Machen Sie aus Stillständen eine Kennzahl, mit der Ihr Team arbeiten kann.
Demo anfordernJede rotierende Maschine erzeugt im Betrieb mechanische Schwingungen.
Dies ist kein Anzeichen für eine Fehlfunktion.
Es handelt sich um eine physikalische Folge der rotierenden Masse, der Lagerkontaktkräfte, der Wechselwirkungen im Zahnradeingriff und der Strukturresonanzen, die in jedem Motor, jeder Pumpe, jedem Lüfter und jedem Getriebe unabhängig von deren Zustand vorhanden sind.
Die Vibrationen, die eine Maschine im gesunden Zustand erzeugt, weisen eine charakteristische Signatur auf – eine spezifische Amplituden- und Frequenzverteilung, die die Geometrie, Geschwindigkeit und Belastung der Maschine widerspiegelt.
Wenn ein Fehler auftritt – ein Lagerdefekt, ein Problem mit einem Zahnrad, eine Wellenunwucht, eine Fehlausrichtung –, führt dieser Fehler zu einer Veränderung des Schwingungsmusters.
Ein Lager mit einem sich entwickelnden Defekt im Außenring erzeugt Stöße mit einer spezifischen Frequenz, die durch die Lagergeometrie und die Wellendrehzahl bestimmt wird – die Kugelpassfrequenz des Außenrings (BPFO) –, die in der Schwingungssignatur des gesunden Lagers nicht vorhanden ist.
Ein Zahnrad mit einem sich entwickelnden Zahndefekt erzeugt Schwingungen bei der Zahneingriffsfrequenz und ihren Harmonischen mit einem charakteristischen Amplitudenmodulationsmuster, das sich von einem gesunden Zahnradpaar unterscheidet.
Eine Welle, die eine Unwucht entwickelt hat, erzeugt eine erhöhte Schwingungsamplitude bei der Wellendrehzahl – der Grundfrequenz –, die nicht auftritt, wenn die Welle innerhalb der Toleranz ausgewuchtet ist.
Bei der Schwingungsanalyse werden diese Schwingungssignaturen gemessen, mit gesunden Referenzwerten verglichen und die spezifischen Fehlerfrequenzen identifiziert, die auf sich entwickelnde Ausfallmodi hinweisen – bevor diese Ausfallmodi zu einem Funktionsausfall führen, der die Produktion unterbricht und eine Notfallreparatur erfordert.
Die finanzielle Argumentation für die Schwingungsanalyse in der Instandhaltung von Produktionsanlagen basiert auf einer einzigen, übereinstimmenden Beobachtung.
Lagerschäden – die häufigste Ausfallursache bei rotierenden Maschinen in der Fertigung – entwickeln sich über Wochen bis Monate hinweg auf eine Weise, die deutliche Veränderungen der Vibrationssignatur hervorruft, bevor es zum Funktionsausfall kommt.
Das PF-Intervall für einen typischen Wälzlagerausfall – die Zeit zwischen der ersten feststellbaren Vibrationsanomalie und dem Funktionsausfall, der zum Stillstand der Maschine führt – beträgt in den meisten industriellen Anwendungen vier bis acht Wochen.
Ein Produktionsbetrieb, der keine Schwingungsüberwachung an seinen kritischen rotierenden Anlagen durchführt, entdeckt Lagerausfälle erst dann, wenn das Lager den plötzlichen, lauten und die Produktion stoppenden Ausfall verursacht, der das Ende dieses vier- bis achtwöchigen Zeitfensters markiert.
Ein Fertigungsbetrieb mit Schwingungsüberwachung entdeckt den sich entwickelnden Lagerschaden zu Beginn dieses Zeitfensters und tauscht das Lager im Rahmen eines geplanten Wartungsintervalls innerhalb der nächsten zwei bis drei Wochen aus, bevor es zu einem Funktionsausfall kommt.
Der Unterschied im Ergebnis zwischen diesen beiden Szenarien ist der Kern der Argumentation für Investitionen in Schwingungsanalysen.
Im ersten Szenario: ein ungeplanter Produktionsstopp von 90 bis 240 Minuten, Notfallbeschaffung von Ersatzteilen, Überstunden, mögliche Folgeschäden an Welle und Gehäuse sowie eine reaktive Reparatur, die drei- bis viermal so viel kostet wie ein geplanter Austausch.
