Motorvibrationsanalyse

Elektromotoren werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt. Allein in den USA gibt es über 1,2 Milliarden Elektromotoren aller Art. Auf Motoren entfallen 78 % der in industriellen Systemen verbrauchten elektrischen Energie, ein Anteil, der in der Prozessindustrie sogar auf 90 % steigt. [1]

Viele dieser Motoren sind für die Sicherheit oder den effizienten Betrieb von entscheidender Bedeutung, weshalb ihre Zuverlässigkeit ein wichtiger Aspekt ist. Die Überwachung und Analyse von Motor- oder Maschinenvibrationen kann Daten für vorausschauende Wartungsprogramme liefern, sodass Ingenieure Probleme erkennen und reparieren können, bevor sie zu Leistungseinbußen oder Ausfällen führen.

Immer mehr Branchen werden sich der Bedeutung der Motorvibrationsanalyse bewusst. Motoranwendungen, die von der Maschinenvibrationsanalyse profitieren können, umfassen rotierende Geräte wie Pumpen und Lüfter, Getriebe, Verdichter, Lager und Generatoren für Windkraftwerke.

Einige Branchen sind besonders auf rotierende Maschinen angewiesen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie beispielsweise kommen bei der Verarbeitung viele Verdichter, Kühler und Pumpen zum Einsatz. Die Überwachung dieser Geräte auf Motorvibrationen ermöglicht ein rechtzeitiges Eingreifen, um Ausfallzeiten zu verhindern, die zum Verderben von Inhaltsstoffen oder Produktionschargen führen könnten.

Die Wasserindustrie muss Ausfallzeiten in ihren Pumpen vermeiden, um die Wasserqualität und Versorgungsdrücke zu Kunden beizubehalten. Die Maschinenvibrationsanalyse hilft, die Pumpen funktionstüchtig zu halten und ermöglicht es dem Versorgungsunternehmen, das Risiko von Geldbußen und Sanktionen bei Nichtversorgung zu vermeiden.

Was verursacht Motorvibrationen?

Während es normal ist, dass Motoren kleine Vibrationen erzeugen, können große Vibrationen oder Änderungen der Motorvibrationen auf Probleme hinweisen. Die Gesamtvibration eines Motors kann auf viele Elemente zurückzuführen sein, und das Wissen, welche diese möglichen Ursachen sein können, ermöglicht eine bessere Diagnose dafür, was mit dem Motor passiert.

Eine der Hauptursachen für Vibrationen ist eine Unwucht: ein Punkt, an dem sich ein Unwuchtgewicht um die Maschinenachse bewegt, wodurch die rotierenden Bauelemente vibrieren. Unwuchten können durch Guss- oder Bearbeitungsfehler oder Wartungsprobleme wie verschmutzte Lüfterflügel verursacht werden.

Lager können eine wesentliche Ursache für Vibrationen sein. Lose Lager können zu einer Vibrationsausbreitung auf andere Bauelemente führen. Durch eine unzureichende Schmierung verschleißen Lagerbauelemente schnell. Ein zerfurchter Laufring des Rollenlagers kann bei jedem Verfahren des beschädigten Bereichs durch ein Lager eine Bewegung erzeugen.

Zahnräder sind auch eine potenzielle Vibrationsquelle, wenn sie verstellt werden. Verschlissene oder kaputte Zahnradzähne können aneinander reiben und eine potenziell gefährliche Vibration verursachen.

Ein weiterer Vibrationsfaktor ist die Stabilität der Halterung, an welcher der Motor befestigt ist. Wenn beispielsweise ein Motor lose an seiner Halterung befestigt ist, können Vibrationen mehr Schäden an den Lagern verursachen. Eine unsachgemäße Montage kann auch zu Verschleiß und Ermüdung zwischen den Halterungen und anderen Motorbauelementen, wie der Isolierung des Motors, führen.

Eine unzureichende Montage kann auch dazu führen, dass die Wellen der Maschine verstellt werden. Dies kann in Form eines Winkelversatzes auftreten, wenn die Achsen und die Pumpe an einem Motor nicht parallel sind, oder in Form eines Parallelversatzes, wenn die Achsen zwar parallel, aber falsch ausgerichtet sind. Dies kann durch einen unsachgemäßen Zusammenbau des Motors und seiner Antriebskette verursacht werden oder durch die Verwendung im Laufe der Zeit entstehen. Letztere kann durch einen fehlerhaften erneuten Zusammenbau, eine thermische Ausdehnung oder durch Positionsveränderungen von Bauelementen entstehen. Vibrationen können auch durch externe Quellen, wie Maschinen oder andere Prozesse, die mit dem Motor verbunden sind, entstehen.

