ursprüngliche Zelle wieder stabilisiert. Letztendlich entsteht eine Rotation der Störung relativ zum Rotor, man spricht von einer umlaufenden Abrissströmung. Die Kritikalität sollte man mit 2 bis 3 festlegen, da die umlaufende Abrissströmung eine Vorstufe zum Pumpen ist. Mit Hilfe von Schwingungsanalysen ist sie erkennbar, allerdings nur schwer. Die Fehlercharakteristika sind in Tabelle 12.25 zusam‐ mengefasst. Die einzelnen Komponenten sind im Gesamtschwingungsbild kaum zu identifizieren. Gewisse Muster lassen sich durch eine Cepstrumanalyse aufdecken (Abschnitt 5.1.4), oder man verwendet multivariate Mustererkennungsverfahren wie SVM (Abschnitt 16.2.9). Dazu werden über ein Array von Aufnehmern, angeordnet um das Gehäuse, in Testläufen solche Vorgänge künstlich ausgelöst und stabile Cluster im Merkmalraum bestimmt (diese Verfahren werden im genannten Abschnitt noch besprochen). 12.5.3 Klassifikation von Fehlern an Elektromaschinen Schweregrade von Fehlern an Elektromaschinen zu beurteilen, erfordert besondere Messtechni‐ ken und auch besondere Erfahrungen. Man unterscheidet zwischen Prüfungen im Stillstand und Prüfungen bei betriebener Maschine in verschiedenen Lastzuständen. Ein wichtiges Diagnoseverfahren basiert auf Motorstromanalysen. Bild 12.12 zeigt die Mess‐ technik über Stromzangen zusammen mit der praktischen Anwendung. Neben Motorstromanaly‐ sen in den einzelnen Phasen kommen auch frequenzbasierte Zustandsdiagnosen zur Anwendung. 717 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Bild 12.12: Dreiphasige Motorstromanalyse Fehler in den Rotorstäben bei Elektromotoren lassen sich über Motorstromsignaturanalysen identifizieren, wie in Abschnitt 5.13.2.5 beschrieben wurde. Schon bei der Fehlerdiagnose wurde auf die diagnostische Bedeutung von Modulation und entsprechenden Seitenbändern in den Schwingungsspektren elektrischer Maschinen hingewie‐ sen. Eine erste Bewertungsgrundlage zum Ableiten von Kritikalitäten aus diesem Ansatz liefert Tabelle 12.26. In der ersten Spalte -dB ist jeweils der Pegelabfall von Seitenbändern klassifiziert. Ein hoher Abfall (> 60 dB), also geringe Seitenbandintensität, bedeutet geringe Modulation, ein geringer Pegelabfall der Seitenbänder deutet auf fehlerbedingt hohe Modulation hin (siehe dazu auch Bild 5.71). Welcher Pegelabfall dann welchen Kritikalitäten zuzuordnen ist, sollte man maschinenabhängig entscheiden, da sowohl die Polzahl als auch die Rotorstabzahl diese Bewertungstabelle beeinflussen kann. -dB Zustandsbewertung Läufer Empfohlene Maßnahmen > 60 hervorragend keine 54 - 60 gut keine 48 - 54 Mittel, gewisse Windungsasymmetrien Zustand beobachten 42 - 48 Verbindung mit hohem Widerstand, ggf. Windungsfehler Testhäufigkeit erhöhen und beobachten 36 - 42 Einzelne gebrochene Rotorstäbe zeigen sich ggf. bei Schwingung Schwingung bestätigen Reparatur/ Austausch planen 30 - 36 mehrere gerissene/ gebrochene Rotorstäbe, evtl. Endringprobleme baldmöglichst reparieren/ austauschen < 30 schwerwiegende Läuferfehler oder mehrfache Rotorstabbrüche sofort reparieren/ austauschen Tabelle 12.26: Bewertung des Pegelabfalls der Seitenbänder zur Netzfrequenz 718 12 Schweregrad eines Fehlers 12.5.4 Klassifikation von Wälzlagerschäden Die Klassifikation von Wälzlagerfehler erfolgt oft schon auf Basis einfacher Grenzwerte, da hier einerseits die physikalischen Hintergründe gut bekannt sind und andererseits umfassende Erfahrungen über die verschiedenen Phänomene vorliegen. Mehrere Diagnoseverfahren basieren auf der Spitzenhaltigkeit der Beschleunigungssignale fehlerhafter Lager, was schon bei der Fehleranalyse in Abschnitt 5.12.2.9 ausgeführt wurde. Einen der Schwerpunkte der Zustandsüberwachung stellen die Wälzlager in der WEA dar. Bild 12.13 zeigt eine Übersicht über die Häufigkeitsverteilung von Wälzlagerschäden und den dadurch entstehenden finanziellen Aufwänden, was bei der Kritikalitätsbewertung unbedingt zu berücksichtigen ist. Bild 12.13: Häufigkeit und Kosten von Wälzlagerschäden im Triebstrang von WEA mit Getrieben 12.5.4.1 Klassifikation nach Crestfaktor und BSO-Wert Ein allgemeines Verfahren ist die Klassifikation nach dem Crestfaktor, auch Scheitelfaktor genannt, siehe Abschnitt 0.10.5. Der Crestfaktor ist bei gutem Lagerzustand zunächst niedrig, das Körperschallsignal hat Rauschcharakter. Einzelne Spitzen im Signal als Folge von Überrollen diskreter Fehler bewirken hohe Spitzenwerte, der Effektivwert bleibt wegen der Kurzzeitigkeit der Spitzen noch weitgehend unbeeinflusst. Der Crestfaktor steigt in diesem Zustand mit dem Fehler an, siehe dazu Bild 12.14. 719 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Bild 12.14: Verhalten von Effektivwert, Spitzenwert, Crestfaktor und Crestfaktor Plus mit zunehmendem Schwere‐ grad eines Wälzlagerfehlers Nimmt der Schaden ein großes Ausmaß, vor allem auch eine größere örtliche Ausdehnung an, treten mehr Anregungen auf. Durch die höhere Dichte der Spitzenfolge steigt jetzt auch der Effektivwert, wogegen die Spitzenwerte sich nur wenig verändern. Der Crestfaktor nimmt dadurch trotz zunehmender Fehlerschwere wieder ab. Zielführender ist der Crestfaktor Plus. Beim Crestfaktor Plus wird durch die Kombination von Crestfaktor, Effektivwert und Spitzenwert der Abfall bei großem Ausmaß des Fehlers, der durch das Zusammenwachsen der Spitzen entsteht, kompensiert. Der Verlauf ist im Vergleich zwischen Crestfaktor und Crestfaktor Plus in Bild 12.14 dargestellt. Ein neueres Verfahren zur Wälzlagerbeurteilung ist das BSO-Verfahren. Es bezieht sich auf ISO 13373-3 und ermittelt daraus eine relativ robuste Kennzahl, den BSO-Kennwert. Dazu ist es jedoch erforderlich, die jeweiligen RMS- und 0-p-Schwingbeschleunigungen zeitgleich zu messen und zu bewerten. Eine Kritikalitätstabelle zum Crestfaktor Plus und zum BSO Wert zeigt Tabelle 12.27. CF + BSO Kritikali‐ tät Ausfallwahrschein‐ lichkeit Maßnahmen 0 - 5 ≤ 5 1 unwahrscheinlich keine Maßnahmen erforderlich 2 gering keine Maßnahmen erforderlich 6 - 10 > 5 3 gelegentlich Maßnahme(n) beim nächsten Serviceeinsatz erforderlich 11 - 15 > 10 4 erhöht Maßnahme(n) kurzfristig erforderlich >15 > 15 5 hoch Maßnahmen sofort erforderlich, kritischer Betriebszustand Tabelle 12.27: Kritikalitäten bei Crestfaktor Plus- und beim BSO-Wert 720 12 Schweregrad eines Fehlers Diese Verfahren eignen sich zur automatischen Zustandsüberwachung von Wälzlagerungen. Sind Schweregrade bzw. Kritikalitäten höher, bekommt man gleich die entsprechende Information, und kann dann gezielt tiefer in Details gehen, weiterführende diagnostische Analysen auszuführen und konkrete Handlungsmaßnahmen empfehlen. 12.5.4.2 Klassifikation nach dem PeakVUE-Verfahren Dieses Verfahren wertet die Spitzenhaltigkeit von langen, hochfrequenten Zeitsignalen durch Modulation mit einer analogen Hardware aus, siehe dazu Abschnitt 5.12.2.10. Die definierten Bewertungen und Kritikalitäten sind in Tabelle 12.28 zusammengestellt. Man erkennt im Dia‐ gramm die höhere Sensitivität des PeakVUE-Wertes im Vergleich zur Schwinggeschwindigkeit im Frühstadium des Wälzlagerfehlers. Kritikalität Restlebensdauer Breitbandpegel mm/ s PeakVUE g Neu voll 3,8 0 1 <20 % 3,8 10 2 <10 % 3,8 20 3 <5 % 4,0 30 4 <1 % 4,6 40 5 (Ausfall) 0 11,5 >50 Tabelle 12.28: Bewertungsgrundlage beim PeakVUE-Verfahren 12.5.4.3 Klassifikation nach dem K(t)-Wert Dieser Kennwert wurde in Abschnitt 5.12.2.9 unter dem Punkt K(t)-Wert beschrieben. Für ein fehlerfreies Lager startet er mit dem Wert eins, mit zunehmender Schädigung sinkt dieser Wert in Richtung eines Grenzwerts null. Nach VDI 3832 wird eine Klassifikation in drei Klassen angegeben, nämlich ● ungeschädigt, ● beginnender Schaden, ● ausgeprägter Schaden. Numerische Grenzen werden dort nicht spezifiziert. 12.5.4.4 Spektrale Klassifikation Tabelle 12.29 beschreibt 5 Schadensstufen, die sich sowohl zur spektralen Klassifikation von Wälzlagerschäden als auch zum Festlegen von Kritikalitäten und Schweregraden von Wälzlager‐ fehlern nutzen lassen. Eine andere Form der Klassifikation enthält Tabelle 12.30. Die Richtlinie VDI 3832 definiert ebenfalls fünf Bewertungsstufen zur Klassifikation von Wälzlagerschäden. Diese unterschiedli‐ chen Bewertungsstufen stellen aber auch eine Möglichkeit dar, Datengrundlagen für multivariate, datengetriebene Zustandsanalysen zu gewinnen. 721 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten Kritikalität Beschreibung Diagnosemerkmale 1 Maßtoleranzen, geometrische Abweichungen und Schmierungseinflüsse erzeugen ein Grundrauschen und können spezifische Überrollfrequenzen anregen. meist BPFO, 1X und Vielfache manchmal Käfigfrequenz, leichte Stoßimpulse im Zeitsignal 2 Lastbedingt bilden sich erste feine Risse unter den Laufbahnen, die sich bis zur Oberfläche ausbreiten können. Manchmal entstehen feine Grübchen, die beim Überrollen Schall anregen. BPFO und BPFI mit Vielfachen, Stoßimpulse im Zeitsignal 3 Es entstehen erste Schälungen und der Verschleiß steigt progressiv an. Im hochfrequenten Bereich zeigen sich erste Eigenresonanzbereiche. Fehlerfrequenzen + (asynchrone) Harmonische (Stöße) + Seitenbänder in den Hüllkurvenspektren 4 Der Rauschteppich ist erhöht, es entstehen Zusatzanregungen. Amplituden wachsen in den Spektren Resonanzen werden breitbandig 5 Schlagen mit der Drehfrequenz, starke Anregungen in den Maschinenspektren, oft starke Geräuschbildung, starke Rauschsignale. Fehlerfrequenzen können sich verlagern Rauschen überdeckt zunehmend Fehlerfrequenzen in Spektren BPFO Außenring-Passierfrequenz Abschnitt 5.12.2.5 BPFI Innenring-Passierfrequenz Tabelle 5.21 Tabelle 12.29: Schadensstufen bei Wälzlagern 722 12 Schweregrad eines Fehlers Kritikalität 1 2 3 4 5 Laufbahnschädigung im Wälzlager keine gerade sichtbare Pittings ausbreitend über mehrere Millimeter Größe weiter ausbreitend über den Großteil des Überrollabstands stark ausgeprägt Trend Breitbandkennwerte Anstieg nur bei Mangelschmierung leichter Anstieg der Spitzenwerte zunehmende Schwankungen deutlicher Anstieg der Spitzenwerte leichter Anstieg der Effektivwerte verlangsamter Anstieg der Spitzenwerte deutlicherer Anstieg der Effektivwerte leichtere Anstiege von Spitzen- und Effektivwerten mit deutlichen Schwankungen Amplitudenspektren keine Musteränderung keine Musteränderung geringe Pegelerhöhung über 1 kHz Überrollfrequenzen gut erkennbar Pegelerhöhung über 1 kHz starke Pegelerhöhung über 1 kHz sehr hohe Pegel über 1 kHz dominierende Überrollfrequenzen Hüllkurvenspektren keine Musteränderung erste Ordnung der Überrollfrequenzen schwach sichtbar erste Ordnung der Überrollfrequenzen deutlich sichtbar Harmonische schwach ausgeprägt Frequenzmuster stark ausgeprägt Pegel der Harmonischen der Überrollfrequenz nähern sich dem Pegel der 1. Ordnung an Frequenzmuster stark ausgeprägt Überrollfrequenzen verwaschen Zeitsignal (Rohsignal) ohne dominante Spitzen einzelne wenig dominante Spitzen sich periodisch wiederholende Spitzen periodisch auftretende dominante Spitzen periodisch auftretende dominante Spitzen Hüllkurvenzeitsignal niedriges Grundrauschen, drehzahlunabhängig niedriges Grundrauschen niedriges Grundrauschen erhöhtes, drehzahlabhängiges Grundrauschen erhöhtes, drehzahlabhängiges Grundrauschen Tabelle 12.30: Bewertungsstufen für Wälzlagerschäden nach VDI 3832 12.5.5 Klassifikation von Verzahnungsschäden 12.5.5.1 Beurteilung von Summenkennwerten Das Verwenden von schwingungsbasierten Summenkennwerten ist bei Verzahnungen nur ein‐ geschränkt und innerhalb von Getrieben meist nur für die schnell laufenden Getriebestufen sinnvoll. ISO 20816-9 gibt zwar gewisse Anhaltspunkte über Größenordnungen solcher Sum‐ menschwingwerte, die jedoch ziemlich großzügig angesetzt sind. Empfohlen sei deshalb, beim Getriebehersteller zu erfragen, welche Schwingungskennwerte in welchem Frequenzbereich den Gutzustand seiner hergestellten Getriebe am besten beschreiben und ab welchen Schwingungs‐ amplituden welcher Handlungsbedarf besteht. 723 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten 12.5.5.2 Bandspezifische Beurteilung Bei Verzahnungen erweisen sich bandspezifische Kennwerte deutlich besser geeignet zur Schwin‐ gungsbewertung von Getrieben. Das gilt auch für langsam laufende und damit weniger schwin‐ gende Getriebeverzahnungen. Eine Vorgehensweise zur Schwingungsbeurteilung von Getrieben in Werkzeugmaschinen ist in Bild 12.15 wiedergegeben. Die Beurteilung erfolgt dabei in mehreren Bändern bezogen auf Drehzahlordnungen. Bild 12.15: Bandspezifische Beurteilung von Getriebeschwingungen bei Werkzeugmaschinen Erwähnt seien an dieser Stelle auch Erfahrungen der Autoren mit industriellen Kegelradgetrieben. So lässt sich anhand der Amplituden bei den bandspezifischen Zahneingriffsfrequenzen relativ gut identifizieren, ob Eingriffsprobleme, Tragbildtaumel oder Zahnspielabweichungen im Kegeltrieb vorliegen. Überwacht man kontinuierlich den Trend dieser bandspezifischen Kennwerte, lassen sich ebenfalls, je nach Veränderungsgrad, 5-stufige Kritikalitäten ableiten. 12.5.5.3 Spektrale Klassifikation Das komplexe Schwingungsbild von Zahnradgetrieben wurde bereits in Abschnitt 5.15.3 erläutert. Da sich Fehler in Verzahnungen vorwiegend als Modulationen der Schwingungen äußern, sind auch Seitenbänder zur Bewertung von Schweregraden und Kritikalitäten heranzuziehen. Lokale Zahnfehler bewirken zunächst das Auftreten von Überrollfrequenzen im Spektrum. Dann entstehen Seitenbänder um die Zahneingriffsfrequenz, die sich mit zunehmender Schädi‐ gung bezüglich Amplituden, Anzahl und Verteilung verändern. Ab einem gewissen Ausmaß steigt bei gehärteten Verzahnungen das Zahnbruchrisiko und naturharte Verzahnungen beginnen überproportional zu verschleißen. Tabelle 12.32 bringt eine Zusammenstellung von zahnradtypischen und unerwünschten scha‐ densanzeigenden Frequenzen. Im rechten Teil der Tabelle sind beispielhaft für Planetengetriebe mit feststehendem Hohlrad die Berechnungen bis hin zu den Überrollfrequenzen zusammenge‐ stellt. 724 12 Schweregrad eines Fehlers Klassifikation zur Bewertung von Verzahnungsschwingungen Zustand Spektrum Geschwindigkeit/ Beschleunigung Zeitsignal gut keine Seitenbänder der ZEF Harmonische der ZEF niedrig unmodulierte ZEF beginnender Fehler ansteigende Seitenbänder der ZEF Anstieg von Harmonischen der ZEF Amplitudenmodulation erkennbar Fortgeschrittener Fehler (Schaden) starke Seitenbandaktivität der ZEF ausgeprägter Trend Zahneingriffsfrequenz nicht mehr diskret ausgeprägt breitbandiges Rauschen baut sich auf einzelne geschädigte Zähne erscheinen ZEF = Zahneingriffsfrequenz Tabelle 12.31: Klassifikation von Verzahnungsschäden 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 PK f P K = Z EF zP K z P K = ggT z 1 , z 2 50 Hz kgV = kleinstes gemeinsames Vielfaches ggT = größter gemeinsamer Teiler Tabelle 12.32: Kinematiktabelle einer Zahnradpaarung 725 12.5 Klassifikation nach Kritikalitäten 12.5.6 Kritikalitätsanalysen Ähnlich wie bei Schwingungsanalysen erfordern Asset-bezogene Kritikalitätsanalysen mehr Aufwand, mehr Wissen und auch mehr Vorbereitung. Im Rahmen der Ausbildung zum Asset Reliability Praktiker (siehe Abschnitt 17.5.2) wird auch das sogenannte Kritikalitätsspektrum benutzt, was sehr umfassend die verschiedenen Verfahren und Stufen von Kritikalitätsanalysen bis hin zur FMEA basierten Kritikalitätsbewertung beschreibt, siehe Bild 12.16. Zur Darstellung der Ergebnisse lässt sich das schon im Einleitungskapitel genannte System-Kritikalitäts-Dia‐ gramm verwenden. Aus diesem Radardiagramm lassen sich insbesondere nach System-Audits sehr anschaulich und strukturiert Istsituationen veranschaulichen und Handlungsempfehlungen priorisieren. Bild 12.16: Kritikalitätsspektrum (Quelle: Mobius-Institut) Es würde jedoch den Themenkreis dieses Buches überschreiten, hier weiter in Details zu gehen. Verwiesen sei lediglich bezüglich FMEA auf Abschnitt 14, da ein FMEA basiertes Condition Monitoring bereits Teile solcher System-Kritikalitätsanalysen enthält. 726 12 Schweregrad eines Fehlers Abschnitt I Rotordynamik ● Rotorcharakteristik ● Stabilität und Instabilität ● Lagercharakteristik ● Dichtungen 13 Rotor- und Lagerdynamik Rotoren sind die wichtigsten Baugruppen und Elemente von (sogenannten) rotierenden Maschi‐ nen. Das betrifft nicht nur die Funktionalität (dieser Punkt muss wohl nicht weiter erläutert werden). Kräfte und Momente treten vorwiegend im Bereich von Rotoren auf, werden über die Lager nach außen übertragen und erscheinen dann als Schwingungen, die erst einer Messung zugänglich sind. Darauf bauen weitgehend die Konzepte von Zustandsüberwachung und Schwin‐ gungsdiagnose auf. Diese allgemeine Aussage trifft nicht nur auf funktionale Kräfte zu, sie gilt auch für Kräfte, die infolge mechanischer Fehler auftreten. Eine theoretische Behandlung solcher Phänomene stellt sich jedoch weit komplizierter dar als die üblichen Schwingungsgrundlagen, wie sie in Abschnitt 1 behandelt wurden. Diese Thematik ist Gegenstand der sogenannten Rotor- und Lagerdynamik. Eine umfassende Behandlung der ganzen Thematik würde nicht nur den Umfang dieses Buches sprengen, sie würde auch das eigentliche Interesse des angesprochenen Lesers verfehlen. Es wird demnach Zielsetzung dieses Abschnitts sein, das Thema insoweit auszuführen, dass einerseits eine prädiktive Identifikation von Grundursachen (RCFA) eines Fehlzustands möglich wird und andererseits eine Brücke zur einschlägigen Fachliteratur (zum Beispiel [1]) geschlagen und eine Kommunikationsbasis unter Fachleuten geschaffen wird. 13.1 Rotorcharakteristik Ein komplexes Fachgebiet, wie es die Rotordynamik darstellt, kann nicht auf wenigen Seiten flächendeckend und vollständig abgehandelt werden. Dazu ist die Thematik einfach zu vielfältig und auch zu weitgehend. Die Auslegung eines stabil laufenden Rotorsystems eine Anforderung an Entwicklung und Konstruktion, sie fällt in keinem Fall in den Bereich von Zustandsüberwachung oder Diagnose. Orientiert an der eigentlichen Aufgabenstellung des Diagnostikers wird in diesem Buch davon ausgegangen, dass der Instandhaltungstechniker einen fachgerecht ausgelegten Rotor zu beurteilen hat. Er soll hier in erster Linie die erforderlichen Kenntnisse erhalten, Fehler zu erkennen und die Merkmale zielsicher zu interpretieren. Rotoren zeigen in manchen Betriebszuständen, besonders im überkritischen Betrieb (also bei hohen Drehzahlen) ein Schwingungsverhalten, welches einem auf diesem Sektor unerfahrenen Beobachter zunächst oft unerwartet erscheinen wird. In jedem Fall kommen beim Betrieb infolge der Rotation sehr hohe Kräfte ins Spiel. Treten sie als Folge eines Fehlers auf, wird eine schnelle und zielsichere Reaktion von Seiten des Bedienungspersonals erforderlich, um schwerwiegende Schäden zu vermeiden. In diesem Abschnitt werden dem Leser also Grundkenntnisse über Rotordynamik in einem Ausmaß vermittelt, welches ihn zur richtigen Interpretation fehlerbedingter Phänomene befähigt. Schließlich muss man imstande sein, die richtigen Entscheidungen zu treffen und Gegenmaßnah‐ men zu veranlassen. Leser sollten aber auch lernen, eigene Grenzen zu erkennen, um entscheiden zu können, wann es ratsam wird, Rotorspezialisten mit einzubeziehen - mit denen man dann aber auch auf Basis eigener Kenntnisse sachlich fundiert kommunizieren kann. Maschinenelement Ausführungen Läufer Trommelläufer Scheibenläufer Gehäuse Einhausung Ständer Lager Wälzlager Gleitlager Magnetlager hydrostatische Lager Aufstellung (Fundamentierung) Lagerböcke Lagerschilde Dichtungen Labyrinthdichtungen Dichtlippen Tabelle 13.1: Hauptkomponenten rotierender Maschinen Anmerkung: Allerdings - ohne eine Portion Mathematik sind diese Anforderungen nicht zu bewältigen. 13.1.1 Der Aufbau von Maschinen mit rotierenden Wellen Jede Maschine dieser Art, oft in verkürzter Form auch als rotierende Maschine bezeichnet, besteht aus typischen Baugruppen wie in Tabelle 13.1 zusammengestellt. Sind mehrere Maschinen gekuppelt, entsteht ein Wellenstrang, in welchem als weitere Elemente noch Kupplungen vorhanden sind. Diese können starr sein, wie bei großen Generatoren, oder es kann sich um elastische Kupplungen handeln, wie bei kleineren Maschinen. Letztere erleichtern nicht nur die Aufstellung der Maschinen, sie sind in gewissen Grenzen auch tolerant gegenüber leichten Ausrichtfehlern. In bestimmten Fällen werden Rotoren auch ineinander geschachtelt, um eine kompakte Bauform zu erreichen, wie bei Flugtriebwerken. Manchmal ist in dem Strang ein Getriebe eingesetzt, wie zum Beispiel bei kleinen Dampfturbinen. Das dynamische Verhalten eines Rotors wird auch sehr stark durch seine Lager geprägt. So sind dadurch vor allem die Randbedingungen des Läufers hinsichtlich Biegeschwingungen definiert. Für wälzgelagerte Rotoren kann die Annahme eines gelenkig gelagerten Rotors angesetzt werden, für einen magnetgelagerten Rotor kann man von einer frei-frei-Randbedingung ausgehen. Eine Gegenüberstellung von Eckdaten für verschiedene Lagertypen findet man in Tabelle 13.2. Ein weiteres Charakteristikum liegt in den Isotropieeigenschaften der Rotorlagerung. Ein Lager mit richtungsunabhängiger Steifigkeit in radialer Richtung wird als isotrop bezeichnet. Die Iso‐ tropie bezieht sich in diesem Fall lediglich auf die radiale Richtung, die Axialsteifigkeit bleibt außer Betracht. 729 13.1 Rotorcharakteristik Wälzlager Gleitlager Luftlager Magnetlager Spezifische Tragkraft bis 500 N/ m 2 bis 4000 N/ m 2 bis 60 N/ m 2 Reibungsverluste mäßig gering sehr gering sehr gering Lebensdauer gut kalkulierbar hoch sehr hoch sehr hoch Herstellungskosten gering hoch hoch sehr hoch Tabelle 13.2: Gegenüberstellung verschiedener Lagertypen bei Rotoren Bild 13.1: Alexander Ljapunow (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) Auch bei sorgfältiger Auslegung lässt sich bei isotropen Lagerungen eine gewisse Anisotropie nicht vermeiden. Oft werden aber auch bewusst Lager mit richtungsabhängiger Steifigkeit (An‐ isotropie) ausgelegt. Da sich die Eigenschaft hier nur auf die radialen Richtungen bezieht, spricht man von orthotroper Lagerung. Meist sind bei Maschinen mit horizontaler Welle die Lager in horizontaler Richtung deutlich nachgiebiger ausgelegt als in vertikaler Richtung. Vertikalmaschi‐ nen werden vorwiegend isotrop gelagert. 13.1.2 Laufunruhe von Rotoren mit Unwucht Ein idealer Rotor ist eine vollkommen symmetrische Konstruktion und sollte demnach theoretisch völlig schwingungsfrei laufen. Anders gesagt, alles was am stationär laufenden Rotor dann zu messen ist, basiert auf einem Fehler. Diese Annahme hat den Vorteil, dass für die meisten in der Praxis auftretenden Probleme linearisierte Betrachtungen eine hinreichende Erklärung liefern, zumindest was die Fehlerdiagnose betrifft. Nichtlineare Phänomene treten gewöhnlich erst bei großen Auslenkungen auf, die für den Dauerbetrieb ohnehin nicht zulässig sind. 13.1.2.1 Die Kernaufgabe - die Stabilität einer Bewegung Im Grunde genommen geht es bei der Rotordynamik immer um das Problem der Stabilität einer Bewegung. Was bedeutet das? Ein Rotor wird sich im Betrieb immer bewegen. Die Bewegung wird zunächst durch den sich schwingungsfrei in seinen Lagern dre‐ henden Rotor repräsentiert. Im Fall einer starren Lagerung kann die‐ ser Zustand mathematisch direkt, rein aus der Anschauung ermittelt und mathematisch formuliert werden. In anderen Fällen, zum Bei‐ spiel beim gleitlagerten Rotor, ist das nicht so einfach möglich. Durch die Drehbewegung wird dort ein Ölfilm aufgebaut, der mit den Ei‐ genschaften Steifigkeit und Dämpfung auf den Rotor einwirkt. Diese Parameter sind jetzt jedoch nicht rein intuitiv abzulesen oder mess‐ technisch zu ermitteln. Die rechnerische Bestimmung ist ein auf‐ wändiges mathematisches Problem - vor allem ein nichtlineares. Aber auch hier existiert der zuvor beschriebene Gleichgewichtszu‐ stand - die schwingungsfreie Drehbewegung. Damit diese Bewegung schwingungsfrei bleibt, muss sie stabil sein. Das Problem der Stabilität einer Bewegung wurde bereits im 19. Jahrhundert von Alexander Michailowitsch Ljapunow behandelt und ist heute auf vielen Gebieten der Mechanik relevant. 730 13 Rotor- und Lagerdynamik 60 … und außerdem - in fehlerfreiem Zustand tritt ja keine Schwingung zutage! Ein System, im konkreten Fall der drehende Rotor, ist in diesem Sinn stabil, wenn es resistent ist gegenüber kleinen Störungen. Das heißt, kleine Störungen der Bewegung müssen schnell abklingen. Andere Fälle, wie instabile Bewegungen, die in einem großen Grenzzykel münden, sind in diesem Fall ausnahmslos unzulässig. Daher genügt es, zur Problemlösung die Reaktion auf kleine Störungen zu untersuchen, was sich hier auf linearisierte Betrachtungen beschränken kann und darf. Das resultierende Stabilitätskriterium, bekannt als Hurwitz-Kriterium, ist im Prinzip eine Frage der Systemdämpfung, wie sie schon in Abschnitt 1.13.3 behandelt wurde: Ein instabiler Zustand entspricht in linearem Sinn einer angefachten Bewegung (Bild 1.53). Anmerkung: Das Hurwitz-Kriterium ist im linearen Bereich von gleicher Aussagekraft wie die Frage des positiven oder negativen Dämpfungskoeffizienten. Weiter noch: Hat man die Mechanismen der Stabilität oder Instabilität für einen geschlossen lös‐ baren Präzedenzfall erkannt, lassen sich diese Erkenntnisse damit relativ einfach auf allgemeine Fälle übertragen. Damit ist die Strategie dieses Abschnitts charakterisiert. Der mathematische Aufwand zur Behandlung der Rotordynamik aus Sicht einer Zustandsüberwachung bleibt damit in einem überschaubaren Rahmen. 13.1.2.2 Die Herausforderung Die Rotordynamik ist bestimmt durch Trägheitseffekte, die bei schneller Drehung zu Verfor‐ mungen führen. Da der Messtechnik von der Kinematik her in der Praxis deutliche Grenzen gesetzt sind 60 , ist man zur Beurteilung oft auf mathematische Simulationen angewiesen, die Berechnungen auf Basis der einer Messung zugänglichen Parameter ermöglichen. Besonderer Schwerpunkt wird dabei auf die Schwingungsanregung zufolge Unwucht gelegt, da dies eines der am häufigsten auftretenden Schwingungsprobleme darstellt oder vielmehr, weil eine gewisse Restunwucht immer vorhanden sein wird. Kernfrage aber ist und bleibt die Stabilität der Bewegung. 13.1.3 Laufunruhe von Rotoren Grundsätzlich unterscheidet man in der Rotordynamik zwischen biegestarren und biegeelasti‐ schen Wellen. Wie jedes elastische System weist auch der gelagerte Rotor ein Eigenschwingungs‐ verhalten und entsprechende Eigenfrequenzen auf. Liegt die Drehzahl hinreichend weit unterhalb der niedrigsten Biegeeigenfrequenz, kann die Wellenbiegung vernachlässigt werden und man spricht von einem biegestarren oder kurz starren Rotor. Der Großteil aller technischen Rotoren fällt in diese Kategorie. Anderenfalls spricht man von biegeelastischen Rotoren. Anmerkung: Biegeelastische Rotoren werden in der Fachliteratur, unter anderem auch in verschiedenen Normen als wellenelastisch bezeichnet. 731 13.1 Rotorcharakteristik (13.1) 13.1.3.1 Biegestarre Rotoren Liegt die Drehzahl eines Rotors hinreichend weit unterhalb seiner Biegeeigenfrequenz (max. ca. 20 %), kann er als starr betrachtet werden. Kinematik und Geometrie des starren Rotors wurden schon in Abschnitt 5.8 im Zuge der Fehlerdiagnose eingehend behandelt. Beim idealen starren Rotor ohne Unwucht sind die Fliehkräfte vollkommen ausgeglichen. Im Fall einer Exzentrizität e des Schwerpunkts gleichen sich die dadurch entstehende Fliehkraft F und die Lagerkräfte F 1 und F 2 aus, siehe Bild 13.2. Es gilt F = meΩ 2 F l = F b a + b F r = F a a + b Bild 13.2: Kräftegleichgewicht beim starren Rotor Die Kräfte steigen quadratisch mit der Drehfrequenz ω. Die Lagerkräfte in den raumfesten Richtungen, meist horizontal und vertikal, sind periodisch mit der Drehfrequenz. Sie können durch Auswuchten in einer oder zwei Ausgleichsebenen reduziert werden, was bereits in Abschnitt 6.2 ausführlich behandelt wurde. 13.1.3.2 Biegeelastische Rotoren Mit steigender Drehzahl steigt auch die Fliehkraft mit dem Quadrat der Drehfrequenz ω. Damit erhöht sich auch die Durchbiegung der Welle zufolge der zunehmenden Fliehkräfte, wobei zunächst angenommen wird, dass sich die Welle in Richtung der Exzentrizität ausbiegt. Bei der Resonanzdrehzahl ω 0 wird die Auslenkung im stationären Fall theoretisch unendlich groß, bei höheren Drehzahlen sinkt sie bis zum Wert der Exzentrizität e wieder ab wie in Bild 13.3 gezeigt. Dieser Effekt der Selbstzentrierung wurde erstmalig schon in Abschnitt 1.9.2 erläutert. Die Lagerkräfte tendieren im Grenzfall gegen den Wert k×e, bleiben also endlich. Eine rechnerische Analyse wird später noch durchgeführt. Das Schwingungsverhalten des Rotors zeigt in seiner Charakteristik einerseits starke Ähnlich‐ keiten mit den Verhalten eines krafterregten linearen Schwingers, andererseits findet man jedoch auch gravierende Unterschiede. Für eine stringente Ableitung werden in der Folge detaillierte Vergleiche zwischen beiden Varianten ausgeführt. 732 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.2) (13.3) (13.4) Bild 13.3: Lagerkräfte beim starr und beim elastisch gelagerten Rotor Natürlich weckt der Vergleich der Diagramme von Bild 13.3 sofort einmal die Tendenz zum Ent‐ wurf eines biegeelastischen Rotors, da dort die Lagerkräfte auch bei hohen Drehzahlen beschränkt bleiben - aber eine solche Konstruktion ist andererseits nicht ganz unproblematisch. Dieser Gedankengang hatte auch den genialen schwedischen Ingenieur Gustav Laval zu entsprechenden Untersuchungen angeregt, wovon gleich noch im Detail die Rede sein wird. Den theoretischen Ausführungen werden Berechnungen und grafische Darstellungen der Vergrößerungsfunktionen V 1 für den Schwingweg, V 2 für die Schwinggeschwindigkeit und V 3 für die Schwingbeschleunigung zugrunde gelegt. 13.1.3.3 Krafterregung Der krafterregte Schwinger gilt als ein Standardmodell der Schwingungslehre. Der Schwinger ist an seinem Federende am Fußpunkt fest angelenkt. Die Erregung erfolgt durch eine an der Masse wirkende äußere Kraft (falls erforderlich - siehe Bild 1.50). Die Bewegung wird beschrieben durch die Differenzialgleichung mx¨ + dx˙ + kx = F 0 sin ωt oder umformuliert im Hinblick auf die späteren Ausführungen x¨ + 2ϑω 0 x˙ + ω 02 x = ω 02 x 0 sin ωt ω 0 bedeutet darin die Eigenfrequenz des ungedämpften Schwingers, ϑ den Dämpfungsgrad, x 0 ist die statische Auslenkung für die Kraft F 0 . ω 0 = k m ϑ = d 2 mk x 0 = F0 k 733 13.1 Rotorcharakteristik (13.5) (13.6) (13.7) Für die Vergrößerungsfunktion V 1 des Schwingwegs erhält man die Lösung V 1 = x x 0 = 1 1 − η 2 2 + 2ϑ η 2 φ 1 = arctan − 2ϑ η 1 − η2 Darin wird mit dem Symbol η die bezogene Frequenz bezeichnet η = ω ω0 Für die Vergrößerungsfunktion V 2 der Schwinggeschwindigkeit erhält man V 2 = v v 0 = η 1 − η 2 2 + 2ϑ η 2 φ 2 = arctan − 2ϑ η 1 − η2 + π2 Die Ergebnisse sind in Bild 13.4 dargestellt. Man erkennt die Resonanz am Maximum der Vergrößerungsfunktion bei gleichzeitigem Durchgang des Phasenwinkels durch -90° bzw. 0°. Für hohe Frequenzen geht die Vergrößerungsfunktion jeweils asymptotisch gegen den Grenz‐ wert null. Im Nullpunkt beginnt die Vergrößerungsfunktion mit der statischen Auslenkung bzw. der Geschwindigkeit 0. Bild 13.4: Bodediagramme des krafterregten Schwingers 13.1.3.4 Unwuchterregung Unwucht ist eine der häufigsten Formen harmonischer Erregung. Unwucht ist immer an einen Rotor geknüpft. Auch bei größter Sorgfalt lässt sich eine Unwucht nur bis auf eine bestimmte Restunwucht reduzieren. 734 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.8) (13.9) (13.10) Die Grundform der Unwucht eines Rotors ist in Bild 13.5 skizziert. Als Modell für die einfachen Grundbetrachtungen wird ein isotrop gelagerter, scheibenförmiger Rotor mit statischer Unwucht vom Betrag e zugrunde gelegt. Der Schwerpunkt des Rotors ist also um einen Betrag e bzw. einen Vektor e gegenüber dem Mittelpunkt verschoben. Das Bild enthält auch die Legende für die folgenden Darstellungen zu diesem Thema. Bild 13.5: Isotrop gelagerter Rotor mit statischer Unwucht Die Schwingung wird beschrieben durch die Differenzialgleichung x¨ + 2ϑω 0 x˙ + ω 02 x = eω 2 sin ωt Darin bedeutet e die Exzentrizität des Schwerpunkts, also die Abweichung bezüglich der Dreh‐ achse. Ähnlich wie für die Krafterregung erhält man für die Vergrößerungsfunktionen V 1 und V 2 : V 1 = x x 0 = η 2 1 − η 2 2 + 2ϑ η 2 φ 1 = arctan − 2ϑ η 1 − η2 sowie V 2 = v v 0 = η 3 1 − η 2 2 + 2ϑ η 2 φ 2 = arctan − 2ϑ η 1 − η2 + π2 Die Ergebnisse sind wieder als Bodediagramme in Bild 13.6 dargestellt. 735 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.6: Unwuchtschwingungen eines Rotors nach Bild 13.5 - Schwingweg, Schnelle und Beschleunigung Bewegungscharakteristik Im Unterschied zum krafterregten Schwinger geht die Vergrößerungsfunktion V 1 für den Schwingweg bei Unwuchterregung mit steigender Drehfrequenz gegen den Grenzwert eins. Dem‐ entsprechend zeigt V 2 für die Schwinggeschwindigkeit mit der Frequenz eine stark ansteigende Tendenz. Noch deutlicher ist dieser Anstieg mit steigender Frequenz bei der Beschleunigung ausgeprägt. Man erkennt daraus, dass bei hohen Drehzahlen sehr hohe Beschleunigungen auftreten und dementsprechend sehr hohe Kräfte ins Spiel kommen. Die Größe der Kräfte ist proportional der Beschleunigung, sie wachsen also mit dem Quadrat der Frequenz (also der Drehzahl) an. Die Bewegungsformen des Rotors sind in den Schemazeichnungen von Bild 13.7 für die Grenzfälle skizziert. Der Mittelpunkt des Rotors bewegt sich dabei auf dem Orbit - in diesem Fall eine Kreisbahn zufolge der angenommenen Isotropie. Im unterkritischen Bereich sind Unwuchtvektor und Auslenkung in Phase, der Rotor wird also in Richtung der Unwucht ausgelenkt. Das entspricht auch der intuitiven Vorstellung: Die Fliehkraft zieht den Rotor nach außen. Im überkritischen Bereich tendiert der Rotor hingegen dazu, sich um seine dann räumlich feststehende Schwerachse zu drehen. Mit anderen Worten: Der Rotor weicht der Fliehkraft nach innen aus. Das ist intuitiv zunächst etwas schwerer vorstellbar. Man könnte eine solche Konstellation jedoch mit einfachen (Gedanken-) Experimenten nach Art von Bild 1.43 oder Bild 1.45 nachvollziehen. Bei der kritischen Drehzahl stellt sich zwischen Unwucht und Auslenkung eine Phasenver‐ schiebung von 90° ein. Anmerkung: Der Außenkreis in den Bildern ist hier nicht als Lagerschale, sondern als allgemeine geometrische Referenz gedacht. 736 13 Rotor- und Lagerdynamik Bild 13.7: Laufzustände eines Rotors In Bild 13.8 sind zur Verdeutlichung die gleichen Zustände in zeitlicher Abfolge dargestellt. Der Orbit ist in den Bildern in brauner Farbe eingetragen. Man erkennt in der untersten Reihe deutlich die Drehung um die eigene Schwerachse. Betrachtet man die Wellenbewegung aus einem raumfesten System, so führt der Wellenmittel‐ punkt im gegebenen Beispielfall eine Kreisbewegung aus. Für jede räumlich feste Messrichtung erhält man eine harmonische Bewegung. Das ist auch die Sichtweise einer Wellenschwingungs‐ messung. Die Verhältnisse wurden schon früher dargestellt, zum Beispiel in Bild 0.21. Die Kreisbahn wird also im Wellendrehsinn (gleichläufig) einmal pro Umdrehung durchfahren. Anmerkung: Der Begriff der Gleichläufigkeit erscheint an dieser Stelle etwas überzogen, wird jedoch später noch zu einem Charakteristikum einer Wellenbewegung. Im langsam drehenden Bereich sind Exzentrizität und Auslenkung des Rotors immer gleichge‐ richtet, also in Phase (die Fliehkraft zieht den Rotor nach außen). Im schnell drehenden Bereich, weit oberhalb der kritischen Drehzahl, sind Exzentrizität und Auslenkung entgegengesetzt gerichtet, also gegenphasig. Die Bildfolgen zeigen jetzt sehr ausgeprägt die Tendenz zur Selbstzentrierung, das heißt, er rotiert mit steigender Drehzahl zunehmend um seinen im Raum feststehenden Schwerpunkt. Dieses Verhalten ist charakteristisch für die Rotordynamik schlechthin und wird in den folgenden Ausführungen immer wieder erkennbar sein. Bild 13.8: Laufzustände in zeitlicher Abfolge 737 13.1 Rotorcharakteristik 13.1.3.5 Zur Frage der Stabilität Das Schwingungsverhalten eines elastisch gelagerten Rotors erweckt bei Betrachten der vorher‐ gehenden Bildfolgen zunächst einen sehr stabilen Eindruck: Im Grenzbereich hoher Drehzahlen dreht sich der Rotor um seine im Raum feststehende Schwerachse. Zieht man jedoch das Verhalten der Systembeschleunigungen entsprechend der Vergrößerungsfunktion V 3 rechts in Bild 13.6 heran, so entstehen sehr schnell Bedenken hinsichtlich dieser Stabilität. Die hohen Beschleunigungen könnten den Rotor bei nur kleinen Störungen der Bewegung zufolge der Fliehkräfte aus seiner Bahn reißen. Bedenken, die durchaus zurecht entstehen und die in den folgenden Ausführungen am Beispiel des Lavalläufers noch eingehend untersucht werden - die Frage der Stabilität einer Bewegung, eine Kernfrage der Rotordynamik. 13.1.4 Rotorkonzepte Ein Rotorsystem ist immer ein schwingungsfähiges System aus Massen und Steifigkeiten mit Dämpfungen. Es hat demnach Eigenfrequenzen, im speziellen Fall repräsentiert durch kritische Drehzahlen, die sowohl durch Masse und Steifigkeit des Rotors wie auch durch die Stützstruktur bestimmt sind. Für die verschiedenen Konzepte von Rotor- und Lagerparametern, wie sie in Bild 13.9 in einer Übersicht skizziert sind, gibt es eine Reihe gängiger Routinen zur mathematischen Behandlung. Der Schwerpunkt der Betrachtungen wird hier auf Lateralschwingungen gelegt, also Schwingungen in radialer Richtung, quer zur Drehachse, beziehungsweise Biegeschwingungen der Welle. Bild 13.9: Kritische Drehzahlbereiche für Lateralschwingungen Bild 13.9 zeigt eine Übersicht über kritische Drehzahlen (kurz Kritische oder Biegekritische) für drei oder mehr Eigenmoden, skizziert über der Lagersteifigkeit. Es beginnt auf der linken Seite mit einem frei gelagerten Rotor und erstreckt sich bis zu dem in radialer Richtung steif abgestützten Rotor rechts. Links ist die Lagersteifigkeit sehr gering verglichen mit der Rotorsteifigkeit. Bei den beiden ersten Kritischen treten zunächst Starrkörpermoden auf. Rechts werden die Lagersteifigkeiten als starr angenommen, als Kritische treten lediglich Biegemoden 738 13 Rotor- und Lagerdynamik 1. Biegekritische 2. Biegekritische Unterkritisch >20 % oberhalb Betriebsdrehzahl Überkritisch <15 % unterhalb Betriebsdrehzahl >20 % oberhalb Betriebsdrehzahl Tabelle 13.3: Auslegung starrer und flexibler Rotoren nach API auf. Für die einzelnen Situationen gibt es verschiedene Berechnungsmethoden, die im gegebenen Fall anzuwenden und bei konstruktiven Veränderungen zu modifizieren sind. Erhöhung der Lagersteifigkeiten, Verringerung der Spannweite oder Vergrößerung des Wellendurchmessers verschieben die Kritischen zu höheren Frequenzen, Verringerung des Wellendurchmessers oder Vergrößerung des Lagerabstands zu geringeren Werten. Vielfach wird die Lagerung orthotrop ausgelegt sein, also mit unterschiedlicher Steifigkeit in vertikaler und horizontaler Richtung, was wiederum zwei unterschiedliche Eigenfrequenzen nach sich zieht. Meistens werden dann auch Kopplungen zwischen den Richtungen auftreten. Instabilitäten wie Öl-Whirl können die Diagnose zusätzlich erschweren. Im Allgemeinen wird es eher unrealistisch sein, von einer kritischen Drehzahl als Einzelwert zu sprechen. Es werden sich eher kritische Drehzahlbereiche ergeben, die dann für Dauerbetrieb zu vermeiden sind. Zwar könnte ein ausreichend gedämpfter Rotor im kritischen Bereich betrieben werden, empfohlen wird dieses jedoch im Allgemeinen nicht. Rotorsysteme werden deshalb grundsätzlich unterkritisch oder überkritisch ausgelegt. Im ersten Fall sollte die Betriebszahl hinreichend weit unterhalb der ersten Biegekritischen liegen, im zweiten Fall hinreichend oberhalb. Die wichtigsten Eckdaten (aus der Praxis) findet man in Tabelle 13.3. 13.1.5 Der Lavalläufer Der Lavalläufer, benannt nach dem schwedischen Ingenieur Carl Gustaf Patrik de Laval, ist das einfachste Modell eines biegeelastischen Rotors. Das Modell besteht aus einer massebehafteten Scheibe auf einer elastischen, masselos gedachten Welle, siehe Bild 13.10. Anmerkung: In der angelsächsischen Literatur wird dieses Modell auch als Jeffcott-Läufer genannt nach Henry Homan Jeffcott geführt. Bild 13.10: Laval-Rotor (Carl Gustav Patrik de Laval; Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) 739 13.1 Rotorcharakteristik (13.11) (13.12) (13.13) Bei steigender Drehzahl wächst die Fliehkraft, sodass schließlich die elastische Verformung des Rotors berücksichtigt werden muss, siehe Bild 13.11. Die Welle wird um den Betrag ρ W ausgelenkt, die gesamte Fliehkraft beträgt jetzt F = e + ρ W mω 2 Dabei wird angenommen, dass sich die Welle in Richtung der Schwerpunktexzentrizität ausbiegt. Man spricht jetzt von einem biegeelastischen Rotor. Bild 13.11: Rechenmodell des einfachen Laval-Rotors Mit der Drehfrequenz ω, der Eigenkreisfrequenz ω 0 und der relativen Drehfrequenz η ω 0 = k m η = ω ω0 berechnet sich die Wellenverformung als ρ W = e ω ω0 2 1 − ω ω0 2 = e η2 1 − η2 Dieser Ausdruck beschreibt im Wesentlichen das Verhalten des Rotors mit der Scheibenmasse m und der Biegesteifigkeit k der Welle. Es entspricht dem Verhalten des einfachen elastisch gelagerten Rotors nach Bild 13.7 und Bild 13.8: Bei niedrigen Drehzahlen wächst die Ausbiegung zunächst proportional dem Fliehkraftanteil emω 2 , da der Beitrag von ρ W in Gl. 13.11 noch gering ist. Bei ω = ω 0 liegt Resonanz vor und für hohe Drehzahlen im überkritischen Bereich wird die Auslenkung negativ und nähert sich asymptotisch dem Wert der Exzentrizität e - der Schwerpunkt liegt dann auf der Drehachse (Selbstzentrierung). Anmerkung: Ursprünglich hatte man (nicht ganz unberechtigte) Bedenken, ob ein stabiler Betrieb im überkritischen Bereich überhaupt möglich sei, da auch geringfügige Störungen Fliehkräfte erzeugen, die den Rotor aus seine Gleichgewichtlage reißen könnten (man betrachte 740 13 Rotor- und Lagerdynamik dazu noch einmal Bild 13.6). Der schwedische Ingenieur Carl Gustav Patrik de Laval, der 1883 die erste Gleichdruckdampfturbine entwickelt hat, war sich dieser Problematik durchaus bewusst. Er entwickelte auf experimentellem Weg im überkritischen Bereich stabil laufende Rotoren. Nach seinem Vorbild wurden über geraume Zeit solche Läufer gebaut und zunächst als Paradoxon betrachtet. Den theoretischen Nachweis der Stabilität lieferten Föppl, Stodola und andere erst Jahrzehnte später. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine stabilisierende Wirkung von den Corioliskräften ausgeht. Henry Homan Jeffcott stellte im Auftrag der Royal Society of London die Theorie zum Lavalläufer umfassend dar, weshalb dieser Läufertyp im englischsprachigen Bereich meist als Jeffcott-Läufer bezeichnet wird. 13.1.6 Der dämpfungsfreie Lavalläufer in starren Lagern Für diesen ersten, den ungedämpften Fall werden die Lager als starr verglichen mit der Welle angenommen, Dämpfungskräfte werden also vernachlässigt. Diese Annahmen treffen für wälzge‐ lagerte Rotoren, die in gasförmigen Medien rotieren, meist recht gut zu. Für die Berechnungen wird außerdem vorausgesetzt, dass die Scheibe sich bei Auslenkung nicht schräg stellt, siehe Bild 13.11. 13.1.6.1 Der Lavalläufer mit Unwucht Der Rotor kann sowohl freie wie auch erzwungene Biegeschwingungen ausführen. Im gegebenen Beispiel werden nur die durch Unwucht erregten Schwingungen betrachtet. Zur mathematischen Beschreibung wird der Lavalläufer nach Bild 13.12 modelliert. Es wird ein raumfestes kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) eingeführt. Der Ursprung liegt im Mittelpunkt der Scheibe bei unverformter (nicht gebogener) Welle also auf der Verbindungsgeraden der beiden Lagermitten. Die x-Achse verläuft in Richtung der Wellenachse, die y-Achse in horizontaler und die z-Achse in vertikaler Richtung. Bild 13.12: Rechenmodell des Lavalläufers In Bild 13.13 ist das Koordinatensystem noch einmal extrahiert. Für die Koordinaten des Wellenmittelpunkts werden die Bezeichnungen v und w eingeführt, der Schwerpunkt hat die 741 13.1 Rotorcharakteristik (13.14) (13.15) (13.16) (13.17) Koordinaten v S und w S . Zusätzlich ist noch der Drehwinkel φ zwischen der Richtung der Exzentrizität relativ zur Vertikalen eingetragen. In komplexer Zeigernotation, wie sie schon in Abschnitt 1.5.3 eingeführt wurde, wird die Bewegung durch die Koordinaten r bzw. r S beschrieben. Der Unterstrich indiziert dabei den Parameter als komplexe Zahl, bestehend aus Realteil und Imaginärteil. Der Zusammenhang wird in Bild 13.13 noch verdeutlicht, wo beide Notationen eingetragen sind. Bild 13.13: Raumfestes Koordinatensystem der Scheibe nach Bild 13.12 Es besteht folgender Zusammenhang zwischen den Schwerpunktkoordinaten und dem Wellen‐ mittelpunkt: r S = r + e ⋅ e jφ Für die Transversalbewegung gelten die Differenzialgleichungen mr¨ S = − kr worin m die Scheibenmasse und k die Wellensteifigkeit bedeuten. Nach Differenzieren von Gl. 13.14 und Einsetzen in Gl. 13.15 erhält man mr¨ + kr = me jφ¨ − φ˙ 2 Für die weitere Rechnung wird ein stationärer Betrieb angenommen, gekennzeichnet durch φ¨ = 0 φ˙ = ω = const φ = ωt + φ 0 Der Nullphasenwinkel φ 0 ist eine Integrationskonstante, die durch geeignete Wahl der Zeitzäh‐ lung zu null gemacht werden kann. Sie wird als allgemeiner Wert im Hinblick auf weitere Anwendungen beibehalten. 742 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.18) (13.19) (13.20) (13.21) (13.22) (13.23) Man erhält daraus mit den Symbolen aus Gl. 13.12 r¨ + ω 02 r = eω 2 e j ωt + φ0 Die allgemeine Lösung dieser nicht gekoppelten Differenzialgleichungen setzt sich zusammen aus der homogenen Lösung r h und den partikulären Lösungen r p r t = r ℎ t + r p t Die homogene Lösung beschreibt die freien Schwingungen des Läufers r ℎ t = r 0 e j ω0t + φ0 Es sind die Eigenschwingungen des ungedämpften Läufers mit der Eigenkreisfrequenz ω 0 ; die Integrationskonstanten r 0 und φ 0 ergeben sich aus den Anfangsbedingungen, zum Beispiel durch Anstoßen. Die Gl. 13.20 kann als Parameterdarstellung einer Ellipse interpretiert werden, d. h. der Wellenmittelpunkt W durchläuft eine Ellipsenbahn. Infolge der stets vorhandenen Dämpfung klingt die homogene Lösung mit der Zeit ab, es verbleibt lediglich die partikuläre Lösung. Da die Partikulärlösung die stationäre Bewegung zufolge der Unwuchterregung beschreibt, wird sie entsprechend mit e indiziert r p ≡ r e . Man erhält sie über den Ansatz r e t = re j ωt + φ0 Durch Einsetzen in die Differenzialgleichung erhält man mit den Symbolen aus Gl. 13.12 die Lösung r e t = e η 2 1 − η 2 e j ωt + φ0 Diese durch die Rotorunwucht erzwungenen Schwingungen überlagern sich den freien Schwingungen (homogene Lösung), welche jedoch, wie schon gesagt, mit der Zeit abklingen und daher zunächst nicht weiter untersucht werden. Es bleiben lediglich die erzwungenen Schwingungen erhalten, auf welche die weitere Diskussion beschränkt werden kann. Der Rotor führt in horizontaler und vertikaler Richtung eine harmonische Bewegung mit der Kreisfrequenz ω und gleicher Amplitude aus. Die Bewegungen sind gegeneinander um 90° phasenverschoben, was einer Kreisbewegung mit dem Radius r e und der Winkelgeschwindigkeit ω entspricht: r e = e η2 1 − η2 Der Scheibenmittelpunkt (= Durchstoßpunkt der Welle) läuft mit der Winkelgeschwindigkeit ω auf einem kreisförmigen Orbit vom Radius r e wie in Bild 13.14 dargestellt. 743 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.14: Orbit des isotropen, ungedämpften Lavalläufers Den Radius r e der Kreisbahn in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt Bild 13.15. Ist ein zulässiger Grenzwert vorgegeben, kann man daraus die Bereiche für unterkritischen und überkritischen Betrieb ablesen. Bild 13.15: Radius des Orbits in Abhängigkeit von der Frequenz Der Verlauf nach Bild 13.15 gilt in dieser Form lediglich für den stationären Betrieb des unge‐ dämpften Rotors. Im instationären Betrieb, also bei Durchfahren der Resonanz mit endlicher (aber hinreichend hoher) Geschwindigkeit, bleibt die Resonanzüberhöhung beschränkt. Die Resonanz kann also durchfahren werden, wenn der Rotor im Hochlauf ausreichend beschleunigt wird, 744 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.24) (13.25) (13.26) die Resonanz also schnell durchfährt. Davon abgesehen bleibt die Überhöhung durch die hier vernachlässigte Dämpfung jederzeit beschränkt. Im Gegensatz zum starren Rotor bleiben nach Bild 13.3 beim biegeelastischen Rotor die Lagerkräfte bei hohen Drehzahlen beschränkt, sie tendieren gegen den Wert k×e. Bedenken bestehen jedoch immer hinsichtlich der Stabilität in diesem Bereich, im Speziellen: ● Wie reagiert der Rotor auf Störungen? ● Kann durch eine Störung der Rotor durch die starken Fliehkräfte aus seiner Bahn gerissen werden? (Man studiere zu dieser Frage lediglich Bild 13.6) Betrachtet man jetzt die Bewegung des Schwerpunkts S, die sich aus Gl. 13.14 mit Gl. 13.22 berechnen lässt, so erhält man r S = e η 2 1 − η 2 + 1 e j ωt + φ0 = e 1 1 − η 2 e j ωt + φ0 Auch der Schwerpunkt läuft also auf einer Kreisbahn mit dem Radius r s um: r s = e 1 1 − η2 Vergleicht man nun Gl. 13.23 mit Gl. 13.25, so sieht man: ● Im unterkritischen Bereich ist der Bahnradius r s des Schwerpunkts größer als der des Wellenmittelpunkts r, ● im überkritischen Bereich ist der Bahnradius r s des Schwerpunkts kleiner als der des Wellenmittelpunkts r. Wegen der Relation arg (r = arg r S = ωt + φ 0 liegen Ursprung, Wellenmittelpunkt W und Schwerpunkt S immer auf einer Geraden. Die Welle wird statisch durchgebogen und läuft in diesem ausgebogenen Zustand um. Die verschiedenen Zustände sind in Bild 13.16 dargestellt. Der unterkritische Fall entspricht den intuitiven Erwartungen: Der Schwerpunkt wird durch die Fliehkraft nach außen gezogen. Der überkritische Fall erscheint zunächst wenig plausibel. Aber auch dieser Zustand ist stabil, die Stabilität wird durch die Corioliskraft erreicht. Bei sehr hohen Drehzahlen zeigt der Rotor die Tendenz zur Selbstzentrierung. Er rotiert wieder wesentlich ruhiger um seinen stillstehenden Schwerpunkt, gehalten von den Lagerkräften im Gesamtbetrag k×e. Im Gegensatz zum starren Rotor bleiben hier, wie schon gesagt, die Lagerkräfte beschränkt, vgl. dazu Bild 13.3. 