Vibrationsspektrumanalyse: Die FFT lesen, um Fehler zu diagnostizieren ist die Praxis, die rohe Vibrationszeitreihe einer Maschine in ein Frequenzspektrum umzuwandeln, sodass jeder mechanische Fehler an der Frequenz identifiziert werden kann, auf der seine Energie auftritt. Eine rotierende Maschine schwingt bei Frequenzen, die mit ihrer Drehzahl und ihrer inneren Geometrie verknüpft sind.
Durch Zerlegung des Signals kann ein Analytiker Unwucht von Wellenversatz trennen, Spiel von einem defekten Lager unterscheiden und ein gesundes Getriebe von einem, das Zähne verliert, unterscheiden, oft Wochen bevor der Fehler hörbar oder zerstörerisch wird.
Ein Vibrationssensor liefert ein Zeitbereichssignal: Amplitude gegen Zeit aufgetragen. Für sich allein ist es schwer zu interpretieren. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) ist ein effizientes Verfahren, das die Wellenform in die einzelnen Sinuskomponenten zerlegt, aus denen sie zusammengesetzt ist. Die Ausgabe ist ein Spektrum: Amplitude gegen Frequenz aufgetragen, wobei jeder Peak eine diskrete Vibrationsquelle markiert.
Zwei Einstellungen bestimmen, was das Spektrum offenbaren kann. Die Frequenzspanne legt die höchste erfasste Frequenz fest, und die Anzahl der Auflösungszeilen bestimmt, wie fein dicht beieinander liegende Peaks getrennt werden können. Da sich Fehler am besten als Vielfache der Wellendrehzahl ausdrücken, tragen Analytiker die x‑Achse häufig in Ordnungen auf, wobei 1x der Drehzahl in Hertz entspricht (U/min geteilt durch 60).
Die gleiche Vibration kann auf drei Arten dargestellt werden, und die Wahl beeinflusst, welche Fehler hervortreten.
Zur Beurteilung des Gesamtzustands gegenüber einer Schwelle siehe ISO 10816-3 Vibrations-Schweregrade, die Geschwindigkeitsgrenzen nach Maschinenklasse und Montage festlegt.
Massenunwucht erzeugt einen sauberen, dominanten Peak genau bei 1x der Drehzahl, radial gerichtet, mit relativ wenig Energie an anderer Stelle. Die Amplitude steigt mit dem Quadrat der Drehzahl, und die Phase bleibt konstant. Ein einzelner hoher 1x-Peak mit geringen Harmonischen ist das klassische Unwuchtsignal.
Wellenversatz zwischen gekoppelten Wellen erhöht typischerweise den 2x‑Drehzahl-Peak und erzeugt wichtig: starke axiale Vibration, weil die Kupplung die Wellen dazu zwingt, sich einmal bzw. zweimal pro Umdrehung zu biegen. Wenn die axiale Amplitude bei 1x oder 2x die radiale Amplitude erreicht oder übertrifft, liegt wahrscheinlich Wellenversatz oder eine verbogene Welle vor.
Mechanisches Spiel erzeugt eine lange Reihe von Drehzahlharmonischen: 1x, 2x, 3x, 4x und darüber hinaus. Strukturspiel und verschlissene Passungen können auch Halbordnungs-Subharmonische wie 0,5x, 1,5x und 2,5x erzeugen.
Wälzlagerfehler erscheinen als asynchrone Energie, das heißt Peaks bei Frequenzen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Drehzahl sind. Jeder Defekt hat seinen eigenen Ton: Ballpassfrequenz Außenring (BPFO), Ballpassfrequenz Innenring (BPFI), Kugeldrehfrequenz (BSF) und Grundfrequenz des Käfigs (FTF). Diese beginnen als niederpegelige, hochfrequente Peaks über erhöhtem Breitbandrauschen; die Mathematik dazu ist in Lagerfehlerfrequenzen dargestellt.
