Eine Anleitung zur Vibrationsanalyse

Was ist eine Vibrationsanalyse?

Die Vibrationsanalyse erfasst und verarbeitet Daten über mechanische Vibrationen in einer Maschine, einem Bauelement oder einer Struktur. Sie wird dazu verwendet, ungewöhnliche Vibrationen zu erkennen, welche einen Hinweis auf den Gesamtzustand des zu prüfenden Objekts geben können. Viele Vibrationsanalysetools und -techniken wurden entwickelt, um Vibrationsinformationen zu messen, zu speichern und zu extrahieren. Diese Techniken ermöglichen die Zustandsüberwachung von Maschinen und können einem Unternehmen dabei helfen, seine Produktivität zu verbessern, seine Kosten zu senken und Waren nachhaltiger zu produzieren.

Warum Vibrationen messen?

Die Vibrationsmessung bietet Ingenieuren, die sich mit der Überwachung des Zustands von Strukturen und Bauelementen beschäftigen, eine Reihe von Vorteilen. Sie kann es ihnen ermöglichen, in Echtzeit auf Änderungen des Zustands des Bauelements zu reagieren und ermöglicht die Fernüberwachung des Zustands. Es gibt auch etablierte Vibrationsanalysetechniken, die bei der vorausschauenden Wartung verwendet werden können.

Die beiden Hauptanwendungen der Vibrationsüberwachung bestehen darin, die strukturelle Integrität von Infrastrukturen wie Brücken und Rohrleitungen zu schützen und so ihre sichere Verwendung zu gewährleisten, sowie Bauelemente wie Motoren und Lager zu überwachen, um den Betrieb zu verlängern und ihre Lebenszyklen und Wartung zu verwalten.

• Vibrationen in Motoren und anderen beweglichen Teilen

Vibrationen können auch durch Motoren und andere bewegliche Bauelemente auftreten. Es ist zwar normal, dass Motoren kleine Vibrationen erzeugen, aber Änderungen oder Erhöhungen der Motorvibrationen können auf Probleme hinweisen. Es gibt mehrere mögliche Ursachen für Motorvibrationen, einschließlich Unwuchten aufgrund defekter Bauelemente, falsch ausgerichtete Zahnräder, Lagerfehlfunktionen, allgemeiner Verschleiß an Lagern und anderen Teilen oder ein Motor, der lose an seiner Halterung befestigt ist.

Vibrationen können auf Probleme hinweisen, welche die Energieeffizienz des Motors verringern und die Kosten erhöhen. Mit steigenden Energiepreisen wachsen die Bedenken in dieser Hinsicht. Die größten Kosten können jedoch entstehen, wenn ein Motor ausfällt. Neben Ersatz- oder Reparaturkosten kann dies die Produktion unterbrechen, zu Umsatzeinbußen führen und weitere Kosten verursachen, da verdorbene Materialien ersetzt werden müssen.

• Sicherstellung der strukturellen Integrität

Eine weitere Anwendung der Vibrationsanalyse ist die Überwachung der strukturellen Integrität von Infrastrukturelementen wie Brücken, Rohren und Windkraftanlagen. Größere Windkraftanlagen unterliegen beispielsweise höheren strukturellen Vibrationen. Die Messung der „üblichen“ Vibrationen einer Windkraftanlage und der Vergleich mit beobachteten Änderungen in diesem Muster können auf ein strukturelles Problem hinweisen. Auf diese Weise ist es möglich, das Problem anzugehen, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall führt.

Ein Ausfall eines Bauelements kann auch schnell auftreten, aufgrund von Vibrationen, die durch eine Stoßbelastung induziert werden, wobei es sich um eine transiente Last handelt, die über eine kurze Dauer eine sehr hohe Amplitude aufweist. Elektronische Geräte können beispielsweise mit Sensoren geliefert werden, um übermäßige Erschütterungen und Vibrationen zu erkennen.

Wie werden Vibrationen gemessen?

Vibrationssensoren sind Geräte, welche die Stärke und Frequenz einer Vibration in einem bestimmten Bauelement oder System messen. Die Frequenz der Vibration zeigt an, wie oft die Vibration auftritt. Die Verfolgung von Vibrationsspitzen kann dabei helfen, die Grundursache des Problems zu finden. Vibrationssensoren erfassen auch die Stärke der Vibration – je mehr Vibrationen das Gerät aufweist, desto größer ist die Stärke der Messungen.

Es gibt verschiedene Arten von Vibrationssensoren, die jeweils nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren und eine eigene Anwendung haben. Einige erfordern einen direkten Kontakt mit dem zu prüfenden Bauelement, während andere Vibrationen aus der Ferne erfassen können. Der gebräuchlichste Typ von Vibrationssensoren sind Beschleunigungsmesser, wobei auch Dehnungsmesser und Mikrofonsensoren weit verbreitet sind.