745 13.1 Rotorcharakteristik (13.27) (13.28) Zusammenfassend kann für den ungedämpften, isotropen Rotor gesagt werden: ● Die Welle wird durch Unwucht zu einer kreisförmigen Bewegung angeregt (kreisförmiger Orbit). ● Wellenmittelpunkt W und Schwerpunkt S liegen stets auf einer Ursprungsgeraden und umlaufen den Ursprung mit der Winkelgeschwindigkeit ω (Drehfrequenz). ● Im unterkritischen Bereich wird die Welle in Richtung der Exzentrizität ausgebogen. ● Im überkritischen Bereich wird die Welle gegen die Richtung der Exzentrizität einwärtsgebogen. ● Im Grenzbereich, bei sehr hohen Drehzahlen, rotiert die Scheibe um ihren im Raum feststehenden Schwerpunkt. Bild 13.16: Relative Lage von Wellenmittelpunkt W und Schwerpunkt S für unterkritischen und überkritischen Betrieb eines Läufers mit Unwucht Anmerkung: Man vergleiche dazu die einführenden Ableitungen dieses Abschnitts, insbe‐ sondere die Darstellungen von Bild 13.7 und Bild 13.8. Die Gleichgewichtsbedingung zwischen Fliehkraft und Durchbiegung lässt sich mit der Auslen‐ kung ρ e (in mitrotierenden Koordinaten) unmittelbar anschreiben wie folgt (siehe Bild 13.17): m ρ e + e ω 2 − kρ e = 0 Daraus ergibt sich für die Ausbiegung der Welle: ρ e = e η2 1 − η2 Dieses Ergebnis stimmt wegen ρ e = r e unmittelbar mit Gl. 13.23 überein. 746 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.29) (13.30) (13.31) Bild 13.17: Kräftegleichgewicht bei unwuchterregter Wellenschwingung 13.1.6.2 Gewichtseinfluss bei horizontaler Welle Bei einem horizontalen Rotor kommt noch der Einfluss des Eigengewichts dazu. Dieses wirkt nur in vertikaler Richtung, nach gegebener Konvention also eine reelle Größe. Die Differenzial‐ gleichung 13.18 erweitert sich um die Gewichtskraft mg mr¨ + kr = emω 2 e j ωt + φ0 − mg Als zusätzliche Partikulärlösung w stat für das Gewicht erhält man w stat = − mg k Die Gesamtlösung für die Bewegung in vertikaler Richtung hat nun das Aussehen r t = e η 2 1 − η 2 e j ωt + φ0 − mg k Die Bewegung in horizontaler Richtung wird durch das Gewicht nicht beeinflusst. Der Orbit der Welle wird durch das Gewicht lediglich um den Betrag r stat abgesenkt. Der Gewichtseinfluss ist eine Frage der Lagerbelastung, also der Rotorauslegung, und hat auf das Schwingungsverhalten keinen Einfluss. 13.1.6.3 Ungedämpfter Lavalläufer mit Wellenschlag und Unwucht Eine Vorkrümmung der Welle, also eine Krümmung ohne dynamische Ursache (verbogene Welle), wirkt sich ähnlich aus wie Unwucht. Man spricht in diesem Fall von einem Wellenschlag. Besonders bei dünnen Wellen ist er oft Hauptursache der Laufunruhe. Die häufigsten Ursachen sind in Tabelle 13.4 zusammengestellt. Durch die Vorkrümmung weicht bereits im Ruhezustand die Mittellinie der (gekrümmten) Welle von der (geraden) Ideallinie ab. Bei sehr langsamer (quasistatischer) Drehung bewegt sich der Mittelpunkt des Läufers auf einer Kreisbahn mit dem Radius a, der sogenannten Schlagbahn, wie in Bild 13.18 dargestellt. 747 13.1 Rotorcharakteristik Erscheinungsform Grundursache Eigenspannungen im Wellenmaterial Fertigung Plastische Verformung Transport Montage Thermische Vorkrümmung Anstreifen (Newkirk-Effekt) Thermische Unwucht (Morton-Effekt) Tabelle 13.4: Hauptursachen für Wellenschlag (13.32) Zusätzlich zur Unwucht e wird jetzt also noch ein Wellenschlag vom Betrag a angenommen, siehe dazu die Skizzen in Bild 13.18. Bild 13.18: Lavalläufer mit Schlag und Unwucht Die Schlagbahn wird bei sehr langsamer (quasistatischer) Drehung mit ω ≪ ω 0 aufgezeigt. Sie wird beschrieben durch r 0 = ae jωt Anmerkung: Die Zeitskalierung wird so gewählt, dass die Schlagbahn bei t = 0 die z-Achse passiert. 748 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.33) (13.34) (13.35) (13.36) (13.37 (13.38) (13.39) Es gilt weiter der Zusammenhang zwischen den Koordinaten r des Wellenmittelpunkts und der Schwerpunktverschiebung r S r S = r + e ⋅ e j ωt + φ0 Bei der Aufstellung der Bewegungsgleichungen nach dem Schwerpunktsatz nach Newton ist zu berücksichtigen, dass die elastischen Rückstellkräfte der Welle dem Wellenausschlag r abzüglich der Verformungen r 0 durch den Wellenschlag entsprechen: mr¨ S = − k r − r 0 Für die (messbare) Wellenauslenkung r erhält man daraus die Bewegungsgleichung mr¨ + kr = meω 2 e j ωt + φ0 + kae jωt mit der Rotormasse m und der Wellensteifigkeit k wie zuvor (vgl. Gl. 13.18). Neben den schon bekannten Ausdrücken für die Unwuchterregung enthalten die Differenzial‐ gleichungen jetzt zusätzlich die Erregung durch den Wellenschlag. Diese ist proportional zu k×a und unabhängig von der Drehfrequenz ω. Die Lösung r e für die Unwucht ist schon bekannt. Die Bewegung r k zufolge Vorkrümmung erhält man aus der entsprechenden Partikulärlösung von mr¨ + kr = kae jωt Mit dem Ansatz r k = r k e jωt erhält man r k = ka k − mω 2 e jωt = a 1 − η 2 e jωt Der Index k steht für die Lösung der Bewegung zufolge der Vorkrümmung der Welle. Auch hier tritt eine Kreisbewegung der Welle mit einer Resonanz bei η = 1 auf. Der Wellenmit‐ telpunkt beschreibt eine Kreisbahn mit dem Radius r k = a 1 − η2 Anders als bei der Unwucht Gl. 13.25 tritt durch den Wellenschlag auch bei sehr langsamer (quasistatischer) Drehung eine Auslenkung der Welle auf, nämlich der Schlag a, siehe dazu Bild 13.19. 749 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.19: Auslenkung der Welle infolge eines Wellenschlags a Die Wellenbiegung infolge Schlags in den typischen Stadien zeigt Bild 13.20. Zunächst die Vor‐ biegung bei sehr langsamer Drehung. Bei Stillstand ist die Biegung gleich der Vorbiegung (oberstes Bild). Mit steigender Drehzahl verstärkt sich im unterkritischen Bereich die Durchbiegung und kommt bei η = 1 in Resonanz. Im überkritischen Bereich ist die Durchbiegung in Gegenphase zur Vorbiegung. Bei sehr hohen Drehzahlen zentriert sich die Scheibe; die Auslenkungen verschwinden dann, die Welle läuft ruhig und wird durch die Lagerkräfte vom Gesamtbetrag k×a gerade gezogen (d. h., die Scheibe läuft jetzt zwar ruhig aber die Lager „brummen“). 750 13 Rotor- und Lagerdynamik Unwucht e Wellenschlag a Kleine Drehzahl ω → 0 r = 0 r = a Große Drehzahl ω → ∞ r = e r = 0 Tabelle 13.5: Grenzwerte der Übertragungsfunktion beim Laval-Läufer (13.40) Bild 13.20: Durchbiegung infolge Wellenschlags Das typische Verhalten des Lavalläufers für sehr kleine und sehr große Drehzahlen ist in Tabelle 13.5 zusammengestellt. Es ist auch aus dem Vergleich von Bild 13.19 mit Bild 13.15 ersichtlich. Die Gesamtlösung zufolge Unwucht e und Wellenschlag a ergibt sich als Summe der Partikulär‐ lösungen mit r t = e η2 1 − η2 e j ωt + φ0 + a 1 1 − η2 e jωt 751 13.1 Rotorcharakteristik (13.41) (13.42) (13.43) (13.44) (13.45) (13.46) (13.47) (13.48) (13.49) 13.1.6.4 Komplexe raumfeste Koordinaten Für die Berechnungen ist manchmal eine Formulierung der Bewegungsgleichung in komplexen Koordinaten von Vorteil, wie in Bild 13.18 bereits eingetragen: r = w + jv Mit Hilfe der Eulerschen Relation erhält man beispielsweise für die Schlagbahn r a t = a cos ωt + j sin ωt = ae jωt Die Differenzialgleichen bekommt man in komplexer Form wie folgt mr¨ + kr = emω 2 e j ωt + φ0 + ake jωt − mg Der allgemeine Ansatz lautet damit r t = r ℎ t + r e t + r k t + r stat Zur Lösung der homogenen Gleichung macht man den Ansatz r ℎ (t) = Ae λt mit der allgemeinen Lösung r ℎ t = r ℎ1 e + jωt + r ℎ2 e − jωt Die beiden komplexen Integrationskonstanten r ℎ1 und r ℎ2 bestimmen sich aus den Anfangsbe‐ dingungen. Die homogene Lösung setzt sich demnach aus zwei Kreisbewegungen zusammen, die in entgegengesetzten Richtungen umlaufen. Die Summe ergibt einen ellipsenförmigen Orbit. Für die partikulären Lösungen erhält man der Reihe nach r e = e η 2 1 − η 2 e j ωt + φ0 r k t = a 1 1 − η 2 e jωt r stat = − mg k 752 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.50) (13.51) (13.52) (13.53) Bild 13.21: Gaspard Gustave de Coriolis (Quelle: gravure de Zéphyrin Belliard d’après le tableau de Roller (1812-1866), Public domain, via Wikimedia Commons) Da die homogene Lösung durch eine stets vorhandene Dämpfung abklingt, ergibt sich die stationäre Lösung als Summe r t = e η 2 1 − η 2 e j ωt + φ0 + a 1 1 − η 2 e jωt − mg k Mit der Relation 1 1 − η2 = 1 + η2 1 − η2 lässt sich die Gesamtlösung schließlich in einer Form mit separiertem Dynamikanteil anschreiben wie folgt r t = ae jωt + a + e ⋅ e jφ0 η 2 1 − η 2 e jωt − mg k Der erste Term beschreibt die quasistatische Schlagbahn, der zweite die dynamische Bewegung aus Schlag a und Unwucht e. Führt man darin eine Gesamtexzentrizität e ges ein, so erhält man das Resultat r t = ae jωt + e ges η 2 1 + η 2 e jωt − mg k e ges = a + e ⋅ e jφ0 Durch entsprechendes Wuchten kann e ges kompensiert werden. Der Rotor läuft dann resonanzfrei auf der quasistatischen Schlagbahn mit dem Radius a. 13.1.6.5 Mitrotierende Koordinaten In manchen Fällen, zum Beispiel zur Berechnung des Dämpfungseinflusses, ist es zweckmäßig, die Bewegung des Rotors in mitrotierenden Koordinaten darzustellen. Dazu wird ein Koordinatensystem (η, ζ) eingeführt, wel‐ ches mit der Winkelgeschwindigkeit ω der Rotordrehung mitrotiert, siehe dazu Bild 13.22. Das bewegte Koordina‐ tensystem ist gegenüber dem raumfesten um den Winkel ωt gedreht. Im Bild ist ein Punkt P mit dem Abstand l vom Ursprung eingetragen, sein Ortsvektor schließt mit der reellen Achse des rotierenden Koordinatensystems den Winkel γ ein. 753 13.1 Rotorcharakteristik (13.54) (13.55) (13.56) (13.57) (13.58) Bild 13.22: Raumfeste und körperfeste Koordinaten Die Lage des Punktes P wird beschrieben durch r = w + jv = le j ωt + γ raumfest ρ = w ζ + jv η = le jγ mitrotierend Daraus ergibt sich unmittelbar die Transformation ρ = re − jωt r = ρe jωt Zur Transformation von Gl. 13.42 in das mitrotierende System ist zunächst die Transformations‐ gleichung zweimal nach der Zeit zu differenzieren r˙ = ρ˙ + jωρ e jωt r¨ = ρ¨ + 2jωρ˙ − ω 2 ρ e jωt Die Ausdrücke in der Klammer von Gl. 13.58 bedeuten der Reihe nach ● die Relativbeschleunigung, ● die Coriolisbeschleunigung, ● die Führungsbeschleunigung. 754 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.59) (13.60) (13.61) (13.62) (13.63) (13.64) Durch Einsetzen erhält man die Bewegungsgleichungen im mitrotierenden System ρ¨ + 2jωρ˙ + ω 02 − ω 2 ρ = eω 2 e jφ0 + aω 02 Für die homogene Lösung ρ h macht man einen Exponentialansatz ρ ℎ t = ρ ℎ e λt Man erhält die charakteristische Gleichung λ 2 + 2jωλ + ω 02 − ω 2 = 0 λ 1, 2 = j ±ω 0 − ω Die homogene Lösung sieht damit folgendermaßen aus: ρ ℎ t = ρ ℎ1 e j ω0 − ω t + ρ ℎ2 e j − ω0 + ω t Die Partikulärlösung für den Fall mit Unwucht e, Schlag a und Gewichtseinfluss ergibt sich als ρ(t) = e ⋅ e jφ0 η2 1 − η2 + a 1 1 − η2 + w stat e − jωt Diese Lösung beschreibt den stationären Zustand des ungedämpften Rotors bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit ω. Dabei wird vorausgesetzt, dass die homogene Lösung durch eine geringe Dämpfung mit der Zeit abklingt (wie gleich gezeigt wird, eine äußere Dämpfung). 13.1.7 Der Lavalläufer mit innerer und äußerer Dämpfung In den bisherigen Ausführungen wurde die Dämpfung generell vernachlässigt. Das hat seine Berechtigung, da die Dämpfung bei technischen Systemen und insbesondere bei wälzgelagerten Rotoren meist sehr gering ist. Infolge der geringen Dämpfung wird die Berechnung der Eigenfre‐ quenzen kaum beeinflusst und sie lassen sich aus dem ungedämpften Ansatz hinreichend genau ermitteln. Signifikant werden dagegen die Einflüsse der Dämpfung im überkritischen Bereich und im Resonanzbereich. So kann bei überkritischer Betriebsweise von Rotoren Dämpfung sogar destabilisierend wirken (was in der Folge noch gezeigt wird), im Resonanzbereich lassen sich durch Dämpfung Schwingungen spürbar verringern. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sie nach wie vor für den Rotor gefährlich bleiben, sodass ein unüberwachter Dauerbetrieb in diesem Bereich zu vermeiden ist. 13.1.7.1 Dämpfungsmechanismen Bei der Dämpfung eines Rotorsystems treten sowohl äußere wie auch innere Dämpfung auf. Äußere Dämpfung entsteht in erster Linie durch die Bewegung einer Rotorscheibe im umgebenden Medium als viskose Dämpfung, kann aber auch durch zusätzliche Dämpferelemente 755 13.1 Rotorcharakteristik aufgebracht werden. Innere Dämpfung tritt bei Verformung des Rotors oder allgemein im Material des Rotorsystems auf. Bild 13.23 bringt eine schematische Darstellung, in Tabelle 13.6 sind die wichtigsten Mechanismen zusammengestellt. Bild 13.23: Innere und äußere Dämpfung Worin besteht eigentlich der grundsätzliche Unterschied zwischen innerer und äußerer Dämp‐ fung? Vom Ansatz des linearen Schwingers her ist eine klare Differenzierung in dieser Hinsicht nicht evident - beide Mechanismen wirken dissipativ, das heißt, sie setzen mechanische Energie in Wärme um. Der Unterschied tritt, das soll in diesem Abschnitt vermittelt werden, erst bei der Rotordynamik zutage. Grundsätzlich kann man den Unterschied im Mechanismus der Anlenkung sehen: ● Der äußere Dämpfer stützt die Struktur gegen einen raumfesten Bezugspunkt ab. ● Die innere Dämpfung wirkt nur als strukturinterner Mechanismus. Anmerkung: Etwas salopp könnte man sagen, die innere Dämpfung dreht sich mit dem Rotor mit. Äußere Dämpfung wirkt, wie vom einfachen Schwinger her gewöhnt, stets stabilisierend. Innere Dämpfung wirkt sich im unterkritischen Bereich ebenfalls schwingungsmindernd aus. Sie ist, wie man sehen wird, im überkritischen Drehzahlbereich jedoch destabilisierend und kann zu Instabilität und selbsterregten Schwingungen führen. Diese sind, wie schon in Abschnitt 1.13.3 erläutert, meist Schwingungen mit der Eigenfrequenz und von sehr großer Amplitude, also als gefährlich einzustufen. Anmerkung: Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass es nicht Aufgabe der Schwin‐ gungsanalysen ist, Rotorsysteme schwingungstechnisch auszulegen. Man sollte lediglich in der Lage sein, solche Fehler an den auftretenden Symptomen zu erkennen und richtig zu diagnostizieren. 756 13 Rotor- und Lagerdynamik Charakteristik Quelle Äußere Dämpfung Turbulenz im Fluid externe Dämpferelemente Innere Dämpfung Werkstoffdämpfung innere Reibung Materialdämpfung Verlustfaktor Konstruktionsdämpfung Schraub- und Nietverbindungen Pressverbände Blechpakete Rotorwicklungen elektrische Maschinen lose Rotorbleche lockere Rotorwicklungen (Stäbe) Wickelköpfe viskoelastische Kupplungen Tabelle 13.6: Dämpfung von Rotoren (13.65) (13.66) (13.67) In der Folge werden äußere Dämpfung und innere Dämpfung am Rotor zunächst getrennt behandelt, also jede Variante für sich, danach werden beide Mechanismen zur realen Beschreibung des Rotors zusammengeführt. 13.1.7.2 Äußere Dämpfung Äußere Dämpfung entsteht schon durch die Bewegung des Rotors im umgebenden Medium. Die Zähigkeitskräfte sind der Bewegung entgegengesetzt gerichtet. Sie werden mathematisch als viskose Dämpfung, also geschwindigkeitsproportional angesetzt. Im Schema Bild 13.23 sind sie modellhaft als Elemente d a eingetragen. Die Bewegungsgleichungen des Lavalläufers mit Unwucht und äußerer Dämpfung haben folgende Gestalt: mr¨ + d a r˙ + kr = meω 2 e j ωt + φ0 bzw. r¨ + d a m r˙ + ω 02 r = eω 2 e j ωt + φ0 Die allgemeine Lösung ist wieder die Summe aus homogener Lösung r h und partikulärer Lösung r e . Für erstere macht man den Exponentialansatz r ℎ = r ℎ e λt 757 13.1 Rotorcharakteristik (13.68) (13.69) (13.70) (13.71) (13.72) (13.73) Der Ansatz führt auf die charakteristische Gleichung λ 2 + da m λ + ω 02 = 0 λ 1, 2 = α ± jω d = − d a 2m ± jω 0 1 − d a 2mω 0 2 = − ϑ a ± jω 0 1 − ϑ a2 = − ϑ a ± jω d Dabei wurde das Lehrsche Dämpfungsmaß ϑ a eingeführt. ϑ a = da 2mω0 Man erhält als homogene Lösung schließlich r ℎ t = r ℎ1 e αt e jωdt + r ℎ2 e αt e − jωdt Die Lösung setzt sich wieder aus zwei gegenläufigen Kreisbewegungen mit der Kreisfrequenz ω d zusammen, die wegen α < 0 mit der Zeit abklingen. Die Eigenfrequenz ω d des gedämpften Systems unterscheidet sich wegen der üblicherweise geringen Dämpfung nur wenig von ω 0 , der Eigenfrequenz des ungedämpften Systems. Als partikuläre Lösung für den unwuchterregten Schwinger erhält man aus Gl. 13.65 den Ausdruck r e t = r e e j ωt + φ0 = e η 2 1 − η 2 + j2ϑ a η e j ωt + φ0 Das Ergebnis ist wieder ein kreisförmiger Orbit mit der Drehfrequenz ω. Wegen des komplexen Vorfaktors liegen Wellenmittelpunkt W und Schwerpunkt S nicht mehr am gleichen Radius, die Wellenauslenkung ist jetzt nicht mehr in Phase oder gegenphasig zur Unwucht. Durch die Dämpfung bleibt die Auslenkung auch in der Resonanz endlich. Der Radius der Kreisbahn kann daraus wie folgt berechnet werden. r e = e η 2 1 − η 2 2 + 4ϑ a2 η 2 Die Unwuchtantwort des isotropen Rotors ist in Bild 13.24 zu sehen. Der kreisförmige Orbit wird immer in Drehrichtung durchlaufen (Gleichlauf). 758 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.74) Bild 13.24: Unwuchtantwort des isotropen Rotors 13.1.7.3 Innere Dämpfung Die innere Dämpfung entsteht bei Verformung des Läufers bzw. der Welle beim Schwingen. Die einfachste Modellierung der Werkstoffdämpfung erhält man durch die Annahme, dass die Werkstofffasern außer Federungsauch Dämpfungseigenschaften aufweisen wie schon in Bild 1.12 gezeigt. Eine allgemeine Modellierung liefert die Beschreibung des rheologischen Werkstoffverhaltens durch das Kelvin-Modell. Man kann sich hier jedoch zunächst auf den Ansatz einer linearen, viskosen Dämpfung beschränken. Das Rechenmodell ist in Bild 13.23 schematisiert, die (linearen) Dämpfungen werden durch die Dämpfungskoeffizienten d a und d i repräsentiert. Beim stillstehenden Läufer wirken sich innere und äußere Dämpfung in gleicher Weise aus. Beide wirken der Bewegung des Läufers entgegen. Anders sieht es beim rotierenden Läufer aus. Da die innere Dämpfung nicht von einem Festpunkt aus angreift wie die äußere, sind die Dämpfungskräfte nicht den Geschwindigkeiten v˙ und w˙ bzw. r˙ proportional. Das demonstriert folgendes Gedankenmodell: Verspannt man einen idealen Rotor durch ein zusätzliches starres Lager in Scheibenebene, sodass die Welle konstant durchgebogen wird, so haben die Schwinggeschwindigkeiten der Wellenschwingung nach wie vor den Wert null. Die inneren Kräfte erzeugen jedoch infolge der wechselnden Dehnungen der Werkstoffasern innere Verlustarbeit (der Rotor wird durchgewalkt). Rotiert andererseits ein verbogener Läufer in sich starr auf einem kreisförmigen Orbit wie etwa in Bild 13.18 dargestellt, leisten die inneren Kräfte keine Arbeit, obwohl die Schwinggeschwindigkeiten des Wellenmittelpunkts ungleich null sind. Zum Erfassen der inneren Dämpfung müssen die Bewegungsgleichungen in einem körperfesten, also mit ω mitrotierendem Koordinatensystem angesetzt werden, wie in Abschnitt 13.1.6.5 bereits gezeigt. Dazu muss Gl. 13.65 noch durch die innere Dämpfung ergänzt werden. Man erhält damit die Bewegungsgleichung ρ¨ + 2jω + d i m ρ˙ + ω 02 − ω 2 ρ = eω 2 e jφ0 759 13.1 Rotorcharakteristik (13.75) (13.76) (13.77) (13.78) Hier wird jetzt die homogene Lösung von besonderem Interesse. Man erhält sie mit üblichem Ansatz ρ ℎ t = ρ ℎ e λt λ 1, 2 = − jω + d i 2m ± jω + d i 2 2 − ω 02 − ω 2 Führt man für die Wurzel eine Entwicklung in eine Potenzreihe aus erhält man bei Vernach‐ lässigung der Terme höherer Ordnungen von d i schließlich die Lösungen λ 1 = − di 2m 1 − ω ω0 + j ω 0 − ω = − ω 0 − ω ϑ i − j λ 2 = − di 2m 1 + ω ω0 + j −ω 0 − ω = − ω 0 − ω ϑ i + j Dabei wurde wie zuvor das Dämpfungsmaß ϑ i eingeführt. ϑ i = di 2mω0 Im unterkritischen Bereich ω < ω 0 sind in beiden Fällen die Realteile negativ, die homogene Lösung, klingt demnach ab. Im überkritischen Bereich ω > ω 0 wird der Realteil der Wurzel λ 1 positiv. Die Schwingung verläuft dort angefacht mit kontinuierlich steigender Amplitude. Ein stabiler Lauf wäre dann infolge der Werkstoffdämpfung nicht mehr möglich. Die Frequenz ist durch den Imaginärteil (ω - ω 0 ) gegeben, allerdings noch bezogen auf das mitrotierende Koordinatensystem. Transformiert man das Ergebnis über Gl. 13.56 auf das Inerti‐ alsystem, also in die Position des externen Beobachters, so ergibt sich das nach den Ausführungen von Abschnitt 1 erwartete Bild: Die Instabilität wirkt sich als angefachte Schwingung mit der Eigenfrequenz ω 0 aus. Diese Modellbetrachtung gilt exakt nur, solange sich das System im linearen Bereich bewegt. Bei großen Amplituden wird die Schwingung durch Nichtlinearitäten, zum Beispiel Anstreifen, begrenzt. 13.1.7.4 Innere und äußere Dämpfung Zur gemeinsamen Behandlung von innerer und äußerer Dämpfung ist es zweckmäßig, die Bewe‐ gungsgleichung 13.74 wieder in raumfeste Koordinaten zu transformieren. Die Implementierung der inneren Dämpfung bleibt dabei bestehen. Für die äußere Dämpfung ist das Inertialsystem günstiger, da dieses immer an einem Festpunkt angelenkt ist (siehe Bild 13.23). Entsprechend Gl. 13.65 erhält man mr¨ + d a + d i r˙ + k − jωd i r = emω 2 e j ωt + φ0 760 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.79) (13.80) (13.81) (13.82) (13.83) (13.84) In Komponenten geschrieben erhält man die Form m 0 0 m w¨ v¨ + d a + d i 0 0 d a + d i w˙ v˙ + k ωd i −ωd i k w v = emω 2 cos ωt + φ 0 sin ωt + φ 0 Der Ansatz für die homogene Lösung r ℎ = r ℎ e λt führt auf die charakteristische Gleichung mλ 2 + d i + d a λ + k − jωd i = 0 mit den Wurzeln (näherungsweise für schwache Dämpfungen) λ 1 = − 12 d a + d i 1 − ω ω0 + jω 0 = α 1 + jω 0 λ 2 = − 12 d a + d i 1 + ω ω0 − jω 0 = α 2 − jω 0 Die homogene Lösung setzt sich wieder aus zwei Anteilen zusammen, eine gleichlaufende Komponente, die mit der Eigenfrequenz ω 0 in Drehrichtung rotiert (+jω 0 ) und eine gegenläufige, die mit gleicher Frequenz gegen die Drehrichtung rotiert (-jω 0 ). r ℎ t = r ℎ1 e α1 + jω0t + r ℎ2 e α2 − jω0t Die Bewegung wird instabil, sobald einer der Eigenwerte, in diesem Fall λ 1, einen positiven Realteil α 1 erreicht. Die Stabilitätsgrenze wird durch die äußere Dämpfung nach höheren Frequenzen verschoben. Die Grenzfrequenz ω Grenz errechnet sich aus der Bedingung α 1 = 0 mit ω Grenz = ω 0 1 + ϑa ϑi Oberhalb dieser Grenz-Drehfrequenz wird der Realteil α 1 der gleichlaufenden Komponente positiv, es tritt demnach eine angefachte Schwingung, allerdings mit der Eigenfrequenz ω 0 auf. Die gegenlaufende Komponente klingt in jedem Fall ab. Die äußere Dämpfung schiebt also die Stabilitätsgrenze des Rotors über die kritische Drehzahl hinaus. Stabilitätskarten Die Ergebnisse solcher Untersuchungen werden grafisch in Stabilitätskarten dargestellt, wie sie in Bild 13.25 zu sehen sind. Auf der Abszisse ist die Drehzahl aufgetragen, auf der Ordinate ein für die Stabilität maßgeblicher Parameter. 761 13.1 Rotorcharakteristik (13.85) (13.86) (13.87) Bild 13.25: Stabilitätskarten, links für viskose Dämpfung, rechts für Konstruktionsdämpfung An der Stabilitätsgrenze, also bei der Drehfrequenz ω Grenz , verschwindet der Realteil des Eigen‐ werts λ 1 und man erhält dort die homogene Lösung r ℎ1 t = r ℎ1 e αλ1t = r ℎ1 e jω0t Setzt man diesen Wert in den homogenen Teil von Gl. 13.78 ein, erhält man nach Kürzen durch e jω0t einen Ausdruck für das Gleichgewicht der Kräfte wie folgt r ℎ1 mω 02 − k − jω 0 d a + d i + jωd i = 0 Man erkennt daraus: ● Die Komponente − jω 0 d i + d a r ℎ1 weist gegen die Bewegungsrichtung, sie entzieht dem System Energie (Dissipation). ● Die Kraftkomponente jωd i r ℎ1 weist in Bewegungsrichtung, dem System wird damit also Energie zuführt (im Gegensatz zur äußeren Dämpfung). Der erste Fall - Energieentzug - entspricht also der Dämpfung beim einfachen Schwinger. Der zweite Teil hat gemäß seinem Vorzeichen die gegenteilige Auswirkung mit anfachender Tendenz. Hier ist also die Ursache der Instabilität zu sehen. Die Einordnung in die Systematik nach Abschnitt 1.13.3 sollte danach möglich sein. Interessant ist in diesem Zusammenhang die Interpretation des Ergebnisses im Zusammenhang mit der reellen Formulierung der Differenzialgleichungen Gl. 13.79. Die Steifigkeitsmatrix lässt sich darstellen als Summe einer symmetrischen und einer antimetrischen Matrix k ωd i −ωd i k = k 0 0 k + 0 ωd i −ωd i 0 Der Vergleich mit der oben in Gl. 13.86 angestellten Kräftebilanz zeigt, dass die Tendenz zur Instabilität offensichtlich durch die antimetrische Steifigkeitsmatrix zum Ausdruck kommt. 762 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.88) (13.89) (13.90) Ergänzend können noch die entsprechenden Partikulärlösungen, also Unwuchtantwort und Gewichtsantwort des Läufers mit innerer und äußerer Dämpfung berechnet werden. Die üblichen Lösungsansätze liefern die Ergebnisse r e = e ω 2 ω 02 − ω 2 + jω da m r stat = g ω 02 − jω di m Auf die Unwuchtantwort hat nach Gl. 13.88 die innere Dämpfung keinen Einfluss. Die statische Durchbiegung wird durch die innere Dämpfung abhängig von der Drehzahl. Daraus ergibt sich eine Möglichkeit zur experimentellen Ermittlung von d i als Folge einer Verschiebung des Durchhangs aus der Vertikalen. Innere Dämpfung tritt, wie man sieht, erst durch die (erzwungene) Drehung des Rotors in Erscheinung, wirkt sich jedoch ausschließlich auf das Eigenverhalten, repräsentiert durch die homogene Lösung der Differenzialgleichung, aus. Die dadurch auftretenden Schwingungen sind Eigenschwingungen des Rotors, von der Frequenz her unabhängig von der Drehzahl. 13.1.7.5 Erscheinungsbild der Instabilität Nachfolgend soll auch für spätere Bezugnahmen, das Erscheinungsbild der Instabilität noch einmal zusammengefasst werden: Die Differenzialgleichung Hier noch einmal die Differenzialgleichung, wie sie schon in Gl. 13.79 vorgestellt wurde. m 0 0 m w¨ v¨ + d a + d i 0 0 d a + d i w˙ v˙ + k ωd i −ωd i k w v = emω 2 cos ωt + φ 0 sin ωt + φ 0 Verantwortlich für die Instabilität sind die antimetrischen Elemente der Steifigkeitsmatrix ωd i und -ωd i mit entgegengesetzten Vorzeichen. Diese Terme in der Nebendiagonale sind Koppelterme, sie beschreiben eine Kreuzkopplung zwischen horizontaler und vertikaler Bewegungsrichtung mit folgender Auswirkung: ● Eine Kraft in z-Richtung bewirkt dadurch eine Bewegungskomponente in y-Richtung, ● eine Kraft in y-Richtung bewirkt eine Bewegung in z-Richtung. Solche Koppelterme sind eine typische Quelle für Instabilität. Im normalen Betriebsfall werden sie, wie aus den vorhergehenden Ableitungen ersichtlich ist, durch äußere Dämpfung neutralisiert. In Tabelle 13.7 sind die Erscheinungsformen von Instabilität zusammengestellt, wie zuvor abgeleitet. 763 13.1 Rotorcharakteristik Komponente Parameter Eigenschaft Drehfrequenz ω ≥ ω Grenz Angefachte Schwingung mit der Biegeeigenfrequenz Schwingung Frequenz Biegeeigenfrequenz ω 0 Amplitude angefacht stationärer Zustand Grenzzykel, gegeben durch Nichtlinearität Zeitverhalten ansteigend bis zum Grenzzykel bei Überschreiten von ω Grenz Abriss bei Unterschreiten von ω Grenz Frequenzverhalten drehzahlunabhängig Tabelle 13.7: Charakteristika einer Instabilität Bild 13.26: Hystereseverhalten für verschiedene Dämpfungsmechanismen Anmerkung: Es kann nicht Aufgabe der Schwingungsanalyse sein, einen Rotor richtig, d. h. dynamisch stabil auszulegen. Ihre Aufgabe ist es, Fehler zu erkennen und richtig zu interpretieren. Besonders schwierig ist dies im Fall einer Instabilität, da hier einerseits starke, oft gefährliche Schwingungen spontan auftreten und eine Anregung passender Frequenz nicht zu finden ist. Lediglich die Drehzahlunabhängigkeit der Schwingungsfrequenz lässt auf Instabilität schließen. Die mathematischen Ausführungen dieses Abschnitts sollen lediglich das Verständnis für dieses Phänomen vermitteln. 13.1.7.6 Ursachen innerer Dämpfung Neben der Kräftebilanz nach Gl. 13.86 kann für allgemeine Fälle auch eine Betrachtung der energetischen Verhältnisse hilfreich sein. Die Energiedissipation durch Dämpfung bei harmo‐ nischer Verformung s(t) = Acosωt ist in Bild 13.26 skizziert. Dargestellt sind die Verhältnisse beim üblichen Modellansatz für viskoelastisches Verhalten des Kelvinmodells zusammen mit der entsprechenden Modellierung für Konstruktions- oder Fügedämpfungen zufolge Coulomb‐ scher Reibung. In beiden Fällen tritt durch die geschwindigkeitsabhängige Dämpfungskraft ein Energieverlust auf, der sich im Kraft-Weg-Diagramm als geschlossene Hysteresekurve zeigt. Der dissipierte Energieanteil wird durch die Fläche innerhalb der Schleife repräsentiert. Viskoelastisches Verhalten Bei diesem Ansatz wird die Dämpfungskraft proportional der Geschwindigkeit angesetzt. Es wird vorwiegend den mechanischen Mo‐ dellrechnungen zugrunde gelegt. Die Hystere‐ seschleife ist eine Ellipse. Vom diagnostischen Standpunkt ist viskoelastische Dämpfung von untergeordneter Bedeutung. Sie ist eher eine Materialeigenschaft und kann erst im Fall von Ermüdungen eine Fehlerquelle bilden. 764 13 Rotor- und Lagerdynamik Konstruktions- oder Fügedämpfung Diese Art der Dämpfung tritt durch Mikroreibung (Coulombsche Reibung) in Fügestellen auf wie ● Schraubverbindungen, ● Blechpakete elektrischer Maschinen, ● Rotorwicklungen, Wickelköpfe oder ● Pressverbände. Man spricht in solchen Fällen auch von Mikroslip. Als Folge entsteht oft zusätzlich Passungsrost. Ähnlich wie beim Kelvinmodell zeigt das Kraft-Weg-Diagramm auch hier eine Hysterese‐ schleife, die für die Energiedissipation relevant ist. Der Flächeninhalt der Schleife entspricht der Reibarbeit. Beim allmählichen Losbrechen der Reibstellen, also dem Übergang von Haftzu Gleitreibung tritt ein ähnlicher Zusammenhang wie bei viskoelastischer Dämpfung auf. Durch physikalische Modellansätze lässt sich zeigen, dass das Stabilitätsverhalten eine Charakteristik nach Bild 13.25 rechts zeigt. Bestimmung der inneren Dämpfung Bei horizontalen Wellen hat man die Möglichkeit, die innere Dämpfung durch die Verschiebung des Durchhangs der rotierenden Welle nach Gl. 13.89 messtechnisch zu ermitteln. Das Frequenzschaubild für Instabilität ist in Bild 13.27 und Bild 13.28 dargestellt. Bei Überschrei‐ ten der Grenzdrehzahl ω grenz tritt eine angefachte Schwingung mit der Biegeeigenfrequenz ω 0 auf. Im linearen Bereich entwickelt sich ein spontaner, zeitlich exponentieller Anstieg der Amplituden, der erst durch Nichtlinearitäten begrenzt wird. In keinem Fall ist ein solcher Betriebszustand für Dauerbetrieb zulässig. Die Amplitude der instabilen Komponenten (rot im Bild) ist in beiden Bildern nur symbolisch eingetragen, sie wird in der Realität zum Beispiel durch Anstreifen des Rotors begrenzt. Anmerkung: Für spätere Bezugnahmen ist neben der Schrägansicht auch die grundsätzliche Perspektive der Darstellung in den kleinen Teilbildern als Höhenkarte (eng. map) gezeigt: Die Dimensionierung der Achsen, die Lage von Spektren (blaue Linien), Fahrstrahl, Resonanzen und Selbsterregung (Instabilität). 765 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.27: Spektrales Erscheinungsbild von Instabilität (Wasserfalldiagramm) Bild 13.28 zeigt dieselbe Situation zum Vergleich als Campbelldiagramm - diese Variante wird in der Rotordynamik oft bevorzugt. Bild 13.28: Spektrales Erscheinungsbild von Instabilität (Campbelldiagramm) 13.1.8 Der Lavalläufer in orthotropen elastischen Lagern Das bisher zugrunde gelegte Modell des Rotors war ein Lavalläufer mit starr gelagerter Welle. Dieses Modell trifft zu, wenn die Steifigkeit der Lagerung groß ist gegen die Biegesteifigkeit der Welle. Eine niedrigere Steifigkeit der Lagerabstützung hat allerdings großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten, insbesondere auf die Eigenfrequenzen. Die Begriffe isotrop und orthotrop wurden bereits in Abschnitt 13.1.4 erläutert. Auch wenn eine isotrope Lagerung angestrebt wird, kann die Isotropie meist nicht ganz erreicht werden, vor allem durch Einflüsse von Stützkonstruktionen oder von Zu- und Abführungen. Aus diesem Grund sollen hier die Grundsätze des Schwingungsverhaltens orthotroper Läufer noch zu Sprache kommen, da sie ein spezielles Verhalten zeigen, nämlich Gleichlauf und Gegenlauf des Wellenorbits. 766 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.91) (13.92) Das zugrunde gelegte Rechenmodell ist in Bild 13.29 illustriert. Zur Vereinfachung werden wie bisher in Axialrichtung symmetrische Verhältnisse für die Lager angenommen, was die Allgemeingültigkeit nicht einschränkt. Bild 13.29: Orthotrop gelagerter Lavalläufer 13.1.8.1 Der ungedämpfte orthotrope Läufer Die Lagersteifigkeiten sind im orthotropen Fall unterschiedlich in horizontaler und vertikaler Richtung mit den Lagersteifigkeiten k h bzw. k v . Die Lagersteifigkeiten sind mit der Wellensteifig‐ keit k in Reihe geschaltet, am Scheibensitz ergeben sich demnach die Gesamtsteifigkeiten k y = 2kℎk 2kℎ + k k z = 2kvk 2kv + k Auch bei symmetrischer Lagerung wird eine gewisse Asymmetrie schon zufolge der Konstruktion nicht zu vermeiden sein. Vielfach wird die Lagerung vor allem bei horizontalen Rotoren auch bewusst asymmetrisch ausgelegt, wobei meist die Steifigkeit in horizontaler Richtung geringer ist als in vertikaler. Es gilt also in diesem Fall k y < k z . Des Weiteren wird auch für diesen Fall ein stationärer Laufzustand mit φ¨ = 0 angenommen wie in Gl. 13.17 beschrieben, die Musterberechnungen werden lediglich für Unwuchterregung ausgeführt. Die Gleichgewichtsbedingungen für den ausgelenkten Rotor sind durch den Schwerpunktsatz ausgedrückt mv¨ S = − k y v mw¨ S = − k z w 767 13.1 Rotorcharakteristik (13.93) (13.94) (13.95) (13.96) (13.97) (13.98) Mit dem Zusammenhang zwischen Schwerpunkt S und Mittelpunkt W nach Bild 13.13 erhält man wieder zwei Differenzialgleichungen für die Bewegung des Mittelpunkts (die Messgrößen v und w) wie folgt mw¨ + k z w = emω 2 cos ωt mv¨ + k z v = emω 2 sin ωt Die vollständige Lösung lautet v(t) = v 0 cos ω y t + γ y + e ω2 ωy2 − ω2 sinωt w(t) = w 0 cos ω z t + γ z + e ω2 ωz2 − ω2 cosωt Zufolge der anisotropen Lagerung hat das System zwei unterschiedliche Biegeeigenfrequenzen ω y = ky m und ω z = kz m Die Unwuchterregung wird durch den stationären Anteil von Gl. 13.93 beschrieben, da der Einschwingvorgang wegen der stets vorhandenen, wenn auch minimalen Dämpfung in endlicher Zeit abklingt: v e (t) = e ω2 ωy2 − ω2 sinωt = v e sinωt w e (t) = e ω2 ωz2 − ω2 cosωt = w e cosωt Diese Form kann auch als Parameterdarstellung einer Ellipsengleichung interpretiert werden. Der Mittelpunkt bewegt sich auf einem elliptischen Orbit mit den Halbachsen v e und w e , beschrieben durch v e = e ω2 ωy2 − ω2 w e = e ω2 ωz2 − ω2 mit ve ve 2 + we we 2 = 1 768 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.99) Führt man zur Beschreibung des Orbits wie zuvor eine komplexe Notierung ein r e = w e + jv e cos ω t + jv e sin ω t so erhält man über die Eulerschen Beziehungen einen gut interpretierbaren Ausdruck der Form r e = 12 w e + v e e jωt + 12 w e − v e e − jωt = r + e jωt + r − e − jωt Die beiden Terme beschreiben eine Kreisbewegung im Wellendrehsinn mit dem Radius r + bzw. entgegen dem Wellendrehsinn mit dem Radius r − . Die Überlagerung beider Kreisbewegungen ergibt eine Ellipse mit den Halbachsen v e und w e mit wechselndem Drehsinn, und zwar r + > r − im Wellendrehsinn (gleichlaufend) r + < r − gegen den Wellendrehsinn (gegenlaufend) Durch Einsetzen erhält man für die Teilamplituden die Ausdrücke r + = eω2 2 ωy2 + ωz2 − 2ω2 ωz2 − ω2 ωy2 − ω2 r − = eω2 2 ωy2 − ωz2 ωz2 − ω2 ωy2 − ω2 Bild 13.30: Gleichlauf und Gegenlauf des Orbit beim orthotropen Rotor 769 13.1 Rotorcharakteristik (13.100) Die Ergebnisse für den stationären Lauf sind in Bild 13.30 zu sehen. Wie erwartet, zeigen sich zwei Resonanzstellen bei den Eigenkreisfrequenzen ω y und ω z . Der Wellenorbit ist eine Ellipse, die im Bereich zwischen den Eigenkreisfrequenzen gegenläufig, also entgegen der Drehrichtung und außerhalb dieses Bereichs gleichläufig wie beim isotropen Rotor durchlaufen (vgl. Bild 13.24). Zusammenfassend gilt 0 < ω < ω y Ellipsenbahn gleichlaufend ω y < ω < ω z Ellipsenbahn gegenlaufend ω > ω z Ellipsenbahn gleichlaufend 13.1.8.2 Der orthotrope Läufer mit Dämpfung Der Ansatz hat folgendes Aussehen (der Nullwert φ 0 kann jetzt entfallen, da nur der Unwuchtanteil untersucht wird): m 0 0 m w¨ v¨ + d a + d i 0 0 d a + d i w˙ v˙ + k z ωd i −ωd i k y w v = emω 2 cos ωt sin ωt Ohne auf die weitere Berechnung näher einzugehen kann auch hier der antimetrische Teil der Steifigkeitsmatrix beobachtet werden, der wie zuvor die Tendenz zur Instabilität anzeigt. Wieder treten zwei Eigenfrequenzen ω y und ω z mit den im gedämpften Fall endlichen Maxima auf. Im Bereich zwischen den Eigenfrequenzen bleibt bei stationärem Betrieb der Wellenorbit gegenläufig. Stabilitätsverhalten Wie schon eingangs dieses Abschnitts ausgeführt, ist es nicht Aufgabe der Zustandsüberwachung, einen Rotor hinsichtlich Stabilität auszulegen. Vielmehr ist von einem im fehlerfreien Zustand stabilen Rotor auszugehen. Es genügt deshalb, Schlussfolgerungen orientiert an den bisher durch‐ geführten mathematischen Ableitungen anzustellen, die ja die grundlegenden Mechanismen erklären können. Das Stabilitätsverhalten des orthotrop gelagerten Rotors entspricht im Wesentlichem dem isotropen Fall. Zufolge erhöhter innerer Dämpfung tritt Instabilität oberhalb oder bei der Eigenfrequenz auf, sobald die Dämpfung ein gewisses Maß überschreitet. 770 13 Rotor- und Lagerdynamik 61 Z. B. Lit. [2] (13.101) (13.102) (13.103) (13.104) (13.105) Des Weiteren lässt sich, ohne hier den Nachweis 61 zu führen, zeigen, dass die Orthotropie das Stabilitätsverhalten in Richtung höherer Grenzdrehzahlen günstig beeinflusst. Dazu werden in der Bewegungsgleichung 13.98 Bezugsparameter eingeführt wie folgt: ω 02 = ky + kz 2m = ωy2 + ωz2 2 mittlere Eigenfrequenz μ L = kz − ky kz + ky Orthotropieparameter η = ω ω0 bezogene Drehzahl ϑ a = da 2mω0 äußerer Dämpfungsgrad ϑ i = di 2mω0 innerer Dämpfungsgrad Nach Umformulieren der Differenzialgleichung mit Hilfe dieser Parameter und Exponentialansatz für die homogene Lösung v(t) w(t) = v ℎ w ℎ e λt erhält man eine charakteristische Gl. 4. Ordnung für die komplexen Eigenwerte λ a 4 λ 4 + a 3 λ 3 + a 2 λ 2 + a 1 λ + a 0 = 0 Die Berechnung der Koeffizienten ist reines Handwerkzeug der Lösung linearer Differenzialglei‐ chungen und wird den Mathematikern überlassen. Instabilität tritt ein, sobald einer der Eigenwerte λ einen positiven Realteil hat. Die Grenzfre‐ quenz erhält man demnach aus der Bedingung λ = 0 + jω Gr enz Setzt man diese Bedingung in Gl. 13.103 ein, so entsteht für die Grenzfrequenz folgende Lösungsgleichung: ω Gr enz = ω 0 1 + ϑ a ϑ i 2 + μ L 2ϑ i 2 Der Vergleich mit dem isotropen Fall Gl. 13.84 zeigt, dass durch Orthotropie die Grenzfrequenz für Instabilität zu größeren Werten verschoben wird. Im orthotropen Fall wird μ L = 0, Gl. 13.105 geht in Gl. 13.84 über. Man sieht aus dem Ergebnis dieser Untersuchung, dass der Anisotropie eine nicht unerhebliche Rolle hinsichtlich der Stabilität zukommt. Treten bei Rotorsystemen Stabilitätsprobleme auf, kann die Einführung oder Erhöhung von Anisotropie durchaus Abhilfe schaffen. Eine solche 771 13.1 Rotorcharakteristik Maßnahme fällt auch in den Bereich der Parametererregung, die schon Thema von Abschnitt 6.6.5.1, Schwingungsbeeinflussung durch Parametererregung gewesen war. 13.1.9 Mehrscheibenrotoren Die bisherigen Untersuchungen waren auf den einfachen Lavalrotor, einem Rotor mit einer Scheibe und demnach mit einer bzw. zwei Eigenfrequenzen der Biegeschwingungen (auf Grund der Idealisierungen) begrenzt. Mehrscheibenrotoren weisen eine höhere Anzahl von Freiheitsgraden und entsprechend mehr Eigenfrequenzen auf. Die bisherigen Aussagen hinsichtlich Instabilität und Orthotropie können im Prinzip unverän‐ dert für solche Fälle übernommen werden. Die Stabilitätsaussage von Gl. 13.105 ließe sich im Stil der linearen Theorie des einfachen Lavalrotors auf Systeme mehrerer Freiheitsgrade und Rotoren mit beliebigen Querschnitten erweitern. Eine solche Erweiterung würde allerdings den mathematischen Aufwand entsprechend ausdehnen. Die Aussagekraft wäre allerdings von geringem Wert, da die verschiedenen System‐ parameter, speziell Dämpfungen, kaum bekannt oder bestimmbar wären. Was eine solche Erwei‐ terung zeigen würde, lässt sich kurz zusammenfassen und rein vom physikalischen Verständnis hinreichend interpretieren: ● Ein Lavalrotor mit mehreren Scheiben zeigt eine entsprechende Anzahl von Freiheitsgraden und Biegemoden. ● Es treten entsprechend der Anzahl von Freiheitsgraden mehrere Biegeeigenfrequenzen auf. ● Für orthotrope Systeme gehört zu jeder Eigenfrequenz in vertikaler Richtung eine zweite in horizontaler. ● Die Phänomene Gleichlauf/ Gegenlauf treten wie beim einfachen Lavalrotor auf. ● Die Stabilitätsaussage von Gl. 13.105 kann in unveränderter Form übernommen werden. ● Die orthotrope Lagerung stabilisiert ebenso wie äußere Dämpfung. Gleiches gilt für Rotoren mit beliebigem Querschnitt. Bild 13.31 zeigt im Campbelldiagramm die Situation für einen orthotrop gelagerten Lavalrotor und einem äquivalenten Modell mit 3 Scheiben (vgl. Bild 13.32). Bild 13.31: Orthotroper Rotor mit einer und mit 3 Scheiben Auch in diesem Modell wurde die Kreiselwirkung vernachlässigt, d. h. es wird eine rein translatorische Schwingbewegung der Scheiben (ohne Schrägstellung) angenommen. Der Rotor mit drei Scheiben zeigt in Horizontal- und in Vertikalrichtung jeweils drei Resonanz‐ stellen mit drei Eigenfrequenzen ω y1 , ω y2 und ω y3 bzw. ω z1 , ω z2 und ω z3 . Das Stabilitätsverhalten ist 772 13 Rotor- und Lagerdynamik im Wesentlichen gleich wie beim Lavalrotor, lässt sich hier jedoch nicht durch allgemeine Ansätze quantifizieren. 13.1.10 Einfluss der Kreiselwirkung Die bisherigen Ableitungen gelten streng genommen für punktförmige Scheiben oder für Fälle, wo sich die Scheibe bei Auslenkung nicht schräg stellt. Anderenfalls, siehe Bild 13.32, treten Einflüsse auf das Schwingungsverhalten zufolge von Kreiselwirkungen auf, besonders bei hohem polarem Trägheitsmoment Θ p . Bild 13.32 zeigt verschiedene Fälle. Die Kreiselwirkung ist abhängig von der Modenform. Besonders ausgeprägt ist sie bei fliegend gelagerten Rotoren (Beispiel b). In Beispiel d kommt sie nicht zur Wirkung. Bild 13.32: Kreiselwirkung durch Schrägstellung der Scheibe Bei Änderung des Schrägstellungswinkels treten gyroskopische Momente auf (der Effekt ist aus dem Physikunterricht bekannt): Bei einer Drehung um die y-Achse entsteht ein gyroskopisches Moment der Größe Θ p ωφ˙ z um die z-Achse und umgekehrt. Der Effekt wird gemeinhin als Kreiselwirkung bezeichnet. Infolge des gyroskopischen Moments werden die Biegeeigenfrequenzen des Rotors drehzahl‐ abhängig. Bei Rotation spaltet sich die Eigenfrequenz in zwei Werte, einen gleichläufigen (höheren) und einen gegenläufigen, siehe Bild 13.33. Interessant ist dieser Effekt im gegebenen Zusammenhang für die Ermittlung von Resonanzen aus dem Campbelldiagramm. 773 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.33: Kreiselwirkung im Campbelldiagramm Bild 13.34: Läuferquerschnitt einer zweipoligen Syn‐ chronmaschine Der gleichläufige Ast wirkt bei steigender Drehzahl auf die Eigenfrequenz erhöhend und stabilisiert die Bewegung. Der gegenläufige Anteil kann nur durch äußere Anregung auftreten und ist hier ohne Bedeutung. Die Anregung muss dazu drehzahlsynchron über ei‐ nen räumlich feststehenden Mechanismus erfolgen. Ein praktisches Beispiel sind bei Kolbenmaschinen die auf die Kurbelwelle wirkenden Pleuelkräfte. Eine vollständige Behandlung der Kreiselwirkung ist zwar nach wie vor im Rahmen der linearen Theorie zu bewältigen, führt jedoch trotzdem auf sehr komplizierte und im Einzelfall auch nur schwer (besser gesagt: nur mit großer Erfahrung) zu interpretierenden Ergebnissen. 13.1.11 Der Läufer mit unrunder Welle 13.1.11.1 Die unrunde Welle Bisher wurden bei den Rotoren immer kreisförmige Wellenquerschnitte angenommen. Bei Tur‐ bomaschinen wird diese Voraussetzung im Allgemeinen gut zutreffen. Bei elektrischen Maschinen trifft man jedoch auf Querschnittsformen mit stark unterschiedlichen Biegesteifigkeiten in zwei zueinander normalen Richtungen. Ein prägnantes Beispiel ist der Läufer einer zweipoligen Synchronmaschine (Bild 13.34). Der Untersuchung der grundlegenden Phä‐ nomene wird ein Einscheibenrotor zugrunde gelegt, für die Welle wird ein zweifach sym‐ metrischer Querschnitt wie in Bild 13.34 an‐ genommen. Die Berechnung führt auf lineare Differen‐ zialgleichungen nach dem Muster von Gl. 13.98. In raumfesten Koordinaten sind die Steifigkeiten k y und k z nicht mehr konstant, sondern hängen periodisch von der Zeit ab. Man erhält ein System von Mathieuschen Dif‐ ferenzialgleichungen, deren mathematische Behandlung wesentlich aufwändiger ist verglichen mit konstanten Koeffizienten. Für starre oder isotrop elastische Lager können die Gleichungen in mitrotierenden Koordinaten angesetzt werden, wie in Abschnitt 13.1.6.5. Man erhält dann ein System mit konstanten Koeffizienten, da die Steifigkeiten in diesem Koordinatensystem konstant bleiben. Die Lösung kann nach den gleichen Ansätzen wie früher erfolgen. Ähnlich wie beim orthotropen Rotor treten zwei Eigenfrequenzen entsprechend den beiden Hauptsteifigkeiten auf. Die Verhältnisse entsprechen Bild 13.30. Der Bereich zwischen den Resonanzen ist jedoch in diesem Fall beim ungedämpften Rotor instabil. Äußere Dämpfung kann das Stabilitätsverhalten jedoch verbessern. 774 13 Rotor- und Lagerdynamik Beim Rotor mit horizontaler Welle tritt durch Gewichtseinfluss eine zeitlich periodisch schwankende Durchbiegung mit der doppelten Drehfrequenz auf. Dadurch tritt eine zusätzliche Resonanzanregung auf, die Resonanzfrequenz liegt zwischen den beiden Eigenfrequenzen, siehe Bild 13.35. Die Welle läuft dabei in einem Orbit mit doppelter Drehfrequenz um. Bild 13.35: Resonanzen beim Rotor mit unrunder Welle Ist der unrunde Rotor zusätzlich orthotrop gelagert, kann die einfache Lösung durch Koordi‐ natentransformation nicht mehr erzielt werden. Die Differenzialgleichungen weisen sowohl im raumfesten wie auch im mitlaufenden Koordinatensystem zeitvariante Koeffizienten, also zeitabhängige Biegesteifigkeiten auf. Die rechnerische Lösung wird jetzt sehr aufwändig, die Ergebnisse sind jedoch aus Sicht einer Zustandsüberwachung nach den bisherigen Erkenntnissen durchaus plausibel: ● Beim horizontalen Rotor wird die Gewichtsresonanz in zwei benachbarte Resonanzen aufgesplittet. ● Eine ähnliche Aufteilung erfolgt auch für die übrigen Resonanzfrequenzen. ● Das Stabilitätsverhalten bleibt in ähnlicher Weise erhalten. Lediglich innerhalb der Eigen‐ frequenzen zeigen die Stabilitätsgrenzen ein komplexeres Verhalten. Die gleitgelagerte unrunde Welle zeigt ein ähnliches Verhalten, jedoch tritt hier die inhärente Dämpfung im Sinn einer Verbesserung des Stabilitätsverhaltens in Erscheinung. Orthotropie, zum Beispiel durch Einsatz von Zitronenspielgleitlagern, hat im Resonanzbereich ein leicht gegenläufiges Verhalten, verbessert jedoch andererseits die Stabilität im höherfrequenten Bereich. 775 13.1 Rotorcharakteristik Bild 13.36: Stabilitätskarte für unrunde Welle in kreiszylindrischem Lager 13.1.11.2 Die angerissene Welle Vor allem bei horizontalen Rotoren können infolge von hohen Biegewechselspannungen ge‐ fährliche Wellenanrisse auftreten. Auf dieses Problem wurde ansatzweise bereits im Zuge der Fehlererkennung hingewiesen (Abschnitt 5.9.7). Geht man von einer zunächst isotropen Welle aus, geht die Isotropie durch den Anriss verloren, das Widerstandmoment des Querschnitts ist abhängig vom Drehwinkel, da der Riss im Rhythmus der Wellendrehung von der Zugin die Druckzone wandert und so fort. Da im Riss nur Druckspannungen übertragen werden, jedoch keine Zugspannungen, entsteht ein sogenannter atmender Riss. In Matrizenschreibweise der Bewegungsgleichungen (analog zu Gl. 13.79 aus Abschnitt 13.1.7.4) ist die Steifigkeitsmatrix jetzt komplizierter besetzt. Die drehwinkelabhängige Wellendurchbiegung erzeugt jetzt anregende Kräfte, die infolge der Nichtlinearität des Systems auch ausgeprägte Harmonische der Drehfrequenz aufweisen, also neben 1X auch 2X und 3X. Dadurch treten Resonanzen bei entsprechenden subharmonischen Drehzahlen auf, also bei ω = ω 0 / 2 und ω = ω 0 / 3. Wie man sich leicht überlegen kann, tritt durch den Anriss infolge der exzentrischen Lage auch eine Kopplung zwischen Vertikal- und Horizontalkomponenten der Schwingungen auf. Die dadurch auftretenden Instabilitäten wurden in der einschlägigen Fachliteratur publiziert [2] und mit entsprechenden Stabilitätskarten dokumentiert. Die Entdeckung von Wellenanrissen ist nach wie vor ein großes Problem in der schwingungs‐ basierten Rotorüberwachung, da merkliche Effekte erst bei großer Risstiefe auftreten. Nur hochauflösende Drehmomentmessungen und ausgewählte zerstörungsfreie Prüfverfahren geben hier mehr Informationen. 776 13 Rotor- und Lagerdynamik Bild 13.37: Spalterregungskräfte (13.106) 13.1.12 Fluid-Struktur Wechselwirkung Bisher wurde am Modell des Laval-Rotors lediglich der Rotor für sich betrachtet, vor allem im Hin‐ blick auf Schwingungen, speziell die Stabilität. Einflüsse gehen jedoch von den Wechselwirkungen zwischen der Rotorstruktur und dem geförderten Medium aus. Dieser vielfältigen Problematik sind die folgenden Unterabschnitte gewidmet, zunächst die Spaltanregung an Turbinen. 