Die Auswirkungen von Motorvibrationen

Vibrationen können auf Probleme hinweisen, welche die Energieeffizienz des Motors verringern und die Kosten erhöhen. Die Sicherstellung, dass Motorbauelemente ausgerichtet sind und keinen übermäßigen Verschleiß erleiden, kann dazu beitragen, die Energieeffizienz von Motoren zu steigern und somit die Betriebskosten zu senken. Obwohl dies insbesondere in einem Klima steigender Energiepreise wichtig ist, treten die größten Probleme dann auf, wenn ein Motor ausfällt. Dies kann möglicherweise zu ungeplanten Ausfallzeiten in einer Fertigungsstätte führen, in der es zu erheblichen Verlusten kommen kann, während der Motor repariert wird. Aus diesem Grund wurde bei einer Umfrage unter den Motorenbenutzern festgestellt, dass mehr als 70 % der Befragten die Zuverlässigkeit als oberste Priorität ihrer Wartungsprogramme für Motoren anführen.

Ausfallkosten können je nach Branche unterschiedlich sein, aber viele Fertigungsstätten haben Engpass-Prozesse, bei denen der Ausfall eines Motors erhebliche Auswirkungen auf die Rentabilität der Anlage haben kann. Die von den Motoren von ABB erzeugten Zahlen haben die potenziellen Kosten dargelegt, die entstehen, wenn ein Motor ausfällt.

Bei der Analyse wurde der Fall eines 315 kW-Motors mit einem Wirkungsgrad von 95,5 % in einem kontinuierlichen Prozess untersucht. Bei Energiekosten von 11 p/kWh und einer Betriebsdauer des Motors von 8.400 Stunden pro Jahr würden die Kosten für den Betrieb des Motors über eine Lebensdauer von 20 Jahren bei 6.094.704 £ liegen. Dies ist im Vergleich zu den typischen Anschaffungskosten in Höhe von 18.000 £ äußerst hoch.

Die Kosten, den Motor nicht einzuschalten, sind jedoch gleichermaßen hoch. Die Analyse führte das Beispiel eines Motors in der Öl- und Gasindustrie an, dessen Ausfall zu Verlusten in Höhe von 220.000 £ pro Stunde führen könnte. Bereits ein zehnstündiger Ausfall über die 20-jährige Lebensdauer des Motors würde somit zu Verlusten in Höhe von 2.200.000 £ führen. Ähnlich große Verluste sind auch in Branchen wie Kfz, Metallguss und Lebensmittel und Getränke möglich.

Obwohl einige Gerätefehler augenblicklich auftreten, sind die meisten katastrophalen Fehler, welche die Produktion beeinträchtigen, das Ergebnis schlecht umgesetzter oder gar nicht vorhandener Wartungsprogramme. Diese Fehler sind weitgehend darauf zurückzuführen, dass das Management die Wartung als einen möglichst zu minimierenden Aufwand ansieht, anstatt ihren rechtmäßigen Status als Investition in die Zukunft des Unternehmens.

Überwachung der Motorvibration

Zahlreiche verschiedene Sensoren können verwendet werden, um Motorvibrationen zu messen, die jeweils nach leicht unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten, um Bewegungen im zu prüfenden Motor zu erfassen. Einige Sensoren arbeiten mit Direktkontaktmethoden und erfordern daher eine Halterung auf dem Motorgehäuse, während berührungslose Vorrichtungen eine Bewegung durch optische oder magnetische Mittel aus der Ferne erfassen können.

Beschleunigungsmesser sind die am häufigsten verwendete Methode und funktionieren, indem sie die Änderungen der Geschwindigkeit des Bauelements messen. Diese manifestieren sich als Vibrationen, die den Beschleunigungsmesser dazu veranlassen, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das verarbeitet werden kann, um nutzbare Vibrationsdaten zu erzeugen. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind der am weitesten verbreitete Typ, da sie bei den meisten Frequenzen ein starkes, klares Signal erzeugen.

Andere häufig verwendete Sensortypen sind Dehnungsmesser und Mikrofonsensoren. Dehnungsmesser erfassen Vibrationen, indem sie die Zeit messen, die ein elektrischer Strom benötigt, um ein Gitter zu passieren, das sich als Reaktion auf eine Bewegung verformt. Mikrofonsensoren können Änderungen in hochfrequenten Tönen erfassen und sind eine kostengünstige Methode, einige grundlegende Informationen bereitzustellen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, tragbare Vibrationsmessgeräte zu verwenden, die eine schnelle Anzeige von Vibrationssignalen ermöglichen und somit anzeigen, dass eine bestimmte Maschine möglicherweise einen Fehler aufweist. Viele Wartungstechniker können ein Vibrationsmessgerät zusammen mit einem Schallpegelmesser verwenden, um Frequenzen zu analysieren. Diese Messgeräte weisen typischerweise einen Speicher zum Speichern von Messungen und oft einen Datenlogger zum Erfassen und Speichern von Daten über längere Zeiträume auf.

Ein typisches Vibrationsmessgerät ist das Messgerät der Baureihe Wilcoxon MAC800. Dieses Gerät bietet eingebaute Bandfilter zur Erkennung von Fehlern wie Unwucht, Fehlausrichtung oder Lockerheit. Sein niedriger Frequenzbereich ermöglicht die Messung an Maschinen, die mit lediglich 120 U/min betrieben werden.