• Beschleunigungsmesser

Beschleunigungsmesser messen die Geschwindigkeitsänderungen des Bauelements. Vibrationen zeigen eine Änderung der Geschwindigkeit an – Änderungen, die den Beschleunigungsmesser dazu veranlassen, ein elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Signale können zu brauchbaren Vibrationsdaten verarbeitet werden. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind der am weitesten verbreitete Typ. Sie sind beliebt, da sie bei den meisten Frequenzen ein starkes, klares Signal erzeugen, obwohl auch piezoresistive Beschleunigungsmesser zunehmend verbreitet sind. Diese sind in der Lage, hohe und niedrige Frequenzen zu erfassen, sind jedoch wesentlich teurer als der piezoelektrische Typ.

• Dehnungsmesser

Ein weiteres Kontaktverfahren sind Dehnungsmesser, die als Folie direkt auf das Bauelement aufgebracht werden. Die Folie enthält ein elektrisch leitfähiges Gitter, das sich bei Vibrationen des Bauelements verformt. Diese Verformungen verändern den elektrischen Widerstand des Gitters und durch Ablesen der Zeit, die ein elektrischer Strom benötigt, um dadurch zu strömen, kann die Vibration des Objekts beurteilt werden.

Um zu funktionieren, müssen Dehnungsmesser ordnungsgemäß mit der Oberfläche des Bauelements verbunden werden, was die Installation zu einem langwierigen Prozess machen kann.

• Mikrofonsensoren

Auch Mikrofonsensoren sind sehr beliebt. Vibrationen erzeugen Schall, der oft außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt. Mikrofonsensoren können Änderungen bei diesen hochfrequenten Tönen erfassen und sind eine kostengünstige Methode, einige grundlegende Informationen bereitzustellen. Sie werden häufig neben Beschleunigungsmessern eingesetzt.

Es gibt eine riesige Auswahl an Vibrationssensoren, die den Anforderungen nahezu jeder Anwendung gerecht werden.

Was sind die wichtigsten Vibrationsanalysetechniken?

Sobald die Daten von Sensoren erfasst wurden, müssen sie verarbeitet werden, um Probleme festzustellen. Vibrationsanalysetechniken basieren auf drei Hauptmethoden – maximale Beschleunigung, Frequenzanalyse und künstliche Intelligenz. Die maximale Beschleunigung betrachtet das Ausmaß der Bewegung des vibrierenden Objekts, die Frequenzanalyse untersucht die Geschwindigkeit, mit der diese Bewegungen auftreten, und die KI verwendet Daten, um Muster zu erkennen, die auf Fehler hinweisen könnten.

• Maximale Beschleunigung

Die maximale Beschleunigung betrachtet Vibrationen im Zeitbereich. Sie zeichnet die Amplitude der Vibration vom höchsten Punkt der aufgezeichneten Signalform bis zum tiefsten Punkt und diese über der Zeitachse auf. Dies ergibt eine Zahl für die Beschleunigung in Gs. Als Änderungsrate der Geschwindigkeit stellt dies die Kräfte dar, welche auf die Geräte oder das Bauelement ausgeübt werden. Die Beschleunigung legt besonderen Schwerpunkt auf hohe Frequenzen und ist ein nützliches Tool, um den Zustand der Lager zu beurteilen.

Die Geschwindigkeit wird aus den Beschleunigungsdaten abgeleitet und ist die Änderungsrate der Verschiebung. Sie ist ein Maß für die mechanische Ermüdung.

Die Zeitsignalformen zeigen eine kurze Auswahl von Vibrationsrohdaten und geben Einblicke in den Zustand von Maschinen, die aus dem Frequenzspektrum nicht immer einfach zu interpretieren sind.

• Frequenzanalyse

So wie ein Musikstück aus unterschiedlichen Frequenzen zusammengesetzt ist, setzen sich auch die Vibrationen, die auf eine Maschine wirken, aus unterschiedlichen Frequenzen zusammen. Beispielsweise kann die Gesamtvibration viele verschiedene Vibrationen des Motors, des Lagers, der Antriebswelle oder zahlreicher anderer Bauelemente umfassen. Um diese zahlreichen Frequenzen zu analysieren, werden FFTs (Fast Fourier Transforms) verwendet. Die Technik zerlegt das Signal in alle seine einzelnen Frequenzen und wandelt es vom Zeitbereich in den Frequenzbereich um.

Die FFT wird am häufigsten zur Erkennung von Maschinenfehlern wie Fehlausrichtung oder Unwucht verwendet.