13.1.12.1 Spalterregung an Turbinen Befindet sich der Läufer einer axial durchströmten Dampf- oder Gasturbine außerhalb des Gehäusezentrums, entsteht durch die Spaltströmung eine über den Umfang unterschiedliche Kraftwirkung auf die Laufschaufeln wie in Bild 13.37 gezeigt. Auf der Seite des engen Spalts wirkt mehr Fluid auf die Schaufeln ein. An der gegenüber‐ liegenden Seite geht durch weiteren Spalt am Schaufelkopf ein größerer Teil des Fluids für die Arbeitsleistung der Turbine verloren. Bei größerem Spalt nimmt die Kraftwirkung auf die Schaufeln dadurch ab und umgekehrt. Wie man aus Bild 13.37 direkt ersehen kann, ergibt diese Verteilung der Tangentialkraft einer re‐ sultierende Radialkraft normal zur Auslen‐ kung. Es lässt sich zeigen, dass diese Kraft der Auslenkung in erster Näherung proportional ist. Aus dem Bild kann man direkt ablesen, dass eine vertikale Verschiebung des Rotors in z-Richtung eine resultierende horizontal ge‐ richtete Kraft in y-Richtung ergibt und eine Verschiebung in seitlicher Richtung eine ver‐ tikale. In Matrixform kann man das Kraft-Auslenkungsdiagramm notieren in der Form − F y F z = 0 k S −k S 0 y z mit eine Spalterregungskonstante k S . (Der Zusammenhang lässt sich leicht verifizieren, indem man den Rotor in Bild 13.37 virtuell einmal nur lotrecht und einmal nur waagrecht verschiebt.) Nimmt man, wie in Bild 13.37 dargestellt, eine beliebige Auslenkung des Rotors aus der Mittellage an, so erkennt man direkt, dass die resultierende Kraft senkrecht zur Auslenkung steht und der Wellendrehung um 90° in Drehrichtung vorauseilt. Das ist nochmals eine sehr anschauliche Interpretation der destabilisierenden Wirkung der im antimetrischen Teil der Steifigkeitsmatrix aufscheinenden Koppelsteifigkeiten. Im Rückblick: Die in Abschnitt 13.1.7 für den Lavalläufer ausführlich erläuterte und vor allem mathematisch geschlossene Ableitung der Instabilität des Lavalläufers infolge innerer Dämpfung hat als ein wichtiges Ergebnis gezeigt, dass sich die destabilisierende Wirkung in den schiefsymmetrischen Elementen der Steifigkeitsmatrix zeigt (Gl. 13.87). Daraus lässt sich unmittelbar schließen, dass eine dezentrale Lage des Rotors im Gehäuse ebenso eine destabilisie‐ 777 13.1 Rotorcharakteristik rende Wirkung auf das Rotorsystem nach sich zieht. Diese Tendenz lässt sich aus Bild 13.37 auch vorstellungsmäßig nachvollziehen. Die destabilisierenden Kräfte werden als Thomas-Kräfte, in der englischsprachigen Literatur auch als Alford-Forces bezeichnet, für das Phänomen hat sich auch der Begriff Spalterregung etabliert. 13.2 Lagercharakteristik Lager sind die primären Verbindungsstellen zwischen einem Rotor und dem feststehenden Gehäuse. Auswahl, Konstruktion und Montage der Lager haben großen, oft entscheidenden Einfluss auf die Funktion, aber auch auf das Auftreten von Fehlern in rotierenden Maschinen. Während Wälzlager im Hinblick auf laterale bzw. radiale Schwingungen des Rotors zumeist als starre Verbindungen betrachtet werden, bilden Gleitlager elastische Zwischenelemente mit end‐ lichen Steifigkeiten und Dämpfungseigenschaften. Gleitlager weisen im Vergleich zu Wälzlagern höhere Tragfähigkeiten auf und werden daher bei großen und schweren Maschinen bevorzugt eingesetzt. Für Spezialanwendungen kommen zunehmend auch Magnetlager zum Einsatz. Bei aktiven Magnetlagern können sogar die physikalischen Parameter, vor allem Steifigkeit und Dämpfung gesteuert bzw. geregelt werden. 13.2.1 Wälzlager Die Thematik der Wälzlager stand in diesem Buch gemäß ihrer Bedeutung schon mehrfach zur Debatte, konkrete Verweise müssen hier nicht erfolgen. In diesem Abschnitt wird das Thema noch aus Sicht der Rotordynamik ergänzt. Wälzlager ermöglichen vor allem eine präzise Positionierung bewegter Komponenten (Roto‐ ren). Vom rotordynamischen Standpunkt werden Wälzlager zumeist als (in radialer bzw. lateraler Richtung) starre Lagerungen angesehen. Elastische Lagerungen können durch entsprechende Stützkonstruktionen realisiert werden, für welche dann Parameter wie die Steifigkeit anpassbar sind. Ähnliches gilt für die Dämpfung. Wälzlager sind a priori nur schwach gedämpfte (praktisch ungedämpfte) Maschinenelemente. Auch hier sind es wieder entsprechende Stützkonstruktionen, über welche Dämpfungseigenschaften gezielt und definiert eingebracht werden können. Es ist allerdings zu beachten, dass eine erhöhte Dämpfung unter Umstanden die Einleitung von Kräften in die Stützstruktur, bei großen Maschinen in Fundament und Umgebung, erhöhen und damit ungünstig beeinflussen kann. Dieses Thema wurde bei den Korrekturmaßnahmen schon behandelt (Stichwort Isolierung, Abschnitt 6.5.2.3, Bild 6.45). Die Auslegung von Wälzlagern ist demnach prinzipiell eine Frage von Belastbarkeit und Dauerfestigkeit. Auch der Schmierfilm ist bei Wälzlagerungen extrem dünn, seine Aufgabe ist „nur“ die Trennung der Festkörper zur Verschleißminderung, nicht jedoch der Aufbau einer Relativbewegung. Dynamische Eigenschaften wie Schmierfilmsteifigkeit oder -dämpfung treten deshalb bei Wälzlagern nicht zutage. 13.2.2 Gleitlager Gleitlager sind nach den Wälzlagern im Maschinenbau die am häufigsten eingesetzte Bauart von Lagern. Grundlagen und Bauformen wurden schon in Abschnitt 7.11 behandelt. 778 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.107) Reynoldszahl Charakteristik Re < 1000 laminare Strömung viskose Kräfte dominierend Re > 1500 turbulente Strömung hohe Verluste Trägheitskräfte dominierend Tabelle 13.8: Bedeutung der Reynoldszahl Im Zusammenhang mit der Rotordynamik sind vor allem hydrodynamische Gleitlager von Interesse, auf welche die Ausführungen hier beschränkt werden. Sie bilden ein elastisches Zwischenglied zwischen Rotor und Gehäuse und haben daher starken Einfluss auf das Schwin‐ gungsverhalten. Zur Berechnung des Schwingungsverhaltens muss man die dynamischen Eigen‐ schaften des Gleitlagers, also Steifigkeit und Dämpfung kennen. Diese Parameter liefert die Gleitlagertheorie, die hier im Wesentlichen anhand ihrer Ergebnisse präsentiert wird. In Gleitlagern wird die Welle über einen Schmierfilm gegen eine Lagerschale beweglich abgestützt. Als Schmiermittel dient ein inkompressibles Fluid. Innerhalb des Schmierspalts tritt eine laminare Strömung im Medium (dem Schmiermittel) auf. Diese Voraussetzungen ergeben sich aus den technischen Anforderungen nach der zitierten Tabelle, speziell die hohe Tragkraft. Auf andere Varianten wie Luftlager (mit inkompressiblem Fluid) wird im gegebenen Zusammenhang nicht näher eingegangen. Im Gleitlager wird die Last des Rotors durch einen Schmierfilm getragen, in welchem sich zufolge der Drehbewegung der Welle ein Schmierkeil ausbildet, der die gegeneinander bewegten Komponenten trennt. Reibung und Verschleiß werden dadurch minimiert. Die Reibungszahl wird in Abhängigkeit von der Drehzahl in der sogenannten Stribeck-Kurve dargestellt, die bereits in Abschnitt 7.11 eingeführt wurde (siehe Bild 7.44). Im Prinzip wäre ein Betrieb am Punkt minimaler Reibung ideal. Da dann durch betriebliche Schwankungen fallweise Mischreibung mit entsprechender Erwärmung und erhöhtem Verschleiß auftreten könnte, wird ein höherer Drehzahlwert mit entsprechendem Sicherheitsabstand festgelegt. Basis für die Tragfähigkeit des Schmierfilms ist ein laminares Strömungsverhalten im Schmier‐ mittel. Tritt Turbulenz ein, geht die notwendige Tragfähigkeit verloren. Dies wäre bei zu hohen Drehzahlen der Fall. In der Praxis wählt man daher einen Wert entsprechend etwa dem Dreifachen des Minimums nach Bild 7.44. Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung in einem Fluid (in der Stribeck-Kurve der Bereich unzulässig hoher Drehzahlen) ist durch die Reynoldszahl Re als Funktion von Dichte ρ, Viskosität v, Strömungsgeschwindigkeit v und Abmessung d gegeben: Re = ρvd η = vd ν Sie ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Strömungslehre und kann als Verhältnis von Trägheitskräften zu Zähigkeitskräften interpretiert werden. Kleine Reynoldszahlen zeigen eine laminare Strömung an, große Reynoldszahlen deuten auf Turbulenz hin, siehe Tabelle 13.8. Das Turbulenzverhalten geometrisch ähnlicher Strukturen, wie etwa Gleitlager mit gleicher Reynoldszahl ist identisch. 779 13.2 Lagercharakteristik Im hydrodynamischen Gleitlager wird bei Nennbetrieb ein inkompressibler Schmierstoff (Öl) durch die Bewegung des Rotors in einen keilförmigen Schmierspalt, den Schmierkeil gezogen, in welchem dadurch ein erhöhter Druck auftritt und über den die Kraftübertragung erfolgt. Bei hydrostatischen Lagern wird Druck über eine externe Pumpe aufgebaut. Abgesehen davon ist das Schwingungsverhalten für beide Varianten gleichartig. Im Vergleich zu Wälzlagern stellen Gleitlager über den Schmierfilm eine elastische Lagerung des Rotors dar, die interessanten Parameter Steifigkeit und Dämpfung sind allerdings nichtlinear und überdies stark abhängig von Drehzahl und Last. Bei Entwurf und Konstruktion ist man hier weitgehend auf numerische Verfahren angewiesen, analytische Lösungen existieren lediglich für schmale, kreisförmige Lager. Diese Ergebnisse sind den folgenden Ausführungen zugrunde gelegt. Schlüsse auf andere Lagergeometrien können daraus abgeleitet werden. Wesentliche rotorspezifische Eigenschaften des Lavalläufers wie die Tendenz zur Selbstzentrierung und die Gefahr von Instabilität sind, wie noch gezeigt wird, auch in diesem Bereich wiederzufinden. Was die Stabilität betrifft, sind die Aussagen über die Stabilität einer Bewegung nach Abschnitt 13.1.2.1 nach wie vor gültig. Die Untersuchung führt wiederum auf das Hurwitz-Kriterium. Der dynamische Gleichgewichtszustand, also eine schwingungsfreie Rotation der Welle, ist jetzt allerdings nicht wie beim Wälzlager allein aus der Anschauung anzugeben. Für das Gleitlager wäre dazu eine Lösung des nichtlinearen Problems erforderlich. Das ist allerdings keine Fragestellung der Zustandsüberwachung. Solche Ergebnisse werden in Form von Stabilitätskarten nach dem Muster von Bild 13.25 dokumentiert. 13.2.2.1 Die Grundthematik Funktionalität Geht man zunächst von Maschinen mit horizontaler Welle mit Gewichtseinfluss aus, so existiert eine statische Ruhelage, in welcher die stillstehende Welle auf der Lagerschale infolge des Eigengewichts direkt aufliegt, siehe Bild 13.38 (links). Wird die Schmierung eingeschaltet und die Welle in Drehung versetzt, so wird sie zunächst entgegen der Drehrichtung leicht angehoben (mittleres Teilbild). Mit zunehmender Drehzahl wird mehr Schmiermittel in den Spalt zwischen Rotor und Lagerschale gezogen, ein Schmierkeil baut sich auf, der die Welle schließlich in die stabile Gleichgewichtslage bringt (rechtes Teilbild). Im Schmierspalt selbst tritt infolge der Verengung des Querschnitts und der Inkompressibilität eine Erhöhung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit auf. Der Schmierkeil vermeidet den direkten Kontakt der Festkörper zueinander. Durch statische Vorlasten wie zum Beispiel das Eigengewicht liegt die Gleichgewichtslage um eine Exzentrizität e außerhalb der Lagermitte. 780 13 Rotor- und Lagerdynamik Bild 13.38: Anlaufvorgang im Gleitlager Der Gleichgewichtszustand ist in Bild 13.39 zusammen mit den wirkenden Kräften nochmals zu sehen. Die Welle wird angehoben und um einen Versatzwinkel γ in Drehrichtung versetzt (mittleres Teilbild). Der Schmierfilm hat die Aufgabe, die Reibung zu vermindern, wirkt jedoch gleichzeitig als elastische Zwischenschicht mit dämpfenden Eigenschaften. Bild 13.39: Wellenposition im Stillstand (links) und bei Drehung (rechts) Gleitgelagerte Rotoren weisen im dynamischen Verhalten bestimmte Charakteristika auf, die man teilweise schon von den Eigenschaften des Lavalrotors her kennt. Vor allem betrifft dies das Resonanzverhalten, also eine Erhöhung der Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz sowie Instabilität oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz. Die Instabilität entsteht in diesem Fall jedoch im Gleitlager selbst, es handelt sich jetzt um einen typischen Gleitlagereffekt. Im Unterschied zum starr gelagerten Rotor bleibt die Resonanzüberhöhung wegen der stets vorhandenen Dämpfung des Ölfilms immer beschränkt - auch theoretisch. Ein durch Unwucht angeregter Rotor wird also drehzahlabhängig eine kritische Drehzahl zeigen. Oberhalb einer bestimmten Grenzdrehzahl, die oberhalb der Kritischen liegt, treten zusätzlich noch selbsterregte Schwingungen mit schnell ansteigender (angefachter) Amplitude auf, die durch Anstreifen oder andere Nichtlinearitäten begrenzt bleiben. Die Schwingungsfrequenz entspricht auch hier etwa der Resonanzfrequenz, unabhängig von der Drehfrequenz. Das Verhalten wird im Gleitlager wesentlich durch Fluid-Struktur-Interaktionen bestimmt. Schon ein erster Blick auf Bild 13.39 zeigt, dass infolge des Winkelversatzes an der Welle 781 13.2 Lagercharakteristik (13.108) Tangentialkräfte angreifen, die auf destabilisierende Einflüsse schließen lassen. Ähnliches gilt für die Dämpfungskräfte. Zur Beschreibung müsste man die mit den Wellenauslenkungen und -bewegungen einhergehenden statischen und dynamischen Ölfilmkräfte und Dämpfungen kennen, die auf die Welle einwirken. Die Bestimmung dieser Kräfte ist Inhalt der Gleitlagertheorie. Erst das Zusammenwirken dieser Kräfte mit dem Läufer, der auch hier wieder starr oder elastisch sein kann, bestimmt das Verhalten des Gesamtsystems. Neben analytischen Untersuchungen kommen vermehrt numerische Verfahren zum Einsatz. Ziele sind die Vorhersage der erzwunge‐ nen Schwingungen zum Beispiel durch Unwucht sowie die Sicherstellung der Systemstabilität. Obwohl die Gleitlagertheorie nichtlinear ist, sind aus den schon eingangs genannten Größen weitgehend auch linearisierte Betrachtungen zielführend. Ein nichtlineares Problem ist zunächst die Ermittlung der Gleichgewichtslage der Welle, um diese können dann linearisierte Ansätze für die Störung erfolgen. Man erhält auf diesem Weg Lagersteifigkeiten und Dämpfungen, welche die dynamischen Eigenschaften um einen Arbeitspunkt (hier meist auch als Ruhelage oder Gleichgewichtslage bezeichnet) beschreiben. Wieder eine Aufgabe aus dem Umkreis der Stabilität einer Bewegung. Für einen tragfähigen Schmierfilm ist eine laminare Strömung im Schmiermittel Voraussetzung. Dabei entsteht durch die Relativbewegung zwischen Welle und Lagerschale im Schmierspalt eine lineare Geschwindigkeitsverteilung, wie in Bild 13.40 gezeigt. Bild 13.40: Geschwindigkeitsprofil im Schmierspalt Auslegung - die Sommerfeldzahl Grundlage der Gleitlagertheorie ist die Reynoldsgleichung, die den zeit- und ortsabhängigen Druck in Abhängigkeit von der Lage der Welle beschreibt (siehe Bild 13.39): 1 R 2 ∂ ∂θ ℎ 3 ∂p ∂θ + ℎ 3 ∂ 2 p ∂x 2 = 6η Öl ω ∂ℎ 0 ∂θ + e ω − 2γ˙ sin θ − γ − 2e˙ cos θ − γ 782 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.109) (13.110) Darin bedeutet h(θ, t) die azimut- und zeitabhängige Schmierspaltfunktion (Schmierspaltdicke) ℎ θ, t = ℎ 0 (θ) − e(t)cos θ − γ Diese Differenzialgleichung soll lediglich zeigen, welche Parameter das Schwingungsverhalten beeinflussen. Die Störglieder auf der rechten Seite enthalten der Reihe nach ● den Schmierspaltverlauf über den Umfang h 0 (θ) in der Gleichgewichtlage, ● die Auslenkung der Welle in den Variablen Verlagerung e(t) und Winkelversatz γ(t), ● die Wirbelbewegung in e und γ˙ sowie ● den Quetschöleffekt e˙. Trägheitskräfte im Fluid werden in der Reynoldsgleichung gegenüber den Zähigkeitskräften vernachlässigt. Das entspricht zusammen mit der Inkompressibilität den zuvor beschriebenen Voraussetzungen. Im Stillstand (links im Bild) liegt die Welle in zentraler Position auf der Lagerschale auf. Bei Drehung wird die Welle angehoben und um einen Winkel γ in Drehrichtung versetzt. Die Anwendung der Reynolds-Theorie auf die Vorgänge im hydrodynamischen Gleitlager drückt sich in der dimensionslosen Sommerfeldzahl So aus: So = pmψ 2 ηω Darin bedeuten ● p m Lagerlast bezogen auf die projizierte Lagerfläche (Durchmesser x Länge) ● ψ relatives Lagerspiel (ψ = ℎ 0 / R) ● η dynamische Viskosität ● ω Drehfrequenz der Welle Die Sommerfeldzahl ist eine allgemein gültige Kennzahl für Gleitlager. Bedeutung und Arbeits‐ bereiche sind in Tabelle 13.9 zusammengestellt. Sie ist das eigentliche Zentrum der Routinen zur Ermittlung der Lagerparameter. Anmerkung: Vielfach wird, vorwiegend in der anglo-amerikanischen Literatur, eine andere Definition der Sommerfeldzahl verwendet, im Prinzip der Reziprokwert der Definition Gl. 13.110. Das tut hier der Allgemeingültigkeit der Anwendung keinen Abbruch, die ohnehin nur grob skizzierten Verfahren sind von der Abfolgelogik her identisch. Strategie der Auslegung eines Gleitlagers Hat man sich für einen Lagertyp, zum Beispiel aus der Auswahl von Bild 7.45 festgelegt, können die Lagerparameter über eine Lösung der Reynoldsgleichung ausgelegt werden. Diese Lösungen liegen für den jeweiligen Lagertyp als eine Kollektion von Kennfeldern dimensionsloser Größen vor (oder müssen anderenfalls mit numerischen Verfahren ermittelt werden). Sie beschreiben die quantitativen Beziehungen zwischen den einzelnen Größen. Über diese Kennfelder lassen sich die Parameter dann mit grafischen Auswertungen (für jeden Beteiligten nachvollziehbar) bestimmen. Unter der Annahme, dass die technischen Daten wie statische Nennlast (Unit 783 13.2 Lagercharakteristik Sommerfeldzahl Arbeitsbereich So < 1 Schnelllaufbereich 1 < So < 3 Mittellastbereich So > 3 Schwerlastbereich 1 < So < 10 Normalbereich So > 10 Mischreibung So = ∞ Stillstand Tabelle 13.9: Anwendungsbereiche der Sommerfeldzahl Load), Wellendurchmesser, Drehzahl und Ölviskosität (SAE Klasse) vorgegeben sind, kann eine Vorgehensweise in folgenden Schritten erfolgen: 1. Ermittlung des erforderlichen Lagerspiels für minimalen Reibungskoeffizienten. 2. Ermittlung des erforderlichen Lagerspiels für die höchste Belastungskapazität. 3. Festlegung des Lagerdurchmessers D also Kompromiss zwischen Top 1 und Top 2. Dieser beinhaltet auch die Festlegung der Sommerfeldzahl. Diese ist Basis (Abszisse) für die weiteren Schritte. 4. Bestimmung der minimalen Ölfilmdicke (relevant für Berührungsfreiheit). 5. Daraus ergibt sich die Exzentrizität für die Gleichgewichtslage. 6. Ermittlung des Maximaldrucks im Schmierfilm (Anforderung an das Schmiermittel). 7. Ermittlung der thermischen Verlustleistung im Lager (Maß für die Temperaturerhöhung → Schmiermittel). 8. Bestimmung der volumetrischen Durchflussrate des Schmiermittels (tangential innerhalb des Lagers). 9. Ermittlung des seitlicher Schmiermittelaustritts (Bestimmt die notwendige Schmiermittel‐ zufuhr). Die Reynoldsgleichung ist nichtlinear, geschlossene analytische Lösungsverfahren stehen in der Regel nicht zur Verfügung, es werden meist numerische Verfahren eingesetzt. Da dies nicht in die Zuständigkeit einer Überwachung oder Instandhaltung fällt, soll hier nur auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden. Darstellung der Ergebnisse Für die Anwendung werden die Ergebnisse in Diagrammen und Stabilitätskarten dargestellt. Für ein schmales kreiszylindrisches Lager ist eine analytische Lösung der Reynoldsgleichung möglich. Auf die wesentlichen Ergebnisse wird in der Folge Bezug genommen. Zunächst ist in Bild 13.41 die Ortskurve der Gleichgewichtslage in Abhängigkeit von der Sommerfeldzahl im sogenannten Gümbeldiagramm dargestellt. Interessant ist vor allem der Zusammenhang mit dem Versetzungswinkel γ (vgl. Bild 13.39), da ja die Exzentrizität immer ein Kriterium für das Auftreten von Koppelkräften ist, die für die Stabilität oder besser gesagt, für die Tendenz zur Instabilität maßgebend sind. 784 13 Rotor- und Lagerdynamik (13.111) Bild 13.41: Gümbelkurve Die Ortskurve der Wellenbewegung setzt sich zusammen aus einer langsamen drehzahlabhän‐ gigen Verlagerung der Mittellinie (Shaft Centerline) und der (schnellen) Schwingung der drehenden Welle um diese Mittellinie, den Wellenorbit. Der linearisierte Ansatz Die linearisierte Betrachtung der Schwingungsbewegung führt in kartesischen Koordinaten auf einen Ansatz der Form m 0 0 m w¨ v¨ + d zz d zy d yz d yy w˙ v˙ + k zz k zy k yz k yy w v = meω 2 cos ωt sin φt Zieht man Vergleiche mit den entsprechenden Ansätzen des Lavalläufers Gl. 13.79 (die innere Dämpfung soll hier außer Betracht bleiben), so kann man folgende Aussagen für den gleitgelagerten Rotor ableiten: ● Steifigkeiten k ** und Dämpfungskoeffizienten d ** werden bei Gleitlagern durch die dynami‐ schen Eigenschaften des Schmierfilms bestimmt. ● Steifigkeitsmatrix und Dämpfungsmatrix enthalten auch Kopplungsterme, die auf eine Kopplung zwischen Horizontal- und Vertikalschwingungen hinweisen. ● Steifigkeiten und Dämpfungen sind drehzahl- und lastabhängig. Die Kopplungen haben in jedem Fall Einfluss auf das Stabilitätsverhalten von Gleitlagern, was in dieser Form bei Wälzlagerung nicht in dieser Weise auftritt. Anmerkung: Der Ölfilm ist bei Wälzlagern sehr dünn im Vergleich zu Gleitlagern, seine dynamischen Eigenschaften kommen dort nicht zum Tragen (auch im engeren Sinn des Wortes). 785 13.2 Lagercharakteristik Unter Einfluss einer dynamisch umlaufenden Kraft wie Unwucht und gleichzeitige Einwirkung einer statischen Vorlast F ergibt sich ein Bewegungsbild nach Bild 13.42. Dort sind die Wellenorbits für verschiedene Vorlasten F i mit F 0 < F 1 < F 2 < F 3 < F 4 und eine Wechselkraft F ∼ wie zum Beispiel Unwucht eingetragen. Bei sehr kleiner Verlagerung e bewegt sich die Welle nahe der Lagermitte. Dieser Fall entspricht dem schwach belasteten Lager oder der schnell drehenden Welle, also einer kleinen Sommerfeldzahl (siehe Bild 13.41). Die Hauptsteifigkeiten k yy und k zz sind in diesem Bereich klein gegenüber den Koppelsteifigkeiten k yz und k zy , dadurch besteht eine erhöhte Gefahr der Instabilität. Die Hauptdämpfungen d yy und d zz (echte Dämpfungen) wirken den anfachenden Kräften durch k yz und k zy entgegen, treten also stabilisierend in Erscheinung. Im Bereich sehr großer Exzentrizität, also bei hoher statischer Vorlast, sind Hauptsteifigkeit und Dämpfung senkrecht zur Lagerschalenwand, bei Gewichtskraft also in z-Richtung, wegen des kleinen Schmierspalts groß und daher dominant, wodurch das System stabilisiert wird. Außerdem ist dort der Versatzwinkel γ, eine der Ursachen für das Auftreten von Koppeltermen, klein. Die Gewichtskraft wirkt hier demnach also stabilisierend. Bild 13.42: Dynamische Verlagerungsbahn Andere Lagerkonstruktionen (siehe Bild 7.45) bringen meist ein verbessertes Stabilitätsverhalten. So wirken zum Beispiel beim Zitronenspielgleitlager auch im Bereich geringer Vorlast größere Hauptspannungen stabilisierend. Eine besondere Stellung nimmt das Kippsegmentlager ein, welches praktisch keinen Winkelversatz und damit keine Koppelterme aufweist, was die höchst‐ mögliche Stabilität ergibt. 13.2.2.2 Fehler in Gleitlagern Da einerseits die linearisierten Parameter von Gl. 13.109 für die Beurteilung maßgeblich sind, sich aber andererseits einer allgemeinen analytischen Berechnung entziehen, können für Über‐ wachung und Diagnose hier nur ganz allgemeine Hinweise gegeben werden. Dynamische Stabilität von Gleitlagern Schon dieser Überblick über Kinematik und Dynamik eines Gleitlagers macht deutlich, dass alle die eingangs dieses Abschnitts ausführlich dargestellten destabilisierenden Einflüsse zumindest qualitativ hier wiederzufinden sind. Allerdings sollten sie im Normalfall zumindest im stationären 786 13 Rotor- und Lagerdynamik Betrieb durch konstruktive Maßnahmen wie Lagergeometrie, vor allem jedoch durch die äußere Dämpfung neutralisiert sein, also nicht zutage treten. Treten sie auf, handelt es sich demnach um einen Fehler. Da die Stabilität von Gleitlagern durch die Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur im Lager, also im Schmierfilm geprägt ist, kann im Gegensatz zu wälzgelagerten Rotoren auch Instabilität eines einzelnen Gleitlagers auftreten und bereits zu unzulässigen Betriebszuständen oder Schäden führen. Ein zuverlässiger Schutz ist daher nur durch ein sorgfältiges Condition Monitoring, vor allem die Überwachung der Wellenorbits für jedes einzelne Gleitlager erzielbar. Sorgfältig heißt: Die Nennbedingungen, also Lage des Orbits (Wellenorbit und Wellenmittel‐ linie), sind einzuhalten, der statische Durchhang schwerer Wellen ist im Hinblick auf Setzungen zu kontrollieren. Dichtungen sind zu prüfen und zu pflegen. Des Weiteren ist auf die physikalischen Parameter des Schmiermittels zu achten. Das betrifft im gegebenen Kontext vor allem die Viskosität, kann aber auch eine Frage der Lagertemperatur sein (die Viskosität ist schließlich stark temperaturabhängig! ). Zur Sorgfalt zählt auch die Anforderung, Condition Monitoring und Fehlerdiagnose bereits in die Maschinenabnahme einzubeziehen. Vor allem ist eine vollständige Erfassung von Referenzwerten für die Beurteilung unabdingbar (anderenfalls - siehe Bild 0.4). Die Gegebenheiten kurz zusammengefasst: ● Im Gleitlager läuft ein Rotor, in der Regel unter statischer Vorlast durch das Wellengewicht. Die Gleichgewichtlage ist dadurch exzentrisch in Bezug auf die Lagerschale, sie wird durch die Vorlast stabilisiert. ● Bei unbelasteten Gleitlagern ist die zentrische Mittellage kräftefrei und daher instabil. ● Der Kontakt ist über einen Schmiermittelfilm gegeben, in welchem ein laminares Strömungs‐ verhalten angenommen werden kann. Gleitlagertypische Fehler zeigen sich als dynamische Abweichungen von der Gleichgewichtslage. Sie entstehen durch verschiedene Grundursachen und zeigen sich schwingungstechnisch vorwie‐ gend im Wellenorbit. Grundsätzlich kann man unterscheiden zwischen ● drehzahlsynchronen Fehlern, ● subsynchronen Fehlern sowie ● eigenfrequenten Fehlern (Instabilitäten). Als drehzahlsynchron werden drehfrequente Schwingungen inkl. Harmonischen bezeichnet, subsynchrone Schwingungen sind drehzahlgekoppelt, jedoch keine Harmonischen. Schwingun‐ gen mit einer Eigenfrequenz sind typische Instabilitäten. Wie man aus den vorhergehenden Ableitungen erkennt, sind destabilisierende Komponenten prinzipiell immer vorhanden. Im Normalfall überwiegen jedoch stabilisierende Einflüsse, vor allem durch äußere Dämpfung. Instabilität von Gleitlagern Zufolge der Exzentrizität der Welle entstehen Asymmetrien auch in der Strömung des Schmier‐ mittels. Als gedankliche Stütze kann man Bild 13.37 heranziehen. Im Schmiermittel treten über den Umfang veränderliche Strömungsgeschwindigkeiten und Schubspannungen auf, die mit engerer Spaltbreite zunehmen. Der Effekt ist tendenziell ähnlich der Spalterregung. Außerdem ist die Steifigkeit des Ölfilms (in Radialrichtung) ebenfalls abhängig von der Breite des Schmierspalts 787 13.2 Lagercharakteristik mit Tendenz zu negativer Steifigkeit, ebenfalls Quelle einer Neigung zur Instabilität (siehe dazu Abschnitt 1.13.3). Instabilität tritt in Form von angefachten Eigenschwingungen der Struktur auf. Die Amplitude wird bei Anfachung eines linearen Systems theoretisch unbegrenzt, wird jedoch durch Nichtlinea‐ ritäten, zum Beispiel Berührung zwischen Welle und Lager begrenzt. Typisches Kennzeichen sind also Schwingungen hoher Amplitude mit konstanter Frequenz, üblicherweise ein unzulässiger Betriebszustand. Die nachfolgenden Darstellungen sollen die Zusammenhänge illustrieren. Sie zeigen die dynamischen Kräfte, die vom Schmierfilm auf die Welle wirken. Als Vorstellungshilfe dient wieder die linearisierte Bewegungsgleichung Gl. 13.109. Zunächst die Hauptkomponenten für Steifigkeit und Kopplung in Bild 13.43. Eine Kraft in horizontaler oder vertikaler Richtung bewirkt eine Verschiebung in der gleichen Richtung. Die Steifigkeiten k yy und k zz bewirken eine Rückstellung der Welle in Richtung Gleichge‐ wichtslage. Dies beeinflusst zwar die kritische Drehzahl, jedoch kaum die Stabilität. Sind beide Steifigkeiten gleich groß, entsteht ein kreisförmiger Orbit. Anderenfalls wird er elliptisch. Große Differenzen in den Steifigkeiten können eine Aufspaltung der Kritischen bewirken, wie man es schon vom Lavalläufer her kennt. Die Dämpfungen d yy und d zz bewirken eine tangential zum Orbit gerichtete Kraft. Sie bildet die Hauptquelle für die Systemdämpfung. Des Weiteren sind sie maßgebend für den Verstärkungs‐ faktor beim Durchfahren der kritischen Drehzahl. Der Einfluss der Hauptdämpfungen auf die kritische Frequenz ist nur gering (vernachlässigbar). Sind beide Hauptdämpfungen positiv, wirken sie einem Whirl entgegen. Bild 13.43: Hauptkomponenten der dynamischen Parameter in Gleitlagern Jetzt zu den Koppelparametern: Die Koppelsteifigkeiten k yz und k zy - Bild 13.44 - liefern tangential zum Orbit gerichtete Kräfte. Eine vertikal gerichtete Kraft erzeugt eine horizontale Verschiebung und umgekehrt. Die Auswirkung ist abhängig von der Polarität: Entgegengesetzte Vorzeichen, also k yz > 0 und k zy < 0, begünstigen das Auftreten von Whirl. Sind beide positiv, wird das System stabilisiert. Der Einfluss der Koppelsteifigkeiten auf die kritische Frequenz ist gering. Übersteigen die Koppelsteifigkeiten die Hauptdämpfung, tritt Instabilität ein. 788 13 Rotor- und Lagerdynamik Durch die Koppeldämpfungen d yz und d zy entstehen radial rücktreibende Kräfte in Richtung der Hauptsteifigkeiten. Unterschiedliche Vorzeichen der Koppeldämpfungen, also d yz > 0 und d zy < 0, unterstützt die Versteifung. Haben beide gleiches Vorzeichen, wird die Steifigkeit reduziert. Die Koppeldämpfungen beeinflussen die kritische Drehfrequenz, der Einfluss auf die Stabilität ist gering. Bild 13.44: Kopplungskomponenten der dynamischen Parameter in Gleitlagern Wie man auch schon von den früheren Ausführungen her kennt, sind die Kopplungen eine Auswirkung des durch die Wellendrehung entstehenden Versatzwinkels γ (siehe Bild 13.39) und damit geprägt durch die Lagerkonstruktion. Optimal sind Kippsegmentlager, bei denen kein Versatzwinkel und damit auch keine Kopplungen der lateralen Parameter auftreten. Öl-Whirl und Öl-Whip Bei unbelasteten Lagern oder bei geringer statischer Vorlast neigen Gleitlager zu subsynchronen Schwingungen, die als Öl-Whirl bezeichnet und bereits in Abschnitt 5.12.1.1 vorgestellt wurden. Die Ursache ist im umlaufenden Ölfilm zu suchen. Eine einfache Vorstellung wäre, dass sich die Welle auf einer umlaufenden Öldruckflanke im Lager bewegt. Die stabilisierenden Komponenten reichen zur Unterdrückung dieser Flankenbewegung nicht aus, können also die Welle nicht in der Ruhelage stabilisieren. Whirl wird meist durch externe Stöße oder einen plötzlichen Druckanstieg angestoßen. Dadurch tritt eine spontane Erweiterung des Schmierspalts auf, die sich mit Öl füllt. Durch die Rotation wird die Welle in einem Whirlorbit innerhalb des Schmierspalts vorwärtsgetrieben. Bei einer laminaren Strömung steigt die Geschwindigkeit im Schmierfilm von null an der Wand der Lagerschale bis zur Umfangsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Welle linear an. Daraus resultiert eine mittlere Umlaufgeschwindigkeit im Ölfilm von etwas unterhalb der halben Drehfrequenz. Die Schwingungen zeigen sich im Wellenorbit mit dieser Frequenz mit der in Bild 5.43 gezeigten Ausprägung. Die Frequenz kann theoretisch maximal den Mittelwert der Umlauffrequenz des Ölfilms erreichen. In der Realität stellen sich jedoch ein Wert knapp unterhalb, typisch 42 % - 48 % der Drehfrequenz, einmal infolge von Reibungsverlusten, zum anderen, da das Schmiermittel auch über den Lagerrand austritt und nicht kontinuierlich im Schmierspalt zirkuliert. Des Weiteren sind Frequenz und Amplitude auch stark von der äußeren Dämpfung und hier besonders von der Dämpfung in den Lagerdichtungen abhängig. Man spricht von einer subsynchronen Schwingung, da sie einerseits synchron mit der Drehzahl verläuft, aber trotzdem keine Subharmonische ist. 789 13.2 Lagercharakteristik Bei hinreichend großer Dämpfung klingt die Whirlbewegung schnell ab, die Welle kehrt wieder in ihre Gleichgewichtsposition zurück. Zur Entstehung kann man sich wieder auf die Darstellungen in Bild 13.43 und Bild 13.44 beziehen: Haben die Koppelsteifigkeiten k yz und k zy entgegengesetztes Vorzeichen, wird die Entstehung von Whirl begünstigt. Sind die Hauptdämpfungen d yy und d zz beide positiv, wirkt dies dem Whirl entgegen. Whirl wird durch eine Reihe von Ursachen ausgelöst oder zumindest begünstigt: ● Geringe Vorlast ● Hoher Verschleiß am Lager ● Übermäßiges Lagerspiel ● Änderung der Schmiermitteleigenschaften (Viskosität) ● Anstieg oder Abfall der Öltemperatur (Viskosität) ● Schlechte Lagerkonstruktion (auch Überdimensionierung im Hinblick auf die statische Vorlast) ● Undichtigkeit (Fluidleckage im Bereich des Schaufelkranzes oder von Labyrinthdichtungen) ● Anstieg der inneren Dämpfung ● Kreiseleffekte vor allem bei fliegend gelagerten Rotoren mit starkem Überhang Gelegentlich wird Whirl auch durch externe Wechselkräfte aus dem Bereich der Maschine oder durch externe Anregung mit der Whirlfrequenz ausgelöst. Das Phänomen ist an der typischen Frequenz knapp unterhalb der halben Drehzahl (40 - 48 %) gut zu identifizieren. Öl-Whirl ist in einem bestimmten Ausmaß tolerierbar. Whirl wird kritisch, wenn die Amplitu‐ den mehr als etwa 40 bis 50 % des Lagerspiels erreichen. Zentrifugalkräfte verstärken Whirl (auch eine Form von Instabilität). In der Anlaufphase eines gleitgelagerten Rotors besteht eine verstärkte Neigung zu solchen Schwingungen, sie sollten jedoch bei Erreichen des stationären Zustands möglichst abklingen. Gleiches gilt für die Anregung durch einen extern induzierten, plötzlichen Druckanstieg. Bleibt der Öl-Whirl beim Hochlauf über die kritische Drehzahl hinaus bestehen, entsteht die Gefahr von Öl-Whip bis hin zum Anstreifen der Welle an die Lagerschale, also metallischen Kontakt (siehe dazu Bild 5.44 in Abschnitt 5.12.1.2) - ein absolut unzulässiger Betriebszustand. In diesem Fall rastet die Schwingung in eine Eigenschwingung des Systems ein, zum Beispiel eine Biegekritische (siehe zum Beispiel Bild 5.44). Jetzt wechselt das System in einen Zustand der Selbsterregung, den sogenannten Öl-Whip. Die Schwingungen werden jetzt von Massen und Steifigkeiten des mechanischen Systems geprägt, sie bleiben daher in der Folge mit einer Art Eigenfrequenz der Struktur aufrecht, auch bei einer weiteren Steigerung der Drehzahl. Ein solcher Zustand kann schon nach kurzer Zeit zum Schaden führen. Anmerkung: Der Begriff Eigenfrequenz ist in diesem Zusammenhang etwas problematisch, da das System in diesem Zustand nichtlinear ist - daher die Einschränkung im Text. Trockener Whip Trockener Whip entsteht durch Coulombsche Reibung bei harter Berührung zwischen Rotor und Stator. Dabei treten Stick-Slip-Schwingungen mit einem typischen Geräusch (Quietschgeräusche) auf. Der Zustand ist gefährlich, ein sofortiges Abstellen der Maschine ist erforderlich. Ursache können Mangelschmierung oder falsches Schmiermittel sein. 790 13 Rotor- und Lagerdynamik Unbelastete Gleitlager Bei unbelasteten Gleitlagern, genauer gesagt, Gleitlagern ohne statische Vorlast, ist die Gleichge‐ wichtslage kräftefrei und daher grundsätzlich instabil, siehe dazu Bild 13.41. Vor allem bei statisch unbestimmt gelagerten Rotoren kann ein solcher Zustand durch schlechte Ausrichtung bei der Montage oder durch Setzungen im Fundament auftreten. Ein solcher Fehler kann sich gefährlich oder sogar fatal auswirken, da Lager ohne Vorlast zur Instabilität neigen. Bei statisch unbelasteten Gleitlagern erhöht sich wegen der labilen Mittellage die Auftretenswahrscheinlichkeit von Öl-Whirl und Öl-Whip. Anmerkung: Es soll in diesem Zusammenhang nochmals darauf hingewiesen werden, dass Instabilität auch in einem einzelnen Gleitlager auftreten kann. Zur Vermeidung ist die Kontrolle und ggf. Korrektur der statischen Biegelinie der Wellenstranges empfehlenswert. Ein Hinweis auf einen solchen Fehler ist auch über einen zentrisch verlaufenden Orbit zu finden. Eine zuverlässige Überwachung wird hier die Beobachtung des Wellenorbits für jedes Gleitlager sein, wie es schon bei Stabilitätsfragen vorgeschlagen wurde. Auf diese Weise kann auch eine sichere Unterscheidung hinsichtlich anderer Instabilitäten sein, wie zum Beispiel Propellerbrummen, wie es in Abschnitt 7.3.7 beschrieben wurde. Proaktive Maßnahmen Sind auftretende Fehler im Bereich der Stabilität von Gleitlagern nicht zu beseitigen, können nur konstruktive Veränderungen Abhilfe schaffen. Unterdrückung einer Tendenz zum Öl-Whirl kann durch Störung (Behinderung) der Zirkular‐ strömung erreicht werden, die am stärksten in kreiszylindrischen Lagern begünstigt ist. Als Abhilfe kommen infrage ● Axialrillen oder ähnliche Konstruktionen, ● Öldruck-Schwellen (Oil pressure dam), ● Einsatz von anderen Lagerkonstruktionen. Axialrillen müssen nicht näher erläutert werden. Öldruckschwellen können zum Beispiel durch versetzte Lagerschalen erzeugt werden. Üblich sind auch Modifikationen in der Lagerschale, vor allem im oberen Bereich. Die wirksamste und nachhaltigste Lösung sind jedoch entsprechende Modifikationen in der Lagerkonstruktion. Mehrsegmentlager Die bisherigen Ausführungen waren im Hinblick auf gute Verständlichkeit vorwiegend mit Blick auf kreiszylindrische Lager (mit kreisförmigem Querschnitt) gerichtet. Andere Lagerkonstruktio‐ nen bieten demgegenüber eine Reihe von deutlichen Vorteilen im Hinblick auf Stabilität. Beispiele für solche Konstruktionen wurden schon bei den Anlagenkenntnissen gezeigt, siehe Bild 7.45. Das Prinzip soll am Beispiel der Zitronenspielgleitlagers (Bild 13.45) kurz umrissen werden. Beim Zitronenspielgleitlager wird die Lagerschale in Form von zwei Halbschalen ausgeführt. Die Schalen haben ebenfalls kreiszylindrischen Querschnitt, der Krümmungsmittelpunkt fällt allerdings nicht mehr mit dem Mittelpunkt des Lagers zusammen. Die (annähernd) elliptische Form dieser Lagerbuchse wirkt zufolge ihrer Anisotropie stabilisierend. Als zusätzlicher Stabili‐ 791 13.2 Lagercharakteristik Bild 13.45: Schema eines Zitronenspielgleitlagers sierungseffekt treten hier zwei Engstellen im Schmierspalt und damit zwei Schmierkeile auf, die eine zentrierende Schmierfilmkraft auf die Welle ausüben. Weiter unterstützt wird dieser Effekt bei Mehrflächen-Gleitlagern, in denen eine der Segment‐ zahl entsprechende Anzahl von Schmierfilmkeilen zentrierend wirkt. Kippsegmentlager Ein Kippsegmentlager (Bild 7.45 e) ist mit gelenkig monierten Segmenten, sogenannten Kippseg‐ menten ausgestattet. Einrichtung und Eigenschaften können folgendermaßen zusammengefasst werden: ● Beweglich gelagerte Segmente ● Es tritt kein Versatzwinkel bei Drehung der Welle auf ● Dadurch keine Kopplungsparameter ● Optimale Lösung im Hinblick auf Stabilität Wesentliche Eigenschaften, werden aus den bisherigen Ausführungen ersichtlich. Durch die spezielle Anordnung tritt kein Versatzwinkel γ nach Bild 13.39 auf. Da dieser Winkel wesentlich in die Stabilitätseigenschaften des Gleitlagers eingeht, kann bei Kippsegmentlagern ein absolut stabiler Lauf angenommen werden. 13.2.3 Dichtungen Dichtungen trennen zwei fluidgefüllte Räume, in denen unterschiedliche Drucke herrschen. Aufgabe der Dichtung ist es, den Fluidstrom zwischen den Räumen zu minimieren oder zu vermeiden. Bei schnell drehenden Rotoren werden berührende (z. B. Gleitringdichtungen) und berüh‐ rungsfreie Dichtungen (z. B. Spaltdichtungen, Labyrinthdichtungen) eingesetzt. Die Abdichtung erzielt man durch einen engen Dichtspalt, wodurch der Durchfluss des Mediums behindert wird. Labyrinthdichtungen haben den Vorteil, dass sie den Dichtspalt verlängern, was bei Turbomaschinen infolge der großen thermisch bedingter Längenänderungen von Vorteil ist. 792 13 Rotor- und Lagerdynamik Strömungstechnisch handelt es sich jedoch bei Labyrinthdichtungen um in Reihe geschaltete Drosselstellen, was sowohl den Strömungswiderstand erhöht als auch die dynamischen Eigen‐ schaften von Rotorsystemen beeinflussen kann. Die dynamischen Verhältnisse in berührungsfreien Dichtungen weisen gewisse Ähnlichkeiten mit denen von Gleitlagern auf. Allerdings liegen in den engen Dichtspalten meist turbulente Strömungen vor. Durch den Druckunterschied treten auch Fluidströmungen in Axialrichtung auf. Die Berechnung von Dichtspalteffekten gestaltet sich deutlich schwieriger im Vergleich zu Gleitlagern, wo laminare Strömung vorausgesetzt werden konnte. Wegen der turbulenten Strömung in den Spalten müssen hier jetzt neben den Verschiebungen und Geschwindigkeiten auch Trägheitskräfte im Medium, also die zeitlichen Ableitungen berücksichtigt werden. Die Strömungsmodelle für den Dichtspalt sind demnach wesentlich komplizierter, sie können nur mit den Navier-Stokes-Gleichungen zusammen mit der Kontinuitätsgleichung modelliert werden. Grundsätzlich können Instabilitäten auch in berührungsfreien Dichtungen auftreten. Zu den Haupt- und Nebenkomponenten von Steifigkeiten k ** und d ** treten noch Massen- und Trägheitskräfte sowie Einwirkungen des durchströmenden Arbeitsmediums (Leckage) auf. 13.2.4 Stabilitätsgrenzen Schon im allgemeinen Abschnitt 1 zum Thema Schwingungsgrundlagen wurden die Themen Stabilität und Selbsterregung mehrfach angesprochen, am Beispiel Rotor- und Lagerdynamik wurde der Punkt deutlich vertieft. Aus diesem Grund sollen hier die wichtigsten Aspekte ergänzt und noch einmal überblickshaft zusammengefasst werden. 13.2.4.1 Stabilität - Ursachen und Phänomene Die Ausführungen dieses Abschnitts über Rotor- und Lagerdynamik zeigen, dass Stabilität oder Instabilität vorwiegend durch ein diffiziles Zusammenspiel von Steifigkeiten und Dämpfungen geprägt ist. Analytisch zeigt sich dies in der Gestalt von Steifigkeits- und Dämpfungsmatrizen, wobei vorwiegend die Hauptterme, also die Terme in den Hauptdiagonalen die Stabilität bestim‐ men, während die Koppelterme, also die schiefsymmetrischen Anteile in der Nebendiagonale die für Instabilität verantwortlichen Zusammenhänge beschreiben. (Vorwiegend: Auch negative Steifigkeiten in der Hauptdiagonale können zur Instabilität beitragen! ) In der Rotordynamik bewegt man sich sehr oft auf einem schmalen Grat zwischen Stabilität und Instabilität. Typisch für letztere ist das plötzliche Auftreten starker Schwingungen bei auch nur minimalem Überschreiten dieser Grenze. Das heißt im Klartext, auch scheinbar nur geringfügige Änderungen können große Auswirkungen auf das Schwingverhalten zur Folge haben. So kann im Extremfall sogar eine schlechte Dichtung die Dämpfungseigenschaften so weit beeinträchtigen, dass Instabilität eintritt. Sichtbares Austreten von Fluid an einer schadhaften Dichtung kann also mehr bedeuten als nur Schmiermittelverlust oder Verschmutzung. Da solche Kopplungen bzw. Koppelterme mit Tendenz zur Destabilisierung immer auftreten werden, ist es also prinzipiell eine ausreichende äußere Dämpfung, welche die Stabilität sicher‐ stellen kann. Anmerkung: Diese Aussage kann unverändert auf andere Probleme mechanischer Instabi‐ lität auch außerhalb der Rotordynamik übertragen werden. 793 13.2 Lagercharakteristik 13.2.4.2 Unwucht und Stabilität Der Wuchtzustand eines Rotors hat keinen Einfluss auf das Stabilitätsverhalten. Unwuchtschwin‐ gungen, besonders im Betrieb nahe einer kritischen Drehzahl (Resonanzbetrieb) darf nicht mit dem Auftreten einer Instabilität verwechselt werden. In beiden Fällen treten starke Schwingungen auf, jedoch sind Ursachen und erforderliche Gegenmaßnahmen völlig unterschiedlich. Der phänomenale Unterschied liegt in der Schwingungsfrequenz (Drehfrequenz bzw. Eigenfrequenz), was besonders im Campbelldiagramm gut erkennbar ist. 13.2.5 Vertikalmaschinen Als Vertikalmaschinen bezeichnet man Maschinen mit vertikaler Welle. Dabei wird das Gewicht des Rotors nicht von Radiallagern, sondern von einem Axiallager aufgenommen. Solche Maschi‐ nen sind vor allem bei großen Wasserturbinen, bei Pumpturbinen oder Kraftwerkspumpen üblich. In der Regel handelt es sich um große, schwere gleitgelagerte Maschinen. Der grundsätzliche Unterschied zu horizontalen oder allgemein nicht vertikalen Anordnungen ist das Fehlen der in vielfacher Hinsicht stabilisierenden radialen Vorlast durch das Eigengewicht. Die Gleichgewichtlage der Welle ist bei der Vertikalmaschine die zentrische Position, frei von Radialkräften. Sie ist durch diese Kräftefreiheit von vornherein instabil, siehe dazu auch Bild 13.42 für den Fall F 0 = 0. Jedes Schwingungsverhalten ist von dieser Seite her grundsätzlich nichtlinear. Die Einflüsse des jetzt wesentlich tragenden Axiallagers auf die Rotordynamik, im Besonderen auf die Biegeeigenschwingungen, kann im gegebenen Zusammenhang außer Acht gelassen werden, das ist aus den vorhergehenden Untersuchungen nachvollziehbar. Die weiteren Ausfüh‐ rungen bleiben daher auf Radiallager, im Wesentlichen Gleitlager, beschränkt. Durch die statisch unbelastete Mittellage entsteht infolge der stets vorhandenen Unwucht bei der Bewegung immer ein meist kreisförmiger, relativ großer 1X-Wellenorbit. Er folgt einem nichtlinearen Bewegungsgesetz. Diese Kreisbahn selbst lässt sich rechnerisch noch relativ einfach ermitteln. Es ist dann allerdings zu prüfen, ob diese Kreisbahn auch stabil ist, d. h. unempfindlich gegenüber kleinen Störungen. Das Problem führt also wieder auf die eingangs dieses Hauptka‐ pitels beschriebene Theorie der Stabilität einer Bewegung. Die Rechenmethodik ist wieder die Störungsrechnung, dabei wird das zeitliche Verhalten einer aufgebrachten Störung über die so‐ genannten Störungsgleichungen untersucht. Bleiben die Eigenwerte der Störungsgleichung stabil (genauer: die Realteile der Eigenwerte negativ), ist die Kreisbewegung stabil. Eine rechnerische Prognose der instabilen Bewegung ist nur über numerischen Simulationen möglich. Bei sehr kleiner Massenexzentrizität kann es vorkommen, dass es zu vorgegebenen Drehzahl‐ werten keine stabile 1X-Kreisbahn gibt. In einem solchen Fall stellt sich meist eine Schwingung mit halber Drehfrequenz ein (Halbfrequenz-Whirl). Im allgemeinen Fall ist das Stabilitätsverhalten sehr komplex, die Stabilität der Kreisbahnen ist analytisch nicht vorhersehbar und könnte wieder nur durch numerische Methoden ermittelt werden - also keine Aufgabe der Instandhaltung. Bei gegebenen kinematischen Bedingungen ist die Unwucht der für die Stabilität maßgebende Parameter. Ist ein zufriedenstellender Zustand nicht erreichbar, kann das Stabilitätsverhalten nur über konstruktive Änderungen, zum Beispiel eine verbesserte Lagerkonstruktion erreicht werden. 13.2.6 Quetschöldämpfer Quetschöldämpfer (Squeeze Film Damper, SFD) werden zur Erhöhung der äußeren Lagerdämp‐ fung vor allem in Hochleistungsmaschinen eingesetzt. Das Konstruktionsprinzip ist in Bild 794 13 Rotor- und Lagerdynamik Bild 13.46: Quetschöldämpfer 13.46 in Kombination mit einem Wälzlager zu sehen. Mit Quetschöldämpfern lässt die geringe Dämpfung von Wälzlagern wirksam erhöhen. Auch die äußere Dämpfung von Gleitlagern kann zur Verbesserung des Stabilitätsverhaltens mit dieser Methode gesteigert werden. Konstruktionsmerkmal ist ein enger ölgefüllter Spalt zwischen Gehäuse und nicht rotierendem Lagerring. Die Spaltbreite beträgt typisch ca. 2 ‰ vom Radius. Da keine Drehbewegung zwischen dem feststehenden äuße‐ ren Lagerring und dem Gehäuse (präziser gesagt, zwischen den feststehenden Strukturkomponenten des Dämpfers) auftritt, wird auch kein dynamischer Druck im Ölfilm aufgebaut. Quetsch‐ öldämpfer benötigen daher eine externe Ölzuführung für den nötigen Druckaufbau ähnlich wie hydrostatische Gleitlager. Zu‐ sätzlich wird der Dämpfer durch einen Federkäfig in der Mitten‐ position stabilisiert (im Bild nicht eingezeichnet). Dieser Käfig verhindert auch eine Drehung des Innenrings. Der Aufbau erinnert in vielen Punkten an Gleitlager. Da durch die Konstellation im Dämpfer jedoch kein umlaufender Ölfilm entsteht, treten hier gleitlagerspezifische Instabilitäten nicht auf. Wirksam wird lediglich die stabilisierende (aus Sicht des Rotors äußere) Dämpfung. Das stabilisiert nicht nur die gesamte Konstruktion, es reduziert zusätzlich die durch Unwucht angeregten Kräfte, sowohl im Lager als auch hinsichtlich der Einleitung in die Stützstruktur. Einzige Fehlerquelle bei Quetschöldämpfern sind schadhafte Dichtungen, weil nicht nur Ölaustritt verursacht wird, es verändern sich dadurch auch die Dämpfungseigenschaften. 13.2.7 Magnetlager Magnetlager ermöglichen eine Lagerung durch magnetische Kräfte ohne Materialkontakt. Sie können passiv über permanentmagnetische Kräfte oder aktiv über geregelte Elektromagnete ausgeführt werden. Magnetlager arbeiten völlig berührungsfrei. Dadurch entsteht keinerlei Abrieb, was in staub‐ freien Umgebungen wichtig ist. Sie sind abnutzungsfrei, benötigen keine Schmierung (Betrieb im Vakuum oder aggressiver Umgebung), können voll gekapselt werden und bieten sowohl elektrische als auch gute thermische Isolation zwischen Rotor und Lagerschale. Es gibt keine Reibungsverluste, hohe Drehzahlen sind möglich. Typische Anwendungen findet man bei Werk‐ zeugspindeln, Kompressoren und Schwungrädern. Passive Magnetlager werden auf der Basis von Permanentmagneten aufgebaut. Die Schemata zweier permanentmagnetischer Radiallager sind beispielhaft in Bild 13.47 gezeigt. Die Lager kön‐ nen anziehend (attraktiv) oder abstoßend (repulsiv) ausgelegt werden, wobei sich die Bezeichnung auf die Kraftwirkung zwischen Rotor und Stator bezieht. Beide Varianten sind im Bild beispielhaft dargestellt: Die ringförmigen Magnete im Radiallager links im Bild sind Nord-Nord gepolt und stoßen sich gegenseitig ab (repulsive Anordnung). Das Kopflager rechts im Bild ist attraktiv konzipiert. Mit Permanentmagneten lassen sich maximal vier Freiheitsgrade eines Lagers fesseln. Ein weiterer Freiheitsgrad, die Rotation, ist frei beweglich. Und ein Freiheitsgrad ist, typisch für per‐ manentmagnetische Lagerungen, instabil und muss mechanisch gefesselt werden, zum Beispiel mit einem Kugellager. Wie man sich leicht überlegen kann, ist das Radiallager im linken Bild in lateraler Richtung stabil, in axialer Richtung jedoch instabil, da bei kleiner Auslenkung eine abstoßende Kraft in Richtung der Auslenkung auftritt (also eine negative Steifigkeit). 795 13.2 Lagercharakteristik Bild 13.47: Permanentmagnetlager, links repulsiv, rechts attraktiv Das Lager ist reibungsfrei und praktisch dämpfungsfrei. Letzteres ist bei starren Rotoren nicht weiter störend, bei biegeelastischen Rotoren muss unter Umständen zusätzlich eine externe Dämpfung aufgebracht werden. Beim aktiven Magnetlager wird die Lagerkraft durch Elektromagnete erzeugt. Die Stabilität wird durch eine entsprechende Regelung erzielt. Über die Regelung lassen sich die Lagerkräfte nahezu beliebig manipulieren. Dadurch können solche Lager nicht nur als Traglager eingesetzt werden, sondern auch als aktive Dämpfer zum Stabilisieren von Systemen, die zur Selbsterregung neigen. Auch Störkräfte durch Unwucht oder Schlag können damit stabilisiert werden. Der Aufwand für aktive Magnetlager ist allerdings beträchtlich. Zur Regelung ist eine entspre‐ chende Sensorik erforderlich. Sie benötigen außerdem eine kontinuierliche Stromversorgung. Zur Absicherung bei Stromausfall muss jedoch ein Fanglager vorgesehen werden, meist ein herkömmliches Kugel- oder Gleitlager. 