Schwingungsanalyse

Unverzichtbar im Rahmen einer vorausschauenden Instandhaltung

Die Schwingungsanalyse, auch Vibrationsanalyse genannt, wird im Rahmen der Instandhaltung verwendet, um rotierende Teile auf mögliche Fehler wie defekte Lager oder Unwuchten zu überprüfen. Bei der Schwingungsanalyse werden die von sich drehenden Teilen ausgehenden Schwingungen durch spezielle technische Geräte erfasst und aufgezeichnet. Bei einer anschließenden Analyse lassen sich durch die Schwingungsamplituden und Schwingungsmuster Rückschlüsse auf den Zustand der sich drehenden Komponenten und der entsprechenden Lager ziehen. Werden Abweichungen vom Soll-Zustand erkannt, lassen sich durch die Schwingungsanalyse notwendige Reparaturen frühzeitig erkennen und bereits vor dem Ausfall der Maschine erledigen. Die für eine Reparatur immer anstehenden Stillstandszeiten können so zum einen reduziert und zum anderen auf Zeiten außerhalb der Produktion verlegt werden.

Zwei Analysten betrachten die Ergebnisse der Schwingungsanalyse auf einem Laptop

In welchen Industriefeldern wird die Schwingungsanalyse eingesetzt?

Die Einsatzmöglichkeiten einer Schwingungsanalyse sind im industriellen Umfeld überaus zahlreich vorhanden. Überall dort, wo Maschinen und Anlagen mit rotierenden Komponenten arbeiten, kann die Schwingungsanalyse die vorausschauende Instandhaltung unterstützen. Von Werkzeugmaschinen über Motoren, Pumpen und Getrieben bis hin zu Turbinen und Windkraftanlagen zeigen sich breite Anwendungsfelder der Analysetechnik.

Welche Fehler lassen sich mit der Schwingungsanalyse aufspüren?

Ursachen für Schwingungen an Maschinen oder Anlagen mit rotierenden Komponenten können unterschiedlichster Natur sein. Gängige Störungsquellen sind unter anderem:

Unwuchten und Fehler bei der Ausrichtung
Ablagerungen an Lüftern
Verzahnungsfehler in Getrieben
Krümmungen von Wellen
Auftretende Wirbelschwingungen durch Flüssigkeiten
Probleme im Fundament oder mit defekten Aufstellelementen

Welche Probleme können durch zu starke Schwingungen auftreten?

Zu starke Schwingungen an rotierenden Maschinen, Anlagen oder Generatoren erzeugen nicht nur einen unruhigen Lauf und eine hohe Geräuschentwicklung, sondern belasten alle Komponenten. Insbesondere die Lager leiden unter erhöhten Lasten. Es kann zu Schwingbrüchen kommen, die unter Umständen langwierige Reparatureinsätze nach sich ziehen.

So wird eine Schwingungsanalyse durchgeführt

Je größer und komplexer eine rotierende Maschine ist, desto kritischer sind Schwingungen im Betrieb. Wenn die auftretenden Schwingungsamplituden einen Maximalwert übersteigen, sind schwerste und teure Defekte mit langwierigen Ausfallzeiten zu erwarten. Um diesen Fehlern vorzubeugen, wurden in der DIN ISO 10816 (neue Bezeichnung 20816) oder API 670 Anforderungen an eingesetzte Schutzsysteme definiert. Die Systeme überwachen unter anderem durch Beschleunigungssensoren die absolute Lagerschwingung oder mittels kontaktlosen Wegsensoren eine relative Wegeschwingung beziehungsweise axiale Wellenbewegungen.

Damit eine Schwingungsanalyse stattfinden kann, müssen zunächst die sogenannten Phasenlagen einer Schwingung erfasst werden. Hierzu werden in der Regel Referenz-Sensoren eingesetzt, die die Position der zu überwachenden Rotationsteile (Wellen o.ä.) erfassen und gleichzeitig die Drehzahl messen. Durch die gewonnenen Referenzwerte lassen sich in der Folge dann Kennwerte überwachen, die eine Bewertung der auftretenden Schwingung ermöglichen. Zu diesen Kennwerten gehören unter anderem:

Schwingungsamplituden
Schwingungsweiten
Harmonische Schwingungsanteile

Eine Software zeigt das Ergebnis einer Vibrationsanalyse während eines Türzuschlagtests.

Nach erfolgter Messung findet die eigentliche Analyse softwaregestützt statt. Die speziellen Software-Lösungen ermöglichen individuell auf den jeweiligen Bedarf angepasste Analysen durch die Erstellung von Wellenmittelpunktdiagrammen, FFT- oder Kaskadendiagrammen. Da die Möglichkeiten der Fehlerursachen bei auftretenden Schwingungen extrem breit gefächert ist, gibt es für jeden Anwendungsfall spezialisierte Sensoren, Analysesoftware und natürlich auch entsprechende Experten, die mit den gewonnenen Daten umgehen und diese zielführend interpretieren können.

Die Vorteile der Schwingungsanalyse im Rahmen der vorausschauenden Instandhaltung

Bei der konventionellen, vorbeugenden Instandhaltung werden Maschinen und Anlagen in einem regelmäßigen Intervall heruntergefahren oder abgeschaltet, um Bauteile auf möglichen Verschleiß oder Defekte zu überprüfen. Dabei werden regelmäßig auch noch eigentlich funktionsfähige Bauteile ersetzt. Dies produziert unnötige und gleichzeitig teure Kosten. Auf der anderen Seite werden bei der herkömmlichen Instandhaltung manche Schäden viel zu spät oder erst gar nicht erkannt.

Im Zuge der Industrie 4.0 wird die klassische Instandhaltung mehr und mehr durch eine vorausschauende Variante, das sogenannte Condition Monitoring, ersetzt. Beim Condition Monitoring werden Maschinen oder Anlagen kontinuierlich durch Sensorik überwacht. Abweichungen vom idealen Soll-Zustand werden durch digitale Systeme bereits in der Frühphase erkannt und können in der Folge zeitnah beseitigt werden, bevor Defekte überhaupt auftreten. Die Schwingungsanalyse ist im Rahmen eines modernen Condition Monitoring unverzichtbar. Da bereits kleinste Abweichungen in den Phasenlagen einer Schwingung auf eine Störung hinweisen können, schützt die Schwingungsanalyse zuverlässig vor schweren Schäden und teuren Produktionsausfällen.

Gibt es Nachteile bei der Schwingungsanalyse?

Durch den Einsatz von Schwingungsanalyse-Sensorik und der notwendigen Software entstehen nicht unerhebliche initiale Anschaffungskosten. Auch die notwendige Expertise bei der Auswertung der Daten ist in Zeiten des Fachkräftemangels als Nachteil zu nennen. Allerdings relativieren sich die Kosten recht schnell, setzt man sie in den direkten Vergleich zu den Kosten, die bei einem Ausfall einer Maschine oder Anlage entstehen.