Im zweiten Szenario: ein geplanter 45-minütiger Lagerwechsel während eines im Zeitplan vorgesehenen Produktionsfensters, Standardteile aus bestätigtem Lagerbestand, regulärer Arbeitsaufwand und keine Folgeschäden.
Multipliziert man dies mit der Anzahl der kritischen rotierenden Anlagen in einer Produktionsstätte – typischerweise 50 bis 200 Motoren, Pumpen und Getriebe an einem mittelgroßen Produktionsstandort –, so verhindert die Schwingungsanalyse Lagerausfälle, die zusammen einen erheblichen Anteil der ungeplanten Ausfallzeiten und Wartungskosten ausmachen.
Um zu verstehen, was die Schwingungsanalyse misst, ist ein grundlegendes Verständnis der beteiligten physikalischen Größen erforderlich – nicht auf Ingenieurebene, sondern auf einem Niveau, das es Instandhaltungs- und Betriebsfachleuten ermöglicht, Implementierungsoptionen zu bewerten und zusammenfassende Ergebnisse zu interpretieren.
Was wird gemessen?
Eine Schwingung wird als die Oszillation einer physikalischen Struktur um ihre Ruhelage gemessen.
Diese Schwingung wird durch drei physikalische Größen beschrieben.
Die Auslenkung beschreibt, wie weit sich eine Struktur von ihrer Ruhelage entfernt – gemessen in Mikrometern oder Tausendstel Zoll. Die Auslenkungsmessung ist besonders relevant für niederfrequente Schwingungen – beispielsweise für die Wellenbahnanalyse in Gleitlagern und die Ausrichtungsprüfung von Maschinen.
Die Geschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich die Struktur bewegt – gemessen in Millimetern pro Sekunde oder Zoll pro Sekunde. Geschwindigkeitsmessungen werden am häufigsten zur allgemeinen Zustandsbewertung von Maschinen eingesetzt, da sie über einen breiten Frequenzbereich hinweg ein konsistentes Messergebnis liefern.
Die Beschleunigung beschreibt, wie schnell sich die Geschwindigkeit ändert – gemessen in Metern pro Sekunde zum Quadrat oder in g (Vielfache der Erdbeschleunigung). Die Beschleunigungsmessung reagiert besonders empfindlich auf hochfrequente Schwingungen – die Stoßereignisse, die mit Lagerschäden und Zahnradfehlern einhergehen.
Wie es gemessen wird
Vibrationen werden mithilfe von Beschleunigungsmessern gemessen – elektronischen Sensoren, die mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandeln, das proportional zur Beschleunigung der Oberfläche ist, an der sie angebracht sind.
Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind der am weitesten verbreitete Typ in der industriellen Zustandsüberwachung – sie sind robust, genau über einen breiten Frequenzbereich und in einer Vielzahl von Bauformen für unterschiedliche Installationsanforderungen erhältlich.
Das elektrische Signal des Beschleunigungsmessers wird von einem Datenerfassungs- oder Überwachungssystem verarbeitet – das rohe Zeitsignal wird durch eine mathematische Transformation, die sogenannte schnelle Fourier-Transformation (FFT), in Frequenzbereichsdaten umgewandelt, wodurch die spezifischen Frequenzen der Schwingungssignatur sichtbar werden.
Wie Fehler erkannt werden
Bei einer intakten Maschine weist das Schwingungsfrequenzspektrum Spitzenwerte bei den fundamentalen Betriebsfrequenzen auf – Wellendrehzahl und deren Harmonische, Zahnrad-Eingriffsfrequenzen, Lagerpassfrequenzen – mit Amplituden, die für einen gesunden Betrieb charakteristisch sind.
Wenn ein Fehler entsteht, erscheinen neue Frequenzkomponenten im Spektrum – bei den für den Fehlertyp spezifischen Frequenzen – oder bestehende Frequenzkomponenten erhöhen ihre Amplitude über ihren normalen Ausgangswert hinaus.
Der Schwingungsanalytiker identifiziert diese anomalen Frequenzkomponenten, vergleicht sie mit den bekannten Fehlerfrequenzsignaturen für die Geometrie der jeweiligen Maschine und diagnostiziert anhand des Musters der anomalen Frequenzen die Art des sich entwickelnden Fehlers.
Jeder Fehlertyp an rotierenden Maschinen erzeugt eine charakteristische Schwingungssignatur – ein Muster von Frequenzkomponenten und Amplitudenverhalten, das ihn von anderen Fehlertypen und von Schwingungen gesunder Maschinen unterscheidet.