796 13 Rotor- und Lagerdynamik Abschnitt J Fehlerpriorität und Performance ● FMEA ● FMSA 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) 14.1 Verfahren und Bezeichnungen Die FMEA ist eine Kollektion analytischer Methoden der Zuverlässigkeitstechnik. Dabei werden potenzielle Fehler und Schwachstellen nach ihrer Bedeutung für den Anwender, nach der Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens und nach ihrer Entdeckungswahrscheinlichkeit bewertet. Anmerkung: Im deutschsprachigen Bereich wird die Methode auch als Fehlzustandsart- und -auswirkungsanalyse nach DIN EN 60812 bezeichnet, im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch die ursprüngliche Abkürzung FMEA als stehender Begriff eingebürgert. Eine FMEA zielt darauf ab, Fehler bereits im Vorfeld zu erkennen und frühzeitig zu korrigieren. Sie ist also ein wichtiges Werkzeug zur präventiven Fehlervermeidung. Potenzielle Fehlerursa‐ chen (Grundursachen) werden identifiziert und bewertet. Damit lassen sich auch unnötige und unerwünschte Fehlerfolgekosten vermeiden. Durch die gewonnenen Erkenntnisse werden Fehlerwiederholungen verhindert und eventuelle Mängel oder unerlaubte Handlungsweisen rechtzeitig verbessert oder beseitigt. Im Gegensatz zu einer Fehlerbewertung anhand abstrakter Grenzwerte (zum Beispiel Über‐ schreitung eines Grenzwerts um 3 dB) werden bei einer FMEA reale, physikalische oder wirt‐ schaftlich basierte, vor allem aber auch systembezogene Prioritätszahlen definiert. Das erfordert allerdings den Einsatz von entsprechenden Spezialisten. Sie sollten moderiert im Team zusammen‐ arbeiten und sich möglichst interdisziplinar zusammensetzen (aus Konstruktion, Entwicklung, Versuch, Reliability, Fertigung, Instandhaltung, Qualitätsmanagement etc.). Der erhöhten Komplexität einer FMEA stehen eine entsprechend höhere Aussagekraft und Schärfe der Beurteilung gegenüber. Da sich die FMEA weitgehend als industrieller Standard etabliert und bewährt hat, ist bereits ein großer Erfahrungsschatz vorhanden, der auch in einer Reihe von Normen Niederschlag gefunden hat. Naturgemäß ist die FMEA ein lebendes Verfahren, sie wird sich oft in verschiedenen Modifikationen präsentieren, sie wird sich weiterentwickeln. FMEA sind auch ein hervorragendes Werkzeug für das Condition Monitoring, sowohl bezogen auf das Condition Monitoring Produkt als auch auf den Condition Monitoring Prozess. Schließlich sollen mit Hilfe des Condition Monitorings Abweichungen im Lauf- und Betriebsverhalten von Maschinen und Anlagen rechtzeitig und sicher erkannt und gezielte Diagnoseaussagen zum Zustand des jeweiligen Assets getroffen werden. Ein entsprechendes FMEA-Anwendungsbeispiel beim schwingungsbasierten Monitoring von Triebsträngen in Windenergieanlagen wird nach‐ folgend erläutert. Dieser Abschnitt bezieht sich auch auf weitere Anwendungen der FMEA im MRO-Geschäftsfeld (Maintenance-Repair-Operation). Dazu werden Anwendungsbeispiele vorgestellt und erläutert, die zumindest einen Einstieg in dieses Gebiet erleichtern sollen. 14.2 Strategien der FMEA In der FMEA kommen verschiedene Strategien zum Einsatz, je nachdem, ob ● ein möglicher Fehler bereits im Vorfeld, also in der Definitions- oder Entwicklungsphase untersucht wird, oder ● rückblickend, um korrektive Maßnahmen bei aufgetretenen Fehlern in der Anwendungs‐ phase zu finden oder aber, ● um mögliche Gefährdungen und Restrisiken einschätzen zu können und um entsprechende Schutzmaßnahmen festzulegen. Die Vorstellung dieser Strategien erscheint besonders dann von Bedeutung, wenn die FMEA in Verbindung mit Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement in ein bereits beste‐ hendes Konzept integriert werden soll. 14.2.1 Präventive FMEA Die präventive Strategie wird zur möglichst frühzeitigen Identifikation und Beseitigung von Fehlern und potenziellen Schwachstellen eingesetzt, also bereits in der Definitionsphase eines Systems. Dabei wird schon zu Beginn der Entwicklungsphase ein Dokument erstellt, welches das Produkt oder den Prozess über seine gesamte Lebenszeit begleitet und alle relevanten Entwicklungen und Parameter festhält. 14.2.2 Korrektive FMEA Diese Strategie wird zur Entdeckung und Korrektur von Fehlern in späteren Phasen des Lebens‐ zyklus eingesetzt, quasi als Rückwärtsbetrachtung des gesamten Prozesses oder Produkts. Hier liegt der Schwerpunkt beim Einsatz der FMEA. 14.2.3 Gefährdungs-FMEA Nicht alle Fehler und Risiken lassen sich komplett vermeiden, so dass auch Assets mit gewissen Restrisiken betrieben werden müssen. Bei dieser Strategie werden Risiken bewertet und es steht zuerst die Sicherheit des Menschen im Mittelpunkt. Man kann durch präventive Maßnahmen, die zu einer besseren Entdeckungswahrscheinlichkeit von Fehlern führen, Restrisiken mindern und erreichte Verbesserungen auch quantitativ nachweisen. 14.3 Die Entstehung der FMEA Ob man FMEA als Fehlermode- und -einflussanalyse oder als Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (nach DIN EN 60812) bezeichnet - sie bietet in vielen industriellen Bereichen ein gut strukturiertes Vorgehen für ein bereichsübergreifendes Brainstorming von technischen Aufgaben an, um potenzielle Schwachstellen zu finden. Weltweit bekannt wurde die FMEA in den 60er Jahren beim Apollo Raumfahrtprojekt. Man wollte bei der NASA eine systematische und nachvollziehbar dokumentierte Qualitätssicherungsmethode für Spezialisten haben, um frühzeitig mögliche Fehler im Produkt und im Prozess zu erkennen und daraus entsprechende Maßnahmen abzuleiten. 799 14.2 Strategien der FMEA Der damals entwickelte Standard ist bis heute noch als MIL-STD 1629A in der Luft- und Raumfahrt in Anwendung. Die Automobilindustrie begann in den Siebzigerjahren mit der Einführung von FMEA. Vorreiter war die Firma FORD. Spätestens nach Herausgabe der FMEA Richtlinie im VDA Regelwerk Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie im Jahre 1986 wurde die FMEA fester Bestandteil für den Qualitätsnachweis in der Automobilbranche. Damit wurde recht erfolgreich verhindert, dass mögliche Fehler erst vom Kunden in der Gebrauchsphase bemerkt werden. In Deutschland gab es in den Achtzigerjahren erste Anwendungen der FMEA unter dem Begriff Ausfalleffektanalyse (DIN 25448), um insbesondere sicherheitskritische Anwendungen zu untersuchen und Risikoanalysen bzw. Gefährdungsanalysen systematisch durchzuführen. Zwischenzeitlich ist die FMEA auch in weiteren Branchen (zum Beispiel auch in der Medizin‐ technik) eine präventive Methode des Qualitätsmanagements geworden. Im Maschinen- und Anlagenbau gilt die FMEA als unabdingbare Methode für Schadensursa‐ chenanalysen. Es zeigt sich aber auch die Tendenz, dass zunehmend mehr Maschinen- und Anlagenhersteller sowohl ihre Produkte als auch ihre Prozesse, angefangen von der Planung, Fertigung und Inbetriebnahme bis hin zur Verbesserung und Qualitätssicherung mittels FMEA bewerten und optimieren. Anlagennutzer und Anlagenbetreiber verwenden ebenfalls zunehmend FMEA, um Engpässe und Risiken in Instandhaltung, Reparatur und Operation (MRO) besser zu verstehen und gezielt zu korrigieren. Hier sind es dann vor allem die Reliability-Abteilungen, die FMEA als Werkzeug zum Erkennen und Bewerten von Fehlerauswirkungen und Fehlerursachen und für das Festlegen von Prioritäten zur Optimierung nutzen. Global versteht man unter FMEA eine bestimmte Art von systematischem Vorgehen bei der Analyse eines Assets, um mögliche Fehlermoden, ihre Ursachen und ihre Auswirkungen auf das Systemverhalten zu ermitteln. Allgemein unterscheidet man zwischen Gefährdungs-FMEA, Prozess-FMEA und Produkt-FMEA, wobei die Produkt-FMEA wiederum die System-FMEA und die Konstruktions-FMEA umfasst. Später führte dann die Automobilbranche die System-FMEA als Oberbegriff ein, die bis heute sowohl den Prozess als auch das Produkt ganzheitlich behandelt. Die MRO-FMEA ist ebenfalls eine System-FMEA, jedoch bezogen auf Instandhaltung, Reparatur und Betrieb. Mancher Leser wird hier vielleicht die FMECA vermissen. Die FMECA (engl. Failure Mode and Effects and Criticality Analysis) galt ursprünglich als erweiterte FMEA, die ein Mittel zur Klassifizierung der Schwere der Ausfallarten enthält, um die Einstufung der Dringlichkeit von Abhilfemaßnahmen zu ermöglichen. Dies geschah ursprünglich durch Kombination des Maßes für die Schwere mit der (erwarteten) Eintrittshäufigkeit, um so eine Kritikalität genannte Metrik zu erzeugen (Zitat aus DIN EN 60812). Diese Kritikalität ist zwischenzeitlich jedoch zu 100 % in einer FMEA abgebildet, eine FMECA muss deshalb nicht mehr explizit erstellt werden. 14.4 Methodik der FMEA Zur FMEA wird das zu bewertende System - eine Anlage, eine Maschine, eine Substruktur, ein Prozess, eine Funktion, eine Tätigkeit - in einer hierarchischen Architektur mit verschiedenen Ebenen aufgebaut. Die oberste Ebene symbolisiert das System selbst, die unterste Ebene reprä‐ sentiert die nicht mehr weiter zerlegbaren Einzelkomponenten oder Einzelprozesse. Jedes Element der Hierarchie sollte jedoch definierte Einsatzanforderungen aufweisen. Was in diesem Zusammenhang als System definiert wird, hängt vom jeweiligen Ziel der Analyse ab. Legt man als Anschauungsbeispiel etwa das Automobil zugrunde, so kann das 800 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) Tabelle 14.1: Verschiedene FMEA Herangehensweisen Gesamtfahrzeug oder nur eine bestimmte Komponente, zum Beispiel der Scheibenwischer als System definiert werden. Der Aufwand einer FMEA scheint zwar für das zweite Beispiel zunächst überzogen. Man bedenke jedoch, dass ein Ausfall bei starken Regen vom Kunden immer auf das Gesamtfahrzeug projiziert wird (er sagt, der XXX ist schlecht und nicht der Scheibenwischermotor). Im Extremfall muss vom Hersteller die Fahrzeugserie zurückgerufen werden und nicht nur die einzelne Komponente - hier tritt der Unterschied zwischen Ausfall und Schaden deutlich zutage. Tabelle 14.1 zeigt vier verschiedene Ansätze für eine FMEA. In der Methodik nach Spalte Top-down geht man von der Funktion des Gesamtsystems aus und untersucht danach die einzelnen Elemente, um Ausfälle zu finden, die den Verlust der Funktion verursachen können. Bei der Bottom-up Methodik geht man von einem Fehler einer Komponente der untersten Ebene aus und untersucht die Auswirkung auf höhere Ebenen bzw. auf das Gesamtsystem. Anmerkung: Wendet man den Gedanken etwa auf die Humanmedizin oder die Biologie an, so entspricht Top-down der Arbeit des Biologen, Bottom-up der des Biochemikers. Ersterer zieht im Fehlerfall nur die tatsächlich auftretenden Grundursachen in Betracht, der zweite bezieht von Vorherein sämtliche Möglichkeiten ein. Qualitative Bewertungen erfolgen auf Basis verbaler Zuweisungen, zum Beispiel kann man für das Bewertungskriterium Schweregrad die Stufen geringfügig, schwerwiegend oder katastrophal benutzen. Dieser Ansatz wird jedoch zu-meist zu einem semi-quantitativen Ansatz erweitert, indem man diese Stufen mit einer messbaren oder beobachtbaren Bewertungsgröße verknüpft, etwa einer ganzen Zahl (Geringfügig - Stufe 1, katastrophal - Stufe 10). Quantitative Bewertungen werden möglich, wenn die wirtschaftlichen Auswirkungen quantitativ genau bekannt sind, zum Beispiel die Kosten eines Stillstands, einer Reparatur oder einer Ersatzkomponente. Derartige Be‐ wertungen kommen vor allem bei MRO-FMEA an bestehenden Industrieanlagen in Betracht, wenn entsprechende Erfahrungen und Daten bereits vorliegen. Bei solchen Be‐ wertungen gehören aber auch SWOT-, Pa‐ reto-, 5W- und Kritikalitätsanalysen dazu, wie sie noch später kurz vorgestellt werden. Bei der FMEA-basierten Zustandsüberwa‐ chung werden zumeist semi-quantitative Bot‐ tom-up Verfahren eingesetzt: Die Auswirkun‐ gen von einzelnen Fehlern auf das jeweilige System werden als Bewertungsfaktoren angegeben (zum Beispiel 1 bis 10, wie zuvor erwähnt) und dann die sich ergebenden Prioritäten rechnerisch durch Multiplikation ermittelt. 801 14.4 Methodik der FMEA 14.5 FMEA in der Anwendung 14.5.1 FMEA im Condition Monitoring Condition Monitoring erfordert das Liefern von semi-quantitativen Zustands- und Prozessdiagnosen. Ziel solcher Diagnosen kann eine Funktions- oder eine Schädigungsdiagnose, global oder im Detail sein. Eine Funktionsdiagnose bezieht sich auf die Messung von Funktions-, Betriebs- und Prozessparametern, die zur einwandfreien Funktion und für den wirtschaftlichen Betrieb der Assets erforderlich sind. Unter Schädigungsdiagnose wird die Ermittlung des Schädigungszustandes von technischen Assets verstanden. Dazu zählen alle Mess- und Diagnosemaßnahmen zur Ermittlung des Verschleißgrades und dessen Auswirkungen, der Ermüdung und der Korrosion sowie sonstiger schädigender Einflüsse. Während man sich bei allgemeinen Zustandsdiagnosen auf die Ermittlung des Gesamtzustandes auf Basis globaler Kenngrößen beschränkt, geht man bei der Tiefendiagnose auf Grundlage diagnostischer Kenngrößen bis in die detaillierte Zustandsdiagnose einzelner Baugruppen oder Einzelteile, um Fehler, Schwachstellen oder unerwünschte Betriebszustände zu lokalisieren. Zur Strukturierung und grafischen Veranschaulichung dieser vielschichtigen Gefährdungen eignen sich insbesondere Ishikawadiagramme. Sie werden oft auch als Fischgräten Diagramm oder Ursache-Wirkungs- Diagramm bezeichnet. Bild 14.1 zeigt ein Ishikawa ähnliches Diagramm, wie es im Rahmen des Condition Monitorings an Triebsträngen von Windenergieanlagen entwi‐ ckelt wurde. Quasi als Schwimmflossen wurden hier die messtechnisch erfassten Zustandsgrößen ergänzt. Bild 14.1: Ishikawadiagramm für das Condition Monitoring einer WEA 802 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) Auftreten A Bedeutung B Entdeckbarkeit E Bewertungsfaktor Unwahrscheinlich ohne Bedeutung sehr hoch 1 Vereinzelt geringe Bedeutung hoch 2 - 3 Oft Beeinträchtigung der Produktionsergebnisse akzeptabel 4 - 6 Regelmäßig Reduktion der Produktionsergebnisse gering 7 - 8 Sehr oft unzulässige Produktionsverluste sehr gering 9 - 10 Tabelle 14.2: Bewertungsfaktoren der Größen Auftreten, Bedeutung und Entdeckbarkeit 14.5.2 Vorgehensweisen bei der FMEA Zur quantitativen Beurteilung von Risiken und Prioritäten mittels FMEA werden typischerweise Risikoprioritätszahlen (RPZ) ermittelt, die sich aus dem Produkt dreier Bewertungsfaktoren ergeben. Vorwiegend sind dies die Parameter ● Auftretenswahrscheinlichkeit A (Häufigkeit, Risiko) des Fehlers und der damit verbun‐ denen Fehlerursache innerhalb eines bestimmten Zeitraums, ● Bedeutung B der Fehlerfolgen bzw. Schwere der Auswirkung des Fehlers hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Assets sowie ● Entdeckungswahrscheinlichkeit E des Fehlers (ein Schätzwert für die Chance, den Fehler zu erkennen und ggf. zu beheben, bevor das Asset vom Fehler betroffen ist). Typischerweise wird jedem dieser Bewertungsfaktoren ein ganzzahliger Wert zwischen 1 und 10 zugeordnet. Die zugehörigen Beschreibungen und Klassifizierungen sind anwendungsbezogen und können beliebig frei gestaltet und formuliert werden. Tabelle 14.2 enthält eine allgemeine Beschreibung für den Produktionsprozess. Die höchsten Bewertungsgrößen erfordern die höchste Aufmerksamkeit. Natürlich muss schon in dieser Phase für die anschließende Priorisierung von erforderlichen Handlungsmaßnahmen an ausgewählten Assets beachtet werden, dass die Auftretenswahrscheinlichkeit A und die Bedeutung B schwerer wiegen wie die Entdeckungs‐ wahrscheinlichkeit E. Deshalb werden neuerdings in einigen Branchen bei FMEA-Audits das Ableiten von Aufgabenprioritäten statt des Ermittelns von Risikoprioritätszahlen bevorzugt. 14.5.3 Festlegen von Aufgabenprioritäten Beim Instandhaltungsmanagement stehen zumeist aus der FMEA abgeleitete Aufgabenprioritäten im Vordergrund. Schließlich will man über FMEA identifizierte Fehler und Schwachstellen nicht nur erkennen, sondern entsprechend ihrer Prioritäten gezielt und geplant beseitigen. So könnte man bereits die in Tabelle 14.2 ausgeführten Bewertungen für das Auftreten A und für die Bedeutung B sofort benutzen, um auch Kritikalitäten und Prioritäten für entsprechenden Handlungsbedarf festzulegen. Diese Situation ist auch von FMEA Spezialisten erkannt wurden. Das hat im Jahre 2019 dazu geführt, dass eine neue Logik der Aufgabenprioritäten eingeführt wurde (AP-Logik), um unterschiedliche Prioritäten für den erforderlichen Handlungsbedarf festzulegen. Tabelle 14.3 beschreibt die 3 AP-Klassen Niedrig, Mittel und Hoch beispielhaft für Design- und Prozess-FMEA. Tabelle 14.4 gibt die entsprechenden Bewertungen in Abhängigkeit von Auftreten und Bedeutung an. 803 14.5 FMEA in der Anwendung Aufgabenpriorität Notwendige Handlungsmaßnahmen Niedrig N Man kann Maßnahmen identifizieren, um Auftreten oder Entdeckung zu verbessern. Mittel M Man sollte angemessene Maßnahmen identifizieren, um Auftreten und Entdeckung zu verbessern oder dokumentieren, warum die Maßnahmen angemessen sind. Hoch H Man muss eine angemessene Maßnahme identifizieren, um das Auftreten und die Entdeckung zu verbessern oder dokumentieren, warum keine verbessernde Maßnahme erforderlich ist bzw. warum die verwendeten Maßnahmen angemessen sind. Tabelle 14.3: Aufgabenprioritäten entsprechend der AP-Logik Bedeutung Auftreten Entdeckbarkeit 1 2 - 4 5 - 6 7 - 10 1 1 - 10 N N N N 2 - 10 1 N N N N 2 - 4 2 - 3 N N N M 4 - 5 N N M H 6 - 7 M M H H 8 - 10 M H H H 5 - 8 2 - 3 N N M M 4 - 5 M M H H 6 - 7 M M H H 8 - 10 M H H H 9 - 10 2 - 3 N N M H 4 - 5 M M H H 6 - 10 M H H H Tabelle 14.4: Übersichtsgrafik zum Festlegen von AP-Prioritäten 804 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) (14.1) Bewertung Systemzustand RPZ-Klassen Untergrenze Obergrenze Sehr gut 1 60 Gut 61 90 Befriedigend 91 125 Ernst 126 200 Kritisch > 200 Tabelle 14.5: Fünfstufige RPZ-Klassifizierung 14.5.4 Festlegen von Risikoprioritätszahlen Im FMEA basierten Condition Monitoring Prozess ist die Entdeckbarkeit E eine gleich wichtige Größe wie die Bedeutung B und die Auftretenswahrscheinlichkeit A. Damit lässt sich ohne Einschränkung aus den drei Faktoren die Risikoprioritätszahl RPZ ermitteln: RP Z = A × B × E Definitionsgemäß liegt damit der Wert der RPZ zwischen 1 und 1000. Mit Hilfe von Risikoprioritätszahlen lassen sich beim Condition Monitoring aktuelle Maschi‐ nenzustände und Ausfallbzw. Diagnoserisiken bewerten, notwendige Instandhaltungsmaßnah‐ men oder Korrekturmaßnahmen begründen oder sogar geeignete Condition Monitoring Systeme auswählen. So kann eine Investition in ein umfassenderes Condition Monitoring System durchaus zu einem verringerten Ausfallrisiko führen, was sich über Vergleiche der Risikoprioritätszahlen recht einfach und auch plausibel begründen lässt. Bezüglich der quantitativen Bewertung von Risikoprioritätszahlen (RPZ) existieren unter‐ schiedliche Vorgehensweisen. Nachfolgend seien einige Varianten genannt: ● Bezogen auf nationale und internationale Standards gelten Risikoprioritätszahlen größer als 125 als Indikator, dass Verbesserungsbedarf besteht und Optimierungsmaßnahmen auszuführen sind. Die Zahl 125 wurde quasi als Mittel, genauer gesagt als Produkt der Mittelwerte der Bewertungsfaktoren gewählt (5 x 5 x 5 = 125). ● Andere Anwender verwenden zur Beurteilung von Systemzuständen fünfstufige Klassifizie‐ rungen entsprechend Tabelle 14.5 und leiten daraus Bewertungen zum Systemzustand ab (bis hin zu Kritikalitäten oder sogar KPIs). ● Für FMEA-basierte Risikoanalysen haben andere Unternehmen über firmeninterne Verfah‐ rensanweisungen Grenzwertbereiche für die Risikoprioritätszahl festgelegt und diverse produkt- oder prozessspezifische Maßnahmen zur Risikominderung wie beispielsweise in Tabelle 14.6 definiert. Alle drei genannten Vorgehensweisen zur RPZ-Bewertung haben den Nachteil, dass bei der Ver‐ gabe der Risikoprioritätszahl die Objektivität fehlt und beim Festlegen zu niedriger Bewertungs‐ faktoren Bewertungsgrenzen für die Risikoprioritätszahl unterschritten werden, obwohl poten‐ zielle Risiken existieren. 805 14.5 FMEA in der Anwendung 1 bis 100 akzeptables Restrisiko - keine zusätzlichen Maßnahmen notwendig 100 bis 125 geringes Restrisiko - mindestens zusätzlicher Warnhinweis erforderlich 125 bis 250 erhöhtes Restrisiko - zusätzliche Schutzmaßnahmen oder Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich 250 bis 1000 inakzeptables Restrisiko - Erhöhte Ausfallgefahr, konstruktive Änderungsmaß‐ nahmen sind unbedingt erforderlich Tabelle 14.6: RPZ-basierte Verfahrensanweisungen Bild 14.2: Wilfredo Pareto (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) Anmerkung: Die nicht-äquidistanten Zuordnungen von Klassen ist schon ganz zu Beginn, bei der Risikomatrix aufgetreten, siehe Bild 0.10. Um ein „Schönen“ von Risikoprioritätszahlen zu vermeiden, sei deshalb das Anwenden der ABC-Analyse nach Pareto empfohlen. Nach Pareto gilt folgendes Prinzip: ● Grundsätzlich 15 % aller betrachteten oder ausgewählten Fälle sind mit einem hohen Risiko verknüpft und werden als A-Fälle bezeichnet. ● Weitere 25 % gehören der Klasse B an, die weniger wichtig sind und ohne Dringlichkeit zu behandeln sind. ● Die restlichen 60 % sind unwichtige C-Fälle, die vernachlässigt werden können. Um alle wichtigen Risiken entsprechend zu berücksichtigen, sind deshalb 40 % aller RPZ über 125 zu legen. Damit ist sichergestellt, dass alle Klasse A- und Klasse B-Risiken identifiziert sind und auch bearbeitet werden. Die A-Fälle sind dann die Hochrisikofälle und müssen sofort mit ent‐ sprechenden Veränderungen bearbeitet werden. Einige Bemerkungen zur Entdeckbarkeit Eine geringe oder sogar sehr geringe Entdeckbarkeit erhöht nach Tabelle 14.2 die RPZ. Woran liegt in einem solchen Fall die geringe Entdeckbarkeit begründet? Liegt sie in der Art des Fehlers (man könnte sagen, Heimtücke), ist das Risiko tatsächlich erhöht. Ist sie in einer mangelhaften Überwachungs‐ technologie begründet, muss man die Fragen nach Alternativen stellen (sofern solche nach dem Stand der Technik überhaupt zur Verfügung stehen). Fehlt einfach nur entsprechendes Wissen, seien Schulungen oder Condition Monitoring Audits durch externes Fachpersonal empfohlen. Eine mehr auf die Messtechnologie fokussierte Bewertung der Entdeckbarkeit findet man im nachfolgenden FMSA-Kapitel bei der Definition der Monitoring-Prioritätszahl MPN. 14.5.5 Anwendungsbeispiele der FMEA Nachfolgend werden drei Beispiele vorgestellt, welche verschiedene FMEA-MRO-Anwendungen anhand praktischer Beispiele beschreiben. 806 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) System Funktion Fehler und Ur‐ sache A Fehlerfolgen B Entdeckungsmaßnahme (Messsystem) E RPZ Papiermaschine Papierproduktion Abrisse des Papiers wegen Bahnschräglauf durch Walzenschiefstand 4 Spezifische Produktionsverluste 6 Wasserwaage/ Schnur/ Maßband 9 216 Theodolit/ Totalstation 8 192 ProRoll 6 144 Levalign expert 5 120 Lasertracker 3 72 PARALIGN 2 48 Tabelle 14.7: Kennzahlenermittlung nach Tabelle 14.2 mit RPZ Anwendung 1 - FMEA basierte Instandhaltungsbewertung in der Papierproduktion Über eine System-FMEA wurde an einer Papiermaschine zur Produktion von Spezialpapier festgestellt, dass gelegentliche Papierabrisse infolge Bahnschräglauf (A = 4 nach Tabelle 14.2) zu signifikanten Produktionsverlusten (B = 6) führen. Vom FMEA Team wurden als mögliche Verursacher Walzen‐ schiefstände identifiziert, die nach ungeplantem Walzenwechsel entstehen können. Bild 14.3: Veranschaulichung von Bahnschräglauf infolge von Walzenschiefstand In solchen Situationen werden aus Zeitmangel die Walzen meist nur mit Maßband und Wasser‐ waage und nur selten mit Theodoliten eingerichtet. Im Vergleich zum Stand der Ausrichttechno‐ logie von Walzensystemen musste deshalb vom FMEA-Team die Entdeckbarkeit E mit 9 bzw. mit 8 eingeschätzt werden. Als Risikoprioritätszahlen ergaben sich damit 216 und 192, was deutlich zu hoch war. Das FMEA-Team legte deshalb fest, Walzenausrichtzustände künftig geplant und regelmäßig mit einem Lasertracker oder einem industriellen Ausrichtsystem (PARALIGN) zu vermessen, um die Erkennbarkeit von Walzenschiefständen zu verbessern. Damit ließ sich die RPZ im ersten Fall bis auf 72, mit der zweiten Methode sogar bis auf 48 absenken. Genutzt wurde schlussendlich PARALIGN (siehe Bild 6.28), da sich damit auch bei kurzen geplanten Stillständen Achsparallelitätsmessungen und Korrekturen sehr schnell ausführen lassen. 807 14.5 FMEA in der Anwendung System Schadensart Möglicher Schaden A Mögliche Schadensur‐ sache B Entdeckung D RPZ Hubwerksantrieb des Containerkrans Wellenbruch zwischen Motor und Getriebe Dauerbruch Personenschaden 10 Ausrichtung mangelhaft 5 Messung des Ausrichtzustands mittels Messuhr 5 250 Messung des Ausrichtzustands mittels Laser 2 100 Tabelle 14.8: Kennzahlenermittlung und RPZ Anwendung 2 - FMEA basierte Risikobewertung an Krananlagen In Hafencontainerkränen werden insbesondere Hubwerksantriebe hochdynamisch beansprucht. In einer Anwendung kam es zu einem Antriebswellenbruch. Die Schadensart Wellenbruch gilt für den Hubwerksbetrieb als eine besonders kritische Schadensart, weil es dadurch zu Personenschä‐ den kommen kann. Wegen des Risikos von Personenschäden musste die Bedeutung/ Gefährdung A mit dem Höchstwert 10 eingestuft werden. Laut Schadensanalysen war ein Dauerbruch ent‐ standen und Zusatzbeanspruchungen infolge einer mangelhaften Wellenausrichtung als Ursache erkannt. Das FMEA-Team einigte sich auf eine Bewertung der Schadensursache B mit 5. Bei der Wahl des Faktors für die Entdeckbarkeit E konnte man die im Jahre 2019 neu erschienene VDI-Richtlinie 2726, Ausrichten von Getrieben, zu Rate ziehen. Diese Richtlinie enthält in Tabelle D2 Beschreibungen zur Entdeckungswahrscheinlichkeit D für unterschiedliche Vorgehensweisen beim Wellenausrichten. Laut dieser Vorgaben ist beim Ausrichten mittels Messuhr D = 5 und beim Ausrichten mittels Laser D = 2 anzusetzen. Anmerkung: Bei der im Jahre 2019 neu erschienenen Richtlinie VDI 2726, Ausrichten von Getrieben, ist ein Entdeckungsfaktor mit der Bezeichnung D definiert, welcher der Entdeckbarkeit E in der FMEA entspricht. Wie empfindlich dann das Anwenden der Ausrichtmethode die Risikoprioritätszahl beeinflusst, lässt sich Tabelle 14.8 entnehmen. Wird nur mit Messuhr gearbeitet, ergibt sich eine Risikoprioritätszahl von 250. Nutzt man dagegen laseroptisches Wellenausrichten reduziert sich die RPZ auf nur 100. VDI 2726, Ausrichten von Getrieben, beschreibt im Übrigen genau diese Anwendung, das Ausrichten eines Doppelhubwerksantriebes. Wird nicht oder nur grob ausgerichtet, geht der Faktor D gegen 10 und die RPZ wird noch größer. Anwendung 3 - FMEA basierte Schwingungsüberwachung von Windenergieanlagen Bei der schwingungsbasierten Zustandsüberwachung von Triebsträngen in Windenergieanlagen ermöglichte es erst die FMEA basierte Herangehensweise, dass Monitoring- und Diagnosespezia‐ listen ihre Dienstleistung kompetent und effizient ausführen und in der Lage waren, sachgerechte Handlungsempfehlungen zu geben. Der vor etwa 15 Jahren von dB Prüftechnik entwickelte FMEA Ablauf beim Telemonitoring ist in Bild 14.4 veranschaulicht. Dabei wurden FMEA basiert nicht nur die Windenergieanlagen bewertet, sondern auch das Level 1 und Level 2 Monitoring entsprechend gestaltet. 808 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) Bild 14.4: Ablaufschema einer FMEA-basierten Zustandsüberwachung Das Level 1 Monitoring ist charakterisiert durch eine kontinuierliche und eventbasierte Über‐ wachung von Schwingungs- und Betriebskennwerten der Windenergieanlagen. Beim Level 2 Monitoring finden systematische Zustandsdiagnosen und Assetbewertungen statt. Die grund‐ sätzlichen Strategien sind in beiden Varianten identisch. Sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Kennzahlen und der verwendeten Prioritätszahlen. Der FMEA basierte Condition Monitoring Prozess ist aus insgesamt fünf Arbeitsschritten aufgebaut. Der Ablauf wird im Folgenden kurz skizziert und erläutert. Schritt 1 Die zu überwachenden Triebstränge der Windenergieanlagen wurden in ihre Hauptkomponenten zerlegt und sowohl strukturell als auch funktionell analysiert. (siehe dazu Bild 14.1) Potenzielle Funktionsfehler und bekannte Schadensvarianten sowie besondere Erscheinungen und Erfahrun‐ gen in der Windbranche wurden dokumentiert und vom FMEA-Team bewertet. Schritt 2 Über eine Kodierung wurden die Überwachungsobjekte klassifiziert, ähnliche und baugleiche Windenergieanlagen identifiziert, einander zugeordnet und für ein vergleichbares Vorgehen beim Condition Monitoring Prozess vorbereitet. Damit wurde sichergestellt, dass Triebstränge auch wirklich nur mit gleichen Komponenten gleich überwacht werden und gewonnene Erfahrungen an einer Triebstrangkonfiguration sich auch für das übergreifende Flottenmanagement nutzen lassen. Die dazu erstellte Klassifizierung und Kodierung ist in Bild 14.5 überblickshaft gezeigt. 809 14.5 FMEA in der Anwendung Bild 14.5: Kodierungsschema für die verschiedenen Windenergieanlagen In weiterer Folge stellte sich heraus, dass es auch sinnvoll war, Komponenten wie die Wälzlager in den Hauptlagerungen herstellerspezifisch zu kodieren und separat zu betrachten, siehe Bild 14.6. Bild 14.6: Kodierungsschema für die verschiedenen Hauptlagertypen 810 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) Schritt 3 Im nächsten Schritt wurden vom FMEA-Team anlagen- und komponentenspezifische Fehlermög‐ lichkeiten zusammengetragen, systematisiert, kodiert und Risikoprioritätszahlen bezogen auf den jeweiligen Anlagentyp ermittelt, um auch Überwachungsprioritäten festlegen zu können. Bei der Ermittlung der Risikoprioritätszahlen wurden folgende Parameter verwendet: ● A - Die zu erwartende Häufigkeit des Auftretens des Fehlers und das damit verbundene Risiko für den Windenergieanlagentyp. ● B - Die Bedeutung bzw. die Auswirkungen des Fehlers auf die gesamte WEA. ● E - Die Schnelligkeit und Sicherheit der Erkennbarkeit des Fehlers mit den verfügbaren Einrichtungen, Werkzeugen und Gegebenheiten. Schritt 4 Für die kontinuierliche Level 1 Schwingungsüberwachung wurden geeignete Schwingkennwerte ausgewählt, mit Grenzwerten versehen sowie typische Betriebszustände für eine regelmäßige Zustandsüberwachung festgelegt. Hinweis: Ein Teil der damals definierten Schwingkennwerte ist mittlerweile Bestandteil der Norm ISO 10816-21. Die abgeleiteten zugehörigen Schwingprioritätszahlen berücksichtigen folgende Parameter: ● A - Mit welchem Auftreten/ Häufigkeit der jeweilige Schwinggrenzwert der Triebstrang‐ komponente überschritten wird, ● B - die Bedeutung der Überschreitungen der Schwingungsgrenzwerte auf das Funktions‐ verhalten sowie ● E - die Entdeckungswahrscheinlichkeit von Fehlern mit den verwendeten Level 1 Schwingkennwerten. Schritt 5 Für die Level 2 Zustandsdiagnosen wurden geeignete diagnostische Kenngrößen zur Befundbe‐ wertung ausgewählt, bezüglich Kritikalitäten bewertet und komponentenbezogene Diagnoseprioritätszahlen abgeleitet. Die jeweiligen Diagnoseprioritätszahlen ergeben sich aus ● S - dem Schweregrad der Befundung hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Anlage und der erwarteten Restnutzungsdauer, ● F - den zu erwartenden anlagenspezifischen Folgekosten bei Eintritt des Befundes sowie ● K - den Möglichkeiten (und Aufwendungen) zur rechtzeitigen Korrektur des potenziellen Fehlers, bevor der Fehler zu einer Schädigung der Anlage führt. 811 14.5 FMEA in der Anwendung Bild 14.7: Diagnosecodes für die Befundung Die so ermittelten Diagnoseprioritätszahlen wurden ebenso benutzt, um zusätzliche Level 1 Überwachungsprioritäten beim Flottenmanagement und systematische Handlungsempfehlungen festzulegen. 14.5.6 Zusammenfassung zur FMEA Die beschriebenen, FMEA basierten Vorgehensweisen erleichtern nicht nur das Condition Monitoring, sondern auch das systematische Instandhaltungsmanagement. Die Ausführungen dieses Abschnitts haben gezeigt, dass die FMEA anstelle der anfänglichen, eher abstrakten Beurteilung nach allgemeinen Parametern wie Pegelerhöhung ein individuell auf das jeweilige Asset bezogenes System von Beurteilungsstufen und Bewertungskriterien liefert und auch zur automatischen Generierung von Handlungsanweisungen geeignet ist. Die Quantifizierung kann dabei jedoch nicht auf die Schwingungsanalyse allein beschränkt sein. Erforderlich ist eine Zusammenarbeit entsprechend erfahrener Fachleute in einem Team. Andererseits kann die FMEA heute schon als Standardverfahren eingestuft werden, was den Zugriff auf einen entsprechenden Erfahrungsschatz sicherstellt. Diese Aussage wird durch das Erscheinen einschlägiger internationaler Normen untermauert. 812 14 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse (FMEA) 14.5.7 Die internationale Norm ISO 16079 im Vergleich Erwähnt sei an dieser Stelle, dass die neu erschienene ISO 16079, Zustandsüberwachung und -diagnostik von Windenergieanlagen, eine der FMEA ähnliche Vorgangsweise beschreibt. Gewisse Bewertungen erfolgen jedoch sehr kryptisch, so dass hier nur auf diese Norm verwiesen wird. Die Zukunft wird zeigen, inwieweit sich dieses Konzept durchsetzen kann. Dokumentiert seien hier lediglich die im Standard beschriebenen grundlegenden Kenntnisse, die bei der Durchführung von Überwachungsaufgaben an Assets vorliegen sollten: ● Kenntnisse und Informationen zum strukturellen Aufbau der Assets ● Kenntnisse und Informationen zum Zusammenwirken der einzelnen zu überprüfenden Baugruppen des Assets ● Wissen und Erfahrungen über die für das jeweilige Asset üblichen Diagnoseparameter, Abnahmerichtwerte sowie deren Toleranzbereiche bzw. Aussonderungsgrenzwerte ● Informationen und Erfahrungen über die während der Nutzung des Assets möglichen Fehler und Schädigungen an den einzelnen Baugruppen und deren Auswirkungen ● Wissen über die anzuwendenden Diagnoseverfahren und einzuhaltenden Diagnosebedin‐ gungen 813 14.5 FMEA in der Anwendung 62 Ein Mode beschreibt ein Eigenverhalten eines Objekts, einer Struktur oder eines Systems. Als Fehlermode wird im Zusammenhang mit Zustandsüberwachung und Fehlerdiagnose das gesamte Erscheinungsbild eines Fehlers bezeichnet. Vielfach findet man dafür auch die Bezeichnung Fehlzustandsart, die im Rahmen dieses Buches jedoch aus rein philologischen Gründen zurückgestellt wurde. 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Die Fehlermode- und Symptomanalyse 62 , Kurzform FMSA ist eine Methode zur Unterstützung der Projektierung von Systemen zur Zustandsüberwachung. Während die im vorigen Kapitel abgehandelte FMEA der Fehleraufdeckung und vor allem der Priorisierung von Fehlern, also der Bewertung des durch einen Fehlzustand entstehenden Risikos gewidmet ist (was sich dort auch in dem Ausdruck Risikoprioritätszahl widerspiegelt), wird bei der FMSA auch die Eignung des Messverfahrens mitgewichtet (ausgedrückt durch eine Monitoring-Prioritätszahl). Beide Methoden stehen damit einerseits in engem Zusammenhang (die Fehlerschwere kann naturgemäß nicht vom Verfahren abhängen), zeigen jedoch andererseits unterschiedliche Gesichtspunkte für eine Beurteilung auf. Mehr noch: Da sich ein Fehler meist nicht nur in einem einzigen Symptom zeigt, sondern als ausgeprägte Kombination einer Gruppe von Symptomen, wird bei der FMSA auf diese Symptomatik eingegangen oder vielmehr besonderes Gewicht gelegt (Welche Symptome indizieren einen bestimmten Fehler? Welche verstärken die Hypothese? Welche schließen sie aus? ). Die zuvor zitierte, teilweise etwas ambivalente Methodik beruht vorwiegend auf unterschied‐ lichen Interpretationen der Entdeckbarkeit bzw. Erkennbarkeit eines Fehlers (man kann bereits hier einen feinen begrifflichen Unterschied erfühlen). Eine allgemeingültige, schlüssige Aussage lässt sich hier nicht angeben, sie ist im Einzelfall über das Fehler- oder besser, das Schadensrisiko zu treffen. Anmerkung: Diese Differenzierung ist auch aus der parallelen Entwicklung der damit verknüpften Normungen entstanden und dort auch so dokumentiert (FMEA versus Zustands‐ überwachung). Ein Versuch, in diesem Buch davon abzuweichen, würde mehr Verwirrung stiften als Klarheit schaffen. Eine FMSA sollte grundsätzlich in Verbindung oder vielmehr als Erweiterung einer bereits durch‐ geführten FMEA ausgeführt werden, über welche bereits die Fehlermöglichkeiten festgestellt und bezüglich Prioritäten und Kritikalität eingestuft wurden. Die erforderlichen Schritte sind in Tabelle 15.1 zusammengestellt. Mit dieser Methodik bekommen Hersteller und Benutzer von Zustandsüberwachungssystemen einen Leitfaden, geeignete Konzepte zur Fehlerdiagnose und Fehleranalyse zu entwickeln, deren Grenzen einzuschätzen und durch Auswahl geeigneter Deskriptoren verlässliche Prognosen zu ermöglichen. Grundsätzlich sollte man in Betracht ziehen, dass sich Fehler und damit Symptome sowie Be‐ wertungen nur selten auf eine einzige Grundursache zurückführen lassen. Eine typische Zielset‐ zung der FMSA ist deshalb eine erhöhte Selektivität in diesem Sinne: Durch kombinierte Be‐ trachtung aller beteiligten Fehler mit den entsprechenden Symptomen, durch Einsatz optimierter Fehlerdiagnose- und zielsicherer Prognoseverfahren. Wie schon bei der FMEA sollte auch die Projektierung eine Zustandsüberwachung Methodik Verfügbarkeit, Wartungsfreundlichkeit, Kritikalität der Maschine FMEA Auflistung von Komponenten und Funktionen der Maschine Fehlermoden und Fehlerursachen (Bauteilfehler) FMSA Bewerten der Prioritäten und Kritikalität der Fehlermoden (Fehlerfolgen) Entscheidung über eine geeignete Fehlerdiagnostik (welche Fehler) Festlegen von Strategien zur Fehlerbeobachtung (wie oft) Angabe der Fehlersymptome Auswahl der Deskriptoren und Verfahren zur Symptomerkennung Auswahl der Sensoren und der erforderlichen Messvorgehensweisen Tabelle 15.1: Leitfaden zur Bedarfsermittlung eines Zustandsüberwachungsprojektes FMSA in Teamarbeit von Schwingungsexperten, Maschinenspezialisten und Fachleuten aus der Anwendung entwickelt werden. 15.1 Ermitteln des Diagnosebedarfs An vorderster Position muss eine systematische Ermittlung des Diagnosebedarfs als Voruntersu‐ chung stehen. Die Vorgangsweise ist in Bild 15.1 als V-Diagramm dargestellt. Bei der Projektierung eines Zustandsüberwachungssystems unterscheidet man zunächst zwischen Entwurfs- und der Nutzungsphase (abfallender bzw. aufsteigender Diagrammast). In der Entwurfsphase sind die Fehlermoden zu selektieren und geeignete Deskriptoren zu definieren, in der Nutzungsphase wird unmittelbar die Funktionsfähigkeit der Maschine sichergestellt, zum anderen wird die Basis für ein optimiertes Instandhaltungsmanagement geschaffen. Anmerkung: Ähnlich wie das Ishikawadiagramm ist auch das V-Diagramm ein wirkungs‐ volles graphischen Werkzeug zur Unterstützung von Brainstorming, vor allem innerhalb fachlich heterogener Gruppen oder Teams. 815 15.1 Ermitteln des Diagnosebedarfs Bild 15.1: Typischer Ablauf eines Projektes zur Zustandsüberwachung während der Entwurfs- und der Nutzungs‐ phase 15.2 Die Systematik der FMSA Die FMSA basierte Konzeption und Organisation von Zustandsüberwachungsprojekten ist in folgenden Schritten auszuführen: ● Auflisten der betroffenen Komponenten ● Auflisten der Anomalien und Fehlermoden für jede Komponente ● Auflisten der direkten und indirekten Auswirkungen für jeden Fehlermode ● Auflisten der Ursachen aller Fehlermoden ● Auflisten der durch jeden Fehlermode hervorgerufenen Symptome ● Auflisten geeigneter Überwachungs- und Diagnoseverfahren ● Auflisten der geschätzten Überwachungshäufigkeiten ● Einstufung jedes Fehlermode nach Erkennung, Schweregrad, Vertrauensniveaus von Dia‐ gnose und Prognose ● Ermitteln von Prioritäten über Monitoring-Prioritätszahlen (MPN) ● Auflistung geeigneter Korrelationsverfahren zur Unterstützung der Diagnose ● Ggf. Ableiten entsprechender Korrelations-MPN Auflistungen sind ein geeignetes Verfahren, da sie einen systematischen Vergleich verschiedener Varianten ermöglichen. Bei den Begriffsdefinitionen ist hohe Sorgfalt vonnöten, da jede Ursache und jede Auswirkung eines Fehlermode selbst wieder Fehlermode sein kann und somit eine eigene, zugeordnete Auflistung erfordert. Überlappungen sind sorgfältig zu vermeiden, d. h. in einer protokollarischen Aufstellung, wie sie in Tabelle 15.3 noch gezeigt wird, darf ein und dieselbe Fehlermode nicht mehrfach aufscheinen. (Ein Fehlermode kann zum Beispiel nicht gleichzeitig Ursache oder Auswirkung von sich selbst sein.) 816 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) 63 Die Definitionen orientieren sich an DIN ISO 13379-1. Komponente: Abluftgebläse AGx primäre MPN Code korrelative MPN Code Fehlermode erhöhte Schwingungen SH Massenunwucht UW Fehlerauswirkung vorzeitiger Verschleiß VV vorzeitiger Verschleiß VV Fehlerursache Unwucht UW lokaler Abplatzer LP Fehlersymptome 1X dominiert 1X Phasenversatz 90° 90° Überwachungsverfahren FFT v FAv Phasenmessung PH Überwachungshäufigkeit stündlich h auf Anforderung x DET Erkennung 1 - 5 4 5 SEV Schwere 1 - 4 3 3 DGN Diagnose 1 - 5 4 5 PGN Prognose 1 - 5 3 3 MPN Monitoring- Prioritätszahl 144 225 Tabelle 15.2: Bewertungstabelle zur FMSA am Beispiel einer Unwucht an einem Abluftgebläse Korrelationsverfahren beziehen sich auf die Beurteilung zusätzlicher Symptome, die für einen bestimmten Fehlermode charakteristisch sind und Mehrdeutigkeiten möglichst ausschließen. So weist zum Beispiel bei der Rotorzustandsdiagnose ein Anstieg der 1. Harmonischen auf verschiedene Grundursachen hin. Eine (korrelative) Bewertung anderer Symptome kann dann die Zielsicherheit deutlich erhöhen. Tabelle 15.2 bringt dazu ein Beispiel. Für jede Komponente und für jeden Fehlermode ist eine Aufstellung nach Tabelle 15.2 zu erarbeiten, in welcher zunächst die Fehlermoden und dazu Fehlerauswirkung, Fehlerursache, Fehlersymptome, primäres Überwachungsverfahren und die Häufigkeit der Überwachung einzu‐ tragen sind. Danach sind vier Bewertungen als Zahlenwerte zwischen 1 und 5 (4) einzugeben wie in Tabelle 15.4 bis Tabelle 15.7 definiert 63 . Die jeweiligen primären und korrelierten Monito‐ ring-Prioritätszahlen MPN ergeben sich daraus als Produkt. So werden mit wachsendem Risiko aber auch mit wachsender Eignung des Verfahrens die Monitoring-Prioritätszahlen ansteigen. Der höchstmögliche Wert ist 500. Da in einem FMSA-Projekt eine Vielzahl von Symptomen beobachtet wird, wird der Einsatz einer passenden Datenbank zweckmäßig sein. Ein einfaches Beispiel dazu zeigt Tabelle 15.3. In einem solchen Analyseblatt können für jeden Fehlermode alle Symptome mit Bewertungen sehr übersichtlich eingetragen werden. Eine Verknüpfung mit Einzel-Datenblättern wie Tabelle 15.2 ist eine typische Datenbankanwendung. 817 15.2 Die Systematik der FMSA Bauteil Fehlermodus Fehlerauswirkung Fehlerursache Fehlersymptome Primärverfahren ÜW Häufigkeit Primäre MPN Korrel. Verfahren ÜW Häufigkeit Korrelations MPN DET SEV DGN PGN MPN DET SEV DGN PGN MPN AGx SH VV UW 1X FFTv h 4 3 4 3 144 PH x 5 3 4 3 225 Tabelle 15.3: Analyseblatt zur FMSA 818 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Stufe Erkennungswahrscheinlichkeit des Fehlermode 1 Entfernte Wahrscheinlichkeit 2 Geringe Wahrscheinlichkeit 3 Gewisse Wahrscheinlichkeit 4 Hohe Wahrscheinlichkeit 5 Sicherheit Tabelle 15.4: Bewertung der Erkennungswahrscheinlichkeit Stufe Systemfunktion Schäden am System Schäden an Umgebung 1 Verschlechterung vernachlässigbar keine 2 Verschlechterung nicht nennenswert nicht nennenswert 3 Potenzieller Ausfall primärer Funktionen signifikant vernachlässigbar 4 Potenzieller Ausfall primärer Funktionen signifikant Signifikant Tabelle 15.5: Bewertung der Ausfallschwere 15.3 Bewertungen Die Bewertungen nach Tabelle 15.2 lassen sich ausführen, indem Stufen (ganzzahlige Klassierun‐ gen) nach den in diesem Abschnitt zusammengefassten Kriterien ermittelt werden. Wie schon bei der FMEA erfolgen die Bewertungen nach einem semi-quantitativen Verfahren, das heißt, einer verbalen (qualitativen) Einstufung werden ganzzahlige Bewertungszahlen zugeordnet (die sich dann auch einfach multiplizieren lassen). In der Folge werden die einzelnen Bewertungen näher umrissen und definiert. 15.3.1 Erkennungswahrscheinlichkeit (DET) Die Erkennungswahrscheinlichkeit wird in 5 Stufen nach Tabelle 15.4 geschätzt. Damit soll die Erkennbarkeit eines Fehlermode bewertet werden, unabhängig von seiner Diagnose- und Prognosegenauigkeit. 15.3.2 Schwere des Ausfalls (SEV) Die Schwere des Ausfalls wird in 4 Stufen nach Tabelle 15.5 geschätzt. Die Schäden an der Umgebung schließen Gefahr für Leib und Leben ein. Bei dieser Bewertung der Ausfallschwere sollten die Ergebnisse der zugehörigen FMEA berücksichtigt werden. 15.3.3 Vertrauensniveau der Diagnose (DGN) Die erwartete Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose wird bei der FSMA in 5 Stufen nach Tabelle 15.6 bewertet. 819 15.3 Bewertungen Stufe Wahrscheinlichkeit einer zutreffenden Diagnose 1 Entfernte Wahrscheinlichkeit 2 Geringe Wahrscheinlichkeit 3 Gewisse Wahrscheinlichkeit 4 Hohe Wahrscheinlichkeit 5 Sicherheit Tabelle 15.6: Bewertung des Vertrauensniveaus der Diagnose Stufe Wahrscheinlichkeit einer zutreffenden Prognose 1 Entfernte Wahrscheinlichkeit 2 Geringe Wahrscheinlichkeit 3 Gewisse Wahrscheinlichkeit 4 Hohe Wahrscheinlichkeit 5 Sicherheit Tabelle 15.7: Bewertung des Vertrauensniveaus der Prognose 15.3.4 Vertrauensniveau der Prognose (PGN) Die zu erwartende Genauigkeit der Prognose wird in 5 Stufen nach Tabelle 15.7 bewertet. 15.3.5 Monitoring-Prioritätszahl MPN Die resultierende Bewertungszahl, die sogenannte Monitoring-Prioritätszahl MPN, erhält man als Produkt der vorhergehenden Einzelbewertungen. Ein hoher MPN-Wert zeigt eine gute und technisch sinnvolle Eignung des projektierten Verfahrens. Ein niedriger Wert bedeutet, dass ein niedriges Vertrauensniveau für Erkennung, Diagnose oder Prognose vorliegt. Das muss jedoch keinesfalls bedeuten, dass eine Zustandsüberwachung nicht erforderlich ist. So kann es in einzelnen Anwendungen passieren, dass infolge einer niedrigen Erkennbarkeit trotz hoher Ausfallschwere nur ein niedriger MPN-Wert berechnet wird. Dies weist dann lediglich auf die mangelnde Eignung des Überwachungsverfahrens hin - man sollte nach Alternativen suchen. 820 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Betriebsgrößen Mechanisch Elektrisch Tribologisch Systemleistung Wirkungsgrad Temperatur Druck Fördermenge Schwingweg Schwinggeschwindigkeit Beschleunigung Ultraschall Luftschall Strom Spannung Widerstand Induktivität Kapazität Teilentladung Schmierstoffanalyse Partikelzahl Partikelgröße Tabelle 15.8: Beispiele für Messwerte und Parameter als Basis einer Zustandsdiagnostik In der Regel wird man die ermittelten Monitoring-Prioritätszahlen nutzen, um eine Rangfolge hinsichtlich der Eignung von Verfahren und Deskriptoren für das entsprechende Zustandsüber‐ wachungsprojekt abzuleiten. Als Kriterien für die Auswahl sollten unterstützend zusätzlich die folgenden Aspekte berücksichtigt werden: ● Das Sicherheitsrisiko eines Fehlermode ● Die erwartete Verschlechterungsrate ● Die mittlere Zeit zwischen den Ausfällen (MTBF) ● Sekundäre Fehlermoden (durch die aktuelle verursacht) ● Potenzielle Kollateralschäden bei Ausfall ● Erforderliche Vorlaufzeit für Maßnahmen (Instandhaltung) ● Verfügbarkeit von Ersatzteilen ● Erforderliche oder vereinbarte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Anmerkung: Aus dieser so berechneten Monitoring-Prioritätszahl MPN lassen sich keines‐ falls Risikoprioritätszahlen RPZ ableiten und weiterverarbeiten, wie man sie bei der FMEA nutzt. Die FMEA liefert mit der RPZ zumeist Bewertungen bezogen auf den Fehler, die MPN betont die Eignung eines bestimmten Diagnoseverfahrens oder bestimmten Deskriptors. 15.4 Zustandsbeschreibung 15.4.1 Messwerte Die Messwerte der Zustands- und Prozessüberwachung sind im Allgemeinen auch für die Diagnostik geeignet. Für Zustandsdiagnosen und Zustandsanalysen werden aus den Messwerten bevorzugt Deskriptoren gebildet, die gegenüber Rohdaten eine höhere Selektivität aufweisen. 15.4.2 Deskriptoren (Merkmale) Deskriptoren oder Merkmale sind einfache Zahlenwerte, entweder direkte Messwerte oder daraus abgeleitete Parameter, zusammen mit einem Zeitstempel. Zur Zustandsüberwachung werden Deskriptoren vorwiegend von Schwingungen abgeleitet. Schwingungsbasierte Deskriptoren kön‐ nen sich auch auf ausgewählte Zeitfenster beschränken, auf definierte Frequenzbereiche oder auf Ergebnisse anderer Signalverarbeitungsmethoden beziehen. Je selektiver die Deskriptoren sind, desto sensibler sind auch die Symptome. Möglichst zu vermeiden sind redundante Deskriptoren, da sie nur den Aufwand erhöhen, ohne Steigerung von Genauigkeit und Zuverlässigkeit. 821 15.4 Zustandsbeschreibung Beispiele für Deskriptoren sind: ● Die Amplitude der ersten Harmonischen als Indikator für Unwucht. ● Der BSO-Wert als Indikator für einen Wälzlagerschaden. ● Die Lagertemperatur (bei der Überwachung eines Lagers). 15.4.3 Symptome Ein Symptom ist ein bestimmtes, und zwar fehlerbedingtes Verhalten eines Deskriptors. Beispiele sind: ● Zeitverhalten eines Deskriptors ○ kontinuierliche Veränderung - Anstieg/ Abnahme - zeitlicher Verlauf der Änderung (Zeitkonstante) ○ sprunghafte Veränderung - Anstieg/ Abfall ● Vorhandensein oder Fehlen eines Deskriptors ● Betriebsbedingungen für das Auftreten eines Deskriptors ● korrelative Symptome Bei der Auswahl von Symptomen sollte möglichst auf statistische Unabhängigkeit geachtet wer‐ den, da bei der Bewertung abhängiger Symptome die Information trotz steigender Datenmenge nicht ansteigt. 