• Künstliche Intelligenz

Vibrationsmesssysteme können riesige Datenmengen sammeln. Dies macht es für menschliche Vibrationsanalysten schwierig, Muster zu analysieren und zu identifizieren. Eine Lösung besteht darin, ihre Bemühungen durch den Einsatz von KI-Techniken (künstliche Intelligenz) zu verstärken.

Da KI-Tools bei Routineaufgaben Spitzenleistungen erzielen, können sie jeden Satz der Vibrationsdaten sofort untersuchen und entscheiden, ob er irrelevant oder eine Anomalie ist, welcher dann zur weiteren Beachtung gekennzeichnet werden muss. Die Fähigkeit von KI-Systemen, maschinelle Lerntechniken zu verwenden, bedeutet, dass sie nicht programmiert werden müssen, um zu wissen, wie ungewöhnliche Signale aussehen – sie können regelmäßige Vibrationen untersuchen und dann Vibrationssignale identifizieren, die sich von diesen normalen Bedingungen unterscheiden.

Die Verwendung von KI, um Warnsignale in den Daten zu erkennen, kann Vibrationsanalysten dabei helfen, sich auf die Entwicklung von Plänen zu konzentrieren, um auf diese Warnungen zu reagieren. Daher ist KI ein wichtiges Instrument bei der Entwicklung einer Kultur der vorausschauenden Wartung.

Verwendung von Vibrationsanalysen bei der vorausschauenden Wartung

Viele Unternehmen bewegen sich in Richtung vorausschauender Wartung, um die Verfügbarkeit und Lebensdauer ihrer Produktionsressourcen zu optimieren. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Techniken wie der reaktiven Wartung. Dabei wird die Anlage erst nach ihrem Ausfall repariert, wobei die Produktion unterbrochen wird. Die vorbeugende Wartung kann die Produktion ebenfalls unterbrechen, da sie in festgelegten empfohlenen Intervallen durchgeführt wird, anstatt zu einem Zeitpunkt, wenn die Maschine es erfordert oder die Produktionspläne dies zulassen.

Durch die Vorhersage, wann eine Maschine oder Anlage ausfallen könnte und wann eingegriffen werden muss, um ein solches Ereignis zu verhindern, bietet die vorausschauende Wartung mehrere Vorteile. Dazu gehören die Reduzierung der Häufigkeit von Wartungsarbeiten, die Verringerung ungeplanter Abschaltungen und die Einsparung von Ressourcen.

Der Rückgriff auf die vorausschauende Wartung wird durch die Verwendung eines computergestützten Wartungsmanagementsystems oder CMMS weiter unterstützt, welches Wartungsinformationen zentralisiert, Prozesse erleichtert und einige Aufgaben automatisiert, um die Effizienz zu erhöhen. Ein CMMS optimiert den Einsatz, die Verfügbarkeit und die Lebensdauer von Geräten und Maschinen, um eine maximale Produktivität und Kapitalrendite zu gewährleisten.

Eines der Prinzipien der vorausschauenden Wartung besteht darin, kritische Geräte zu identifizieren und zu überwachen. Dies kann jedes Element oder jede Maschine sein, das/die, wenn es/sie vom Netz genommen würde, die Produktion ernsthaft stören, zu einem erheblichen Sicherheitsvorfall führen oder einen Verstoß gegen die Umweltvorschriften verursachen könnte. Motoren sind in der Industrie weit verbreitet und unterstützen viele Prozesse. Daher können sie oft als kritisch eingestuft werden. Eine kontinuierliche Vibrationsanalyse der Motoren und der von ihnen angetriebenen oder versorgten Maschinen kann dabei helfen, ungewöhnliche Zustände zu erkennen und Probleme mit der Schmierung oder übermäßigen Lagerverschleiß aufzudecken.

Die Vibrationsanalyse kann auch dazu verwendet werden, den Zustand von stark benutzten Geräten, Anlagen, die rund um die Uhr mit wenigen Pausen verwendet werden, zu überwachen. Die Vibrationssensoren können Warnungen senden, wenn sich die Bedingungen ändern, sodass Stillstände auf ein Minimum beschränkt werden können.

Einige Maschinen wie Klimaanlagen, Kräne oder Verarbeitungsbehälter sind schwierig zu warten, da sie sich an schwer zugänglichen Standorten befinden, Arbeiten in der Höhe erfordern oder in gesundheitsgefährdenden Bereichen sind. Die Überwachung auf ungewöhnliche Vibrationen ermöglicht eine Wartung zu praktischeren Zeiten und vermeidet das unnötige Betreten potenziell gefährdeter Bereiche seitens des Personals.