Das grundlegende Verständnis dieser Signaturen ist für Instandhaltungs- und Betriebsfachleute nützlich, um Schwingungsanalyseergebnisse auszuwerten und mit Spezialisten zu kommunizieren.
Lagerfehler
Wälzlagerfehler erzeugen Vibrationen mit spezifischen Frequenzen, die sich aus der Lagergeometrie – den Lagerabmessungen und der Anzahl der Wälzkörper – multipliziert mit der Wellendrehzahl berechnen.
Für jedes Lager werden vier Lagerausfallhäufigkeiten berechnet.
Die Kugelpassfrequenz des äußeren Lagerrings (BPFO) wird angeregt, wenn ein Wälzkörper einen Defekt am äußeren Lagerring berührt.
Die Kugelpassfrequenz des Innenrings (BPFI) wird angeregt, wenn ein Wälzkörper mit einem Defekt am Innenring des Lagers in Kontakt kommt.
Die Kugelrotationsfrequenz (BSF) wird angeregt, wenn ein Defekt auf der Oberfläche des Wälzkörpers selbst vorhanden ist.
Die Grundfrequenz des Zuges (FTF) wird durch Käfigdefekte angeregt.
Bei Lagerfehlern im Frühstadium entstehen Impulse mit diesen Frequenzen, deren Amplituden im Verhältnis zum Gesamtschwingungspegel gering sind. Daher sind Beschleunigungsmessungen und Signalverarbeitungstechniken erforderlich, die die Impulskomponenten im Verhältnis zur Hintergrundschwingung verstärken.
Mit fortschreitendem Fehler nimmt die Amplitude der Fehlerfrequenzkomponenten zu, und der Gesamtschwingungspegel steigt mit der Verschlechterung des Lagerzustands.
Ungleichgewicht
Rotierende Unwucht erzeugt Schwingungen vorwiegend bei der Wellendrehzahl – der Grundfrequenz – in radialer Richtung.
Die Amplitude ist proportional zum Ausmaß der Unwucht und nimmt mit dem Quadrat der Drehzahl zu.
Unwucht ist eine der häufigsten Ursachen für erhöhte Vibrationen in rotierenden Maschinen und eine der am einfachsten anhand des Vibrationsspektrums zu diagnostizierenden Ursachen – ein dominanter Peak bei der Grundfrequenz ohne entsprechende Peaks bei harmonischen Frequenzen ist das klassische Zeichen für Unwucht.
Fehlausrichtung
Eine Fehlausrichtung der Welle zwischen Motor und Pumpe erzeugt beispielsweise Schwingungen, die überwiegend bei der Drehzahl der Welle und ihrer zweiten Harmonischen auftreten – wobei die relative Amplitude der Grundschwingung und der zweiten Harmonischen davon abhängt, ob die Fehlausrichtung primär winklig, parallel oder eine Kombination aus beidem ist.
Fehlausrichtung führt außerdem zu erhöhten axialen Schwingungen – Schwingungen in Richtung der Wellenachse –, die helfen, sie von Unwucht zu unterscheiden, die hauptsächlich radial ist.
Getriebefehler
Zahnradfehler erzeugen Vibrationen mit der Zahnradeingriffsfrequenz – der Wellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zahnradzähne – und deren Harmonischen.
Ein Zahndefekt erzeugt Seitenbänder um die Zahneingriffsfrequenz – zusätzliche Frequenzkomponenten, die in Abständen von Wellendrehzahlintervallen ober- und unterhalb der Eingriffsfrequenz angeordnet sind – deren Amplituden mit fortschreitendem Zahndefekt zunehmen.
Die Diagnose von Getriebefehlern anhand von Schwingungsspektren erfordert Kenntnisse über die Geometrie des Getriebes – insbesondere die Anzahl der Zähne jedes Zahnrads –, um die zu erwartenden Eingriffsfrequenzen zu berechnen und anomale Seitenbandmuster zu identifizieren.
Die Schwingungsanalyse wird mittels zweier grundlegend verschiedener Ansätze durchgeführt – jeder mit unterschiedlichen Kostenprofilen, unterschiedlichen Erkennungsfähigkeiten und unterschiedlichen geeigneten Anwendungsbereichen.
Periodische routenbasierte Messung
Bei der routenbasierten Messung führt ein geschulter Analyst oder Techniker einen tragbaren Schwingungsdatensammler zu jedem Messpunkt auf einer festgelegten Route – er sammelt bei jedem Besuch Schwingungsmessungen von jedem Punkt und vergleicht die Messwerte mit historischen Basiswerten und Alarmschwellenwerten.