15.4.4 Betriebsparameter Für die Bewertung von Symptomen spielen bestimmte Betriebsparameter eine wichtige Rolle. Das gilt vor allem für Vergleiche und Trendanalysen. Betriebsparameter können jedoch auch direkt als Deskriptoren herangezogen werden. Dabei ist streng zwischen zwei Fällen zu unterscheiden: ● Der Betriebsparameter als Deskriptor ist ein Ausgangswert mit Referenzwert (Normalzu‐ stand), zum Beispiel der Wirkungsgrad - er beschreibt also ein Symptom. ● Der Betriebsparameter ist ein Eingangswert zur Charakterisierung des Betriebszustands (Sicherstellen vergleichbarer Bedingungen) - er ist jedoch kein Symptom. 15.4.5 Fehlermoden Aus den Symptomen wird ein Fehlermode durch eine Fehlerhypothese festgestellt. Über korrela‐ tive, verstärkende Symptome können die Vertrauensniveaus von Diagnose und Prognose erhöht werden. Andererseits kann durch nicht bestätigte, aber erforderliche Symptome oder durch ausschließende Symptome eine Fehlerhypothese auch verworfen werden. Ein Fehler wird definiert durch die Art der Schädigung sowie quantifiziert durch die Angabe der Fehlerschwere. 822 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) 64 Computerized Maintenance Management System 15.4.6 Maschinendaten Für eine Zustandsdiagnose sind umfassendes Wissen über die Maschine und oft die Kenntnis bestimmter Maschinendaten erforderlich, was bereits Thematik der früheren Abschnitte dieses Buches war, insbesondere Abschnitt 5, Fehleranalyse und Abschnitt 7, Anlagenkenntnisse. 15.5 Maschinenhistorie Sowohl in der Entwurfsphase als auch in der Nutzungsphase von Zustandsüberwachungsprojek‐ ten sind Informationen aus dem Maschinentagebuch oder besser aus dem CMMS 64 zur Nutzungs-, Alarm-, Wartungs-, Fehler- und Instandsetzungshistorien heranzuziehen. Diese dokumentierten Sachverhalte können oder vielmehr sollten bei Diagnosen und Prognosen grundsätzlich berück‐ sichtigt werden. Als Bestandteil des Instandhaltungsmanagements ist daher ein Maschinentagebuch zu führen mit folgenden Inhalten ● Betriebshistorie ● Wartungs- und Instandsetzungshistorie ● Fehlerhistorie Die Betriebshistorie kann zur Verbesserung und Optimierung des Instandhaltungsmanagements dienen und ist auch Basis für den Vergleich mit anderen Maschinen (in beiden Richtungen). Das heißt, sie kann später bei neuen Maschinen als Referenz und Starthilfe dienen. Die Wartungs- und Instandhaltungshistorie ist wichtig, da Fehler auch während einer Repara‐ tur oder Überholung eingebracht werden können, was damit nachvollziehbar wird. 15.6 Diagnose- und Prognosekonzepte Umfassende Diagnosekonzepte basieren auf zwei grundsätzlichen Strategien, nämlich ● datenbasierte Verfahren sowie ● wissensbasierte Verfahren. Da Diagnosen und Prognosen zumeist auf dem umfassenden Beurteilen von Symptomen auf‐ gebaut sind, werden auch kombinierte Verfahren eingesetzt. Man spricht dann von hybriden Verfahren. In Tabelle 15.9 und Bild 15.2 wird dazu zunächst ein Überblick gegeben, bevor auf die einzelnen Strategien näher eingegangen wird. 823 15.5 Maschinenhistorie Verfahren Beispiele Datenbasiert kein tieferes Wissen über die Fehlerentstehung erforderlich Lernphase auf Basis bekannter Fehler notwendig Mustererkennung Trendanalyse Statistik Black Box* Wissensbasiert Explizite Darstellung von Symptomen und Fehlerverhalten Modell des korrekten Systemverhaltens Fehlermodell physikalische Modelle parametrisches Modell White Box* Hybrid kombiniertes Verfahren Abweichung - datenbasiert Bewertung - modellbasiert * Eine Black Box ist in der Systemtheorie eine Komponente, welche nur den Zusammenhang zwischen Eingang und Ausgang ohne Bezugnahme auf die innere Struktur beschreibt. Im Gegensatz dazu ist die White Box eine kausale Darstellung der inneren Zusammenhänge, im gegebenen Fall ein physikalisches oder technisches Modell. Tabelle 15.9: Grundsätzliche Verfahren der Diagnostik Bild 15.2: Verfahren der FMSA-orientierten Diagnostik 824 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) 15.6.1 Datenbasierte Verfahren Verfahren dieser Kategorie beruhen auf der Verwendung statistischer Modelle aus historischen Daten für die Klassifizierung von verschiedenen Zuständen einer Maschine oder einer Anlage wie zum Beispiel ● Normalbetrieb, ● Fehler 1, ● Fehler 2 usw. Das Modell beruht auf dem Erlernen bekannter Datensätze für jeden Zustand. Einmal trainiert, ist das System zur Klassifizierung neuer Daten bereit. In der Lernphase müssen allerdings für jeden Musterfall entsprechende, statistisch relevante Daten zur Verfügung stehen. Verglichen mit wissensbasierten Verfahren haben datenbasierte den Vorteil, dass kein tieferes Wissen über das zu diagnostizierende System erforderlich ist. Außerdem gibt es keine Einschrän‐ kungen in Bezug auf das Format der unabhängigen Variablen. Beispiele für Datenformate sind ● kontinuierlich (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit), ● kategorisch (Normalzustand, Maximalleistung, Hochfahren), ● dichotom (Ein/ Aus). Nachteil bei datenbasierten Verfahren sind, dass ● Lern- und Kalibrierphasen mit bekannten Daten über Normalzustand und Fehlerzustände notwendig sind sowie ● im Allgemeinen keine explikative Diagnose erfolgen kann. Zu den datenbasierten Verfahren zählen neben statistischen Datenanalysen und fallbasierten Schlussfolgerungen die Verfahren der multivariaten Analyse. Häufig eingesetzt werden hier ● Künstliche Neuronale Netze (KNN), ● Klassifikationsbäume (FTA), ● Random Forest Klassifikation (RF), ● Logistische Regression (LR) und ● Stützvektor-Maschine (SVM). Solche Verfahren werden in Abschnitt 16 noch ausführlich behandelt. Anmerkung: Die Beurteilung der Schwingstärke nach DIN ISO 20816 könnte in diesem Kontext auch als datenbasiertes Verfahren eingestuft werden. 15.6.2 Wissensbasierte Verfahren Wie schon der Name sagt, beruhen Verfahren dieser Art auf der Anwendung von Fehler-Symptom-Beziehungen, auf profundem Fachwissen über Fehlerentstehung und Fehlerausbreitung oder auf physikalischen Modellansätzen. Im ersten Fall spricht man meist von Expertensystemen, die auf einschlägigem Erfahrungswissen aufbauen (WENN/ DANN-Entscheidungen) und per definitionem für jeden Schritt auf Anforderung eine Erklärung liefern müssen. Im zweiten Fall, dem profunden Fachwissen, spricht man meist von Bewegungsgleichungen oder anderen, naturwissenschaftlich basierten Zustandsgleichungen, die Fehleraussagen absolut, also ohne Referenzmessungen, liefern (zum Beispiel unzureichende Induktivität ↔ Windungsschluss). 825 15.6 Diagnose- und Prognosekonzepte 15.6.2.1 Fehler-Symptom-Diagnose Dieses Verfahren wertet bekannte Fehler-Symptom-Beziehungen aus und ist als assoziatives Wissensmodell bekannt. Die Diagnose ist das Ergebnis verschiedener Aufgaben, die jeweils einen bestimmten Aspekt betreffen. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass für jeden Fehler eine Gruppe bekannter Symptome auftritt. Tritt eine Anomalie auf, werden Fehlerhypothesen erstellt, wobei für jeden Fehler ausgewertet wird, ob erforderliche Symptome vorhanden sind und verstärkende Symptome auftreten. Auf Basis der Symptome werden Fehlerhypothesen nach folgenden Prinzipien aufgestellt: 1. Zuerst werden alle Symptome untersucht, die erforderlich sind, das heißt, die vorhanden sein müssen, um eine bestimmte Fehlerhypothese aufzustellen. 2. Werden alle erforderlichen Symptome bestätigt, so ist auch die Fehlerhypothese bestätigt. 3. Wird mindestens ein erforderliches Symptom verworfen, so ist auch die Fehlerhypothese verworfen. 4. Sind alle erforderlichen Symptome bestätigt, werden zusätzlich noch verstärkende Symptome bewertet. Verstärkende Symptome müssen nicht zwingend, können aber oft sogar typischerweise auftreten. Werden verstärkende Symptome nicht bestätigt, dann muss deshalb die Fehlerhypothese nicht verworfen werden. Werden verstärkende Symptome bestätigt, wird das Vertrauensniveau der Hypothese erhöht. 15.6.2.2 Ursachenbaum-Diagnose Ist ein profundes Fachwissen über die Fehlerentstehung und -ausbreitung vorhanden, kann eine einfache Fehler-Symptom-Betrachtung durch eine Ursachenbaum-Diagnose erweitert werden. Ein allgemeiner Ursachenbaum ist in Bild 15.3 dargestellt. Er zeigt ● Beziehungen zwischen den Fehlermoden, ● das Auslösen von Fehlermoden durch Grundursachen, ● das Auslösen oder Beeinflussen von Fehlermoden durch eine andere sowie ● zeitliche und statistische Relationen. Die Ursachenbaum-Analyse ist ein Verfahren zur Ermittlung der Grundursache (Root Cause Failure), ausgehend von einer vorhandenen Anzahl an Fehlermoden. Ein Diagramm mit der Ursachenbaum-Analyse wird normalerweise aus einer rückblickenden Sicht verwendet, um den Zusammenhang zwischen Fehlermoden im Sinne von verursacht durch oder initiiert durch oder beeinflusst durch zu ermitteln. Die Verknüpfungen lassen sich vielfach zusätzlich charakterisieren durch ● Verzögerungswerte für einen zeitlichen Versatz zwischen Ursache und Wirkung sowie ● Wahrscheinlichkeiten für eine bestimmte Wirkung der Ursache. Knotenreinheit ist erreicht, sobald man auf einen Knoten trifft, der nur durch einen einzigen Zustand (im konkreten Fall ein Symptom) definiert ist. Das Ziel der Analyse ist damit erreicht. 826 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Bild 15.3: Ursachenbaum Diese Diagnosemodelle basieren direkt auf dokumentiertem Expertenwissen über Fehler. Im ersten Schritt ist festzustellen, ob dieses Expertenwissen vorhanden ist und welche Experten kon‐ sultiert werden sollten, bevor mit diesen zusammen das Expertenwissen gesammelt, formalisiert und bestätigt wird. Für solche Diagnosemodelle ist ausführliches Wissen über Fehlerentstehung, Fehlermoden und Fehlerverhalten erforderlich. Derartige Informationen kann man in FMEA-Un‐ tersuchungen finden. Die Beziehungen zwischen Fehlern sind visuell darzustellen. Eine Diagnose sollte explikativ sein, das heißt, die festgestellten Fehler erklären die Beobachtungen. Als Beispiel ist in Bild 15.4 das Spalling in einem Wälzlager als Ursachenbaum modelliert. 827 15.6 Diagnose- und Prognosekonzepte Bild 15.4: Ursachenbaum für Spalling in einem Wälzlager 15.6.2.3 Weitere statistische Verfahren Die vorwiegend verwendeten statistischen Methoden werden in Abschnitt 16 vorgestellt. 15.6.2.4 First-Principle-Modelle First-Principle-Modelle, auch White-Box-Modelle genannt, lassen sich direkt aus bekannten, im konkreten Fall physikalischen Prinzipien ableiten. Es sind parametrische Modelle eines einwandfrei funktionierenden Systems, zum Beispiel als mechanisches MKS-Modell oder als gekoppeltes mechatronisches Netzwerk mit diskreten Komponenten (Massen, Federn, Dämpfun‐ gen, Induktivitäten, Widerstände, Kapazitäten & elektrisch-mechanische Kopplung). Ein anderes einschlägiges Beispiel sind die Schwingungsgleichungen von Rotoren. Modelle dieser Art können qualitative und quantitative Daten über das erwartete physikalische Verhalten darstellen. Für das Modell ist zunächst ein Lösungsalgorithmus zu entwickeln. Zur Diagnose werden dann die Modellparameter so modifiziert, dass die Lösung der Modellgleichungen die Messergebnisse bestmöglich approximiert (Parameterschätzung). Aus den aktuellen Parameterwerten können dann Rückschlüsse auf Fehlermode und Fehlerschwere gezogen werden. Ein Referenzmodell ist dabei nicht erforderlich. Beispiel: Für ein mechatronisches Modell erhält man aus der Messung Schätzwerte für die Induktivität der Motorwicklung. Abweichungen vom Sollwert indizieren einen Windungs‐ schluss oder eine Unterbrechung. Mit diesem Diagnoseverfahren lassen sich fehlerhafte Komponenten im System direkt feststellen. Ein Modell des normalen Verhaltens bietet überdies die Möglichkeit, das gleiche Modell nicht 828 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Symptom Beschreibung Erforderlich Das Symptom ist für die jeweilige Hypothese zwingend erforderlich. Verstärkend Das Symptom verstärkt die Hypothese, ist jedoch dafür nicht zwingend. Ausschließend Das Symptom schließt die jeweilige Hypothese aus. Tabelle 15.10: Symptome als Basis einer Fehlerhypothese nur für die Diagnose und Prognose, sondern auch für die FMEA, für die Testgenerierung, für diagnostische Analysen usw. zu verwenden. Dieser Modelltyp ist geeignet, wenn das Betreiben der Anlage als eine Verknüpfung einfacher Übertragungsfunktionen beschrieben werden kann. Als nachteilig ist der oft hohe Aufwand für die erstmalige Einrichtung und insbesondere für die Modellierung zu sehen. Dieser Nachteil wird jedoch aufgewogen durch die Möglichkeit einfacher Modifikationen, sobald das Modell einmal erstellt ist. 15.6.3 Fehlerhypothesen Hat man eine vollständige Liste der mit dem eingesetzten Equipment erkennbaren Symptome entwickelt und zusammengestellt, sind entsprechende Fehlerhypothesen aufzustellen. Jeder Fehler wird in einem Set von Symptomen charakterisiert, die nach Tabelle 15.10 typisiert sind. Erforderliche Symptome müssen für eine bestimmte Fehlerhypothese zwingend vorhanden sein. Tritt auch nur eines dieser Symptome nicht auf, ist die Hypothese zu verwerfen. Verstärkende Symptome bestätigen die Hypothese, müssen jedoch nicht zwingend auftreten; ein Fehlen bewirkt kein Verwerfen der Hypothese. Tritt ein ausschließendes Symptom auf, ist die Hypothese ebenfalls zu verwerfen. 15.6.4 Überwachungsstrategie mit FMSA (Definition von Modellen) Sind die Fehlersymptome bekannt und Fehlerhypothesen erstellt, ist eine Überwachungsstrategie zu entwickeln, was in diesem Abschnitt behandelt wird. Dazu zählt auch die Berücksichtigung von Einflussgrößen. 15.6.4.1 Definition der Überwachungsstrategie Eine wirksame Überwachung erfordert die Definition von Diagnosemodellen auf Basis der ermittelten Deskriptoren. Des Weiteren sind Betriebsbedingungen zu definieren, für die eine Zustandsüberwachung aktiviert werden soll. Eine unscharfe Definition der Betriebsbedingungen kann die Performance der Überwachung stark beeinträchtigen. Gegebenenfalls ist dabei zu beachten, dass redundante Systeme wechselweise eingesetzt werden, was unter Umständen Einfluss auf die Messwerte haben kann. Für datenbasierte Verfahren sind zur Ermittlung von Grenzwerten Musterdaten für die verschiedenen Zustände erforderlich. Diese Musterdaten sind aufzuteilen in Testdaten und Validierungsdaten. Aus den Testdaten sind die entsprechenden Beurteilungsschwellen abzuleiten. Die Performance der Überwachung ist sodann mit den Validierungsdaten zu prüfen. Das System ist danach zur Überwachung bereit. 829 15.6 Diagnose- und Prognosekonzepte Eine Korrektur der Systemparameter aufgrund laufender Messdaten ist unzulässig, da es dadurch bei der Zustandsbeurteilung zu unabsehbaren Verzerrungen kommen kann. Als Musterdaten können auch simulierte Fehler der Messwertaufnehmer einbezogen werden, damit auch solche Fehler erkannt und klassifiziert bzw. angezeigt werden können. Da vor allem bei großen Anlagen eine Vielzahl von Messgrößen und damit Deskriptoren anfallen kann, empfiehlt sich eine Unterteilung in logische Untergruppen, die getrennt, jede für sich überwacht werden, zum Beispiel: ● Mechanische Größen (Schwingungen) ● Thermische Größen (Temperaturen) ● Elektrische Größen ● Tribologische Parameter Eine solche Unterteilung erhöht die Zuverlässigkeit der Zustandsüberwachung, da andernfalls nicht gruppenrelevante Deskriptoren die Sensitivität reduzieren könnten. Im nächsten Schritt ist zu entscheiden, welche Deskriptoren hinsichtlich Alarm ausgewählt werden. Eine Alarmauslösung ist nicht für alle Deskriptoren erforderlich oder überhaupt sinnvoll. Zur Überwachung wird man lediglich gruppenweise eine Auswahl von Symptomen treffen, sogenannte globale Symptome oder Makrosymptome. Die Überwachung wird sich dann zunächst auf diese beschränken. Im Alarmfall kann dann zunächst eine Liste von passenden kommenden Fehlerhypothesen erstellt werden, aus der durch Symptomanalyse der konkrete Fehlermode zu ermitteln ist. 15.6.4.2 Einflussgrößen Bei jeder Überwachung sind verschiedene Einflussgrößen zu berücksichtigen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang: ● Betriebsbedingungen ● Betriebsarten ● Instandhaltungsarbeiten ● Klimatischen Bedingungen ( Jahreszeiten) ● Alterung Was die Betriebsbedingungen betrifft, wurde schon eingangs erwähnt, dass die für eine Überwa‐ chung infrage kommenden Betriebsbedingungen schon in der Konzeptphase sorgfältig zu definie‐ ren und im Überwachungsbetrieb auch konsequent einzuhalten sind. Dazu müssen die entspre‐ chenden Parameter messtechnisch erfasst und dokumentiert werden. Sind die Deskriptoren stark abhängig von den Betriebsbedingungen, ist eine entsprechende klassierte Zustandsüberwachung zu installieren. Bild 15.5 veranschaulicht dies beispielhaft für zwei ausgewählte Betriebsklassen OS1 und OS2 bei der schwingungsbasierten Überwachung von Windenergieanlagen. 830 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Bild 15.5: Drehzahl/ Leistungskennfeld einer drehzahlvariablen WEA und DNV-GL konforme Betriebsklassen OS1 und OS2 Als Betriebsarten werden verschiedene Varianten identischer Betriebsbedingungen bezeichnet, die möglicherweise Einfluss auf die Messwerte haben. Dazu zählt zum Beispiel bei solchen Windenergieanlagen der Tag- und Nachtbetrieb in Regionen, wo Geräuschbeschränkungen existieren. Instandhaltungsarbeiten können Änderungen im System bewirken, die bis zur Notwendigkeit von erneutem Training und Modifikation von Grenzwerten führen. Auch saisonale Umweltbedingungen wie zum Beispiel jahreszeitliche Schwankungen (Tempe‐ ratur, Luftfeuchte etc.) oder Alterung von Komponenten und Einrichtungen können Zustandspa‐ rameter beeinflussen, die nicht als Fehler zu klassifizieren sind. 15.7 Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess Jede Messung, jede Auswertung ist natürlich immer mit zusätzlichen Fehlern (jetzt Messfehler) und Unsicherheiten behaftet, die jetzt, wo man sich mit ganzheitlichen Konzepten beschäftigt, zur Sprache kommen. Dort, wo die Unsicherheit nicht als Fehler oder Mangel auftritt, sondern 831 15.7 Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess eine Folge von statistischem Prozessverhalten ist, wird zur einschlägigen Betrachtung oft der Vertrauensbereich als statistischer Parameter vorgezogen. 15.7.1 Fehler und Unsicherheiten im Überwachungsprozess Das Vertrauensniveau von Diagnose und Prognose war bereits früher in die Bewertungen nach Abschnitt 15.3 eingeflossen. Hier soll ergänzend das Komplement betrachtet werden, die Unsicher‐ heiten bei Zustandsdiagnosen und Prognosen. Unsicherheit schließt in diesem Zusammenhang neben Störeinflüssen bei der Messung auch Fehler bei Diagnose und Prognose ein. Bei Diagnose- und Prognosefehlern muss man grundsätzlich unterscheiden zwischen subjekti‐ ven und objektiven Fehlern. Als subjektiv werden Fehler bezeichnet, die der Person zuzuschreiben sind (zum Beispiel mangelnde Sachkenntnis), objektive Fehler sind statistische und systematische Fehler im Diagnosesystem. Beide Fehlerarten können in jeder Stufe auftreten, bei der Zustands‐ erfassung und Kenngrößenbewertung, bei der Diagnose und bei der Restnutzungsdauerprognose. Die größten Unsicherheiten treten logischerweise bei Prognosen zur Restnutzungsdauer auf, weil über den Verlauf der Abnutzung einzelner Komponenten bis hin zur Schadensgrenze sowie über dessen Einfluss auf den Restnutzungsvorrat anderer Komponenten einfach zu wenig Kenntnisse vorliegen -theoretischer wie praktischer Art. Subjektive Diagnosefehler lassen sich weder verallgemeinern noch quantifizieren. Sie hängen von den Fertigkeiten, Fähigkeiten und auch von der Qualifizierung der zuständigen Personen ab. Hier sollte man zur Fehlerreduzierung eher darauf achten, dass verantwortliche Fachkräfte und Diagnosebeauftragte entsprechende Erfahrungen, Referenzen, am besten auch gültige Zertifizie‐ rungen zum Beispiel nach ISO 18436-2 vorweisen können. Ferner besteht die Möglichkeit, dass in Schwingungsanalyse erfahrene Fachleute bei Zustandsdiagnosen subjektive Unsicherheiten über prozentuale Konfidenzangaben einschränken. Objektive Diagnosefehler könnte man quantifizieren, indem man sie einfach aufsummiert. Da sie aber im Diagnoseprozess niemals gleichzeitig, sondern immer nur einsatzspezifisch auftreten, müsste man sie bei jedem Problemfall neu gewichten, was zu keinen allgemeingültigen Aussagen über Diagnosefehler führen kann. Beschränkt man sich dagegen auf die ermittelten Ergebnisse von Condition Monitoring im Flotteneinsatz, lassen sich objektive Diagnosefehler und Trefferquoten sogar quantitativ auswerten. Auch hier ist zu unterscheiden, ob aufgetretene Diagnosefehler bei der messtechnischen Zustandserfassung, bei der Diagnose oder bei der Prognose entstanden sind oder ob sie in einer un‐ zureichenden System- und Infrastruktur begründet sind. So können neben Menschen, Methoden oder Material auch das Management, die Maschine und die Mitwelt Probleme verursachen, also Diagnosefehler begünstigen, wie nachfolgend in Anlehnung anhand eines Ishikawadiagramms nach Bild 15.6 erläutert wird. 832 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Bild 15.6: 6M-Ishikawadiagramm Die Punkte im Einzelnen: Mensch: Entsprechen Wissen und Erfahrung des Personals den Anforderungen? Sowohl bei der Parametrierung wie auch bei Bedienung, Nutzung und Grenzwertpflege des CMS können menschliche Fehler auftreten, die bis hin zur Fehlfunktion des CMS führen. Intensives Training, regelmäßige Schulungen und überhaupt eine enge und vertrauensvolle Zu‐ sammenarbeit mit dem CMS-Hersteller sind präventive Vorgehensweisen, um diese menschlichen Fehlereinflüsse zu reduzieren. Management: Unterstützt das Management präventiv die Diagnostikprojekte? Werden Diagnoseprojekte in einem Unternehmen nur als nebensächliche Insellösung ange‐ sehen, werden mögliche Diagnosefähigkeiten nicht ausgeschöpft - das Fehlerrisiko steigt. Von Seiten des Managements kann dieses Risiko reduziert werden, indem RCM und Reliabi‐ lity-Programme zur gelebten Unternehmenskultur erhoben werden. Diagnostikprojekte, gestellte Diagnosen und erstellte und vor allem erfolgreiche Prognosen sollten regelmäßig, am besten auf Basis von prospektiven KPIs konzipiert und über retrospektive KPIs kontrolliert werden. Material: Entspricht die eingesetzte Messtechnik dem Stand der Technik? Die angewendeten Überwachungstechniken sollten nicht nur aus einer heterogenen Anhäu‐ fung lokaler und ausschließlich hardwaregestützter Systeme bestehen. Softwarebasierte und vor allem vernetzte CMS ergeben eine wesentlich gesteigerte Performance, erfassen weit mehr Datenmaterial, liefern systematisch gezielte Prognosen und reduzieren deutlich das Risiko von Fehldiagnosen. Mitwelt: Werden Informationen aus der Mitwelt und an die Mitwelt zeitnah übermittelt? Cloudgestützte und vernetzte Infrastrukturen sowie SaaS-Technologien ermöglichen einen übergreifenden und spontanen Informationsaustausch. Das verringert das Risiko von Diagnose‐ fehlern zum Beispiel durch Zeitverzug wegen zu spät übermittelter Handlungsempfehlungen oder wegen ausgeführter Prozessveränderungen. Methodik: Beherrschen die eingesetzten CMS alle wichtigen Methoden nach dem Stand des Wissens? Verwendet man CMS, die nur messen können und nicht in der Lage sind, funktionsentschei‐ dende Methoden wie zum Beispiel Resampling auszuführen, hat man an falscher Stelle „gespart“. Das Fehlerrisiko steigt dadurch nicht unbeträchtlich. 833 15.7 Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess 65 Einkoppeln von Rauschen auf das Nutzsignal. Maschine: Kennen wir die Maschine gut genug, um die Symptome kritischer Fehlermoden mit den richtigen Deskriptoren zu erfassen? Werden im Diagnoseprozess Besonderheiten beim Betrieb von Maschinen nur unzureichend berücksichtigt, steigt das Risiko für Diagnose- und Prognosefehler. Signifikante Prozessparameter sind unbedingt mit zu erfassen. Erforderlichenfalls sind spezifische Zustandsgrößen hinsichtlich ihrer Tendenz über mehrstufige Betriebsklassen auch klassenbezogen zu überwachen. 15.7.2 Unsicherheiten bei der Zustandserfassung Bei der Zustandserfassung können Unsicherheiten infolge von systematischen und zufälligen Fehlern auftreten. Systematische Fehler lassen sich technisch reduzieren, wenn regelmäßige und gleichmäßig wirkende störende Einflüsse beseitigt werden. Zufällige Fehler entstehen durch unregelmäßige Schwankungen der Messbedingungen und können oft schon durch gezielte Messanordnungen reduziert werden. Die Zustandserfassung ist abgeschlossen, wenn direkt gemessene oder indirekt ermittelte Zustandsgrößen erfasst sind. Typische Fehler bei der Zustandserfassung sind ● fehlerhafte Messungen (zum Beispiel durch falsche Einstellungen), ● unzulängliche Auswahl der Zustandsgrößen, ● unzureichende Messung von Zustandsgrößen, ● falsche Zuordnung von Messkanälen, ● Nichteinhalten von Parametrierungen, ● Nichteinhalten von Messbedingungen, ● Nichtberücksichtigen von technischen Anforderungen (Messen bei kalter Anlage). Besondere Sorgfalt ist bei unsicheren indirekten Messgrößen oder bei noch unbekannten Schä‐ digungsmerkmalen angebracht. Der Einfluss von Messunsicherheiten bleibt heutzutage bei moderner Messtechnik und bei sachgerechter Messwerterfassung in der Regel gering. So wurde etwa nach der Norm DIN SPEC 45660-2 für einfache Maschinenschwingungen am Gehäuse ermittelt, dass trotz Berücksichtigen von Einkopplungsabweichungen 65 und Messkettenabweichungen sich nur Unsicherheiten von 0, 14v eff ergaben. Bei Wellenschwingungsmessungen liegen diese Fehler bei 3 % vom Messwert zzgl. 1 % vom Messbereichs-Endwert. Dies bedeutet bei einem gewählten Messbereich von 200 µm einen Fehler von 2 µm plus von 1,2 µm bei einem Messwert von 40 µm, also insgesamt eine Unsicherheit von 3,2 µm. 15.7.3 Unsicherheiten bei der Kennwertbeurteilung Liegt ein Kennwert unterhalb oder oberhalb eines festen Grenzwerts, kann danach eine sichere Beurteilung hinsichtlich gut bzw. schlecht erfolgen. Bei einer statistischen Streuung der Messwerte erhält man aus der Verteilungsdichte eine quantitative Aussage über die Wahrscheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung, also eines Fehlers (siehe Bild 15.7, oberstes Diagramm). Die Konfidenz der Beurteilung wird repräsentiert durch den Vertrauensfaktor CV mit 0 ≤ CV ≤ 1. Im Bild sind die Verhältnisse für eine Normalverteilung dargestellt. Die Unsicherheit der Fehlerdiagnose wird durch den Komplementärwert (1 - CV) quantifiziert. 834 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Unterliegen auch die Alarmwerte einer Normalverteilung, lassen sich ebenfalls resultierende Unsicherheiten bei der Kennwertbeurteilung bestimmen. Die Verhältnisse sind in Bild 15.7 im mittleren Diagramm dargestellt. Man erhält einen Vertrauensfaktor und damit eine Unsicherheit der Beurteilung entsprechend der Überlappung der beiden Dichtefunktionen. Anmerkung: Eine Situation dieser Art liegt vor, wenn ein akustisches Ereignis in einem (stochastischen) Hintergrundgeräusch detektiert werden soll. Sind zusätzlich noch die Basiswerte stochastische Größen, ergeben sich zwei Vertrauenswerte für Alarm (rosa, unteres Diagramm) und Fehlalarm (grün) und damit die entsprechenden Unsicherheiten als Komplemente bezüglich eins. Bild 15.7: Fehlerbetrachtung bei festen und streuenden Kennwerten Im Fall stochastischer Messwerte ist auf Basis der Unsicherheiten ein Klassifikator festzulegen, der eine dichotome Entscheidung hinsichtlich Alarm/ Fehlalarm trifft. Die Positionierung des Klassifikators hängt von den jeweiligen Gegebenheiten ab, wie in den folgenden Beispielen erläutert. Beispiel 1: Entscheidung über Abschalten einer Anlage In erster Linie eine Frage von Kosten oder wirtschaftlichem Risiko. Bei Fehlabschaltung droht möglicherweise der Verlust eines laufenden Auftrags mit nachfolgender Insolvenz, im Fall eines unkontrollierten Ausfalls treten Zusatzkosten durch Kollateralschäden auf. Die jetzt absehbaren Risiken sind gegeneinander abzuwägen. 835 15.7 Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess 66 Receiver Operating Characteristics - die Bezeichnung stammt aus der Sonartechnik. Beispiel 2: Vermeiden von Fehlalarm Bei Offshore-Windenergieanlagen stellen Fehlalarme ein unverhältnismäßig hohes Kostenri‐ siko dar. Sie sollten daher vermieden werden, der Klassifikator ist entsprechend hoch zu setzen. Wie die Beispiele zeigen, können in die Bewertung durchaus wirtschaftliche Aspekte als maßge‐ bend einfließen. Es besteht sogar die Möglichkeit, wirtschaftliche Gesichtspunkte als zusätzliches Symptom einzubringen. Eine Bewertung der Analysestrategie bzw. des eingesetzten Analysesystems kann nach diesen Gesichtspunkten über die ROC-Kurven 66 erfolgen. Voraussetzung für eine optimale Kenngrößenbewertung ist in jedem Fall eine sorgfältige Definition der Grenzwertsituation bereits vor Nutzungsbeginn des jeweiligen technischen Assets. 15.7.4 Unsicherheiten bei der Zustandsbeurteilung Bei der Zustandsbeurteilung können Fehler aus unterschiedlichen Ursachen entstehen: ● Bei der Messwert-Nachverarbeitung ● Bei der Beurteilung des aktuellen Zustands ● Bei der Beurteilung der aktuellen Kritikalität ● Beim Festlegen von Handlungsempfehlungen Während zu früheren Zeiten Fehler bei der Messwertnachverarbeitung besonders signifikant waren, hat sich dieser Einfluss durch den Einsatz softwaregestützter CMS stark verringert. Moderne Edge-basierte Systeme sorgen zu einer weiteren Reduktion von Fehlereinflüssen bei der Messwertverarbeitung, da diese gleich vor Ort automatisch erfolgen kann. Bei der Zustandsbeurteilung und Kritikalität lassen sich Unsicherheiten nicht so einfach vermindern. Diese Beurteilungen hängen stark von der Betriebsweise der jeweiligen Maschine, von den verwendeten Diagnosemethoden und auch vom zuständigen Diagnosepersonal ab. Zustandsbeurteilungen sollten deshalb grundsätzlich zeitlich begrenzt erfolgen und sich auf vereinbarte Grenzwerte beschränken. Zusätzlich sollte ein eindeutiges Zeitsystem für Nutzungs‐ zeiten, Wartungszeiten und Reaktionszeiten definiert sein. Zu erreichende Verfügbarkeiten und Zuverlässigkeiten sind vorab zu vereinbaren, damit nachträgliche Diskussionen über drohende Haftungs- und Gewährleistungsansprüche schon im Vorfeld abgeklärt sind. Das Festlegen von Handlungsempfehlungen kann bezüglich Zeitpunkt, Umfang und Ausfüh‐ rung ebenfalls fehleranfällig sein, wenn nicht vergleichbare Erfahrungen zu den betrachteten Symptomen vorliegen. Fehlen dann noch Informationen zur betrieblichen Nutzung oder zur Vorgeschichte des zu beurteilenden technischen Assets, steigt die Fehleranfälligkeit bei der Zustandsbeurteilung weiter an. Erschwerend ist außerdem, dass nicht nur die einzelnen Kompo‐ nenten zu beurteilen, sondern die Auswirkungen auf das gesamte Asset zu berücksichtigen sind. 15.7.5 Unsicherheiten bei der Restnutzungsdauerprognose Will man Unsicherheiten bei der Restnutzungsdauerprognose abschätzen, müssen sämtliche Fehlermöglichkeiten, Schädigungsmechanismen, Einflussfaktoren und auch die Ausgangsdaten umfassend und systematisch einbezogen werden. Diese Informationen liegen nur selten vollständig vor. Außerdem ist für Einzelanlagen zu bezweifeln, ob derartige Betrachtungen überhaupt sinnvoll 836 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) sind. Zielführender ist es in solchen Fällen, FMEA-basierte Risiko- und Gefährdungsanalysen auszuführen und die erfassten Deskriptoren sorgfältig für zukünftige Prognosen zu archivieren. Anders stellt sich die Situation beim Flottenmanagement dar. Hier bekommt man bei syste‐ matischer Daten- und Informationsverarbeitung Möglichkeiten an die Hand, Diagnose- und Prognoseunsicherheiten rechnerisch abzuschätzen. Man muss dabei allerdings von eindeutigen Anlageninformationen ausgehen. So können bereits kleine konstruktive Unterschiede in Gene‐ ratoren oder Getrieben die Restnutzungsdauer stark beeinflussen. Bild 15.7 veranschaulicht, wie unterschiedlich schnell Deskriptoren sich verändern können, obwohl mit ähnlichen Methoden überwacht wurde. Ein mathematisches Ableiten von Restnutzungsdauern allein aus dem zeitli‐ chen Trendverhalten wäre in solchen Anwendungen ebenfalls stark fehlerbehaftet. Bild 15.8: Schadensbedingte Trendanstiege über Wochen oder über Tage Prognoseverfahren erfordern eindeutige Annahmen, die schon bei der Auslegung und bei Lebensdauerbetrachtungen mit der Realität übereinstimmen müssen. Besondere Unsicherheiten entstehen hier, wenn einzelne Überlasten den Werkstoff vorzeitig ermüden oder etwa Wasser‐ stoffeinschlüsse im hochlegierten Material zum plötzlichen Sprödbruch einer Welle führen. Die Unsicherheiten vergrößern sich weiter, wenn sich Anwendungs- und Abnutzungsbedingungen ohne Weitergabe entsprechender Informationen geändert haben. Eine gute Zustandserfassung erfordert deshalb auch das exakte Erfassen der Nutzungsdauern und Nutzungsbeanspruchungen der zu überwachenden Objekte. Auf dem Kransektor hatte man dies schon frühzeitig erkannt und Lastspielzähler eingeführt, sodass Kransachverständige in der Lage sind, die Nutzungshistorie des zu beurteilenden Kranes zu berücksichtigen. Bei Windenergieanlagen sind derzeit diejenigen Anwender im Vorteil, die Beanspruchungen über die Betriebsdauer schlüssig nachweisen können, um Genehmigungen zum längeren Betreiben ihrer WEA von den Behörden zu erhalten. 837 15.7 Vertrauensniveau und Unsicherheiten im Diagnoseprozess 15.8 KPI-basiertes Condition Monitoring Schon an anderer Stelle wurde auf den KPI als weit verbreitete Bewertungsmöglichkeit für die Performance hingewiesen. Beim Flottenmonitoring ist diese Bewertung besonders zielführend, da eine Vielzahl von gleichartigen Anlagen auch vergleichbar überwacht wird. So stand man zur Jahrtausendwende in der Windbranche vor der Situation, dass relativ viele Schäden an Triebstrangkomponenten aufgetreten sind. Entsprechende Maßnahmen führten nicht nur zur Verbesserung der betroffenen Getriebe, es fand in der Folge auch ein verbreiterter Einsatz von Condition Monitoring Systemen statt. Später wurden in der Windbranche aus Kostengründen mehrfach Nutzwertanalysen erstellt, um so auf Basis von KPIs über die Sinnhaftigkeit und Notwendigkeit von Condition Monitoring entscheiden zu können. Ergebnis derartiger Analysen war unter anderem, dass mittlerweile alle führenden Hersteller von Windenergieanlagen und auch alle führenden Betreibergesellschaften das schwingungstechnische Überwachen von WEA zur eigenen Kernkompetenz entwickelt haben. Besonders bewährt haben sich zur Performanceeinschätzung verschiedene prospektive und retrospektive KPIs. Retrospektive KPIs ermöglichen Aussagen zur Treffsicherheit der ausge‐ wählten Symptome oder des gesamten Zustandsüberwachungsprojektes. Prospektive KPIs sind vor allem wertvoll für datengetriebenes Monitoring, wenn Schwingungskennwerte nicht nur nach genormtem oder allgemein empfohlenem Grenzwert beurteilt, sondern mit klassifizierten und gewichteten Grenzwerten diagnostisch bewertet werden können (siehe Bild 15.9). Bild 15.9: Ableiten von maschinenspezifischen und zustandsbezogenen KPIs Beim Flottenmonitoring erzielt man auf diesem Weg den besonderen Vorteil, dass Anlagen mit auffälligem Schwingungsverhalten innerhalb der Flotte einfach zu identifizieren sind (mittels datengetriebener Überwachung) und anschließend schwingungsdiagnostisch im Detail überprüft werden können (durch wissensbasierte Diagnose). Wie diese Vorgehensweise beim automatischen, KPI-basierten Monitoring in der Flotte installiert wurde, ist in Bild 15.10 veranschaulicht. 838 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Bild 15.10: Vorgangsweise beim kennzahlenbasierten Flottenmonitoring Zur Diagnose bekommt man zunächst die Information, in welchem Windpark bei welcher WEA ein erhöhter KPI-Wert aufscheint (Ebene Flotte). In der zugehörigen Sterngrafik (Ebene Maschine) wird die Information geliefert, an welchen Teilkomponenten erhöhte KPIs erscheinen. Mit diesen Vorinformationen ist der gezielte Einstieg in die detaillierte Zustandsbeurteilung gegeben. 15.9 Dokumentation Tabelle 15.11 zeigt eine Vorlage für Diagnoseprotokolle einer FMSA-Prozedur. Alle die oben beschriebenen Schritte sind in diesem Protokoll festgehalten. Die Vorlage ist an der Norm DIN ISO 13379-1 orientiert. 839 15.9 Dokumentation DIAGNOSTIKPROTOKOLL (Blatt 1 von 3) Diagnose durchgeführt von Datum Kenndaten der Maschine Anomalie, die eine Diagnose veranlasst hat Bestätigte globale Symptome 1 2 3 4 Fehler #1 (am plausibelsten) Komponente Fehler, Name des Fehlermode Überprüfte erforderliche Symptome 1 2 3 Überprüfte verstärkende Symptome 1 2 3 Tabelle 15.11: Beispiel für ein Diagnoseprotokoll (aus DIN ISO 13379-1, Anhang E) 840 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) DIAGNOSTIKPROTOKOLL (Blatt 2 von 3) Fehler #2 (weniger plausibel) Komponente Fehler, Name des Fehlermode Bestätigte erforderliche Symptome 1 2 3 Bestätigte verstärkende Symptome 1 2 3 Ursache(n) der Fehlermoden oder Kernursache Fehlermode #1 Fehlermode #2 Maschinenhistorie Aufgetretene vergleichbare Fälle Kritikalität der Fehler Fehlermode #1 Fehlermode #2 Vertrauensniveau Fehlermode #1 Fehlermode #2 DIAGNOSTIKPROTOKOLL (Blatt 3von 3) Verworfene Fehlerhypothesen und nicht bestätigte erforderliche Symptome Vorgeschlagene Abhilfemaßnahmen Erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen, maximale Zeit bis zur Maßnahme Zwischenzeitlich geänderter Betrieb Erhaltene Rückmeldung: Empfehlung zur Fehlervermeidung Verfasser Unterschrift 841 15.9 Dokumentation 15.10 Einschlägige Normung Die FMSA hat wegen ihrer Bedeutung und Leistungsfähigkeit Eingang in die internationale Normung gefunden. Eine allgemeine, d. h. maschinenunabhängige, und sehr ausführliche Dar‐ stellung findet man in DIN ISO 13379-1. Speziell auf die datenbasierten Verfahren ist ISO 13379-2 fokussiert. Mit dem Schwerpunkt auf Schwingungen findet man ausführliche maschinenbezogene Anga‐ ben in den entsprechenden Teilen der Norm DIN ISO 13373. Ferner werden multivariate Verfahren in der Richtlinie VDI 4550 Blatt 3 behandelt. 842 15 Fehlermode- und Symptomanalyse (FMSA) Abschnitt K Multivariate Systeme ● Multivariate Analyse ● Performance ● KPI (16.1) 16 Multivariate Analyse 16.1 Die Performance eines Systems Multivariate Analysen zielen auf eine gemeinsame Bewertung mehrerer Kenngrößen ab. Ziel ist hier weniger die Überwachung der einzelnen Größen, sondern eine ganzheitliche Beurteilung, die Beurteilung der so genannten Performance des jeweiligen Assets. Grundsätzlich versteht man unter Performance die Fähigkeit eines Systems, die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Dabei kann es sich um die Performance der Maschine selbst handeln, zum Beispiel um ihren mechanischen Zustand stabil zu gewährleisten (Zustandsüberwachung). Oder Performance zielt auf die zu erbringende Produktionsleistung und Effizienz ab. Aber auch Qualitätsanforderungen an das Produkt einer Werkzeugmaschine können Ausdruck einer Performance sein. Ziel einer multivariaten Analyse ist also, kurz zusammengefasst, aus einem Kollektiv von Messwerten eine einzige Beurteilung, die Performance, abzuleiten und am besten über eine Kennzahl (Indikator) zu beschreiben. 16.1.1 Merkmale und Merkmalraum Im Kontext multivariater Systeme werden die Kenngrößen entsprechend dem in der mathe‐ matischen Statistik üblichen Sprachgebrauch als Merkmale oder Deskriptoren bezeichnet. In multivariaten Systemen werden diese Merkmale zu einem Kollektiv zusammengefasst. Beispiele für Merkmale sind: ● die abgegebene Systemleistung ● der breitbandige Schwingungspegel ● die Temperatur eines Lagers ● Pegel der drehfrequenten Komponente etc. Für weitere Betrachtungen fasst man eine Gruppe von N Merkmale q i zu einen Merkmalvektor q zusammen q = q 1 , q 2 …q N T Zur Darstellung konstruiert man einen N-dimensionalen mathematischen Raum, den sogenann‐ ten Merkmalraum, in welchem jedem Merkmal q i eine Dimension (Achse eines kartesischen Systems) zugeordnet ist. Dass hier den einzelnen Achsen unterschiedliche physikalische Dimen‐ sionen zukommen, schlägt sich in einer entsprechenden Metrik des Raumes nieder. Anmerkung: Man beachte in diesem Zusammenhang die doppeldeutige Verwendung des Begriffs Dimension. Eine Verwechslungsgefahr ist bei entsprechender Sorgfalt kaum gegeben bzw. wäre unkritisch. Bild 16.1 zeigt zur Veranschaulichung das Beispiel eines zweidimensionalen Merkmalraumes (N = 2). Bild 16.1: Zweidimensionaler Merkmalraum G Grundzustand, S i Zustandscluster Jeder Zustand des Systems wird durch einen Punkt im Merkmalraum entsprechend dem aktuellen Merkmalvektor q repräsentiert. Befindet sich das System im Grundzustand G, in dem also sämtliche Anforderungen an einen fehlerfreien Zustand erfüllt werden, so werden sich bei fortlaufender Messung die Punkte in einem Cluster häufen, einem ab‐ geschlossenen Bereich des Merkmalraumes (Bereich G in Bild 16.1). Für bestimmte Abwei‐ chungszustände, zum Beispiel Fehler, werden sich weitere Cluster ausbilden, wie in Bild 16.1 veranschaulicht (Bereiche S 1 bis S 3 ). Eine solche Situation wird den weiteren Betrach‐ tungen zunächst einmal zugrunde gelegt. Die durch die verschiedenen Cluster charakterisierten Zustände werden als Klassen bezeichnet. 16.1.2 Klassifikator Im Allgemeinen besteht die Aufgabe einer Diagnose darin, den aktuellen Zustand, charakterisiert durch den Merkmalvektor q, einer bestimmten Klasse zuzuordnen. Die Instanz, im konkreten Fall ein Algorithmus, der die Zustände klassifiziert, nennt man Klassifikator. Der Klassifikator strukturiert den Merkmalraum und weist jeder Zustandsklasse einen Platz darin zu. 16.2 Multivariate Strategien Dieser Abschnitt bringt einen Einblick über verschiedene Strategien multivariater Analysen mit einer verknüpften Auswertung mehrere Deskriptoren. Dabei werden die Kenngrößen grund‐ sätzlich als statistische Größen angesetzt. Die Auswertungen erfolgen nach den Verfahren der multivariaten Statistik. Die Verfahren basieren auf vielfältigen Ansätzen. Zunächst wird hier eine Übersicht zu den heute hauptsächlich gebräuchlichen Verfahren gegeben: ● Klassische Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen ○ Wahrscheinlichkeitsverteilungen ○ Regressionsanalysen ● Clusteranalyse ● Klassifikationstechniken ● Analyseverfahren ○ Nächster Nachbar ○ Neuronale Netze ○ Selbstorganisierende Karten (SOM) ○ Support Vector Maschine (SVM) 845 16.2 Multivariate Strategien 16.2.1 Wahrscheinlichkeitsbasierte Beurteilung Vielfach kann man davon ausgehen, dass statistisch schwankende Deskriptoren einer Gaußver‐ teilung folgen, siehe Bild 16.2. Diese Aussage erklärt sich aus dem zentralen Grenzwertsatz der Wahrscheinlichkeitstheorie. Naturgemäß treten bei den Merkmalen auch alternative Verteilungen auf, oft beschreibbar durch die in ihren Parametern flexible Weibull-Verteilung (siehe Abschnitt 0.21.1 Typ 1 - Statistische Verfahren). Den Ausführungen dieses Abschnitts wird aus Gründen der Anschaulichkeit weitgehend eine Gaußverteilung hinterlegt, sie sind natürlich in entsprechender Modifikation auch für andere Varianten gültig. Anmerkung: Andere symmetrische Wahrscheinlichkeitsverteilungen werden vielfach durch eine Gaußverteilung angenähert. Diese Thematik kommt später noch zur Sprache. Bild 16.2: Wahrscheinlichkeitsverteilungen eines Deskriptors Zunächst wird schon im Grundzustand eine Streuung der Messergebnisse mit einer Wahrschein‐ lichkeitsverteilung zu beobachten sein. Beim Condition Monitoring entspricht der Grundzustand dem fehlerfreien Systemzustand. Bei vom Grundzustand abweichendem aktuellen Zustand wird sich eine Verschiebung der Verteilungsfunktion p(x) ergeben. Eine erste Zustandsbeurteilung kann über die gemeinsam überdeckte Fläche der beiden Funktionen erfolgen. Sie ist im Idealfall (keine Abweichung - volle Überdeckung) gleich 1. Bei großen Abweichungen wird sie gegen null gehen. Der gemeinsame Flächeninhalt (entspricht der grau hinterlegten Fläche in Bild 16.2) kann als Konfidenzwert CV mit 0 ≤ CV ≤ 1 interpretiert werden. Im multivariaten System wird der Zustandsvektor einer mehrdimensionalen Gaußverteilung folgen, die Überdeckung bzw. Beurteilung wird dann durch ein mehrdimensionales Volumen repräsentiert. 846 16 Multivariate Analyse Bild 16.3: Sterndiagramm In multivariaten Systemen lassen sich die Wahrscheinlichkeitsdichten der Deskripto‐ ren auch als Sterndiagramm (oder Radardiagramm) der einzelnen Konfidenzwerte dar‐ stellen, siehe Bild 16.3. Für jeden Deskriptor wird darin ein Zentralstrahl aufgetragen, dem im Mittelpunkt der Wert 1 und an der Peri‐ pherie der Wert 0 zugeteilt wird. Die fehlerbe‐ haften Komponenten lassen sich aus solchen Sterndiagrammen schnell identifizieren und gut veranschaulichen. Kennt man neben dem Grundzustand auch die Wahrscheinlichkeitsverteilung für Fehler‐ zustände, kann eine sogenannte beaufsich‐ tigte Zustandsüberwachung erfolgen, indem die aktuellen Überdeckungen mit den zwei bekannten Verteilungen bewertet werden, siehe Bild 16.4 unten. Die Zustandsdiagnose stellt sich jetzt als Klassifizierung dar, wobei der Zustand wahlweise als Grundzustand (= fehlerfrei) oder als Fehler klassifiziert werden kann. Die im Bild grau hinterlegten Felder sind jetzt ein Maß für Fehlalarmwahrscheinlichkeit (dunkel) bzw. Fehlerwahrscheinlichkeit (hell). Bild 16.4: Unbeaufsichtigte und beaufsichtigte Überwachung Anmerkung: Besonders in der Beschreibung selbstlernender Systeme werden anstelle von unbeaufsichtigt und beaufsichtigt die Begriffe unüberwacht bzw. überwacht verwendet, also zum Beispiel überwachtes Lernen. Im Falle von Überwachungssystemen kann diese Nomenklatur allerdings verwirrend wirken. 847 16.2 Multivariate Strategien (16.2) 16.2.2 Wahrscheinlichkeitsverteilung In Abschnitt 16.2.1 wurde bereits der Ansatz eingeführt, dass Deskriptoren bzw. Kenngrößen im Allgemeinen statistischen Schwankungen unterworfen sind, wobei die Gaußverteilung oder Normalverteilung eine besondere Rolle spielt. Wegen ihrer Bedeutung soll diese Verteilung in diesem Abschnitt vertieft werden. Andere Verteilungen werden in diesem Dokument nicht behandelt, für sie stehen meist ähnliche Algorithmen zur Verfügung. Insbesondere werden symmetrische Verteilungen oft durch eine Nor‐ malverteilung angenähert, da sich die mathematische Behandlung dadurch beträchtlich vereinfacht. 16.2.2.1 Die Gaußverteilung Die Gaußverteilung oder Normalverteilung, siehe Bild 16.5, ist ein wichtiger Typ stetiger Wahr‐ scheinlichkeitsverteilungen. Die besondere Bedeutung beruht auf dem zentralen Grenzwertsatz, demzufolge Verteilungen, die durch Überlagerung einer großen Zahl unabhängiger Einflüsse entstehen, annähernd einer Gaußverteilung folgen. Bild 16.5: Wahrscheinlichkeitsdichte einer Normalverteilung Die Verteilungsdichte p(x) einer Normalverteilung folgt der Gleichung p x = 1 2πσ e − 12 x − μ σ 2 Darin bedeuten µ den Mittelwert und σ die Standardabweichung. Meistens wird anstelle der Standardabweichung die Varianz s 2 angegeben. 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 848 16 Multivariate Analyse (16.3) 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 16.2.2.2 Maximum Likelihood Methode Statistische Verteilungen realer Parameter werden nur näherungsweise normalverteilt auftreten, schon wegen des Definitionsbereichs der Verteilung, der sich theoretisch über den gesamten Bereich der reellen Zahlen erstreckt. Es ist daher aus den Messwerten als Näherung diejenige Normalverteilung zu finden, die die vorhandenen Ergebnisse möglichst genau beschreibt. Dazu dient die Maximum-Likelihood Methode. Dabei wird diejenige Normalverteilung bestimmt, die den vorhandenen Ergebnissen optimal entspricht. Vielfach werden auch andere symmetrische Verteilungen durch eine Normalverteilung ange‐ nähert, da sich die rechnerische Behandlung dadurch vereinfacht. Anmerkung: Die Schätzung von Struktur- oder Betriebsparametern zur Anpassung an Messergebnisse wird oft ebenfalls als Maximum Likelihood bezeichnet, zum Beispiel die Ermittlung des Drehzahlverlaufs aus einem Spektrogramm (ohne Drehzahlmessung) beim Hochlauf einer Maschine (siehe Gabor Ordertracking, Abschnitt 0.12.3). 16.2.2.3 Gaußsche Mischverteilung (GMM) Allgemeine Verteilungen können oft als Gaußsche Mischverteilung (engl. Gaussian Mixture Mode GMM) beschrieben werden. Dabei handelt es sich um eine Überlagerung mehrere Dichte‐ funktionen mit jeweils einer eigenen Gaußverteilung. f (x) = ∑ k a k f k (x) ∑ k a k = 1 Beispiel: Ein Fischer macht eine Bestandsaufnahme nach dem Abfischen seiner Teiche. Die Fische stammen aus zwei verschiedenen Teichen, wobei in jedem Teich das Gewicht der Fische normalverteilt mit dem Mittelwert µ und der Standardabweichung σ ist wie folgt: Teich 1 µ 1 = 400 g σ 1 = 70 g Anteil 40 % Teich 2 µ 2 = 600 g σ 2 = 90 g Anteil 60 % Die Schätzung der Parameter einer Mischverteilung, also der ihr zugrundeliegenden unimodula‐ ren Gaußverteilungen, erfolgt über den sogenannten EM-Algorithmus (Exspectation Maximiza‐ tion). Im Allgemeinen sind entgegen dem dargestellten Musterbeispiel die Anteile (im Beispiel 40 % bzw. 60 %) natürlich nicht im Vorhinein bekannt, sondern sollen erst ermittelt werden. Durch die Aufteilung erhält man aus der Verteilung eine entsprechende Anzahl von Deskriptoren. 849 16.2 Multivariate Strategien Bild 16.6: Gaußsche Mischverteilung 16.2.3 Neuronale Netze Ein neuronales Netz besteht aus einem Kollektiv von Prozessoren, sogenannten Neuronen, die in Schichten - üblicherweise drei - angeordnet und verschaltet sind, siehe Bild 16.7. Der Ausgang jedes Neurons ist mit allen Eingängen der Neuronen der Folgeschicht verbunden. Die Eingangssignale werden mit Faktoren w i gewichtet, die gewichtete Summe wird über eine Sigmoidfunktion bewertet, wie im Detailausschnitt von Bild 16.7 gezeigt. An den Eingang des Netzes werden die Deskriptoren gelegt, am Ausgang werden verschiedene Zustände des Systems indiziert. Bild 16.7: Dreilagiges Neuronales Netz Zum Trainieren des Netzes müssen bekannte Muster von Merkmalvektoren mit den zugehörigen Zuständen in Vorhinein bekannt sein (zum Beispiel bekannte Fehlerbilder). In einem iterativen 850 16 Multivariate Analyse Prozess werden damit die Gewichte w i in kleinen Schritten justiert, bis alle Muster erkannt werden. Das Netz ist dann zur Erkennung unbekannter Muster bereit. 