Zahnräder schwingen bei der Zahnrad-Eingriffsfrequenz (GMF), die gleich der Zahnzahl multipliziert mit der Drehzahl der jeweiligen Welle ist. Ein gesunder Eingriff zeigt einen moderaten GMF‑Peak; ein sich entwickelnder Defekt hebt den GMF an und umgibt ihn mit Seitenbändern, die im Abstand der Drehzahl des defekten Zahnrads liegen. Das Wachstum der Seitenbänder ist ein starkes Indiz für lokalisierten Zahnflankenschaden, wie in Zahnrad-Eingriffsfrequenz erläutert.
| Fehler | Charakteristische Frequenz | Dominante Richtung | Spektrales Merkmal |
|---|---|---|---|
| Massenunwucht | 1x U/min | Radial | Ein hoher 1x, geringe Harmonische |
| Winkelausrichtung (Angular misalignment) | 1x und 2x U/min | Axial | Hoher axialer 1x oder 2x |
| Parallelausrichtung (Parallel misalignment) | 2x U/min | Radial | 2x übertrifft oft 1x |
| Verbogene Welle | 1x und 2x U/min | Axial | Axial dominant, konstante Phase |
| Mechanisches Spiel | 1x plus viele Harmonische; manchmal 0,5x Subharmonische | Radial | Lange Harmonischenserie |
| Außenringlager | BPFO (nicht ganzzahliges Vielfaches der Drehzahl) | Radial | Asynchron, hochfrequent |
| Innenringlager | BPFI (nicht ganzzahliges Vielfaches der Drehzahl) | Radial | Seitenbänder bei 1x |
| Zahnflankendefekt | GMF = Zähne × Wellen‑Drehzahl | Radial und axial | Seitenbänder mit Abstand der Drehzahl |
| Ölwirbel (Gleitlager) | 0,42x bis 0,48x U/min | Radial | Subsynchrone Spitze |
Ein einzelnes Spektrum sagt Ihnen den aktuellen Zustand; eine Basislinie zeigt, was sich verändert hat. Nehmen Sie ein Referenzspektrum auf, wenn die Maschine als gesund bekannt ist, und verfolgen Sie dann Gesamtpegel und einzelne Peaks über die Zeit bei gleicher Drehzahl, Last und Messpunkt. Konsistenz ist entscheidend: Verwenden Sie jedes Mal denselben Sensorort, dieselbe Orientierung und Befestigung, denn lose oder handgehaltene Sensoren verzerren hochfrequente Inhalte.
Genau hier verbindet sich die routenbasierte Datenerfassung mit dem weiteren Instandhaltungsworkflow. Das Einspeisen von Vibrationsmesswerten in Fabrico erlaubt Teams, jeden Messpunkt gegen seine Basislinie zu trendieren und automatisch eine zustandsbasierte Arbeitsorder auszulösen, wenn ein Peak seine Alarmgrenze überschreitet, sodass ein anstehender Lagerton zu einer geplanten Reparatur wird statt zu einem ungeplanten Ausfall. Buchen Sie eine Fabrico-Demo, um den Ablauf von der Route zur Arbeitsorder zu sehen.
Geschwindigkeit ist im mittleren Frequenzband, in dem die meisten Fehler rotierender Maschinen liegen, annähernd amplitudenflach, sodass eine einzige Geschwindigkeitsgrenze Unwucht, Wellenversatz und Spiel relativ gut abdeckt. Deshalb sind Schweregradnormen in mm/s RMS formuliert.
Unwucht sitzt genau bei 1x der Drehzahl und ist synchron. Lagerdefekte treten bei asynchronen Frequenzen auf, die keine ganzzahligen Vielfachen der Drehzahl sind, zusammen mit erhöhtem hochfrequentem Breitbandpegel. Wenn die verdächtigen Peaks nicht mit ganzzahligen Ordnungen übereinstimmen, ist ein Lagerverdacht naheliegend.
Stellen Sie die Span so ein, dass die höchste interessante Frequenz erfasst wird, typischerweise mehrere Vielfache der Zahnrad‑Eingriffs‑ oder Lagerfehlerfrequenz, und verwenden Sie genügend Auflösungszeilen, um dicht benachbarte Peaks wie GMF‑Seitenbänder zu trennen. Zu grobe Auflösung verwischt benachbarte Töne zu einem Peak und verdeckt frühe Fehler.
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