Die routenbasierte Messung ist der am weitesten verbreitete Ansatz für den allgemeinen Bestand an rotierenden Maschinen – sie ist kostengünstig, da ein tragbares Messgerät Dutzende oder Hunderte von Messpunkten abdeckt, anstatt dass an jedem Punkt ein fest installierter Sensor erforderlich ist.
Das Messintervall – wöchentlich, monatlich oder vierteljährlich – bestimmt das minimale erkennbare Ausfallintervall. Ein monatliches Messintervall kann Fehler mit Ausfallintervallen von vier Wochen oder länger erkennen.
Es kann jedoch keine Fehler erkennen, die sich zwischen den Messungen entwickeln und zu einem Funktionsausfall führen.
Für die routenbasierte Messung werden geschulte Mitarbeiter benötigt, um die Daten zuverlässig zu erfassen – eine konsistente Messtechnik, die korrekte Platzierung der Sensoren und die korrekten Geräteeinstellungen – sowie entweder geschulte Analysten oder eine automatisierte Diagnosesoftware zur Interpretation der Ergebnisse.
Online-Kontinuierliche Überwachung
Bei der Online-Überwachung übertragen permanent installierte Sensoren an jedem Messpunkt kontinuierlich Vibrationsdaten an ein zentrales Überwachungssystem – Schwellenwertüberschreitungen und Trendänderungen werden in Echtzeit erkannt, anstatt zwischen periodischen Messbesuchen.
Online-Monitoring eignet sich am besten für Anlagen mit höchster Kritikalität, bei denen eine kontinuierliche Überwachung durch die Folgen eines Ausfalls gerechtfertigt ist – Anlagen der Stufe 1, deren Ausfall die Produktion vollständig zum Erliegen bringt und deren PF-Intervall so kurz ist, dass eine monatliche routenbasierte Messung entstehende Fehler möglicherweise nicht erkennt.
Die Kosten für Online-Monitoring – also permanent installierte Sensoren, Verkabelung oder drahtlose Übertragungsinfrastruktur sowie Lizenzierung des Überwachungssystems – sind deutlich höher als die Kosten für routenbasierte Messungen pro Überwachungspunkt.
Bei den zehn bis zwanzig wichtigsten rotierenden Anlagen in einer Produktionsstätte rechtfertigt der Nutzen der kontinuierlichen Überwachung zur Vermeidung von Produktionsausfällen in der Regel die Investition – denn ein einziger verhinderter Ausfall einer kritischen Produktionsanlage macht die Kosten der Sensorinfrastruktur um ein Vielfaches wett.
Die praktische Umsetzung für die meisten Produktionsanlagen kombiniert beide Ansätze – Online-Überwachung der fünf bis zehn kritischsten rotierenden Anlagen mit kurzen PF-Intervallen und routenbasierte Überwachung des übrigen Anlagenparks.
Die Schwingungsanalyse entfaltet ihren vollen finanziellen Wert nur dann, wenn die von ihr erkannten Fehler durch geplante Wartungsmaßnahmen innerhalb des verbleibenden PF-Intervalls behoben werden.
Dies ist das Problem der Handlungslücke – die Zeitspanne zwischen der Erkennung durch Schwingungsanalyse und einem geplanten Wartungseingriff entscheidet darüber, ob die Erkennung den Ausfall verhindert oder lediglich eine frühere Warnung vor einem Ausfall liefert, der ohnehin eintritt.
Ein Schwingungsanalyseprogramm, das Fehlererkennungsberichte generiert, die in einer monatlichen Wartungsbesprechung besprochen werden – in der ein vor drei Wochen festgestellter Lagerfehler zuerst diskutiert und ein Arbeitsauftrag erstellt wird – hat den größten Teil des PF-Intervalls durch administrative Verzögerungen in Anspruch genommen, bevor überhaupt Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden können.
Ein Schwingungsanalyseprogramm, das automatisch einen Wartungsauftrag generiert, sobald ein konfigurierter Schwellenwert für die Fehlerfrequenzamplitude überschritten wird – und diesen Auftrag zusammen mit der Lageridentifizierung, dem empfohlenen Austauschverfahren und der Bestätigung der Teileverfügbarkeit an das Mobilgerät des zuständigen Technikers übermittelt –, reagiert innerhalb von Stunden nach der Erkennung anstatt erst nach Wochen.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Szenarien besteht in der Verbindung zwischen dem Zustandsüberwachungssystem und dem Instandhaltungsausführungssystem.