16.2.4 Selbstorganisierende Karten (SOM) Dieser Netztyp (eng. Self Organizing Map SOM, nach dem Entwickler Teuvo Kohonen auch als Kohonennetz bezeichnet) arbeitet als künstliches neuronales Netz auf Clusterebene, wobei die Cluster auf eine Projektionsebene projiziert werden, siehe Bild 16.8. Die Projektionen in diesem Gedankenmodell entsprechen dabei nicht einer affinen Projektion aus der Geometrie, die Cluster werden lediglich mit den ursprünglichen topologischen Eigenschaften in einer Ebene repräsentiert. Der Ansatz beruht auf der topografischen Organisation im sensorischen Cortex des menschli‐ chen Gehirns: Benachbarte Neuronen werden durch benachbarte Zellen im sensorischen Bereich erregt, dieses Bild wird wiederum auf benachbarte Regionen in der nächsten Ebene projiziert und so fort. Die Projektion, skizziert in Bild 16.8 links, ist lediglich ein Gedankenmodell zum besseren Verständnis. Die Darstellung erfolgt in einer Ebene in einem regulären Zellenmuster (rechts im Bild) von meist hexagonaler oder quadratischer Struktur. Die ebene Darstellung wird auch Kohonenkarte genannt. Bild 16.8: Prinzip des selbstorganisierenden Netzes (SOM) 16.2.5 Klassifikationsbaum In einem Klassifikationsbaum, bekannt aus der Wahrscheinlichkeitslehre, werden die Deskripto‐ ren in einer Baumstruktur angeordnet, siehe Bild 16.9. Ausgehend von einem Startmerkmal (M 1 in Bild 16.9) werden, abhängig vom Ausgang der entsprechenden Kennfunktion, weitere Merkmale angesteuert usw., bis man zu einer Zustandsbewertung kommt. Die Zustände sind dann durch Knoten mit sogenannter Klassenreinheit repräsentiert - die Blätter in Bild 16.9. Sie liefern die klare Aussage über das Vorhandensein eines Zustands und lassen keine weitere Verzweigung zu. Verzweigungen können auch mehr als zweifach ausgelegt sein. Kommt man in einen solchen Baum mehrfach auf denselben Ausgangszustand, werden die redundanten Zweige aus dem Baum entfernt - man spricht vom so genannten Pruning (Zurückschneiden). 851 16.2 Multivariate Strategien Bild 16.9: Klassifikationsbaum Ein Nachteil kann hier die mögliche Größe der Entschei‐ dungsbäume werden, wenn sich aus den Trainingsda‐ ten keine einfachen Regeln ableiten lassen. Dies kann sich in mehrfacher Weise negativ auswirken: Zum ei‐ nen verliert ein menschlicher Betrachter schnell den Gesamtüberblick über den Zusammenhang der vielen Regeln, zum anderen führen solche großen Bäume auch meistens zur Überanpassung an den Trainings‐ datensatz, indem bestimmte Zustände auf mehrfachen Verzweigungen erreicht werden (wie in Bild 16.9 auch indiziert). Dadurch wird eine automatische Klassifizie‐ rung erschwert. Es wurden deshalb sogenannte Pru‐ ning-Methoden entwickelt, welche die Entscheidungsbäume auf eine vernünftige Größe kürzen. Beispielsweise kann man die maximale Tiefe der Bäume beschränken oder eine Mindestanzahl von Objekten pro Knoten festlegen. Anmerkung: Ein themenbezogenes Beispiel für einen Klassifikationsbaum wurde schon in Bild 15.4 vorgestellt. 16.2.6 Random Forest Klassifikation Für die Auswahl des Startdeskriptors und der Verzweigungen innerhalb des Baumes hat man in der Regel immer mehrere plausible Möglichkeiten. Vom mathematischen Standpunkt, also betreffend den Konfidenzbereich, sind alle diese Möglichkeiten gleichwertig. Aber gerade der Ansatz des Startdeskriptors kann oft problematisch sein. Beim Konzept der Random Forest Klassifikation wird dieses Problem umgangen, siehe Bild 16.10. Mehrere Klassifikationsbäume werden hier parallel erstellt. Sind die Entscheidungen aller Varianten identisch, ist die Aussage klar. Sind die Ergebnisse der einzelnen Varianten unterschied‐ lich, erfolgt die Beurteilung daraus nach dem Mehrheitsprinzip. Ein Pruning, also Eliminieren von Mehrfachergebnissen innerhalb eines Baumes, wird in diesem Fall nicht durchgeführt. Bild 16.10: Random Forest Klassifikation 852 16 Multivariate Analyse (16.4) (16.5) (16.6) (16.7) 16.2.7 Logistische Regression Für eine systematische Beurteilung, vor allem in automatisierten Systemen, sind Regressionen, vor allem lineare Regression, immer ein wirkungsvolles Werkzeug. Für Deskriptoren sind solche Regressionen wegen des oft dichotischen Charakters meist nicht zielführend. Bei der logistischen Regression geht man von der Wahrscheinlichkeit aus, dass der Wert eines Deskriptors bzw. des aktuellen Merkmalvektors einen bestimmten Zustand, zum Beispiel einen Fehler anzeigt. Bezeichnet man diese Wahrscheinlichkeit mit π(X), so ist π X = Pr y = 1 X Darin ist y die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Zustand (Fehler) auftritt, zum Beispiel y = 1 Fehler y = 0 fehlerfrei Mit Pr() wird die bedingte Wahrscheinlichkeit bezeichnet. Da die Wahrscheinlichkeit zwar nur zwischen 0 und 1 variieren kann und sich damit nicht für einen Regressionsansatz eignet, geht man auf das so genannte Chancenverhältnis, also das Verhältnis von Eintreten zu nicht Eintreten über, also π y = 1 1 − π y = 1 eine Größe, die zwischen null und ∞ variieren kann. Der Logarithmus aus dieser Größe, das so genannte Logit g(x), hat einen Wertevorrat über den Bereich der reellen Zahlen und eignet sich demnach für den Regressionsansatz. g(x) = ln π y = 1 1 − π y = 1 = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + ⋯ + b N x N und daraus π(x) = 1 1 + e−(b0 + b1x1 + b2x2 + ⋯ + bN xN ) Diese Regression ist in Bild 16.11 für eine einzelne Variable dargestellt. Anmerkung: Das Ergebnis der logistischen Regression entspricht genau den Sigmoidfunk‐ tionen in neuronalen Netzen, siehe Bild 16.7. 853 16.2 Multivariate Strategien Bild 16.11: Logistische Regression 16.2.8 Nächster Nachbar Bild 16.12: Methode des nächsten Nachbarn Die Aufgabe einer beaufsichtigten Beurteilung des Merkmalvektors im Merkmalraum nach Bild 16.1 besteht in der Zuordnung des aktuellen Vektors zu einem Cluster. Dies kann zum Beispiel über eine einfache Abstandsfunktion erfolgen wie in Bild 16.12 gezeigt. 16.2.9 Stützvektor-Maschine SVM 16.2.10 (Support Vector Machine SVM) Eine weitere Methode (engl. Support Vector Machine SVM) ist die Definition von Entschei‐ dungsfunktionen, das sind Hyperebenen oder Hyperfunktionen im Merkmalraum, die den 854 16 Multivariate Analyse Raum in disjunkte Unterräume unterteilen. Im einfachsten Fall sind dies Entscheidungsebenen in einem dreidimensionalen Merkmalraum, siehe Bild 16.13. Mit der Stützvektormethode werden Entscheidungsfunktionen höherer Ordnung konstruiert, im Beispiel gekrümmte Hyperebenen wie im rechten Bild. Die Unterteilung des Merkmalraumes erfolgt nach dem Prinzip des maximalen Abstands in der Weise, dass zwischen den Klassen ein möglichst breiter Bereich frei von Merkmalvektoren entsteht. Der Beurteilung werden dann le‐ diglich die Vektoren am Rand dieser Bereiche zugrunde gelegt, die sogenannten Stützvektoren. Bei komplexeren Raumstrukturen, z. B. mit überlappenden Clustern, kann die Trennung rechnerisch in einen Merkmalraum höherer Dimension übergeführt werden (wie etwa beim Betrachten eines Fotos). Bild 16.13: Entscheidungsfunktionen im Merkmalraum Anmerkung: Der Betrachter eines (zweidimensionalen) Bildes, zum Beispiel ein Foto von Personen in einem Raum, kann rein mental eine räumliche Repräsentation der Objekte bilden und beurteilen (wer sitzt hinter wem). 16.2.11 Dimensionsreduktion Im Allgemeinen werden die Merkmale nicht statistisch unabhängig sein. Im Fall von linearen Ab‐ hängigkeiten kann die Anzahl der Merkmale durch eine Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) auf eine gleiche oder ev. geringere Anzahl unabhängiger Merkmale reduziert werden. Das Verfahren, im Wesentlichen eine Hauptachsentransformation, ist in Bild 16.14 schematisch dargestellt. Die Dimension des Merkmalraums verringert sich entsprechend. 855 16.2 Multivariate Strategien Bild 16.14: Prinzip der Hauptkomponentenanalyse Über die M Sensoren des Überwachungssystems werden die Kenngrößen KG i erfasst. Man geht davon aus, dass hinter der Beschreibung des Systemzustands N Grundursachen stehen. Ziel der PCA ist es, die M Messsignale auf N unabhängige Merkmale zu reduzieren, die den Grundursachen zugeordnet werden können. Im Allgemeinen bestehen in einem solchen vielkanaligen System lineare Abhängigkeiten, d. h. die einzelnen Messsignale werden jeweils durch mehrere Grundursachen beeinflusst. Im Bild sind diese Beeinflussungen sinngemäß als Übersprechen eingetragen. Ziel der PCA ist es, solchen störenden Effekt zu eliminieren. Beispiel: Die an einer Maschine gemessenen Schwingungen werden nicht nur durch die Maschine selbst erzeugt, sondern auch durch Nachbarmaschinen beeinflusst. Durch eine PCA können diese Einflüsse rechnerisch beseitigt werden. 16.3 Multivariate Bewertung Ähnlich wie bei der breitbandigen Beurteilung nach DIN ISO 20816 sollte auch bei multivariaten Systemen eine prägnante Bewertungsmöglichkeit definiert werden. Ideal wäre eine aussagekräf‐ tige Kennzahl (Indikator), die eine Interpretation durch den Maschinen- oder Betriebsführer auch ohne tiefere Sachkenntnis ermöglicht. Im Gegensatz zur Breitbandbewertung, die lediglich ganz allgemein den dynamischen Gesamtzustand repräsentiert, wäre hier ein umfassender und sensibler diagnostischer Hintergrund vorhanden und abrufbar. Mehr noch: Bei der Bewertung einer einzelnen Kenngröße wird lediglich der Zustand der zugeordneten Komponente festgestellt. Im fehlerfreien Zustand wird sie als gut befunden und es wird beim Ampelmonitoring auf „grün“ geschaltet. Eine Aussage auf den Gesamtzustand der Maschine folgt daraus im Grunde genommen nicht. Das trifft auch weitgehend für die parallel durchgeführte Bewertung mehrerer Kenngrößen zu. 856 16 Multivariate Analyse Eine multivariate statistische Auswertung kann hier wesentlich tiefergehende Aussagen liefern. Je nach Systemumfang erhält man eine präzisere Aussage über den Gesamtzustand der Maschine. Da man bei multivariaten Strategien grundsätzlich auch gute Maschinenzustände bei der Parameterauswahl berücksichtigt, bekommt man auch frühzeitige Informationen, was vor allem für Einsatzfähigkeit und Prognostik von größtem Nutzen ist. 16.3.1 Der Ansatz Im Grunde genommen wird die Beurteilung einer Maschine oder eines Prozesses nach multiva‐ riater Strategie zwar sehr differenziert und wirkungsvoll sein, sie ist allerdings immer, trotz leistungsfähigen Mess- und Analysesystemen, mit einem gewissen Aufwand verbunden und wird den Einsatz von Spezialisten erfordern - ein Problem für jede Betriebsüberwachung. Ziel für den letztgenannten Einsatz sollte immer die Rückführung der Ergebnisse auf eine Kennzahl (Indikator) sein, die über die Einteilung in bestimmte Klassen oder Zonen eine solche Beurteilung global ermöglicht und somit für eine routinemäßige Betriebsüberwachung geeignet ist. Gedanklich wäre eine solche Strategie vergleichbar mit einer Ampelbewertung der effektiven Schnelle nach DIN ISO 20816, nach der Handlungsanweisungen für das Betriebspersonal gegeben werden, die aber lediglich einen Anhaltpunkt über den dynamischen Gesamtzustand liefert. In weiterer Folge kann die Bewertung in ein KPI-Konzept übergeführt werden, wie in Bild 16.15 gezeigt. Bild 16.15: Vom „Ampel-Monitoring“ zum KPI Einige der im Vorigen vorgestellten multivariaten Verfahren sind für eine solche Strategie unmittelbar geeignet, im Speziellen ● die wahrscheinlichkeitsbasierte Beurteilung (Abschnitt 16.2.1) oder ● die logistische Regression (Abschnitt 16.2.7). Eine solche multivariate Strategie liefert also eine universelle Bewertungsgröße für multivariate Schwingungsmessungen und Analysen. In diese Kennzahl können sämtliche Analyse- und Bewertungsverfahren integriert werden. Sie bietet verschiedene Aspekte, unter anderem ● eine universelle Kennzahl zur unmittelbaren Beurteilung der Performance einer Maschine oder eines Prozesses, ● Ableitung von Handlungsanweisen auf Basis der integrierten Deskriptoren sowie ● Liefern eines allgemeinen Zustandsindikators aus der Schwingungsdiagnose. 857 16.3 Multivariate Bewertung 16.3.2 Health Index In ISO 13374-1 wird eine entsprechende Beurteilung als sogenannter Health Index vorgeschlagen. Er wird dort definiert als Zahlenwert zwischen 10 (guter Zustand) und 0 (Schaden) mit einer zusätzlichen Ausgabe von diagnostischen Ergebnissen und entsprechenden Handlungsanweisun‐ gen. Es werden dabei mehrere Kenngrößen einbezogen, eine Bezugnahme auf multivariate Statistik erfolgt in dieser Norm jedoch nicht. 16.3.3 Performance Klassische Einzelbewertungen, zum Beispiel bei der Überwachung eines Wälzlagers, liefern zwar Aussagen über Fehler und Schadenswahrscheinlichkeit der überwachten Komponente, im fehlerfreien Zustand erhält man jedoch keine Information über den Gesamtzustand der Maschine. Anders bei einer multivariaten statistischen Auswertung: Hier erhält man nicht nur Aussagen über die Schwere oder Kritikalität von Fehlern, diese Methoden liefern auch quantitative Beurteilungen der Güte einer mehr oder minder fehlerfreien Maschine, etwa im Sinne ● erfüllt die Anlage die Anforderungen an Leistung und Effizienz (thermische Turbomaschinen - Maschinenleistung), ● sind die Qualitätsanforderungen erfüllt (Werkzeugmaschinen - Prozessgüte) oder ● ist das Schiff für einen einjährigen, kontinuierlichen Einsatz in Übersee gerüstet (Einsatzbe‐ reitschaft). Alle diese Aussagen werden im Englischen in dem Begriff Performance abgedeckt, der als Performance auch zunehmend eingedeutscht ist. Als zugehörige Kennzahl eignet sich der aus der Betriebswirtschaftslehre bekannte KPI (Key Performance Indicator). Es sind Schlüsselkennzahlen für die Performance eines zu definierenden Systems. Sind KPIs hoch ist die Performance besser, sind sie klein ist bezüglich Performance mit Einschränkungen zu rechnen. Unmittelbar evident wird dieses Konzept in Abschnitt 16.2.1, oder Abschnitt 16.2.7, Bild 16.11. Bei beiden Verfahren wird der Gesamtzustand auf einen einzelnen Zahlenwert, entsprechend den üblichen Skalierungen der Wahrscheinlichkeitslehre zwischen 0 und 1 projiziert. Eine in der Praxis griffigere Skalierung wäre eine Angabe in Prozent in der Weise ● Performance 100 % fehlerfreie Maschine, ● Performance 20 % Maschine mit einem fortgeschrittenen Schaden, ● Performance 0 % Ausfall der Maschine. Ultimative Bedeutung würde ein solches Konzept bei einer vollständigen Überwachung erlangen, in die man sämtliche bekannten Kenn- und Betriebsgrößen in die Überwachung einbezieht. Obwohl die Schwingungsüberwachung nach wie vor eine tragende Rolle spielen wird, geht die Anwendung dann über das Konzept der Schwingungsanalyse hinaus. 16.4 Zusammenfassung Die multivariate Analyse liefert nicht nur tiefere und hinsichtlich der Schwellwerte differenzier‐ tere Aussagen für die Beurteilung von Schwingungen, sie fasst auch die im Prinzip eigentlich immer mehr oder weniger korrelierten Einzelaussagen zu einer Gesamtbeurteilung zusammen, wobei jetzt Korrelationen auch entsprechend berücksichtigt sind. 858 16 Multivariate Analyse Ein multivariates Konzept ersetzt eine Reihe von Einzelbeurteilungen (Komponente fehlerfrei), die eigentlich noch keine zuverlässige Aussage hinsichtlich der aktuellen Funktionalität eines Systems ergibt, durch eine prägnante Einzelaussage über den tatsächlichen Gesamtzustand, die sogenannte Performance. Sie liefert eine quantitative Gesamtaussage auch über den guten Maschinenzustand. Durch Einbezug aller verfügbaren Messgrößen kann mit einem multivariaten Konzept auch Vollständigkeit erzielt werden. Zusätzlich zur Performance sind Detailanalysen über Fehler im Hintergrund vorhanden und können, manuell oder automatisch, unmittelbar auf das Dashboard der Betriebsanzeige gerufen werden. 859 16.4 Zusammenfassung Abschnitt L Wirtschaftlichkeit ● Nutzwertanalyse ● LCC ● RAMS ● Anlagenwirtschaft ● Zertifizierung 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen kann nicht Selbstzweck sein. Für Anschaf‐ fung, Installation, Betrieb, Nutzung und Obsoleszenzmanagement sind wirtschaftliche Überlegun‐ gen einzubeziehen oder vielmehr unverzichtbar. Daneben spielen Zertifizierungen eine steigende, heute schon zunehmend unverzichtbare Rolle. Insbesondere dann, wenn solche Systeme nicht nur zur Ermittlung von Betriebszuständen oder zum Qualitätsnachweis, sondern auch zur Gewährleistung einer ausreichenden Betriebssicherheit und zur frühzeitigen Ermittlung von Schädigungszuständen verwendet werden. Als Ergänzung zum technischen bzw. physikalischen Themenbereich dieses Buches werden in diesem Kapitel wirtschaftliche Aspekte und Zertifizierungsaspekte zusammengefasst. 17.1 Die Grundidee - historische Entwicklung In der Anfangsphase der Zustandsüberwachung waren Condition Monitoring Systeme sehr teuer und Anwendungen beschränkten sich nur auf sehr große oder risikobehaftete technische Assets. Wirtschaftliche Gesichtspunkte bezogen auf die CMS wurden nur wenig berücksichtigt. Entspre‐ chend gering blieb damit auch die breite Anwendung von solchen Systemen in der Industrie. Aus diesen Erfahrungen wurde auf die Nutzwertanalyse zurückgegriffen, die ursprünglich für die Bewertung von beantragten Forschungsprojekten zur optimalen Zuteilung der beschränkten Mittel entwickelt worden war - im Prinzip eine a priori Beurteilung. Modernes Instandhaltungsmanagement wird eine Wirtschaftlichkeitsbeurteilung über den gesamten Lebenszyklus von kompletten Assets vorziehen und eine solche Beurteilung auch kontinuierlich weiterführen. Damit lassen sich nicht nur die technischen Assets, sondern auch die CMS laufend auf Optimalniveau halten. Mit Umsetzung der gewonnenen Erfahrungen können besonders im Flottenmanagement erhebliche Wirtschaftserfolge erzielt werden. Erste Gesichtspunkte für die Konfiguration von Systemen wurden schon in Abschnitt 0.6.6, Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsorientierte Instandhaltung (RCM) vorgestellt, da sie von grundlegendem Charakter sind. Nachfolgend erfolgen weiterführende Betrachtungen. 17.2 Nutzwert Unter einem Nutzwert versteht man in der Wirtschaft den tatsächlichen oder potenziellen subjektiven Nutzen, den der Käufer oder Investor beim Kauf eines technischen Assets (zum Beispiel einer Maschine) oder von Dienstleistungen im Hinblick auf seine gesetzten Ziele erlangt. Die Nutzwertanalyse ist oft nur auf die Anschaffung fokussiert und betrachtet keine Folgekosten wie Betriebskosten, Entsorgung oder Recycling. Verfahren der Nutzwertanalyse haben demnach ihre Bedeutung im Bereich der Zustandsüberwachung und im Instandhaltungsmanagement verloren und dienen lediglich zur Orientierung. Sie werden deshalb an dieser Stelle nur kurz skizziert und nicht weiter vertieft. 17.2.1 Nutzwertanalyse Die Nutzwertanalyse ist eine Methodik, die die Entscheidungsfindung bei komplexen Problemen rational unterstützen soll, im gegebenen Fall die Auswahl eines optimal angepassten Zustands‐ überwachungssystems. Als Basis für die Entscheidung wird zunächst eine Liste von Zielarten aufgestellt, die Anforderungen an das Überwachungssystem präzisieren. Ein beispielhaftes Muster zeigt Tabelle 17.1. Solche Listen lassen sich im Einzelfall den speziellen Erfordernissen anpassen. In Spalte y s der Tabelle sind Beurteilungen und in Spalte u s eine normierte Nutzfunktion einzutragen, ob das betrachtete System die Zielart grundsätzlich erfüllen kann (möglicher Nutzen). Die Gewichtung w s in der letzten Spalte bewertet den tatsächlichen Nutzen für die jeweilige Anwendung. Der Gesamtnutzwert ist dann auf Basis einer Linearkombination vom Typ ∑ u s w s zu ermitteln. Das Ergebnis ist ein nichtnegativer Zahlenwert, der Nutzwert. Der Nutzwert null erweist die jeweilige Variante als nicht geeignet, im anderen Fall ist das System mit dem größten Wert vorzuziehen. Die einzelnen Kennwerte in der Tabelle sind in Gruppen zusammengefasst, wobei jede einzelne Gruppe für sich den Nutzwert auf null ziehen kann. Die Bewertung ist entsprechend zunächst gruppenweise zu erstellen, der Gesamtnutzwert ist daraus passend zu ermitteln (zum Beispiel durch Multiplikation). Bei der Nutzwertanalyse ist zusätzlich zu beachten, dass bestimmte Nutzfunktionen gegenläu‐ fig sein können. So kann eine Verbesserung der Fehlererkennungsrate durch Herabsetzen eines Grenzwerts eine Erhöhung der Fehlalarmrate nach sich ziehen. Die klassische Nutzwertanalyse berücksichtigt lediglich nicht-monetäre Zielarten (kein ‚€‘ in Spalte u s ). 17.2.2 Kosten-Nutzen-Analyse Bei dieser Analyse geht man in ähnlicher Weise vor, jedoch werden Nutzwert nach Abschnitt 17.2.1 und Kosten getrennt behandelt. Die so erhaltenen Werte werden in einem Diagramm ge‐ genübergestellt, Bild 17.1, welches eine optimierte Auswahl unter verschiedenen Varianten er‐ möglicht. 862 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Zielart Beurteilung y s Nutzfunktion u s Gewichtung w s Gefährdung von Menschen ja nein 1 0 Gefährdung der Umwelt ja nein 1 0 Gefährdung der Maschine ja nein 1 0 Produktionsstillstand ja nein 1 0 Maschinenkosten € Produktions-Ausfallkosten p. d. € Fehlererkennungsrate % Fehlalarmrate % Diagnosefähigkeit ja nein 1 0,5 Systemkosten € Installationskosten € Pflegeaufwand p. a. € Personalkosten p. a. € Reduktion des Ersatzteillagers nein vollständig 0,5 1 Beurteilungskriterien keine bekannt genormt 0,5 0,75 1 Personalanforderungen niedrig hoch 1 0,25 Prognose Restlaufzeit ja nein 1 0,5 Inspektionskosten Maschine p. a. € Reparaturkosten Maschine p. a. € Produktionsausfallskosten geplant p. a. € Produktionsausfallskosten ungeplant p. a. € Überwachungsstrategie intermittierend kontinuierlich 0,5 1 Tabelle 17.1: Zielarten einer Nutzwertanalyse für ein Zustandsüberwachungssystem 863 17.2 Nutzwert Bild 17.1: Kosten-Nutzen-Analyse 17.2.3 Paarweiser Vergleich Beim paarweisen Vergleich werden die Zielarten nach Tabelle 17.1 paarweise verglichen und entsprechend auf einer Skala einsortiert. Das Ergebnis ist ein Ranking, nach welchem ein Zustandsüberwachungssystem optimal ausgewählt werden kann. Die Methode ist sehr vorteilhaft bei subjektiv empfundenen Eigenschaften. Bewertungen können danach auch von fachlich nicht speziell qualifizierten Personen erstellt werden. Interes‐ sant ist diese Methode für Bewertungen durch eine heterogene Gruppe (Schwingungsanalyse, Betriebsleitung, Einkauf, Investment etc.), da vom Einzelnen sonst vielleicht uninteressante oder einfach nur unbeachtete Gesichtspunkte einbezogen werden müssen. So spielen neben dem Preis auch das Wissen, die Erfahrungen und der menschliche Umgang miteinander eine nicht zu unterschätzende Rolle. 17.3 LCC und RAMS 17.3.1 Das Konstrukt von LCC und RAMS Wesentlich tiefergehende wirtschaftliche Aspekte stellt das sogenannte RAMS-Management im Zusammenhang mit LCC-Betrachtungen zur Verfügung. RAMS ist die Abkürzung für das Begriffspaket Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit, Sicherheit (im Englischen: 864 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung RAMS/ LCC Terminologie nach Norm DIN EN 50126 Segment Englisch Deutsch Zielsetzung R Reliability Zuverlässigkeit Zuverlässige Produkte und Prozesse Konsequentes Wissens- und Planungsmanagement Effizienter Ressourceneinsatz A Availability Verfügbarkeit Gesicherte Verfügbarkeit von System oder Anlage Langfristige Planbarkeit und Nutzung Nachhaltigkeit M Maintainability Instandhaltbarkeit Wartungsfreundlichkeit und Instandsetzbarkeit Umgebungsschonend (Schwingungen, Lärm) Umweltschonend S Safety Sicherheit Risikominimierung für Mensch und Maschine LCC Life Cycle Costing Lebenszykluskosten Optimaler Ressourceneinsatz Planbare und steuerbare Kostenentwicklung Holistisches Anlagenmanagement Tabelle 17.2: Terminologie von RAMS und LCC Reliability, Availability, Maintainability, Safety), beschrieben in der Norm DIN EN 50126. Eine Zusammenstellung der Grundbegriffe sowie die Erläuterung der schon im Titel geführten Standardbezeichnungen zeigt Tabelle 17.2. Im Alltagsgebrauch sind nahezu ausschließlich die Abkürzungen als Fachbegriffe gängig. Die RAMS-Technologie beinhaltet Maßnahmen, Methoden und Verfahren zum Erkennen von Ist-Zuständen und Veränderungen von technischen Assets. RAMS dient aber auch zur Kontrolle und Prognose der einzelnen Segmente R, A, M und S des jeweiligen Assets. Ein solches Asset können einzelne Maschinen und Maschinenkomponenten, komplette Produktionsanlagen, der Produktentstehungsprozess oder Prozessabläufe sein. Danach hilft RAMS, Fehler schon in der Planungsphase von Projekten zu verhindern und über eine Bewertung der Lebenszykluskosten eine technische Kostentransparenz zu schaffen. Anders als bei einer reinen Nutzwertbetrachtung wird hier eine Bewertung nicht nur auf die Beschaffungsphase fixiert, es werden wirtschaftliche Betrachtungen über den gesamten Lebenszyklus eines Systems durchgeführt. Der enge Zusammenhang zwischen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebenszykluskosten erfor‐ dert in zunehmendem Maße, Assets hinsichtlich dieser Punkte zu optimieren. Im RAMS Manage‐ ment werden gezielt produktspezifische Gefahren-, Zuverlässigkeits-, Instandhaltbarkeits- und Sicherheitsanalysen gemäß der Norm EN 50126 durchgeführt. Ziel eines RAMS Managements 865 17.3 LCC und RAMS ist die Minimierung der Gefahrenpotenziale für Mensch und Umwelt und eine Maximierung der Zuverlässigkeit und Sicherheit von Assets. LCC ist eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, die den gesamten Lebenszyklus eines Systems umfasst. Sie wird nach streng kaufmännischen Gesichtspunkten erstellt und steht in engem Zusammenhang mit dem RAMS Management. RAMS- und LCC-Gesichtspunkte sind also stets sorgfältig gegeneinander abzuwägen. Die Betrachtungen werden, wie schon erwähnt, nicht nur in der Beschaffungsphase angestellt, sie werden über den gesamten Lebenszyklus dynamisch fortgeführt, d. h. jede Neuerung oder Änderung wird immer mit einbezogen. Besonders wichtig ist dies bei sehr komplexen Systemen, um eine Überschaubarkeit überhaupt zu ermöglichen, sowie bei jedem Flottenmanagement. Beispiele: ● Die Eisenbahn ist ein Beispiel für sehr komplexe Systeme mit hohen Anforderungen und ständiger wirtschaftlicher Dynamik. Aktuell ist das Bahnwesen Hauptanwender von RAMS und LCC, was sich auch im Status der aktuellen Normung widerspiegelt. ● Bei Windenergieanlagen spielt das Flottenmanagement eine bedeutende Rolle. In großen Windparks sind hunderte, wenn nicht sogar einige Tausend Anlagen zu einem System zusammengefasst, wobei sich die Typenvielfalt nur auf wenige Varianten (vier oder fünf) beschränkt. Jede Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bringt daher einen enormen Potenzierungs‐ faktor mit sich. Bild 17.2: Zusammenspiel RAMS - LCC 17.3.2 Life Cycle Costs LCC Bei allen Organisationen, in welchen das Kostenbewusstsein immer mehr in den Vordergrund gelangt, gewinnen Lebenszykluskosten-Überlegungen zunehmend an Bedeutung. Neben den Produktpreisen haben Betriebs- und Instandhaltungskosten großen Einfluss auf die Lebenszy‐ kluskosten, aber auch die Entsorgung nach Ablauf der Betriebszeit ist zu berücksichtigen. 866 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Bild 17.3: LCC-Diagramm 17.3.2.1 Prinzip der LCC Analyse Der gesamte Kostenverlauf ist als Diskussionsgrundlage anhand von zwei recht unterschiedli‐ chen, um nicht zu sagen gegensätzlichen Beispielen in Bild 17.3 veranschaulicht. Gezeigt wird der gesamte zeitliche Kostenverlauf von der Anschaffung bis zur Außerbetriebnahme. Bei der LCC werden ausschließlich die tatsächlich anfallenden Kosten einbezogen. Gewinne oder Abschreibungen bleiben hier außer Betracht, sie kommen in anderen Wirtschaftlichkeits‐ betrachtungen zum Tragen. Beispielhaft sind im Bild zwei Varianten skizziert, einmal mit geringen Anschaffungskosten, jedoch mit hohen Betriebs- und Entsorgungskosten (links im Bild), als Alternative ein System mit hohen Anschaffungskosten, geringen Betriebskosten und frei von Entsorgungskosten. Von Seiten des Einkaufs werden oft lediglich die Erstkosten, also Anschaffung und Installation berücksichtigt. Man tendiert dann zur Variante mit den geringsten Beschaffungskosten, was sich als Trugschluss erweisen kann. Das ist aus dem Vergleich der beiden Diagramme ohne weitere Erklärung direkt ersichtlich. Eine andere, häufig anzutreffende Vorgehensweise ist die Beurteilung der Kosten bis zum ersten Ausfall. Ein eher intuitiv basierter Ansatz, der ebenfalls als nicht optimal anzusehen ist. Das gilt besonders bei der Installation eines Flottenmanagements, weil hier ein Einzelfall auf die (künftige) Gesamtheit übertragen wird. Ein objektiver Vergleich mehrerer Systemvarianten ist nur über eine Kostenabschätzung über den gesamten Lebenszyklus realistisch. Dazu sind zwei Bezugsparameter festzulegen, ein Zeithorizont und ein Ansatz über die wirtschaftliche Entwicklung, wie im Folgenden ausgeführt. 17.3.2.2 Zeithorizont Für die Ermittlung der Lebenszykluskosten ist zunächst ein Zeithorizont festzulegen, also ein Zeitraum für die Nutzungsdauer. Die Nutzungsdauer muss nicht mit der Lebensdauer eines technischen Assets identisch sein. Beispiele für die Festlegung zeigt Tabelle 17.3. Hingewiesen sei vor allem auf die Gebrauchsdauer, die möglichst vorab vereinbart werden sollte. Während mechanische Komponenten eher mechanisch verschleißen, sind elektronische Komponenten und auch Condition Monitoring Systeme weniger oder nicht verschleißbehaftet. Hier bestimmt dafür im Wesentlichen der technische Fortschritt oder die Verfügbarkeit von elektronischen Bauteilen die zukünftige Gebrauchsdauer. Man erkennt, dass der Zeithorizont durchaus unterschiedlich angelegt werden kann. Für den Hersteller könnte der Horizont mit Fertigstellung oder Verkauf des Assets erreicht sein, wirtschaft‐ 867 17.3 LCC und RAMS Zeithorizont Bemerkung Hersteller Fertigstellung Verkauf Zahlungseingang Ablauf der Gewährleistung Ende der Nutzung Kundenbetreuung Rücknahmeverpflichtung Anwender Gebrauchsdauer Standardwert Ende der Lebensdauer Steuerliche Abschreibung Tabelle 17.3: Gesichtspunkte für den Zeithorizont lich besser mit dem Ablauf von Gewährleistungsfristen. Im Interesse der Kundenzufriedenheit kann jedoch eine weitere Betreuung des Kunden von Interesse sein. Vielfach besteht eine Rücknahme‐ pflicht nach Ablauf der Nutzungsdauer, die in den Zeithorizont einbezogen werden sollte. Für den Anwender kommen als Zeithorizont eine standardmäßig angesetzte Nutzungsdauer, die Lebensdauer des Systems oder steuerliche Gesichtspunkte (Abschreibung) infrage. Anmerkung: Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, dass in die LCC nur die tatsächlich anfallenden Kosten eingerechnet werden. Kundenbetreuung verursacht zum Beispiel auch Kosten, daraus resultierende Erträge, zum Beispiel bei Neukauf, gehen in diese Kalkulation nicht ein. 17.3.2.3 Diskontierungssatz Ein Bewertungsverfahren für Investitionen ist der Discounted Cash-Flow (DCF) oder abgezins‐ ter Zahlungsstrom. Dabei wird von einer gleichmäßigen zeitlichen Wertsteigerung ausgegangen. Zum Vergleich von zu verschiedenen Zeitpunkten anfallenden Zahlungen werden diese über ein Abzinsungsverfahren auf einen gemeinsamen Stichtag bezogen. Der kalkulierte Zinssatz ist hier keinesfalls allein auf Geldentwertung oder Inflation bezogen. Basis der Überlegungen ist der Kapitaleinsatz: Was wären die wirtschaftlichen Konsequenzen gewesen, hätte man dieses Kapital nicht investiert. In der LCC wird als gemeinsamer Stichtag der Zeitpunkt der Inbetriebnahme (t = 0 in Bild 17.3) festgesetzt. Die Abzinsung erfolgt über einen Diskontierungssatz von p %. Das heißt, ein Kapitalwert K 0 zur Zeit t = 0 verzinst sich zu einem Zinssatz von p % (Zinseszinsrechnung). Umgekehrt muss ein zu einem Zeitpunkt t aufgewendetes Kapital zur Bewertung auf den Zeitpunkt 0, auf den sogenannten Netto-Barwert oder Net Price Value NPV abgezinst werden. 868 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Bild 17.4: Abzinsung auf den Nettobarwert NPV Eine Gegenüberstellung von NPV und Kapitalwert zeigt Bild 17.4 für verschiedene Diskontierungssätze. Im linken Diagramm ist die zeitliche Entwicklung eines Netto-Barwerts von 100 dargestellt, im rechten Diagramm die Abzinsung eines (aktuellen) Kapitalwerts auf den NPV, also den Zeitpunkt t = 0; dabei gibt der Wert denjenigen NPV an, der für einen aktuellen Barwert von 100 angesetzt werden muss. Der Diskontierungssatz ist neben dem Zeithorizont einer der wesentlichen Parameter, die für eine LCC-Analyse anzusetzen sind. Er ist keinesfalls gleichzusetzen mit einer Inflationsrate oder allgemeinen Preissteigerungsrate. Hier gehen vor allem betriebliche Strategien ein. Ein hoher Diskontierungssatz begünstig Investitionsalternativen mit niedrigen Kapitalkosten (An‐ schaffungskosten), kurzem Lebenszyklus sowie hohen Betriebskosten und umgekehrt. Die richtige Wahl des Diskontierungssatzes zur Berechnung der LCC kann großen Einfluss auf das Ergebnis haben, vor allem hinsichtlich der Rentabilität. Als Richtwert gibt man etwa 4 % für private Investoren an. Die Deutsche Bahn, einer der Hauptanwender des Verfahrens, arbeitet aktuell mit einem Satz von 5,9 %. Anmerkung: Bahngesellschaften sind aktuell der Hauptanwender des Verfahrens. Das spiegelt sich auch im aktuellen Normenstatus wider. 17.3.3 RAMS-Analyse RAMS-Technologie - ist eine anerkannte Management- und Ingenieur-Disziplin zur Vorhersage der spezifizierten Funktionalität eines technischen Assets über seinen gesamten Lebenszyklus. 17.3.3.1 Definition Die RAMS-Technologie hält die Betriebs-, Instandhaltungs- und Entsorgungskosten auf einem vordefinierten, akzeptierten Niveau, indem sie zu Beginn des Beschaffungszyklus die relevan‐ ten Leistungsmerkmale festlegt und deren Umsetzung in allen Projektphasen überwacht und kontrolliert. Die RAMS-Eigenschaften bestimmen wesentliche Parameter des Systems wie Benut‐ zerfreundlichkeit und Akzeptanz, Betriebs- und Instandhaltungsstrategien sowie das Sicherheits- und Gesundheitsrisiko der Benutzer beim Betrieb des Assets. 869 17.3 LCC und RAMS Parameter Bedeutung Beschreibung Reliability Zuverlässigkeit Wahrscheinlichkeit, dass ein Gegenstand eine erforderliche Funktion unter bestimmten Bedingungen für eine bestimmte Zeit im Dienst erfüllen kann. Availability Verfügbarkeit Verfügbarkeit eines Objekts, das sich in einem Zustand befindet, um eine erforderliche Funktion unter bestimmten Bedingungen für einen mutmaßlichen Zeitraum zu erfüllen, sofern die erforderlichen Hilfsmaterialien/ Außenwerkzeuge verfügbar sind. Maintainability Instandhaltbarkeit Machbarkeit, dass eine bestimmte Instandhaltungsmaßnahme für ein Bauteil unter bestehenden Randbedingungen innerhalb eines definierten Zeitraums durchgeführt werden kann, wenn die Instandhaltung unter definierten Bedingungen durchgeführt wird und definierte Verfahren und Hilfsmittel eingesetzt werden. Safety Sicherheit Nichtvorhandensein eines inakzeptablen Schadensrisikos. Tabelle 17.4: RAMS Parameter nach DIN EN 50126 Die Definitionen der grundlegenden (weil namensgebenden) RAMS-Parameter nach DIN EN 50126 sind in Tabelle 17.4 zusammengestellt. Danach zeigt Tabelle 17.5. wichtige Schlüsselpara‐ meter für ein RAMS-Management. 17.3.4 RAMS - LCC Management Zwei Verfahren, die eng miteinander verknüpft sind - Funktionalität und Wirtschaftlichkeit. Im RAMS-Management werden die Grundeigenschaften nach Tabelle 17.4 entworfen und optimiert, wie schon in Bald 17.2 dargestellt. Die Bewertung der Entwürfe bzw. der Varianten erfolgt dann in einer LCC-Analyse. Innerhalb der RAMS-Parameter bestehen teilweise enge Verknüpfungen. Schlüsselwerte für eine Beurteilung zeigt Tabelle 17.5. Dort sind aus diesem Grund schon R und A zusammengefasst. Zuverlässigkeit wird einmal eine Frage des Qualitätsmanagements sein. So kann zum Beispiel die inhärente Zuverlässigkeit durch die Auswahl höherwertiger Komponenten oder durch eine verbesserte Qualitätssicherung erzielt werden. Ein Effekt mit gleicher Tendenz kann auch durch Modifikationen in der Instandhaltungsstrategie erreicht werden. So könnte die Verfügbarkeit ei‐ nes Systems erhöht werden, wenn man für bestimmte Komponenten auf eine vorbeugende In‐ standhaltung wechselt (zustandsbasiert bringt u. U. eine Verringerung der Verfügbarkeit). Da ein solches Management recht schnell komplex werden kann und daher auch hauptsächlich für entsprechend komplexe Systeme eingesetzt wird, können allgemeingültige ‚Kochrezepte‘ kaum gegeben werden. 17.3.5 Das V-Diagramm Zur Unterstützung eines Instandhaltungsmanagements kann die Darstellung im V-Diagramm hilfreich sein, siehe Bild 17.5. Hauptanwender von V-Diagrammen sind aktuell die Betreiber von Eisenbahnen wie die Deutsche Bahn. Die zugehörige Norm DIN EN 50126 ist deshalb speziell auf Bahnanwendungen zur Unterstützung des gesamten Instandhaltungsmanagements zugeschnit‐ ten. In der Zustandsüberwachung wurden solch V-Diagramme in DIN ISO 13379 ebenso allge‐ meingültig eingeführt und werden derzeit zum Beispiel für WEA anlagenspezifisch präzisiert. 870 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung RAMS Parameter Schlüsselwerte Standard Zuverlässigkeit & Verfügbarkeit Mittlere Zeit zwischen Ausfällen für korrektive Instandhaltung (Mean time between failures) MTBF Ausfallrate (Failure rate) 1/ MTBF Mittlere Zeit bis zum ersten Ausfall (Mean time to first failure) MTFF Mittlere Zeit bis zum Ausfall (Mean Time to Failure) MTTF Mittleres Zeitintervall für Wartung bei vorbeugender Instandhaltung (Mean time between maintenance for preventive maintenance) MTBM Mittlere Zeit zwischen kritischen Ausfällen (Mean time between critical failures) MTBC Instandhaltbarkeit Mittlere Zeit der korrektiven Wartungsarbeiten (Mean time to repair) MTTR Mittlere Zeit zwischen allen Wartungsaktionen (präventiv, reaktiv) (Mean time between maintenance) MTBM Mittlere Zeit zwischen korrektiven Instandhaltungsmaßnahmen (Mean time between repair) MTBR Sicherheit Anzahl von Unfällen Personenschäden Tabelle 17.5: Schlüsselwerte für RAMS und LCC Bild 17.5: V-Modell nach DIN EN 50126 871 17.3 LCC und RAMS 67 Commercial off-the-shelf. Anmerkung: Das V-Modell oder V-Diagramm wurde ursprünglich als Strategiewerkzeug zur Softwareentwicklung konzipiert. Dabei werden Entwicklung und Qualitätssicherung (Systemtest) einander gegenübergestellt. Im linken (absteigenden) Zweig wird mit der funktionalen Spezifikation begonnen und bis zur Implementierungsphase fortgesetzt. Im rechten (aufsteigenden) Zweig werden die entsprechenden Spezifikationen getestet. 17.3.6 Obsoleszenzmanagement (OM) Wegen der Bedeutung vor allem im Hinblick auf das Thema Verfügbarkeit wurde OM bereits im einleitenden Kapitel, genauer in Abschnitt 0.22.2 eingeführt. Dort wurden auch die einschlägigen Begriffe sauber definiert (was im gegebenen Zusammenhang durchaus von Bedeutung ist). Auch auf das Anschauungsbeispiel von Abschnitt 0.6.6.3 (Bild 0.13) soll hier nochmals hingewiesen werden. 17.3.6.1 Komponenten und Ersatzteile Im Allgemeinen ist die Lebensdauer von Komponenten geringer als die Nutzungsdauer einer Maschine oder Anlage. Da der Ausfall einer Komponente für den Gesamtbetrieb von Bedeutung oder, wie im zitierten Beispiel, fatal sein kann, ist ein OM hier besonders wichtig. Der Wert einer obsoleten Komponente übersteigt in der Regel ihren Preis, das kann sich bis zum Maschinenwert ausdehnen (wenn durch Komponentenausfall die gesamte Anlage zum Stillstand kommt). Methodik der Komponenten OM Für ein Komponenten-OM bieten sich verschiedene Methoden an: ● Reaktives OM: Bei dieser Methode wird die Komponente erst bei Ausfall ersetzt. ● Präventives OM: Die Planung erfolgt bereits im Vorfeld während des Betriebs. ● Strategisches OM: Dabei erfolgt die Planung bereits zum Zeitpunkt der Anschaffung (strategisches Denken). Dieses Konzept beinhaltet beides, ○ Reaktive Strategie sowie ○ Präventive Strategie. ● Konzeptionelles OM ist ein ganzheitlicher Ansatz und umfasst ○ Reaktive, präventive und strategische OM, ○ Risiko- und LCC-Management. Im ersten Fall, reaktive Strategie, erfolgt im Prinzip keinerlei OM. Es gelten die gleichen Grundbedingungen wie bei reaktiver Instandhaltung: Ist der Ausfall der Komponente unkritisch, d. h. ohne Sekundärschäden und ist Ersatz verfügbar, ist dieser Weg oft durchaus wirtschaftlich. Die Verfügbarkeit kann von einem Ersatzteillager (entweder beim Hersteller oder beim Betreiber) gegeben sein; oder es handelt sich überhaupt um handelsübliche COTS-Teile 67 . Bei einem präventiven OM erfolgt die Planung bereits im Vorfeld während des Betriebs, spätestens dann, wenn die Komponente obsoleszent ist, damit Ersatz rechtzeitig verfügbar oder eine termingerechte Reparatur gesichert ist. Im strategischen OM erfolgt die Planung bereits zum Zeitpunkt der Anschaffung. Bei Fremd‐ lieferungen ist die Verfügbarkeit vertraglich mit den Hersteller zu vereinbaren. Allerdings ist auch 872 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung 68 Für Erzeugnisse (Verordnung EG 1907/ 2006 „REACH“) gelten Stoffverbote (Anhang 17) und Informationspflichten gemäß Art. 33 für Stoffe der Kandidatenliste (Art. 59, SVHC). für Hersteller die Verfügbarkeit von Komponenten über längere Zeiträume oft nicht absehbar. Gründe dafür kommen im nächsten Punkt zur Sprache. Obsoleszenz von Ersatzteilen Komponenten eines Systems können aus unterschiedlichen Gründen obsolet werden: ● Die Fertigung wird eingestellt. ● Die Komponente ist technisch veraltet. ● Die Verwendung bestimmter Stoffe wird verboten, zum Beispiel nach der REACH-Verord‐ nung 68 . Die Bekanntgabe einer bevorstehenden Abkündigung durch den Komponentenhersteller, die PCN (Product Change Notification) kann nach drei Verfahrensweisen erfolgen: ● Aktiv - der Hersteller informiert den Kunden vorab. ● Passiv - Änderungen oder Abkündigung werden auf der Webseite des Herstellers veröffent‐ licht, der Kunde muss sich selbst darum kümmern. ● Primitiv - keinerlei Information über Änderungen oder Abkündigung; Herausnahme aus dem Katalog des Hersteller. In jedem Fall muss man sich rechtzeitig um Ersatz kümmern. Ersatz ist möglich ● durch eine gleichwertige Komponente oder ● über Re-Engineering. Im zweiten Fall ist notfalls die Funktionalität der obsoleszenten Komponente zu analysieren und eine Neukonstruktion nach den gestellten Anforderungen anzufertigen. Weiterbetrieb von alten Anlagen Vielfach ist der Weiterbetrieb einer alten Anlage nach Ablauf der Nutzungsdauer erste Option für den Betreiber. Ist die Nutzungsdauer der gesamten Anlage abgelaufen, die Anlage also obsolet, hat man verschiedene Vorgangsweisen zur Disposition, ● Außerbetriebnahme, ● Weiterbetrieb, ggf. nach erforderlicher Kommissionierung oder ● Weiterbetrieb nach Retrofit. Im ersten Fall, der Außerbetriebnahme, wird die Weiterverwendung der Komponenten nach entsprechender Wartung ins Auge zu fassen sein. Bei vielen Anlagen wird der im Entwurf kalkulierte Abnutzungsvorrat im Lauf der regulären Nutzungsdauer meist nicht ausgeschöpft. Dies trifft besonders bei Anlagen zu, die stochastisch ausgeprägten Einflüssen unterliegen wie etwa Windenergieanlagen. Anhand der historischen Daten kann der verfügbare Vorrat kalkuliert und die Anlage weiterbetrieben werden. Im Zuge eines sogenannten Retrofits können als Basis eines rationellen Weiterbetriebs wichtige Komponenten erneuert und die Anlage damit auf den aktuellen technischen Stand gebracht werden. 873 17.3 LCC und RAMS Resumee Die Vorgangsweise im Obsoleszenzfall ist durchaus als Wirtschaftlichkeitsfaktor einzustufen, der in der Vergangenheit oft unterschätzt oder vielleicht überhaupt nicht zur Kenntnis genommen wurde. Heute wird diese Frage in einer eigenen Managementstufe behandelt. 17.3.7 Zusammenfassung Instandhaltungsmanagement mit RAMS und LCC ist eine sehr moderne und wirkungsvolle Strategie. Sie droht allerdings schnell recht komplex zu werden und ist demnach bisher nur beschränkt verbreitet - die Anwendung nimmt allerdings wegen steigender Anforderung an die Wirtschaftlichkeit rasch zu. In diesem Abschnitt wurden lediglich die wichtigsten Grundlagen zusammengestellt, was vor allem einen zügigen Einstieg erleichtern soll. Für einfache Systeme scheinen solche Verfahren vielleicht zunächst überzogen. Aber die intuitiven wirtschaftlichen Überlegungen, die man auch dort im Prinzip immer schon angestellt hat, entsprechen in vielen Fällen zumindest in Teilen den hier dargestellten Strategien. Als Anregung: Man könnte durchaus einmal versuchen, eine einfache Strategie, wie den routinemäßigen Austausch einer kostengünstigen Komponente, zum Beispiel eines Lagers bei einer Handbohrmaschine, nach diesen Strategien zu bewerten. 17.4 Anlagenwirtschaft Da sich die hier vorgestellten Strategien mittlerweile doch mehr und mehr durchsetzen und schon bewährt haben, wird das Konzept erweitert auf die sogenannte Anlagenwirtschaft oder das Asset-Management. Unter Anlagenwirtschaft fasst man bei produzierenden Betrieben die Verwaltung der Anlagen zusammen. Das umfasst das gesamte Sachanlagevermögen wie Maschinen, Industrieanlagen, Infrastruktureinrichtungen und Gebäude sowie Teile des Umlaufvermögens wie etwa in der Ersatzteilwirtschaft. Die Tätigkeitsfelder der Anlagenwirtschaft sind ● Planung und Neubau von Anlagen, ● Instandhaltung, ● Umbau, Erweiterung und Modifikation, ● Stilllegung von Anlagen. Dabei versteht man unter einem Asset das Vermögen, also die Gesamtheit aller Güter eines Wirtschaftsunternehmens. Man könnte also von Vermögensverwaltung sprechen. Anmerkung: Der englischsprachige Begriff Assetmanagement steht neben der Anlagen‐ wirtschaft auch für Vermögensverwaltung. Hier ist auf eine entsprechende Differenzierung zu achten, da Verwechslungsgefahr besteht. Zur exakten Begriffsdefinition ist die im Folgenden zitierte Norm DIN ISO 55000 zu Rate zu ziehen. 874 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung • DIN ISO 55000 - Übersicht und Prinzipien • DIN ISO 55001 - Anforderungen an die Anlagenwirtschaft als „Managementsystem“ • ISO 55002 - Leitlinie zur Einführung eines Anlagenwirtschaftssystems Bild 17.6: Von der Komponente zum Asset Den hierarchischen Aufbau eines umfassenden Anlagewirtschaftsmanagements zeigt die Grafik in Bild 17.6. Unter dem Oberbegriff des Assets (man beachte dazu die Anmerkung zuvor) werden die verschiedenen Stufen zusammengefasst. Die innersten - Komponenten, Maschinen und Anlagen - werden als technische Assets zusammengefasst und abgedeckt durch das Instandhal‐ tungsmanagement, wie es in diesem Buch behandelt wird (wurde). Facility umfasst die gesamte Liegenschaft, der Facility Manager könnte (etwas salopp) als ein industrieller Hausmeister aufgefasst werden. Unter Kernkompetenz versteht man den gesamten Wissenstand eines Unternehmens. Das Management umfasst sowohl die Erhaltung und Pflege des Personalstands, vor allem für qualifi‐ ziertes Personal. Es hat jedoch auch für den Erhalt des Know Hows bei (oft unvermeidlichem) Ausscheiden eines Spezialisten aus dem Unternehmen zu sorgen. 17.4.1 Bewertung von Assets Die Grundlagen der Anlagenwirtschaft wurden in der Reihe ISO 55000 veröffentlicht, derzeit in den Dokumenten Es gibt bereits im Europäischen Raum Unternehmen, die nach dieser Norm zertifiziert sind. 17.4.2 Das Referenz-Architekturmodell RAMI 4.0 Mit der Norm DIN SPEC 91345, Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0), wurde ein Referenzarchitekturmodell veröffentlicht, welches die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Produkte und Geschäftsmodelle beschreibt. 875 17.4 Anlagenwirtschaft 17.5 Zertifizierung Mit zunehmender Bedeutung von Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmanagement steigt auch die Bedeutung von Zertifizierungen. Dieser Trend wird durch agiles Management sowie durch die Globalisierung weiter verstärkt. In diesem Sinne wird zum Abschluss ein umfassender Überblick über den aktuellen Stand auf diesem Sektor angeboten. Zertifizierung ist Teil einer Konformitätsbewertung und kann von Zertifizierungsstellen durchgeführt werden. Unter Zertifizierung versteht man Verfahren, mit deren Hilfe die Einhaltung bestimmter Anforderungen nachgewiesen und über Zertifikate der mehr oder weniger objektiven Stellen dokumentiert wird. Man unterscheidet zwischen ● 1 rd -Party Zertifizierungen, ● 2 nd -Party Zertifizierungen und ● 3 rd -Party Zertifizierungen. 1 st -Party Zertifizierungen werden in der Regel von Produktherstellern oder Firmen selbst durch‐ geführt. 2 nd -Party Zertifizierungen werden durch Schulungs- oder Trainingszentren abgehalten, 3 rd -Party Zertifizierungen dürfen nur unabhängige, nach ISO 17024 akkreditierte Non-Profit Zertifizierungsgesellschaften vornehmen und genießen somit auch international die höchste Wertigkeit. Als Zertifizierungsbasis werden Dokumente über definierte Anforderungen zugrunde gelegt, zum Beispiel ISO-Normen, DIN-Normen oder andere offizielle Vorschriften. Zertifizierungen erfassen im Allgemeinen ● Produkte und Dienstleistungen, ● Überwachungsstellen, ● Personen, ● Systeme oder ● Unternehmen. Die wichtigsten Zertifizierungen im Zusammenhang mit Instandhaltungsmanagement und Zu‐ standsüberwachung werden in diesem Abschnitt vorgestellt. 