Wenn sie getrennt sind – die Schwingungsüberwachungsplattform in einem System, das CMMS in einem anderen –, ist die Verbindung auf menschliches Eingreifen angewiesen, was zu Verzögerungen und Inkonsistenzen führt.
Wenn sie integriert sind – die Vibrationserkennung löst die automatische Erstellung von Arbeitsaufträgen auf derselben Plattform aus – wird die Handlungslücke beseitigt und das gesamte PF-Intervall steht für Planung und Ausführung zur Verfügung, anstatt durch administrative Koordination in Anspruch genommen zu werden.
Diese Integration – zwischen Zustandsüberwachung und Instandhaltungsmaßnahmen – macht die Schwingungsanalyse von einem teuren Instrument zur Risikobewertung zu einem echten Programm zur Vermeidung von Ausfällen.
Welche Geräte sollten mittels Schwingungsanalyse überwacht werden?
Die vorrangigen Kandidaten für die Schwingungsanalyse sind rotierende Anlagen, die drei Kriterien erfüllen.
Das Asset ist in der Kritikalitätsklassifizierung Tier 1 oder Tier 2 eingestuft – sein Ausfall hat erhebliche Auswirkungen auf Produktion, Sicherheit oder Qualität.
Der vorherrschende Ausfallmechanismus erzeugt vibrationsdetektierbare Vorläufersignale – Lagerverschleiß, Unwucht, Fehlausrichtung und Getriebefehler erfüllen alle dieses Kriterium.
Das PF-Intervall für den dominanten Ausfallmodus ist lang genug für eine geplante Wartungsmaßnahme – typischerweise zwei Wochen oder länger für die meisten industriellen Lageranwendungen.
In einer typischen Produktionsanlage umfasst dies kritische Pumpenmotoren, primäre Antriebsmotoren an Produktionslinien, Getriebe an Hochgeschwindigkeits-Produktionsanlagen, Ventilatoren und Kompressoren in produktionskritischen HLK- und Prozesssystemen sowie Zentrifugalseparatoren und Mischer in der Prozessfertigung.
Wie häufig sollten streckenbezogene Schwingungsmessungen durchgeführt werden?
Die Messfrequenz sollte an das PF-Intervall der dominanten Ausfallarten für jedes Asset angepasst werden.
Bei einem Lagerausfallmodus mit einem PF-Intervall von vier bis sechs Wochen sind monatliche Messungen erforderlich – dies bietet mindestens zwei Messmöglichkeiten innerhalb des PF-Intervalls, um den Fehler vor dem Funktionsausfall zu erkennen.
Ein Lagerausfallmodus mit einem PF-Intervall von acht bis zwölf Wochen kann durch vierteljährliche Messungen ausreichend überwacht werden.
Anlagen mit bekannt kurzen Ausfallintervallen – bei denen sich Ausfälle in der Vergangenheit schnell verschlimmert haben – erfordern häufigere Messungen oder eine kontinuierliche Online-Überwachung.
Benötigt die Schwingungsanalyse spezielle Fachkenntnisse?
Die routenbasierte Datenerfassung kann von Wartungstechnikern durchgeführt werden, die in einer konsistenten Messtechnik geschult sind – korrekte Sensorplatzierung, korrekte Instrumenteneinstellungen und konsistente Messbedingungen.
Für die Schwingungsspektrumanalyse und Fehlerdiagnose wird entweder ein ausgebildeter Schwingungsanalytiker mit Zertifizierung durch eine anerkannte Stelle wie das Vibration Institute oder die Norm ISO 18436-2 benötigt, oder ein automatisiertes Diagnosesystem, das Fehlerfrequenzanalysealgorithmen anwendet, ohne dass eine manuelle Spektruminterpretation erforderlich ist.
Die meisten Fertigungsprozesse beginnen mit einer automatisierten Diagnosesoftware, die routenbasierte Messungen interpretiert – wodurch der Bedarf an Fachkenntnissen reduziert wird und gleichzeitig die Fehlererkennungsfähigkeit der Schwingungsanalyse erhalten bleibt.
Jedes Lager in einer Fertigungsanlage erzählt durch sein Schwingungsmuster eine Geschichte – Wochen bevor es zu einem ungeplanten Produktionsstillstand kommt. Schwingungsanalyse bedeutet, diese Geschichte frühzeitig zu erkennen, um ein besseres Ende zu ermöglichen.
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