17.5.1 Zertifizierung von Personal zur Schwingungsüberwachung Die Zertifizierung von Personal zur Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen kann nach der Normenreihe ISO 18436 durchgeführt werden. Sie ist aktuell in 8 Teilen erschienen, die ersten drei existieren auch als DIN ISO-Ausgaben (siehe Abschnitt 10.1.3.7). Bei der Zertifizierung von Schwingungspersonal sind vier Kategorien I bis IV mit steigendem Anforderungsprofil definiert. Die Anforderungen sind sehr detailliert in DIN ISO 18436 Teil 2 festgeschrieben und wurden umfassend im vorliegenden Fachbuch beschrieben. Die Vorgehens‐ weisen bei der Zertifizierung sind in Bild 17.7 veranschaulicht. Sie gelten in ähnlicher Art und Weise ebenso für andere Zertifizierungen innerhalb der Normenreihe ISO 18436, soweit verschiedene Kategorien vorhanden sind. 876 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Bild 17.7: Grundsätzliche einheitliche Vorgehensweise bei der Personalzertifizierung Zertifikate nach DIN ISO 18436-2 Norm sind an den Zertifikatsinhaber, also an die Person gebunden. Sie behalten demnach ihre Gültigkeit auch bei Wechsel des Arbeitsplatzes oder Einsatzbereichs. Im internationalen Markt existieren mehrere Anbieter für 3rd-Party Zertifizierungen von Schwingungspersonal, die sich gegenseitig anerkennen, wenn sie entsprechend akkreditiert sind und nach ISO 18436 arbeiten. Genannt seien BINDT (British Institute of Nondestructive Testing), MIBoC (Mobius Institute Board of Certification), Sector Cert und das VI (Vibration Institute of Amerika). Das MIBoC verwendet für die verschiedenen Kategorien die Kurzbezeichnungen ● VCAT-1 ( Junior Vibration Analyst), ● VCAT-2 (Intermediate Vibration Analyst), ● VCAT-3 (Senior Vibration Analyst) und ● VCAT-4 (Expert Vibration Analyst). 17.5.2 Zertifizierung von Asset-Reliability-Personal Zunehmend entwickeln sich in Anlehnung an die Zertifizierung von Schwingungspersonal auch Zertifizierungen von Personal zur Asset Reliability-Verbesserung. Dabei wird nicht streng unter‐ schieden, ob das Reliability-Personal organisatorisch in der Instandhaltung, in der Produktion oder sogar in separate Geschäftseinheiten eingebunden ist. 877 17.5 Zertifizierung Das MIBoC verwendet ein 3-stufiges Ausbildungskonzept zum Asset Reliability Practitioner (ARP) und unterscheidet zwischen ● ARP-A (Reliability Advocate), ● ARP-E (Reliability Engineer) und ● ARP-L (Reliability Program Leader). Besonders hingewiesen sei aber auch auf den ARP-A „PLANT-WIDE AWARENESS“-Kurs des MIBoC, der speziell für Anlagenpersonal entwickelt wurde. Er schult sehr gezielt, warum Reliability verbessert werden sollte, welchen Nutzen es hat, wie man zum Erfolg beitragen kann und erklärt notwendige Begriffe und Technologien. Insgesamt könnte man sogar von einer Asset Reliability Transformation sprechen, wie in der Grafik Bild 17.8 veranschaulicht ist. Bild 17.8: Asset Reliability Transformation Für die Zertifizierungen von Asset Reliability-Personal bestehen (noch) keine unabhängigen ISO Normen wie für Schwingungspersonal. Die Vorgehensweisen selbst sind jedoch nach ISO/ IEC 17024 akkreditierbar. Dazu war es zum Beispiel beim MIBoC erforderlich, dass, analog zur Zertifizierung nach DIN ISO 18436, sowohl Inhalte als auch Prüfungsfragen vom MIBoC Scheme Committee (SC) und einem international tätigen und unabhängigen Technical Committee (TC-einer der Autoren ist Mitglied im MIBoC-TC) entwickelt werden mussten, was mittlerweile erfolgreich abgeschlossen wurde. Vermerkt sei an dieser Stelle, dass auch das SMRP-Zertifizierungssystem mit den höchsten Standards entwickelt wurde und das CMRP-System ebenso nach ISO/ IEC 17024 akkreditiert ist. 878 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung 17.5.3 Zertifizierung von Überwachungsstellen und Überwachungssystemen Eine international gängige Grundlage für die Zertifizierung von Überwachungssystemen und von Überwachungsstellen in der Windbranche ist die Richtlinie DNVGL-SE-0439, Certification of condition monitoring. Sie nimmt auch Bezug auf die zuvor beschriebene Zertifizierung von Schwingungspersonal. Die DNVGL-Richtlinie definiert sehr umfassend die Anforderungen für das Betreiben von Überwachungsstellen und die notwendigen Mindestanforderungen an die verwendeten Überwachungssysteme. Dazu gehören auch regelmäßige Audits und Reaudits. (siehe Bild 17.9) Hat man als Überwachungsstelle eine derartige Zertifizierung erhalten, stellt diese einen besonderen Wettbewerbsvorteil und in der Windbranche zwischenzeitlich sogar eine Voraussetzung dar, um Triebstränge von Windenergieanlagen diagnostisch überwachen zu dürfen. Bild 17.9: Gliederung der Zertifizierung beim Condition Monitoring an Windenergieanlagen Auch in anderen Branchen, insbesondere im Schiffbau, existieren beispielsweise vom Lloyds Register (LR) oder American Bureau of Shipping (ABS) ähnliche Standards und Vorschriften, die Anforderungen an Überwachungsstellen und Überwachungssysteme definieren, worauf Zertifizierung durchgeführt werden kann. 879 17.5 Zertifizierung 17.5.4 Zertifizierung von Anlagenmanagement Die in Abschnitt 17.4.1 vorgestellt Normenreihe DIN ISO 55000 bildet die Grundlage für eine Zertifizierung eines Anlagenwirtschaftssystems. Darin enthalten ist als wichtiger Unterpunkt auch das Instandhaltungsmanagement, wie es in diesem Abschnitt vorgestellt wurde, SCHRIFTTUM [1] Gasch, R., Nordmann, R., Pfützner, H.: Rotordynamik, 2. Erweiterte Auflage. Springer Verlag 1975, korrigierter Nachdruck 2006. ISBN 3-540-41240-9. [2] Tondl, A. Self-excited vibration quenching in a rotor system by means of parametric excitation. Acta Technica ČSAV 2000; 45: S. 199-211. [3] H. Ecker, A. Tondl: "Increasing the stability threshold of a rotor by open-loop control of the bearing mount stiffness"; Vortrag: The 3rd International Symposium on Stability Control of Rotating Machinery (ISCORMA-3), Cleveland, Ohio; 19.09.2005 - 23.09.2005; in: "Proceedings Third Internat. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery", J. T. Sawicki, A. Muszynska (Hrg.); (2005), S. 351 - 361. [4] H. Ecker: "Suppression of self-excited vibrations in mechanical systems by parametric stiffness excitation"; ARGESIM, Wien, 2005, ISBN: 3-901608-61-3; 226 S. [5] H. Ecker, T. Pumhössel: "Vibration suppression and energy transfer by parametric excitation in drive systems"; Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C - Journal of Mechanical Engineering Science, 226 (2012), 8; S. 2000-2014. [6] Cartmell, M. Introduction to linear, parametric and nonlinear vibrations. London: Chapman & Hall, 1990. 880 17 Anlagenmanagement und Zertifizierung Register 3D-Darstellungen 252 Accelix® 216 AEGIS → Erdungsringe Agiles Management 102 Alarmkriterien 694 Amplitude 125 Analyse 32 Analytisches Zeitsignal 149 angefachte Schwingungen 170 Anlagenwirtschaft 874 Antialiasingfilter 223 Antialiasing-Filter 279 Antiresonanz 633 AP-Klassen → Aufgabenprioritäten Asset 19f., 45 Assetmanagement 107 Assets 875 Aufgabenprioritäten 803 Aufnehmer 198202204208210 berührungslos 206 Beschleunigung 197 CLD 202 digital 214 Drehschwingungen 212 faseroptisch 205 IEPE 198, 202 induktiv 206 kapazitiv 203 MEMS 204 Montage 216 piezoelektrisch 197 piezoresistiv 203 Runout 208 Schallemission 212 Schwinggeschwindigkeit 209 Smart Sensoren 216 Softsensor 216 TEDS 210 triaxial 205 Ultraschall 210 Wirbelstrom 206 Ausfall 21 Badewannenkurve 36, 180 Bandbreite 221 Basiswerte 313 BeCOMS 319 Belastungsschwingungen 52 Betriebsschwingform 335 Betriebsschwingformanalyse 639 Beurteilung von Wellenschwingungen 58 Bezugswerte 695 Big Data 108 Bodediagramm 249, 339, 425 Breitbandige Beurteilung 56 BSA → Betriebsschwingformanalyse BSO-Wert 719 Campbelldiagramm 249, 285, 425, 688 Capacity Assurance Maintenance 41 CAPM → Capacity Assurance Maintenance Cepstrum 89, 331 Chaotische Schwingungen 126 CLD → Aufnehmer Cloud 288 Condition Monitoring Partner Konzept 681 Corbit 345 CPK → Condition Monitoring Partner Konzept Crestfaktor 719 Curvefitting 644 Dämpfung 490, 634 äußere 757 innere 757 Konstruktionsdämpfung 765 lineare 116 Dämpfungsgrad 117 Data Mining 108 Datenbank 288f. Datenformate 243 Datenmanagement 108 DBS → Datenbank Demodulation 151 Deskriptor → Merkmal Diagnoseprioritätszahl 688 Diagnostik 32 Dichtungen → Rotor Diskont 868 DMS 212 Drehmomentmessung 439 Dynamikbereich 191, 198, 284 EDGE-Computing 263 EDM → Entladungsströme Effektivwert 124 EHHS 301 Einheiten 135 emaint® 287 Empfindlichkeit 200 Entdeckbarkeit 806 FMEA 806 FMSA 814 Entladungsströme 511 Entscheidungsfunktion 854 Enviromental, Health, Safety and Security 301 Erdung 259 Erdungsringe 511 Ergodizität 63 Erwartungswert 65 Estimated Time to Failure 315 ETTF → Estimated Time to Failure Expertensystem 110 Exponentialfenster → Zeitfenster Fabry-Pérot Interferometer 211 Fault Tree Analysis 44 Fehler 22 Fehlerbaum 44 Fehlerbaumanalyse → Fault Tree Analysis Fehlermode 814, 822 Fehlermode- und -auswirkungsanalyse → FMEA Fehlermode- und Symptomanalyse 99, 307, 814 Fehlzustandsart → Fehlermode Fehlzustandsart- und auswirkungsanalyse → FMEA FFT 221, 266 Filter 275 FMEA 104, 303, 798 Gefährdungs 799 korrektive 799 präventive 799 FMSA → Fehlermode- und Symptomanalyse FPGA 214 FRACAS 298 Frequency Response Function 88, 631f. Frequenzanalyse 75, 328 Frequenzbereich 198, 221 Frequenzgang 632 Frequenzgangfunktion → Frequency Response Function FRF → Frequency Response Function FTA → Fault Tree Analysis Fullspektrum 344 Fußpunkterregung 165 Ganzheitlich 93 Gaußsche Mischverteilung 849 GDMS 319 Gleitlager 590, 778791f. Auslegung 783 Dämpfung 788 Instabilität 787 Kippsegmentlager 792 Stabilität 786 Steifigkeit 788 unbelastet 791 Zitronenspielgleitlager 791 GMM → Gaußsche Mischverteilung Gümbeldiagramm 784 Hazard and operability study 301 HAZOP → Hazard and operability study Health Index 858 Hilberttransformation 150 Histogramm 251 Höhenkarte 253 Hüllkurvenanalyse 72, 347, 385 Hurwitz-Kriterium 731 IaaS 289 IEPE → Aufnehmer IIoT Industrial IoT 110 Instabilität 169, 367 Instandhaltung 18 Instationäre Vorgänge 126 Internet der Dinge 110 IoT → Internet der Dinge Ishikawadiagramm 94, 802, 832 Isolierung 492 882 Register K(t)-Wert 721 Kavitation 486 KDD → Knowledge Discovery in Databases Kennwerte 244 Keyphasor 154 Kippfuß 362, 448 Kippsegmentlager → Gleitlager Klassierung 73 Klassifikation 717, 851 Klassifikator 845 Knowledge Discovery in Databases 108 Kohärenz 88, 637 Kohonenkarte 851 Komplexe Zeiger 147 Körperschall 48 Korrelation 85 Kosten-Nutzen-Analyse 862 KPI 99, 709, 838 Krafterregung 163 Kritikalität 707, 726 Kurtogramm 392 Kurtosis 69, 391 Lagerfrequenzen → Überrollfrequenzen LCC 106 Lead Time to Failure 315 Vorlaufzeit 315 Lehrsches Dämpfungsmaß 117 Life Cycle Costing 101, 864 lindleistung 157 linear 113, 120 Logarithmische Amplitudenskalierung 143 Logistische Regression 853 LTTF → Lead Time to Failure Luftschall 50 Magnetlager 795 Maschinenschwingungen 48 Maximum Likelihood 67, 849 MEMS → Aufnehmer Merkmal 306, 821, 844 Merkmalraum 844 MESH 263 Messgröße 176 Messroute 261, 314 Messzeit 221 Mitlauffilter 277 Mittelung 61, 282 Modalanalyse 336 Modulation 328 Monitoring-Prioritätszahl 820 Morton-Effekt 691, 714 MPN → Monitoring-Prioritätszahl Multivariat 93 Multivariate Bewertung 856 Nächster Nachbar 854 Net Price Value 868 Neuronale Netze 850 Newkirk-Effekt 691, 715 nfrastructure-as-a-Service 289 NPV → Net Price Value Nutzwertanalyse 106, 862 Nyquistdiagramm 249, 339, 425 Obsoleszenzmanagement 103, 872 Öl-Whip 789 Öl-Whirl 789 OM → Obsoleszenzmanagement Orbitanalyse 343 Orbitmessung 344 Ordnungsanalyse 80, 330 Overlap 227 Parametererregt 168 Parametererregung 504 Pareto 95, 806 Parsevalsches Theorem 130 Partikelanalyse 318 PBM → Performancebasierte Instandhaltung PCA → Principal Component Analysis PCN → Product Change Notification Pegel 143, 691 Performance 93, 844, 858 Performancebasierte Instandhaltung 45 Periodische Schwingung 125 P-F-Intervall 98 PHA → Process Hazard Analysis Phase 152, 334 Phasenfunktion 637 Plausibilität 67 PLM → Product Lifecycle Management Polardiagramm 251, 419 Präskriptiv 110 883 Register Principal Component Analysis 855 Process Hazard Analysis 301 Product Change Notification 873 Product Lifecycle Management 107 Prognostik 33, 96 Pulsweitenmodulation 404 PWM → Pulsweitenmodulation Quetschöldämpfer 794 Radardiagramm → Sterndiagramm Radio Frequency Identification 110 RAMI 4.0 → Referenz-Architekturmodell RAMS 104, 864, 869f. Random Forest 852 RCA → Root Cause Analysis RCM 38, 861 Referenz-Architekturmodell 875 Resonanz 155, 499, 633 RFID → Radio Frequency Identification RIME-Zahl 302 Risikomatrix 40 Risikoprioritätszahl 803 Root Cause Analysis 95 Rotor 792 Dämpfung 755 äußere 757 innere 759, 763, 765 Dichtungen 792 Instabilität 763, 793 Jeffcott-Läufer 741 Koppelterme 763 Kreiselwirkung 773 Lavalläufer 739 orthotrop 766 Schlagbahn 748 Spalterregung 777 Stabilitätskarte 761, 776 unrunde Welle 774 Wellenschlag 747 RPZ → Risikoprioritätszahl Runout → Aufnehmer SaaS → Software-as-a-Service Schallemission 50 Schallemissionsanalyse 320 Schiefe 68 Schmalbandkorrektur → Zeitfenster Schmierstoffanalyse 316, 696 Schwebung 167 Schweregrad → Severity Schwingstärke 161 Schwingungsentstehung 172 Schwingungsüberwachung 28 Seebeck-Effekt 319 Seitenbänder 328, 348 Selbsterregte Schwingungen 169 Selbstorganisierende Karten → Self Organizing Map Self Organizing Map 851 Sensorik Beschleunigung 185 Dehnung 187 Drehzahl 185 induktiv 194 inkrementell 196 kapazitiv 195 Lastmessgrößen 189, 402 lichtoptisch 188, 213 optisch 196 Phase 186 piezoelektrisch 195 piezoresistiv 195 potenziometrisch 196 Schwinggeschwindigkeit 185 Schwingweg 184 seismisch 214 Temperatur 185 Wirbelstrom 193 Severity 124, , → Schwingstärke SFD → Squeeze Film Damper shikawadiagramm 300 SHM 575 Skislope-Effekt 260 Smart Data 108 Software-as-a-Service 289 SOM → Self Organizing Map Sommerfeldzahl 782 Spektrogramm 253 Spektrum einseitiges 268 zweiseitiges 268 Spitzenbewertung 71 Squeeze Film Damper 794, → Quetschöldämpfer 884 Register Stabilität 170, 730 Hurwitz-Kriterium 731 statistische Momente 61 Sterndiagramm 847 Stochastische Schwingung 125 Stockbridge Schwingungstilger 503 Strategien 34 Stribeck-Kurve 592 Stützvektor-Maschine → Support Vector Machine Support Vector Machine 854 SVM → Support Vector Machine Symptom 822 TEDS → Aufnehmer TPM 45 Transiente 338 Transmissibilität 165, 631 Trendanalyse 72 Tribologie 90 Triggerung 225 TWF → Zeitbereichsanalyse Überrollfrequenzen 385419 Übertragungsfunktion 165 Überwachung 32 Ultraschall 49, 210, 322 Umlaufende Abrissströmung 717 Unwucht aerodynamisch 713 hydraulisch 713 magnetisch 714 Massenunwucht 712 thermisch 714 Unwuchterregung 164 Ursachenanalyse 94 Ursachenbaum 826 VC-Linien 576 V-Diagramm 815, 870, 872 Verfügbarkeit 41 Versuchsplanung 229 Vertrauensniveau 831 Wasserfalldiagramm 252 Weibull-Verteilung 96, 846 Wirkleistung 157 Wirtschaftlichkeit 45, 101 Zeigerdarstellung 145, 251 Zeitbereichsanalyse 59 Zeitbereichsmittelung 85 Zeitfenster 273f. Exponential 273 Flat Top 269 Hann (Hanning) 269 Rechteck 269 Schmalbandkorrektur 274 Zeithorizont 867 Zertifizierung Anlagenmanagement 880 Asset 877 Personal 876 Überwachungsstellen 879 Überwachungssysteme 879 Zielsetzungen 31 Zitronenspielgleitlager → Gleitlager Zustandsüberwachung 27 Zuverlässigkeit 41 Zuverlässigkeitsblockdiagramm 43 Zyklostationäre Schwingung 125 885 Register Abbildungsverzeichnis Bild 0.1: Abnutzungskurve nach DIN 31051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Bild 0.2: Entwicklung von Instandhaltungsstrategien im Zuge des technischen Fortschritts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Bild 0.3: Die „Todesspirale“ der vorausschauenden Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . 25 Bild 0.4: Die „Todesspirale“ einer halbherzigen Schwingungsüberwachung . . . . . . . 26 Bild 0.5: Typischer Verlauf der Maschinenhistorie bis zum Schaden . . . . . . . . . . . . . 30 Bild 0.6: Schwingungsanalyse im Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Bild 0.7: Reaktiv - hier nicht unbedingt die optimale Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Bild 0.8: Typischer Verlauf der Ausfallhäufigkeit einer Maschine (Badewannenkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Bild 0.9: RCM-Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Bild 0.10: Risikomatrix mit je 5 Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Bild 0.11: Verfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Bild 0.12: Zuverlässigkeitsblockdiagramm und Fehlerbaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Bild 0.13: Priorität einer Industriewaschmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Bild 0.14: Kategorisierung von Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Bild 0.15: Hot Spots gemessen mit Mikrofonarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Bild 0.16: Grundformen von Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Bild 0.17: Verringerung der Lebensdauer durch erhöhte Schwingbeanspruchungen . 53 Bild 0.18: Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Bild 0.19: Normung auf dem Gebiet breitbandiger Beurteilung von Schwingungen . 57 Bild 0.20: Bevorzugte Messpunkte und Bewertungszonen nach DIN ISO 20816 . . . . . 58 Bild 0.21: Wellenschwingungsmessung und Bewertungsschema nach DIN ISO 20816 59 Bild 0.22: Energetische und arithmetische Mittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Bild 0.23: Lineare und exponentielle Mittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Bild 0.24: Summenhäufigkeit eines statistischen Prozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Bild 0.25: Verteilungsdichte einer Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Bild 0.26: Schiefe Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Bild 0.27: Symmetrische Verteilungsdichten mit unterschiedlicher Kurtosis . . . . . . . 69 Bild 0.28: Moduliertes Zeitsignal (Impulsfolge) und Hüllkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Bild 0.29: Zweiparametrige Klassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Bild 0.30: Identifikation von Einzeleffekten in Zeit- und Frequenzbereich . . . . . . . . . 77 Bild 0.31: Zusammenhang zwischen Kraft- und Schwingungsspektrum . . . . . . . . . . . 78 Bild 0.32: Breitbandige und schmalbandige (frequenzselektive) Messung . . . . . . . . . . 78 Bild 0.33: Trendanalyse frequenzselektiv und breitbandig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Bild 0.34: Rotorsynchrone Abtastung zur Ordnungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Bild 0.35: Die rechnerische Prozedur des Resampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Bild 0.36: Frequenzspektrum (oben) und Ordnungsspektrum (unten), zeitgleich gemessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Bild 0.37: Auswertung links ohne und rechts mit Autokorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Bild 0.38: Tribologiemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bild 0.39: Schemadarstellung der Zeit-Frequenz-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Bild 0.40: Ishikawadiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Bild 0.41: Paretodiagramm für Ausfallarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Bild 0.42: Schadensprognose im P-F-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Bild 0.43: KPI Thematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Bild 0.44: Aufschlüsselung der Lebenserwartungskosten für eine Pumpe . . . . . . . . . . 101 Bild 0.45: Lebenszyklusanalyse grafisch veranschaulicht (links deutlich teurer) . . . . 102 Bild 0.46: Varianten des Instandhaltungsmanagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Bild 0.47: Von der Komponente zum Asset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Bild 0.48: Smart Data Anwendungen in der Wälzlagerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Bild 0.49: Stufen der Datenanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Bild 1.1: Pythagoras (Quelle: The original uploader was Galilea at German Wikipedia, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Bild 1.2: Modell eines linearen Schwingers a) ungedämpft, b) gedämpft . . . . . . . . . . 114 Bild 1.3: Schwingungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Bild 1.4: Pendel als freier Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Bild 1.5: Freie Schwingung eines ungedämpften Schwingers nach Bild 1.2 a) . . . . . 116 Bild 1.6: Stimmgabeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Bild 1.7: Freie Schwingung eines schwach gedämpften Schwingers nach Bild 1.2 b) 117 Bild 1.8: Freie gedämpfte Schwingungen mit verschiedenen Dämpfungsgraden . . . 118 Bild 1.9: Freier Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Bild 1.10: Modell für erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Bild 1.11: Erzwungene Schwingung eines linearen Schwingers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Bild 1.12: Zur Linearität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Bild 1.13: Eigenschaften linearer Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Bild 1.14: Harmonische Schwingungen in verschiedenen Phasenlagen . . . . . . . . . . . . 123 Bild 1.15: Harmonische Schwingung - Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Bild 1.16: Kenngrößen einer periodischen Schwingung nach DIN ISO 20816 und nach DIN 1311-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bild 1.17: Klassierung von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Bild 1.18: Joseph Fourier (Quelle: Amédée Félix Barthélemy Geille, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Bild 1.19: Fourierzerlegung einer periodischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Bild 1.20: Zeitsignal und Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Bild 1.21: Anregung durch Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Bild 1.22: Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Bild 1.23: Messgrößen einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Bild 1.24: Nomogramm zur Umrechnung der Parameter nach Bild 1.23 . . . . . . . . . . . 133 Bild 1.25: Isaac Newton (Quelle: Unknown author) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Bild 1.26: Periodische Schwingung in Zeitbereich und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . 139 Bild 1.27: Zeitbereich und Frequenzbereich in räumlicher Darstellung . . . . . . . . . . . . 140 Bild 1.28: Frequenzspektrum und Ordnungsspektrum einer drehzahlbezogenen Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Bild 1.29: Zeitbereich und Frequenzbereich in der Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Bild 1.30: Zeitsignal und Spektrum nach Bild 1.29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Bild 1.31: Lineare und logarithmische Darstellung von Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 887 Abbildungsverzeichnis Bild 1.32: Zeigerdarstellung einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Bild 1.33: Addition zweier Schwingungen im Zeigerdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Bild 1.34: Darstellung einer harmonischen Schwingung als reeller Zeiger . . . . . . . . . 147 Bild 1.35: Komplexe Darstellung einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . 148 Bild 1.36: Prinzip der Hilberttransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Bild 1.37: Analytisches Zeitsignal einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . 149 Bild 1.38: Analytisches Zeitsignal einer modulierten Sinusschwingung . . . . . . . . . . . 150 Bild 1.39: Hilberttransformation - David Hilbert (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bild 1.40: Phasenmessung bezüglich einer Referenzmarke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Bild 1.41: Definition des Phasenwinkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Bild 1.42: Blasendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Bild 1.43: Resonanz eines Pendels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Bild 1.44: Resonanz - ein Kinderspiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Bild 1.45: Resonanz eines Vertikalschwingers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Bild 1.46: Resonanzverhalten eines linearen Schwingers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Bild 1.47: Energieverhältnisse im linearen Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Bild 1.48: Resonanzverschiebung durch Versteifung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Bild 1.49: Eigenformen einer schwingenden Saite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Bild 1.50: Erregungsmechanismen für Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Bild 1.51: Bodediagramme der Schwinger nach Bild 1.50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Bild 1.52: Schwebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Bild 1.53: Angefachte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bild 1.54: Energiefluss und Taktung bei erzwungener und selbsterregter Schwingung 171 Bild 2.1: Architektur moderner Condition Monitoring Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Bild 2.2: Typische Badewannenkurve während einer Nutzungsphase . . . . . . . . . . . . 180 Bild 2.3: Schwingungstester und FFT-Schwingungsanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Bild 2.4: Grundsätzliche Verfahren zur Schwingungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Bild 2.5: Berührungslose Temperaturmessung an einem Elektromotor . . . . . . . . . . . 185 Bild 2.6: Mobiler Schwingungsdatensammler mit Stroboskopfunktion . . . . . . . . . . . 186 Bild 2.7: Laserbasierter Sensor zur digitalen Drehzahl- und Phasenmessung . . . . . . 187 Bild 2.8: DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Bild 2.9: Piezoelektrischer FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Bild 2.10: Prinzip des FBG-Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Bild 2.11: Messung von Motorstrom und Leistung mit Stromzangen . . . . . . . . . . . . . . 190 Bild 2.12: Funktionsweise induktiver Wegsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Bild 2.13: Prinzipien kapazitiver Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Bild 2.14: Sensoren zur Luftspaltmessung (Quelle: Iris Power) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Bild 2.15: Konstruktionsvarianten piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer . . . 197 Bild 2.16: Theoretischer Frequenzgang eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Bild 2.17: Auf einem Sensorkalibrierprüfstand gemessene Kennlinie für Beschleunigungsaufnehmer mit eingezeichneten Toleranzbereichen . . . . . 199 Bild 2.18: Toleranzangaben in Prozent und Dezibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Bild 2.19: Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Bild 2.20: Übertragungseigenschaften eines CLD-Aufnehmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 888 Abbildungsverzeichnis Bild 2.21: Prinzip eines kapazitiven Schwingungsaufnehmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Bild 2.22: Kapazitiver MEMS-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Bild 2.23: Kabelloser Triaxialaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Bild 2.24: Induktive Wegaufnehmer in mobilem Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Bild 2.25: Veranschaulichung des Wellenorbits und der zugehörigen Einzelkomponenten bei Wellenbewegungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Bild 2.26: Axiale Schwingungsmessungen mit Laser-Doppler-System . . . . . . . . . . . . . 209 Bild 2.27: Ultraschall-Prüfset für mobilen Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bild 2.28: Akustische Ultraschallkamera - mobiles Gerät und Online-Version . . . . . . 211 Bild 2.29: Drehschwingungsmessung mit Dehnmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Bild 2.30: Drehschwingungsmessung mit Zebratapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Bild 2.31: Stroboskopische und inkrementale Drehschwingungsmessung . . . . . . . . . 214 Bild 2.32: Schema eines FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Bild 2.33: Screening Schwingungssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Bild 2.34: Einflüsse der Messkette auf das Messergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Bild 2.35: Optimale Positionierung von Beschleunigungsaufnehmern . . . . . . . . . . . . . 218 Bild 2.36: Montagemöglichkeiten und Einfluss der Ankopplung eines Beschleunigungsaufnehmers auf den erfassbaren Frequenzbereich . . . . . . 219 Bild 2.37: Magnetfuß für gekrümmte Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Bild 2.38: Querempfindlichkeit eines Beschleunigungsaufnehmers . . . . . . . . . . . . . . . 221 Bild 2.39: Antialiasingfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Bild 2.40: Basisbandspektrum und ZOOM-Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Bild 2.41: Konventionen nach API 670 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Bild 2.42: Freilaufende Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Bild 2.43: Freilaufende Triggerung mit Overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Bild 2.44: Interne und externe Triggerung mit Triggerverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . 228 Bild 2.45: Schema eines Pumpenaggregats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Bild 2.46: Typische Schwingungsmesspunkte an einem vertikalen Pumpenaggregat 234 Bild 2.47: Übliches Bezeichnungsschema mit erläuternden Bezeichnungen im Strukturbaum der DB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Bild 2.48: Messpunktkodierung nach MIMOSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Bild 2.49: Intelligente Montagevorrichtung VIBCODE ® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Bild 2.50: Genauigkeitsklassen nach DIN ISO 13373 für die gesamte Messkette . . . . . 242 Bild 2.51: Kalibrierprüfstände - links für Inklination und zentrifugale Bewegung, rechts für Beschleunigung mit Frequenzdurchlauf von 0,1 Hz bis 50 kHz . 243 Bild 2.52: x-t-Diagramm (dynamisches Zeitsignal oder TWF-Signal) . . . . . . . . . . . . . . 246 Bild 2.53: Monatliches Diagramm von drehzahlabhängigen Pumpenschwingungen . 247 Bild 2.54: Ordnungsspektrum eines Motors mit initialen Lageranregungen . . . . . . . . 248 Bild 2.55: Terzspektrum in doppeltlogarithmischer Balkendarstellung . . . . . . . . . . . . 248 Bild 2.56: Campbelldiagramm mit vier Eigenfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Bild 2.57: Darstellung komplexer Frequenzgangfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Bild 2.58: Nyquistdiagramm eines Auslaufvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Bild 2.59: Polardiagramm einer Getriebeschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Bild 2.60: Monatliches Schwingungshistogramm eines Generators auf einer Windenergieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 889 Abbildungsverzeichnis Bild 2.61: Weitbereichsspektren als Wasserfalldiagramm vor und nach einer Instandsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Bild 2.62: Höhenkarte (Zweiseitiges Full-Spektrogramm) eines Spezialmotors beim Anfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Bild 2.63: Monatliche Schaubilder zum Betriebs- und Schwingungsverhalten einer Windenergieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Bild 2.64: Beispielhafter Anschlussplan für elektromagnetisch stark kontaminierte Umgebungen zur Vermeidung von Erdschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Bild 2.65: Typischer Aufbau eines Triaxialkabels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Bild 3.1: Messkette zur Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Bild 3.2: Digitalisierung eines Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Bild 3.3: Zweiseitiges Spektrum mit Zeigerdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Bild 3.4: Prinzip der Zeitfensterung am Beispiel eines harmonischen Signals . . . . . 270 Bild 3.5: Auswirkung des Rechteckfensters auf das Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Bild 3.6: Die wichtigsten Zeitfenster im Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Bild 3.7: Exponentialfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Bild 3.8: Bandpassfilter, ideal und real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Bild 3.9: Hochpass, Tiefpass und Bandpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Bild 3.10: Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Bild 3.11: Antialiasingfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Bild 3.12: links - Rohsignal, rechts - Zeitbereichsmittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Bild 3.13: Erweitertes Campbelldiagramm nach VDI 4550-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Bild 4.1: Condition Monitoring Software OMNITREND Center (db-Prüftechnik) . . 287 Bild 4.2: Universelles CMMS emaint® (Fluke Reliability) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Bild 4.3: Datenbank - Organisation der zu überwachenden technischen Assets . . . 290 Bild 4.4: Datenbank - Konfiguration der Messaufgaben an den festgelegten Messpunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Bild 4.5: Betriebsanzeige für ein multivariates Überwachungssystem . . . . . . . . . . . . 292 Bild 4.6: Systemfaktoren für eine Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Bild 4.7: Strategie zur Projektierung einer Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . 294 Bild 4.8: Typisches Ablaufdiagramm einer Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . 295 Bild 4.9: Vorhandene Wellenschwingungs-Messeinrichtung und zusätzliche Gehäusemesspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Bild 4.10: Ermitteln der Asset-Kritikalitäts-Rangfolge (Quelle: CMMS emaint®) . . . . 299 Bild 4.11: Asset-Kritikalitäts-Matrix aus Sicht eines Condition Monitoring . . . . . . . . 300 Bild 4.12: 6M-Ishikawadiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Bild 4.13: Schema einer FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Bild 4.14: Aufbau eines datengetriebenen Online-Condition Monitoring Systems (CMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Bild 4.15: Frequenzbänder zur schwingungsbasierten Fehlererkennung . . . . . . . . . . . 308 Bild 4.16: Konzept eines modernen Edge-CM-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Bild 4.17: Dashboard zur Zustandsanzeige eines Turbosatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Bild 4.18: Mobiler FFT-Datensammler - Messroute und Messpunktanzeige . . . . . . . . 311 Bild 4.19: WEARSCANNER im Einsatz zur Überwachung eines Gasmotors . . . . . . . . 318 Bild 4.20: Anwendungen von Ultraschall in der Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . 322 Bild 5.1: Fehlermöglichkeiten an einer Wasserkraftanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 890 Abbildungsverzeichnis Bild 5.2: Frequenzanalyse und Trendverfolgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Bild 5.3: Zusammenhang zwischen Modulation (Zeitbereich) und Seitenbändern (Frequenzbereich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Bild 5.4: Vergleich von Frequenzanalyse (oben) mit Ordnungsanalyse (unten) in Wasserfalldarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Bild 5.5: Leistungscepstrum und Leistungsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Bild 5.6: Phasenbild bei statischer Unwucht (links) und bei Momentenunwucht (rechts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Bild 5.7: Wandern der Phasenlage der drehfrequenten Komponente an beiden Seiten eines Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Bild 5.8: Schmalbandige und breitbandige Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Bild 5.9: Darstellung der Strukturschwingungen als Farbgrafik . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Bild 5.10: Tukey-Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Bild 5.11: Bode- und Nyquistdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 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) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Bild 5.13: Wasserfall- und Nyquistdiagramm bei einem Hochlauf . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Bild 5.14: Spektrogramm eines Motors/ Pumpen Aggregats bei instationärer Fahrweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Bild 5.15: Orbitmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Bild 5.16: Darstellung des 1X-Wellenorbit mit Drehrichtung: Die blau markierte Bewegung läuft gegen den Uhrzeigersinn (positiv), die rot im Uhrzeigersinn (negativ): Rechts die Darstellung als sogenanntes Fullspektrum. . . . . . . . . 345 Bild 5.17: Kaskadenorbit (Corbit) der drehfrequenten Komponente einer Wellenschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Bild 5.18: Skizze zur Wellenbewegung und Shaft Centerline-Plot (rechts) . . . . . . . . . 346 Bild 5.19: Statische und dynamische Biegelinie eines biegeelastischen Rotors . . . . . . 346 Bild 5.20: Entstehen einer Massenunwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Bild 5.21: Statische Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Bild 5.22: Momentenunwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Bild 5.23: Dynamische Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Bild 5.24: Statische Unwucht - spektrales Erscheinungsbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Bild 5.25: Statische Unwucht - Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Bild 5.26: Hauptgetriebe mit zwei Schwungrädern für einen Pilgerwalzwerksantrieb 355 Bild 5.27: Momentenunwucht - spektrales Erscheinungsbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Bild 5.28: Momentenunwucht - Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Bild 5.29: Dynamische Unwucht - spektrales Erscheinungsbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Bild 5.30: Dynamische Unwucht - Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Bild 5.31: Rotor mit fliegender Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 Bild 5.32: Grundlegende Ausrichtfehler bei miteinander gekuppelten Maschinen . . . 360 Bild 5.33: Messstellen und Messrichtungen zur Bestimmung von Ausrichtfehlern . . 361 Bild 5.34: Winkelversatz - spektrales Erscheinungsbild mit Indikation der Phasen . 361 Bild 5.35: Parallelversatz - spektrales Erscheinungsbild mit Indikation der Phasen . 361 Bild 5.36: Verbogene Welle - spektrales Erscheinungsbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Bild 5.37: Phasenlagen bei Unwucht und Ausrichtfehlern im Überblick . . . . . . . . . . . 363 891 Abbildungsverzeichnis Bild 5.38: Wellenanriss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Bild 5.39: Riss oder Grat im hochauflösend gemessenen Zeitsignal der Wellenschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Bild 5.40: Mechanisches Spiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Bild 5.41: Das rechte Zeitsignal zeigt erhöhtes Anstreifrisiko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Bild 5.42: Halbschale zweier Gleitlager (rechts mit Schädigung) . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Bild 5.43: Öl-Whirl (Ölfilmwirbel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Bild 5.44: Instabilitäten infolge Öl-Whip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Bild 5.45: Fehlerursachen in Wälzlagern (nach einer Studie von SKF) . . . . . . . . . . . . . 372 Bild 5.46: Kräfte und Bewegungen in Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Bild 5.47: Wälzlager - Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Bild 5.48: Laufbahn- und Käfigschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Bild 5.49: Einige Wälzlagerschäden in fortgeschrittenen Stadien . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Bild 5.50: Verspannte Lager - Außenring (links) und Innenring (rechts) . . . . . . . . . . . 379 Bild 5.51: Diskrete Fehler in Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Bild 5.52: Modulation bei drehendem Innenring und horizontaler Welle . . . . . . . . . . 381 Bild 5.53: Zeitsignal und Spektrum eines Einzelpulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Bild 5.54: Wälzlagerfehler in Zeit- und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Bild 5.55: Überrollfrequenzen im Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 Bild 5.56: Wälzlagerzustand schadensfrei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Bild 5.57: Wälzlager mit Außenringschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Bild 5.58: Wälzlager mit Innenringschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Bild 5.59: Wälzlager bei Wälzkörperschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Bild 5.60: Kugellager mit Wälzkörperschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Bild 5.61: Wälzlager mit Käfigschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Bild 5.62: Wälzlagerschaden - harter Lauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Bild 5.63: Wälzlager mit zu hohem Lagerspiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Bild 5.64: STFT zur Berechnung des Kurtogramms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Bild 5.65: (mit zusätzlicher Extrapolation für Langsamläufer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 Bild 5.66: Beispiel eines BSO-Trends mit einem Lagerschaden 2017-12 . . . . . . . . . . . . 393 Bild 5.67: Komponenten eines Elektromotors und Veranschaulichung von 2- und 4-poligen Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Bild 5.68: Feldfehler am Ständer (Asynchronmaschinen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Bild 5.69: Seitenbänder der Stabfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Bild 5.70: Seitenbänder der doppelten Netzfrequenz (Asynchronmaschinen) . . . . . . . 402 Bild 5.71: Ständerstromsignaturanalyse ohne und mit Rotorstabbrüchen (Quelle: IRIS Power) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Bild 5.72: Schwingungsbilder am Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Bild 5.73: Schadensursachen und Schadensbilder bei Zahnrädern . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Bild 5.74: Anregungsmechanismen bei Zahnradgetrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Bild 5.75: Steifigkeitsverläufe einer Verzahnung und spektrale Auswirkung . . . . . . . 412 Bild 5.76: Schnittbild des Getriebes einer WEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 Bild 5.77: Schwingungsbild einer Zahnradstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Bild 5.78: Schwingungssystem Planetengetriebe mit feststehendem Hohlrad . . . . . . . 414 Bild 5.79: Verschleiß in Zahnradgetrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Bild 5.80: Lokale und verteilte Zahnfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 892 Abbildungsverzeichnis Bild 5.81: Zahneingriffs-Wiederholfrequenz und Phasenkoinzidenz . . . . . . . . . . . . . . 417 Bild 5.82: Winkelsynchrones Zeitsignal als kartesisches und als Polardiagramm . . . 420 Bild 5.83: Analyse von Zahnradschäden mit verschiedenen Methoden . . . . . . . . . . . . 421 Bild 5.84: Potenzielle Anregungsarten für Resonanzen einer rotierenden Welle . . . . 422 Bild 5.85: Biegeresonanz eines Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 Bild 5.86: Lagerresonanzen eines starren Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 Bild 5.87: Biegekritische Drehzahlen mit V-, S- und W-Schlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Bild 5.88: Wellenverlagerung in Abhängigkeit von der Drehzahl n . . . . . . . . . . . . . . . 427 Bild 5.89: Bereich der Wellenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 Bild 5.90: Unwucht bei isotroper und anisotroper Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Bild 5.91: Anstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Bild 5.92: Öl-Whirl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Bild 5.93: Öl-Whip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Bild 5.94: Ausrichtfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 Bild 5.95: Signifikante Änderungen im Orbit infolge von Verzwängungen bei Erhöhen der Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 Bild 5.96: Durchfahren einer kritischen Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Bild 5.97: Hochlaufspektren vertikal und horizontal gemessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Bild 5.98: Schadensbilder an Wellen und an einer Gelenkwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Bild 5.99: Varianten zeitlicher Lastschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Bild 5.100: Typenschild eines Elektromotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 Bild 5.101: Propellerkennlinien der beiden Antriebe (Quelle: dB Prüftechnik) . . . . . . . 439 Bild 5.102: Drehmomentmessstelle (links) und Messergebnisse beim Anfahren (rechts) Quelle: dB Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Bild 6.1: Systematik einer FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 Bild 6.2: Veranschaulichung eines gleichzeitigen radialen und winkligen Ausrichtfehlers in vertikaler Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Bild 6.3: Beeinflussung einer Getriebeverzahnung durch fehlerhafte Wellenausrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 Bild 6.4: Korrektur von Fehlausrichtung durch Verschieben, Absenken oder Anheben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Bild 6.5: Einsetzen von Passplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 Bild 6.6: Kippfußarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Bild 6.7: Verändern der horizontalen Wellenlage durch einen Winkel-Kippfuß . . . . 451 Bild 6.8: Kupplungsausrichten durch Sichtprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Bild 6.9: Ausrichten: Radial-Axial-Verfahren und Plausibilitätscheck . . . . . . . . . . . . 454 Bild 6.10: Messuhren-Ausrichten nach dem Doppelradialverfahren (Umschlagverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Bild 6.11: 1984 - 2005 - heute: Laseroptisches Ausrichtsystem OPTALIGN . . . . . . . . 456 Bild 6.12: Kardanwellenausrichten an einem Papiermaschinenantrieb (links mit und rechts ohne montierte Kardanwelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Bild 6.13: Prinzip des Ein-Laser-Verfahrens - ähnlich dem Doppelradialverfahren . . 459 Bild 6.14: Ex-geschütztes Wellenausrichtsystem (Quelle: Fluke Deutschland GmbH) 460 Bild 6.15: Vorzeichenkonvention beim Wellenausrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 Bild 6.16: ANSI/ ASA S2.75 Standard für das Wellenausrichten (einfache Kupplung) . 462 Bild 6.17: ANSI/ ASA S2.75 Standard für das Wellenausrichten (Spacer-Kupplung) . . 463 893 Abbildungsverzeichnis Bild 6.18: Zusatzschwingungen zufolge axialer Fehlausrichtung vor und nach der Korrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 Bild 6.19: Vierer-Maschinenzug bestehend aus Vorpumpe, Getriebe, Turbine und Hauptpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 Bild 6.20: Verschiedene Einflussfaktoren auf Ausrichtzustände bei Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 Bild 6.21: Ausrichten im unter- und im überkritischen Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 Bild 6.22: Montage von PERMALIGN® mit Dachkantprisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 Bild 6.23: Klaviersaitenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 Bild 6.24: Ausrichtung der Lagegenauigkeit von Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 Bild 6.25: Messen und Erstellen einer korrekten inneren Ausrichtung in einem Turbogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 Bild 6.26: Vermessen und korrektes Einstellen eines Kompressor-Grundrahmens . . . 470 Bild 6.27: Inertiales Ausrichtsystem für Parallelitäten - Bezugssystem ist der Erdmittelpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 Bild 6.28: Erfassen der Walzenparallelitäten mit einem PARALIGN-Messsystem . . . 472 Bild 6.29: Ausrichtsystem INCLINEO für Neigung, Ebenheit und Rechtwinkligkeit . 473 Bild 6.30: Ausrichten von Riemenscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 Bild 6.31: Modell eines starren Rotors mit nachgiebiger Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . 475 Bild 6.32: Ableiten von Restunwuchten für langsam laufende und schneller laufenden Maschinen und Anlagen (in Anlehnung an DIN ISO 1940) . . . . . . . . . . . . . . 476 Bild 6.33: Wuchten auf einer Wuchtbank (oben) und Betriebswuchten im Feld . . . . . 477 Bild 6.34: Sensoranordnung beim Betriebswuchten und angeschweißte Ausgleichsgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 Bild 6.35: Auslaufspektren vor dem Betriebswuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 Bild 6.36: Messpunkte am Saugzugrad und FFT-Spektren vor und nach dem Auswuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 Bild 6.37: Messeinrichtung für Wellenschwingungen - Speisewasserpumpe und angebrachte Auswuchtgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 Bild 6.38: Bandantriebsmotor mit Beschleunigungssensor; Flüssigkeitskupplung mit Unterlegscheiben als Ausgleichsgewichte, und FFTs vor und nach dem Wuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 Bild 6.39: 2-Ebenen-Präzisionswuchten an einem Rollenprüfstand für PKW bei 200 km/ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 Bild 6.40: Bedieneroberfläche mit Auswahlmenüs eines Wuchtsystems . . . . . . . . . . . 483 Bild 6.41: Anordnung beim Zweiebenen-Wuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 Bild 6.42: Drehmomentschwankungen eines Mühlenantriebs vor und nach Optimierung des Umrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 Bild 6.43: Entstehung von Dampfkavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 Bild 6.44: Kompensator in einer Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 Bild 6.45: Isolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 Bild 6.46: Modelle für elastische Aufstellung von Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Bild 6.47: Auslenkungen und Einsatzbereiche für verschiedene Dämpfungselemente 495 Bild 6.48: KSD ® -Elemente zur doppeltelastischen Lagerung (Quelle: Sahlberg) . . . . . 496 Bild 6.49: Konstruktionen elastischer Lagerungen (Quelle: Sahlberg) . . . . . . . . . . . . . 497 Bild 6.50: Typische Dämmmaße elastischer Lagerungen (Quelle: Sahlberg) . . . . . . . . 497 894 Abbildungsverzeichnis Bild 6.51: Resonanzmessung mit Anschlagversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 Bild 6.52: Resonanzverschiebung durch Ändern von Masse oder Steifigkeit . . . . . . . 500 Bild 6.53: Schwingungstilger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Bild 6.54: Prinzip des Pendelschwingungstilgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Bild 6.55: Bifilarer Pendeltilger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Bild 6.56: Stockbridge Schwingungstilger (Quelle: RIBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Bild 6.57: Stockbridgedämpfer im praktischen Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Bild 6.58: Aktive Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Bild 6.59: Videoskopische Inspektion durch einen Inspektionsverschluss an einem Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 Bild 6.60: Vorbereitungen zur Tragbildprüfung in den Verzahnungsstufen . . . . . . . . . 508 Bild 6.61: Gelockerte Schraubverbindung und Ansicht der anschließenden laserbasierten Ausrichtkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 Bild 6.62: Weitbereichsanalysen des Motorstroms in allen 3 Phasen . . . . . . . . . . . . . . 510 Bild 6.63: Passungsklassen nach ISO 286 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 Bild 6.64: Konstruktive Ausführung von Lagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 Bild 6.65: Zahnflankenkorrekturen zur Schwingungsminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Bild 7.1: Messanordnung zum Ermitteln von Ausrichtvorgaben an einem Kesselspeisepumpenaggregat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 Bild 7.2: Elektromagnetische Schall- und Schwingungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . 520 Bild 7.3: An einem mehrstufigen Pumpenrotor wirkende Radialkräfte . . . . . . . . . . . 522 Bild 7.4: Kühlturmlüfteraggregat kurz vor der Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 Bild 7.5: Schwingungsquellen an Lüftersystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 Bild 7.6: Prinzip einer Zuckerzentrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Bild 7.7: Rotor eine Dampfturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 Bild 7.8: Einflussgrößen bei Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 Bild 7.9: Konstruktionsformen von Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Bild 7.10: Dampfturboläufers mit 13 Schaufelreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Bild 7.11: Schwingungsmessungen an einer stationären Gasturbinenanlage . . . . . . . 532 Bild 7.12: Aufbau und Überwachungskonzept von vertikalen Wasserkraftmaschinen 535 Bild 7.13: Häufigkeitsverteilung der Schwingkennwerte v und Körperschallkennwerte a an einer Kaplanturbine in Abhängigkeit von der Turbinenleistung (über einen monatlichen Zeitraum erfasst) . . . . . . . . . . . 537 Bild 7.14: Typischer Aufbau und typische Messpositionen am Triebstrang von Windenergieanlagen mittlerer Leistung mit Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540 Bild 7.15: Typische Leistungskennlinien einer WEA, gemessen in Sekundentakt; Links: Generatorleistung über Windgeschwindigkeit; Rechts: Generatorleistung über Generatordrehzahl (monatliche Aufzeichnung in einem windreichen Zeitraum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 Bild 7.16: Beispielhafte Darstellung der monatlich gemessenen Generatorschwingungen in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl (gemessen im Sekundentakt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 Bild 7.17: Schema eines Schiffsantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 Bild 7.18: Kavitierender Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Bild 7.19: Förderprinzip eines Schraubenverdichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 Bild 7.20: Schwingungsbeurteilung nach VDI 3836 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 895 Abbildungsverzeichnis Bild 7.21: V12 Antriebsmaschine eines Kreuzfahrtschiffs (Quelle: MAN Energy Solutions SE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Bild 7.22: Schema eines Kurbeltriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Bild 7.23: Zeigerdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 Bild 7.24: Mehrzylinderanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 Bild 7.25: Motoren in 180° Anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 Bild 7.26: Kurbelwellen und Schwingungsbild bei 4- und 6-Zylindermotoren . . . . . . 558 Bild 7.27: Mobile Schwingungsmessungen am Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 Bild 7.28: Prinzip eines 6-Walzen-Gerüstes mit axial verschiebbaren Walzen (a) im Vergleich zum Quartogerüst (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 Bild 7.29: Zeitverlauf der Drehzahl und Walzkräfte in einem Reversierkaltwalzwerk beim Walzen von 3 Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 Bild 7.30: Schwingungsquellen am Walzwerksgerüst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 Bild 7.31: Ansicht einer Papiermaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 Bild 7.32: Gestellbauteile einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise(Quelle: Waldrich-Coburg; Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 Bild 7.33: Klassifizierung von Drehmaschinen nach Gestellbauformen (Quelle: Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 Bild 7.34: Bauformen horizontaler Bohr und Fräsmaschinen (Quelle: Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen) 571 Bild 7.35: Systemanalyse an einer Schleifmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 Bild 7.36: Beurteilung von Rohrleitungsschwingungen nach VDI 3842 . . . . . . . . . . . . 577 Bild 7.37: Ansicht und Schema eines Planetengetriebes mit feststehendem Hohlrad . 579 Bild 7.38: Zweisträngiges Getriebe für den Hauptantrieb eines Schaufelradbaggers . 580 Bild 7.39: Automatikgetriebe mit E-Maschine (Quelle: © ZF Friedrichshafen AG) . . . 581 Bild 7.40: Bauformen von Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 Bild 7.41: Lebensdauerreduzierende Einflüsse bei Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 Bild 7.42: Schonendes Erwärmen und Aufschrumpfen von Wälzlagern . . . . . . . . . . . 590 Bild 7.43: Druckaufbau beim Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 Bild 7.44: Stribeck-Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592 Bild 7.45: Bauformen von Gleitlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Bild 7.46: Gleitlagerschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Bild 7.47: Verzahnungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Bild 7.48: Zahnverläufe an Oktoidenverzahnungen (Kegelräder) . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 Bild 7.49: Lastabhängige Tragbilder in Doppelschrägverzahnungen . . . . . . . . . . . . . . 599 Bild 7.50: Weitere Einflussgrößen auf das Tragverhalten von Verzahnungen . . . . . . . 600 Bild 7.51: Spannungsoptische Aufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601 Bild 7.52: Tragbildtaumel - Entstehung, Tragbild, Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602 Bild 7.53: Mögliche Tragbildabweichungen einer Verzahnungsstufe . . . . . . . . . . . . . . 602 Bild 7.54: Bauarten von Wellenkupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 Bild 7.55: Elastische Bolzenkupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604 Bild 7.56: Synchronlaufender Kardanantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604 Bild 7.57: Hybridkupplung (Quelle: © ZF Friedrichshafen AG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 Bild 8.1: Videobasierte Schwingungsabnahmeprüfung an Rohrleitungssystemen . . 608 896 Abbildungsverzeichnis Bild 8.2: Prototypenprüfung eines Schaufelradbaggerhauptgetriebes . . . . . . . . . . . . 611 Bild 8.3: Serienprüfung in einem Verspannprüfstand von Hauptgetrieben für Windenergieanlagen(Quelle: Winergy-Flender GmbH) . . . . . . . . . . . . . . . . 611 Bild 8.4: Abnahmeprüfung in der Anwendung an einem Braunkohlebagger . . . . . . 612 Bild 8.5: Ausschnitt aus der Richtlinie GM 1761 für Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . 614 Bild 8.6: Grenzwerte für Gebäudeschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 Bild 9.1: Zusammenhang zwischen Kraft- und Schwingungsspektrum . . . . . . . . . . . 616 Bild 9.2: Anschlagversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 Bild 9.3: Biegeeigenformen einfacher Wellen beim Durchfahren kritischer Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 Bild 9.4: Querschwingungen der Gondel einer WEA (Amplitudenskalierung in °) . . 620 Bild 9.5: Frequenzgänge verschiedener Hammerspitzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 Bild 9.6: Einfacher Anschlagtest mit einem Holzbalken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623 Bild 9.7: Anschlagtest mittels Impulshammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 Bild 9.8: Paul Dirac (Quelle: Nobel Foundation, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 Bild 9.9: Modalanalyse mit Shakeranregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 Bild 9.10: Elektrodynamischer Shaker und aufgebrachte Schwingbeanspruchungen 628 Bild 9.11: Vergleichende FFT-Messungen, direkt gemessen an den drei Rotorblättern einer trudelnden WEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 Bild 9.12: Schema eines Zweikanal FFT-Analysators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 Bild 9.13: MKS-System mit FRF Realteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 Bild 9.14: Antiresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634 Bild 9.15: Experimentelle Bestimmung der Dämpfung (links: aus der Auslaufkurve, rechts: aus dem Zeitsignal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 Bild 9.16: Ermittlung des Dämpfungsmaßes aus der Mobilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 Bild 9.17: Ermittlung der frequenzabhängigen Kohärenz (unten) in einer Industrieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 Bild 9.18: Betriebsschwingform als Kombination von Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . 640 Bild 9.19: Chladnische Klangfiguren (Quelle: Links: Flight W. A Chapter in the History of Meteorites. London: Dulau & Co., 1887. 224 p., Public domain, via Wikimedia Commons; rechts: William Henry Stone (1879) Elementary Lessons on Sound, Macmillan and Co., London, p. 26, fig. 12. Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 Bild 9.20: Modalanalyse mit Impulshammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 Bild 9.21: FRF und Curvefitting mit 3 Freiheitsgraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 Bild 9.22: Vergleich von Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen . . . . . . . . . 648 Bild 9.23: Eigenschwingungsform bei der ersten Eigenfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649 Bild 9.24: Applikation von DMS an der Eintriebswelle eines Getriebes . . . . . . . . . . . . 650 Bild 10.1: Beuth und Humboldt (DIN Berlin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 Bild 10.2: Der hierarchische Aufbau des Normensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 Bild 10.3: Verallgemeinerte Bewertungszonen für Schwingungen nach DIN ISO 20816 657 Bild 10.4: Maßnahmenstufen nach ISO 20816-5 für Francis-Turbinen . . . . . . . . . . . . . 661 Bild 10.5: Beurteilung der Schwingungen von Kreiselpumpen nach DIN ISO 10816-7 663 Bild 10.6: Beurteilung der Schwingungen von Hubkolbenkompressoren nach ISO 20816-8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 897 Abbildungsverzeichnis Bild 10.7: Grenzwerte nach ISO 14694 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Bild 11.1: Klassifikation von Herstellerinformationen zur Dokumentation (aus VDI 2770 Blatt 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678 Bild 11.2: Ausschnitt aus DIN ISO 20816-8 für Hubkolbenkompressoren (Anhang A, Tabelle A.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 Bild 11.3: Beispiel eines CPK-Berichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681 Bild 11.4: Dokumentation im CMMS beim Instandhaltungsmanagement (Fluke Reliability) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682 Bild 12.1: Schwingungstester mit Ausgabe von Handlungsempfehlungen . . . . . . . . . 684 Bild 12.2: System-Kritikalitäts-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Bild 12.3: Frequenzbänder zur Überwachung und Diagnose typischer Fehlerarten . . 687 Bild 12.4: Pegelanstieg infolge eines entstandenen Fehlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692 Bild 12.5: Viel hilft viel - nicht bei Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 Bild 12.6: Aufbau von CLP-Ölen für Hochleistungsgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 Bild 12.7: Veränderung der Partikelgrößenverteilung durch Verschleißfortschritt . . . 704 Bild 12.8: Metallpartikel >1mm am Filtermagnet und Tabelle zum Abschätzen erwarteter Partikelzahlen in Abhängigkeit von der Partikelgröße . . . . . . . 706 Bild 12.9: Verschleißpartikel aus Wälzlagern und Verzahnungen (Quelle: Z.Tribologie/ Schmierungstechnik 5/ 2003) Von links nach rechts: Abriebpartikel aus fortgeschrittenem Wälzlagerschaden Ausgewalzter Abriebpartikel aus Wälzlager (etwa 35µm)Abriebpartikel aus Zahnflanke mit länglichen FormenEinzelner Ausbruchpartikel aus Zahnflanke (etwa 15µm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706 Bild 12.10: Monatliches Histogramm von sekündlich gemessenen Generatorschwingungen in einer Windenergieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . 710 Bild 12.11: Hot-Spot zufolge Anstreifen in gleitgelagerten Maschinen . . . . . . . . . . . . . 715 Bild 12.12: Dreiphasige Motorstromanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718 Bild 12.13: Häufigkeit und Kosten von Wälzlagerschäden im Triebstrang von WEA mit Getrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 Bild 12.14: Verhalten von Effektivwert, Spitzenwert, Crestfaktor und Crestfaktor Plus mit zunehmendem Schweregrad eines Wälzlagerfehlers . . . . . . . . . . . . . . . 720 Bild 12.15: Bandspezifische Beurteilung von Getriebeschwingungen bei Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724 Bild 12.16: Kritikalitätsspektrum (Quelle: Mobius-Institut) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726 Bild 13.1: Alexander Ljapunow (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730 Bild 13.2: Kräftegleichgewicht beim starren Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732 Bild 13.3: Lagerkräfte beim starr und beim elastisch gelagerten Rotor . . . . . . . . . . . . 733 Bild 13.4: Bodediagramme des krafterregten Schwingers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 Bild 13.5: Isotrop gelagerter Rotor mit statischer Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735 Bild 13.6: Unwuchtschwingungen eines Rotors nach Bild 13.5 - Schwingweg, Schnelle und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736 Bild 13.7: Laufzustände eines Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737 Bild 13.8: Laufzustände in zeitlicher Abfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737 Bild 13.9: Kritische Drehzahlbereiche für Lateralschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738 898 Abbildungsverzeichnis Bild 13.10: Laval-Rotor (Carl Gustav Patrik de Laval; Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739 Bild 13.11: Rechenmodell des einfachen Laval-Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740 Bild 13.12: Rechenmodell des Lavalläufers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 Bild 13.13: Raumfestes Koordinatensystem der Scheibe nach Bild 13.12 . . . . . . . . . . . . 742 Bild 13.14: Orbit des isotropen, ungedämpften Lavalläufers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744 Bild 13.15: Radius des Orbits in Abhängigkeit von der Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744 Bild 13.16: Relative Lage von Wellenmittelpunkt W und Schwerpunkt S für unterkritischen und überkritischen Betrieb eines Läufers mit Unwucht . . 746 Bild 13.17: Kräftegleichgewicht bei unwuchterregter Wellenschwingung . . . . . . . . . . . 747 Bild 13.18: Lavalläufer mit Schlag und Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748 Bild 13.19: Auslenkung der Welle infolge eines Wellenschlags a . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750 Bild 13.20: Durchbiegung infolge Wellenschlags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751 Bild 13.21: Gaspard Gustave de Coriolis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753 Bild 13.22: Raumfeste und körperfeste Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 Bild 13.23: Innere und äußere Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756 Bild 13.24: Unwuchtantwort des isotropen Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759 Bild 13.25: Stabilitätskarten, links für viskose Dämpfung, rechts für Konstruktionsdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762 Bild 13.26: Hystereseverhalten für verschiedene Dämp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 Bild 13.27: Spektrales Erscheinungsbild von Instabilität (Wasserfalldiagramm) . . . . . . 766 Bild 13.28: Spektrales Erscheinungsbild von Instabilität (Campbelldiagramm) . . . . . . . 766 Bild 13.29: Orthotrop gelagerter Lavalläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767 Bild 13.30: Gleichlauf und Gegenlauf des Orbit beim orthotropen Rotor . . . . . . . . . . . . 769 Bild 13.31: Orthotroper Rotor mit einer und mit 3 Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772 Bild 13.32: Kreiselwirkung durch Schrägstellung der Scheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 Bild 13.33: Kreiselwirkung im Campbelldiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 Bild 13.34: Läuferquerschnitt einer zweipoligen Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . 774 Bild 13.35: Resonanzen beim Rotor mit unrunder Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775 Bild 13.36: Stabilitätskarte für unrunde Welle in kreiszylindrischem Lager . . . . . . . . . 776 Bild 13.37: Spalterregungskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777 Bild 13.38: Anlaufvorgang im Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781 Bild 13.39: Wellenposition im Stillstand (links) und bei Drehung (rechts) . . . . . . . . . . . 781 Bild 13.40: Geschwindigkeitsprofil im Schmierspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782 Bild 13.41: Gümbelkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785 Bild 13.42: Dynamische Verlagerungsbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786 Bild 13.43: Hauptkomponenten der dynamischen Parameter in Gleitlagern . . . . . . . . . 788 Bild 13.44: Kopplungskomponenten der dynamischen Parameter in Gleitlagern . . . . . 789 Bild 13.45: Schema eines Zitronenspielgleitlagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792 Bild 13.46: Quetschöldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795 Bild 13.47: Permanentmagnetlager, links repulsiv, rechts attraktiv . . . . . . . . . . . . . . . . 796 Bild 14.1: Ishikawadiagramm für das Condition Monitoring einer WEA . . . . . . . . . . . 802 Bild 14.2: Wilfredo Pareto (Quelle: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806 Bild 14.3: Veranschaulichung von Bahnschräglauf infolge von Walzenschiefstand . . 807 Bild 14.4: Ablaufschema einer FMEA-basierten Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . 809 899 Abbildungsverzeichnis Bild 14.5: Kodierungsschema für die verschiedenen Windenergieanlagen . . . . . . . . . 810 Bild 14.6: Kodierungsschema für die verschiedenen Hauptlagertypen . . . . . . . . . . . . . 810 Bild 14.7: Diagnosecodes für die Befundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812 Bild 15.1: Typischer Ablauf eines Projektes zur Zustandsüberwachung während der Entwurfs- und der Nutzungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816 Bild 15.2: Verfahren der FMSA-orientierten Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824 Bild 15.3: Ursachenbaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827 Bild 15.4: Ursachenbaum für Spalling in einem Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828 Bild 15.5: Drehzahl/ Leistungskennfeld einer drehzahlvariablen WEA und DNV-GL konforme Betriebsklassen OS1 und OS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 831 Bild 15.6: 6M-Ishikawadiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833 Bild 15.7: Fehlerbetrachtung bei festen und streuenden Kennwerten . . . . . . . . . . . . . 835 Bild 15.8: Schadensbedingte Trendanstiege über Wochen oder über Tage . . . . . . . . . 837 Bild 15.9: Ableiten von maschinenspezifischen und zustandsbezogenen KPIs . . . . . . 838 Bild 15.10: Vorgangsweise beim kennzahlenbasierten Flottenmonitoring . . . . . . . . . . . 839 Bild 16.1: Zweidimensionaler Merkmalraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845 Bild 16.2: Wahrscheinlichkeitsverteilungen eines Deskriptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846 Bild 16.3: Sterndiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847 Bild 16.4: Unbeaufsichtigte und beaufsichtigte Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847 Bild 16.5: Wahrscheinlichkeitsdichte einer Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848 Bild 16.6: Gaußsche Mischverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850 Bild 16.7: Dreilagiges Neuronales Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850 Bild 16.8: Prinzip des selbstorganisierenden Netzes (SOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851 Bild 16.9: Klassifikationsbaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852 Bild 16.10: Random Forest Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852 Bild 16.11: Logistische Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854 Bild 16.12: Methode des nächsten Nachbarn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854 Bild 16.13: Entscheidungsfunktionen im Merkmalraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855 Bild 16.14: Prinzip der Hauptkomponentenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856 Bild 16.15: Vom „Ampel-Monitoring“ zum KPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857 Bild 17.1: Kosten-Nutzen-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 Bild 17.2: Zusammenspiel RAMS - LCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866 Bild 17.3: LCC-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867 Bild 17.4: Abzinsung auf den Nettobarwert NPV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 869 Bild 17.5: V-Modell nach DIN EN 50126 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871 Bild 17.6: Von der Komponente zum Asset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 Bild 17.7: Grundsätzliche einheitliche Vorgehensweise bei der Personalzertifizierung 877 Bild 17.8: Asset Reliability Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878 Bild 17.9: Gliederung der Zertifizierung beim Condition Monitoring an Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879 900 Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 0.1: Instandhaltungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Tabelle 0.2: Instandhaltungsstrategien im Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Tabelle 0.3: Instandhaltungsstrategien - Erläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Tabelle 0.4: Vergleich eines klassischen Kfz-Service mit moderner Zustandsüberwachung 27 Tabelle 0.5: Methodik der messtechnischen Inspektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Tabelle 0.6: Verfahren und Methodik einer Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Tabelle 0.7: Strategien der Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Tabelle 0.8: Entscheidungsfragen zur RCM-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Tabelle 0.9: Begriffe des RCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Tabelle 0.10: Verfügbarkeitsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Tabelle 0.11: Erscheinungsbilder von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Tabelle 0.12: Beispiel für unterschiedliche Schwingungsphänomene und Bewegungen . . . 47 Tabelle 0.13: Gesichtspunkte zu Wellenschwingungs- und Lagerschwingungsmessung . . . 56 Tabelle 0.14: Grafisch veranschaulichte Bewertung in Bezug auf DIN ISO 10816 Teil 3 (für allgemeine Maschinen) und Teil 7 (für Kreiselpumpen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Tabelle 0.15: Mittelungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Tabelle 0.16: Mittelungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Tabelle 0.17: Mittelwerte und Erwartungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Tabelle 0.18: Mittelwertberechnung aus Stichproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Tabelle 0.19: Spitzenbewertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Tabelle 0.20: Stationarität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Tabelle 0.21: Klassierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Tabelle 0.22: Nomenklatur für Ordnungsspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Tabelle 0.23: Eigenschaften der Zeit-Frequenz-Analyse nach Bild 0.39 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Tabelle 0.24: Verfahren der Zeit-Frequenz-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Tabelle 0.25: Grundursache und präventive Maßnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Tabelle 0.26: Begriffe aus der Prognostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Tabelle 0.27: Faktoren des Life Cycle Costing (Bild 0.45) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Tabelle 0.28: Funktionalitäten eines Expertensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Tabelle 1.1: Zusammenhang zwischen Frequenz f und Periode T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Tabelle 1.2: Kennwerte periodischer Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Tabelle 1.3: Komponenten einer Fourierreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Tabelle 1.4: Umrechnung von Effektiv- und Spitzenwerten harmonischer Schwingungen 134 Tabelle 1.5: SI-Basiseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Tabelle 1.6: Abgeleitete SI-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Tabelle 1.7: SI-Präfixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Tabelle 1.8: Umrechnung in verschiedene Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Tabelle 1.9: Drehzahl und Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Tabelle 1.10: Busfahrplan in Zeit- und Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Tabelle 1.11: Referenzwerte für Pegelmessungen nach DIN ISO 1683-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Tabelle 1.12: Anwendungen der Phasenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Tabelle 1.13: Änderung der Eigenfrequenz durch Parameterveränderung (Faktoren) . . . . . 159 Tabelle 1.14: Schwingungsanregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Tabelle 1.15: Übertragungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Tabelle 1.16: Übertragungsfunktionen bei Kraftanregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Tabelle 1.17: Einige nichtlineare Systeme mit Diagnoserelevanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Tabelle 1.18: Beispiele für Selbsterregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Tabelle 1.19: Anfachungsmechanismen für selbsterregte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . 171 Tabelle 1.20: Entstehung zustandsrelevanter Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Tabelle 2.1: Die Schritte zur Umsetzung der strategischen Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Tabelle 2.2: Allgemeine Komponenten einer Messkette (Bild 2.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Tabelle 2.3: Funktionen eines Advanced CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Tabelle 2.4: Methoden zur digitalen Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Tabelle 2.5: Dynamikbereich von Analog-Digital-Wandlern (vgl. Tabelle 3.1) . . . . . . . . . . . 191 Tabelle 2.6: Übersicht wichtiger Schwingungsaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Tabelle 2.7: Absolut- und Relativschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Tabelle 2.8: Einsatzgebiete für MEMS-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Tabelle 2.9: Runout bei Wellenschwingungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Tabelle 2.10: Aufnehmer für Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Tabelle 2.11: Methoden zur Drehschwingungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Tabelle 2.12: Fehlerquellen bei der Aufnehmermontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Tabelle 2.13: Montagemethoden für Beschleunigungsaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Tabelle 2.14: Typische FFT-Konstellationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Tabelle 2.15: Frequenzauflösung und Messzeit beim FFT-Analysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Tabelle 2.16: Beschreibung eines Aggregats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Tabelle 2.17: Strukturdaten des elektrischen Antriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Tabelle 2.18: Strukturdaten der Kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Tabelle 2.19: Strukturdaten der Lastmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Tabelle 2.20: Strukturdaten zu Installation und Aufstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Tabelle 2.21: Messpunktkodierung nach MIMOSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Tabelle 2.22: Aufnehmerkennung nach IEC 61400-25-6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Tabelle 2.23: Abkürzungen für Aufnehmertypen (Auszug) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Tabelle 2.24: Allgemeine Zielsetzungen für die Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Tabelle 2.25: Plausibilitätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Tabelle 2.26: Dateninterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Tabelle 2.27: Begriffe zur Qualitätssicherung von Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Tabelle 2.28: Gebräuchliche Datenformate für die Darstellung von Schwingungsdaten . . . 243 Tabelle 2.29: Angaben in Dokumentationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Tabelle 3.1: Auflösung verschiedener Analog-Digital-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Tabelle 3.2: Typische Frequenzbereiche zur Schwingungsanalyse an allgemeinen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Tabelle 3.3: Eigenschaften verschiedener Zeitfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Tabelle 3.4: Auswahl der Analyseparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Tabelle 4.1: Systemkomponenten zur Vorbereitung einer Zustandsüberwachung . . . . . . . 296 Tabelle 4.2: Gefährdungspotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Tabelle 4.3: Definition der RIME-Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Tabelle 4.4: Allgemeine Überwachungsparameter im Maschinenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . 303 Tabelle 4.5: Fehlertabelle - Beispiel Elektromotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 902 Tabellenverzeichnis Tabelle 4.6: Auswahltabelle für CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Tabelle 4.7: Anforderungsprofil an einen Datensammler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Tabelle 4.8: Aufgaben von Schmierölen und Schmierfetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Tabelle 4.9: Verfahren der Ölanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Tabelle 4.10: Visuelle Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Tabelle 4.11: Zerstörungsfreie Prüfverfahren nach DIN EN 9712 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Tabelle 4.12: Standardfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Tabelle 4.13: Betriebsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Tabelle 4.14: Weitere Überwachungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Tabelle 5.1: Struktur von Abschnitt 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Tabelle 5.2: Fachspezifische Bezeichnungen der Modulationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Tabelle 5.3: Aspekte der Phasenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Tabelle 5.4: Verfahren zur Analyse von Transienten - Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Tabelle 5.5: Darstellung von Spektrenfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Tabelle 5.6: Vergleich von Demodulation und Seitenbandanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Tabelle 5.7: Erscheinungsformen von Unwucht (1X-Komponente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Tabelle 5.8: Fehler an rotierenden Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Tabelle 5.9: Massenwucht starrer Rotoren (Kurzbezeichnungen siehe Bild 5.33) . . . . . . . . 351 Tabelle 5.10: Messrichtungen am Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Tabelle 5.11: Anstreifphänomene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Tabelle 5.12: Einige Fehlerarten in Gleitlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Tabelle 5.13: Typische Größenverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Tabelle 5.14: Übersicht Design- und Betriebsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Tabelle 5.15: Wälzlagerschadensarten - Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Tabelle 5.16: Parasitäre Lasteinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Tabelle 5.17: Externe Schadensursachen bei Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Tabelle 5.18: Entstehung von Lagerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Tabelle 5.19: Wälzlagerschadensarten - Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Tabelle 5.20: Wälzlagerschadensarten - Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Tabelle 5.21: Überrollfrequenzen (Lagerfrequenzen) von Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Tabelle 5.22: Methodik der Wälzlagerdiagnose - ein Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Tabelle 5.23: Bewertung der Spitzenhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Tabelle 5.24: Hochfrequente Verfahren zur Wälzlagerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Tabelle 5.25: Allgemeine Fehler an Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Tabelle 5.26: Synchronfrequenzen von Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Tabelle 5.27: Parameter und typische Frequenzen für Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Tabelle 5.28: Ursachen unkompensierter elektromagnetischer Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Tabelle 5.29: Fehlerarten bei Elektromotoren (nach DIN ISO 13373-9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Tabelle 5.30: Fehlerdiagnose an Verdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Tabelle 5.31: Schwingungsparameter eines Kompressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Tabelle 5.32: Kinematiktabelle einer Zahnradpaarung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 Tabelle 5.33: Analyse von Getriebeschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 Tabelle 5.34: Resonanzerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Tabelle 5.35: Fehler im Rotor gleitgelagerter Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Tabelle 5.36: Tendenz der Orbitdrehung bei Instabilität im Ölfilm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Tabelle 5.37: Anregung von Drehschwingungen in Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 903 Tabellenverzeichnis Tabelle 5.38: Fehler beim An- und Auslauf von Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 Tabelle 5.39: Anwendungsfaktoren in Abhängigkeit von den Arbeitsweisen . . . . . . . . . . . . 438 Tabelle 5.40: Diagnosekarte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Tabelle 6.1: Korrekturmaßnahmen im Rahmen eines Instandhaltungskonzepts . . . . . . . . . 444 Tabelle 6.2: Häufige Symptome von Ausrichtfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Tabelle 6.3: Ausrichtmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Tabelle 6.4: Vorbereitende Maßnahmen und Systematik zum Wellenausrichten . . . . . . . . . 448 Tabelle 6.5: Geometrische Anforderungen vor dem Aufstellen von Maschinen . . . . . . . . . 449 Tabelle 6.6: Grundursachen für Kippfuß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Tabelle 6.7: Methoden der Kippfußmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 Tabelle 6.8: Fehlerquellen und Grenzen von Messuhrverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Tabelle 6.9: Vorteile laseroptischer Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Tabelle 6.10: Herausragende Eigenschaften laseroptischer Ausrichtsysteme . . . . . . . . . . . . . 458 Tabelle 6.11: Vorteile eines Ein-Laser-Ausrichtsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 Tabelle 6.12: Funktionalität derzeitiger laseroptischer Ausrichtsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 459 Tabelle 6.13: Einflussfaktoren auf die Ausrichtgenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Tabelle 6.14: Geradheits- und Ebenheitstoleranzen nach ISO 2768-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 Tabelle 6.15: Toleranzen für das Walzenausrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 Tabelle 6.16: Methodik des Wuchtens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 Tabelle 6.17: Wellenschwingungen und Schwinggeschwindigkeiten vor und nach dem Wuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 Tabelle 6.18: Schwingungsmindernde Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 Tabelle 6.19: Methodik der Schwingungsminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 Tabelle 6.20: Quantitative Dämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492 Tabelle 6.21: Technische Federn zur elastischen Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Tabelle 6.22: Aktuatorprinzipien aktiver Lagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Tabelle 6.23: Entstehung von Lagerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 Tabelle 7.1: Pumpentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 Tabelle 7.2: Arten von Verdrängerpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 Tabelle 7.3: Turbomaschinen (Strömungsmaschinen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 Tabelle 7.4: Physikalische Prinzipien von Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 Tabelle 7.5: Einteilung von Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Tabelle 7.6: Bauarten von Wasserturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Tabelle 7.7: Turbinentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Tabelle 7.8: Klassifizierung von Wasserturbinen nach der spezifischen Drehzahl . . . . . . . 536 Tabelle 7.9: Systematik von Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 Tabelle 7.10: Offshore-Fundamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 Tabelle 7.11: Einige Bauarten von Verdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Tabelle 7.12: Anwendungen von Kolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Tabelle 7.13: Schwingungsursachen in Kolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 Tabelle 7.14: Ermittlung des Massenausgleichs nach dem Kurbelsternverfahren . . . . . . . . . 555 Tabelle 7.15: Mehrreihige Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 Tabelle 7.16: Überwachungsmethodik bei Kolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 Tabelle 7.17: Prozessschritte in einer Papiermaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 Tabelle 7.18: Einteilung von Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566 Tabelle 7.19: Geschichte und Entwicklung der Industriellen Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . 567 904 Tabellenverzeichnis Tabelle 7.20: Verschiedene Typen von Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 Tabelle 7.21: Baugruppen von Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 Tabelle 7.22: Genauigkeitsanforderungen bei Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 Tabelle 7.23: Synonyme für Additive Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575 Tabelle 7.24: Typische Frequenzbereiche für Umgebungseinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 Tabelle 7.25: Berechnung der Zahneingriffsfrequenz bei Planetengetrieben (ohne Dreiwellenbetrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 Tabelle 7.26: Schadensursachen an Getrieben - bei der Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 Tabelle 7.27: Schadensursachen an Getrieben - in der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 Tabelle 7.28: Typisierung von Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 Tabelle 7.29: Bauformen von Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 Tabelle 7.30: Einflussgrößen für Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 Tabelle 7.31: Schadensursachen an Wälzlagern - bei Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 Tabelle 7.32: Schadensursachen an Wälzlagern - in der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588 Tabelle 7.33: Einige Verzahnungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Tabelle 7.34: Verzahnungen - Profilformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Tabelle 7.35: Verzahnungsarten und einige Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 Tabelle 9.1: Gängige Prüfmethoden für Signal- und Systemanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616 Tabelle 9.2: Experimentelle Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621 Tabelle 9.3: Verschiedene Prinzipien von Schwingerregern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 Tabelle 9.4: Ergebnisse und Anwendung von Zweikanal (Mehrkanal-) Messungen . . . . . . 630 Tabelle 9.5: Lehrsches Dämpfungsmaß ϑ und logarithmisches Dekrement A für verschiedene Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 Tabelle 10.1: Struktur der Normen zur breitbandigen Bewertung von Schwingungen . . . . . 654 Tabelle 10.2: Normen zur breitbandigen Bewertung von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 655 Tabelle 10.3: Bewertungszonen zur breitbandigen Beurteilung von Schwingungen nach DIN ISO 20816 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 Tabelle 10.4: Gruppeneinteilung der Wasserkraftanlagen und Legenden der Tabellen . . . . 659 Tabelle 10.5: Normative und informative Anhänge von DIN ISO 20816-5 . . . . . . . . . . . . . . . 660 Tabelle 10.6: Lüfterkategorien nach ISO 14694 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665 Tabelle 10.7: Grenzwerte und Wuchtgüte beispielhaft für BV-3 Lüfter nach ISO 14694 . . . . 665 Tabelle 12.1: Methodik zur Quantifizierung des Schweregrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 Tabelle 12.2: Spektrale Erscheinungsbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Tabelle 12.3: Spektrale Fehlerbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Tabelle 12.4: Darstellungsformen spektraler Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690 Tabelle 12.5: Analysen im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 Tabelle 12.6: Beurteilung des Schwingungspegels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693 Tabelle 12.7: Verbesserung der Schmierstoffeigenschaften durch Additive . . . . . . . . . . . . . . 697 Tabelle 12.8: Laborwerte über Verschleißkomponenten im Schmierstoff . . . . . . . . . . . . . . . . 698 Tabelle 12.9: Laborwerte über Verunreinigungen im Schmierstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698 Tabelle 12.10: Laborwerte zum Ölzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698 Tabelle 12.11: Laborwerte zu den Additiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698 Tabelle 12.12: Zusatztests (hier Reinheitsklassen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698 Tabelle 12.13: Methodik der Schmierstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701 Tabelle 12.14: Reinheitsklassen nach ISO 4406/ 1999 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704 Tabelle 12.15: Klasseneinteilung in der ISO 16232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704 905 Tabellenverzeichnis Tabelle 12.16: Standard-Risikomatrix bei der Bewertung von Gefährdungen am Arbeitsplatz 708 Tabelle 12.17: Kritikalitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709 Tabelle 12.18: Bewertungszonen zur breitbandigen Beurteilung von Schwingungen . . . . . . . 710 Tabelle 12.19: Ursachen einer 1X-Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711 Tabelle 12.20: 1X-Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Tabelle 12.21: Massenunwucht - mögliche Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Tabelle 12.22: Aerodynamische Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713 Tabelle 12.23: Beispiele hydraulischer Unwucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713 Tabelle 12.24: Thermische Fehler bei Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714 Tabelle 12.25: Umlaufende Abrissströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717 Tabelle 12.26: Bewertung des Pegelabfalls der Seitenbänder zur Netzfrequenz . . . . . . . . . . . . 718 Tabelle 12.27: Kritikalitäten bei Crestfaktor Plus- und beim BSO-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 Tabelle 12.28: Bewertungsgrundlage beim PeakVUE-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 Tabelle 12.29: Schadensstufen bei Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722 Tabelle 12.30: Bewertungsstufen für Wälzlagerschäden nach VDI 3832 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723 Tabelle 12.31: Klassifikation von Verzahnungsschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724 Tabelle 12.32: Kinematiktabelle einer Zahnradpaarung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 Tabelle 13.1: Hauptkomponenten rotierender Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 Tabelle 13.2: Gegenüberstellung verschiedener Lagertypen bei Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . 729 Tabelle 13.3: Auslegung starrer und flexibler Rotoren nach API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739 Tabelle 13.4: Hauptursachen für Wellenschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747 Tabelle 13.5: Grenzwerte der Übertragungsfunktion beim Laval-Läufer . . . . . . . . . . . . . . . . 751 Tabelle 13.6: Dämpfung von Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757 Tabelle 13.7: Charakteristika einer Instabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 Tabelle 13.8: Bedeutung der Reynoldszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779 Tabelle 13.9: Anwendungsbereiche der Sommerfeldzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783 Tabelle 14.1: Verschiedene FMEA Herangehensweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801 Tabelle 14.2: Bewertungsfaktoren der Größen Auftreten, Bedeutung und Entdeckbarkeit . 803 Tabelle 14.3: Aufgabenprioritäten entsprechend der AP-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803 Tabelle 14.4: Übersichtsgrafik zum Festlegen von AP-Prioritäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803 Tabelle 14.5: Fünfstufige RPZ-Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805 Tabelle 14.6: RPZ-basierte Verfahrensanweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805 Tabelle 14.7: Kennzahlenermittlung nach Tabelle 14.2 mit RPZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807 Tabelle 14.8: Kennzahlenermittlung und RPZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808 Tabelle 15.1: Leitfaden zur Bedarfsermittlung eines Zustandsüberwachungsprojektes . . . . 814 Tabelle 15.2: Bewertungstabelle zur FMSA am Beispiel einer Unwucht an einem Abluftgebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817 Tabelle 15.3: Analyseblatt zur FMSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818 Tabelle 15.4: Bewertung der Erkennungswahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819 Tabelle 15.5: Bewertung der Ausfallschwere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819 Tabelle 15.6: Bewertung des Vertrauensniveaus der Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819 Tabelle 15.7: Bewertung des Vertrauensniveaus der Prognose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820 Tabelle 15.8: Beispiele für Messwerte und Parameter als Basis einer Zustandsdiagnostik . . 821 Tabelle 15.9: Grundsätzliche Verfahren der Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823 Tabelle 15.10: Symptome als Basis einer Fehlerhypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829 Tabelle 15.11: Beispiel für ein Diagnoseprotokoll (aus DIN ISO 13379-1, Anhang E) . . . . . . . 840 906 Tabellenverzeichnis Tabelle 17.1: Zielarten einer Nutzwertanalyse für ein Zustandsüberwachungssystem . . . . 862 Tabelle 17.2: Terminologie von RAMS und LCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865 Tabelle 17.3: Gesichtspunkte für den Zeithorizont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868 Tabelle 17.4: RAMS Parameter nach DIN EN 50126 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870 Tabelle 17.5: Schlüsselwerte für RAMS und LCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870 907 Tabellenverzeichnis KUNST KOMMT VON KÖNNEN Zu viele Condition Monitoring Projekte scheitern. Oft sind die Vorhaben zu ambitioniert oder es fehlen schlicht die Ressourcen. Zudem ist die Welt der Mess- und Diagnosetechnik beratungsintensiv. Die Kunst besteht darin, die richtige Instandhaltungslösung 4.0 für Ihren Anwendungsfall zu finden. Wir beraten herstellerunabhängig und übernehmen Verantwortung! Als erfahrene Praktiker steigen wir lösungsorientiert ein und verzeichnen erste Erfolge schon morgen. So lässt sich die Overall Equipment Effectiveness in einzelnen Schritten nachhaltig und effektiv steigern! HEMPEL stehtfür nachhaltige Instandhaltungslösungen in der Antriebstechnik und ist branchenübergreifend aktiv. Hands on! Technisch anspruchsvolle Herausforderungen ziehen uns an. Kompetenzzentrum HEMPEL Technische Diagnostik Ihr Partner für Condition Monitoring, Smart Maintenance und Trouble Shooting 02154 | 49 89 20 · htd-av@hem-net.de · www.hem-net.de · Siemensring 29 · 47877 Willich