Obwohl sie nützlich sind, um es Wartungsmanagern zu ermöglichen, Vibrationen in Motoren und anderen Geräten ohne feste Sensoren zu messen, sind letztere in der Regel besser, da sie eine kontinuierliche Überwachung bieten.

Motorvibrationsanalyse

Eine erfolgreiche Motorvibrationsanalyse beinhaltet das Quantifizieren des erfassten Vibrationssignals in mehrere Messgrößen und dann das Verfolgen und Vergleichen dieser Messgrößen über die Zeit. Es gibt drei große Analysekategorien: Zeitbereich, Frequenzbereich und künstliche Intelligenz-Algorithmen.

• Zeitbereichsanalyse

Einige der am häufigsten verwendeten Messgrößen werden in der Zeitbereichsanalyse verwendet. Dies sind Spitzenbeschleunigung, Effektivwert der Beschleunigung, Scheitelfaktor, Effektivwert der Geschwindigkeit und Effektivwert der Verschiebung.

Die Spitzenbeschleunigung ist leicht zu erkennen und zu berechnen. 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. Spitzenbeschleunigungswerte können zu abhängig von der Abtastrate des Signals sein. Dies bedeutet, dass beim Vergleichen mehrerer Signale unterschiedliche Abtastraten den Vergleich zwischen den Spitzenbeschleunigungen unangemessen machen können.

Der Effektivwert der Beschleunigung wird der Spitzenbeschleunigung vorgezogen, da sie unabhängig von der Abtastrate ist und so einen genaueren Vergleich des Vibrationswerts von zwei Signalen ermöglicht. Der Effektivwert korreliert auch eher mit der Vibrationsenergie. Insgesamt ist der Effektivwert der Beschleunigung eine beliebte und nützliche Messgröße für die Vibrationsüberwachung. Der Scheitelfaktor ist das Verhältnis der Spitzenbeschleunigung zum Effektivwert der Beschleunigung – als solches definiert er, wie „spitz“ ein Signal ist. Beispielsweise würde eine Rechteckwelle einen Scheitelfaktor von 1 aufweisen, während ein Signal, das intermittierende Erschütterungsereignisse enthält, einen sehr hohen Scheitelfaktor aufweisen könnte. Diese Größe ist nützlich, weil ein zunehmender Scheitelfaktor über die Zeit tendenziell auf einen Lagerausfall hinweist.

Ein Beschleunigungssignal kann integriert werden, um die Geschwindigkeit (proportional zur Energie) und die Verschiebung zu erhalten. Die äquivalenten Effektivwerte können berechnet werden, um den Effektivwert der Geschwindigkeit und den Effektivwert der Verschiebung zu erhalten. Der Effektivwert der Geschwindigkeit ist eine wichtige Messgröße, da es die ISO-Norm 10816 gibt, welche die Vibrationsstärke für verschiedene Maschinenklassen definiert. Da Geschwindigkeit der Energie entspricht, ist sie die primäre Messgröße, die im Laufe der Zeit verfolgt wird, um den Vibrationszustand zu überwachen und Informationen für vorausschauende Wartungsprogramme bereitzustellen.



Abbildung 1: Tabelle der Vibrationsstärke nach ISO 10816

Der Effektivwert der Verschiebung ist nicht so wichtig wie der Effektivwert der Geschwindigkeit, da Verschiebungen in der Regel nur bei sehr niedrigen Frequenzen auftreten, was bedeutet, dass die Verschiebungswerte oft sehr niedrig sind. Sie sind jedoch bei rotierenden Geräten wichtig, da Unwuchtwellen und andere unausgeglichene Bauelemente erhebliche Verschiebungen verursachen können. Frequenzbereichsanalyse

Die Vibrationen einer Maschine setzen sich aus verschiedenen 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.

Dieser Vorgang ergibt eine Beschleunigung/Vibrationsamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz. Dies ermöglicht es den Prüfern, Analysen im Frequenzbereich durchzuführen, um ein tieferes Verständnis des Vibrationsprofils zu erhalten. Die meisten Vibrationsanalysen werden im Frequenzbereich durchgeführt.

FFTs sind am besten bei der Analyse von Vibrationen geeignet, bei denen es eine begrenzte Anzahl von dominanten Frequenzkomponenten gibt. Bei der Charakterisierung von zufälligen Vibrationssignalen werden stattdessen spektrale Leistungsdichten (PSDs) verwendet. Dies ermöglicht den Vergleich von Vibrationen in Signalen unterschiedlicher Länge.

• KI bei der Zustandsüberwachung für Motoren

Eines der wichtigsten Werkzeuge bei der vorausschauenden Wartung ist die künstliche Intelligenz (KI). In Kombination mit dem maschinellen Lernen (ML) bietet sie großartige Möglichkeiten, die Verfügbarkeit von Motoren zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Laut McKinsey & Company kann die KI-basierte vorausschauende Wartung die Verfügbarkeit um bis zu 20 % verbessern, die Inspektionskosten um 25 % senken und den jährlichen Wartungsaufwand um bis zu 10 % reduzieren.

ML arbeitet mit Algorithmen und einer Reihe von Trainingsdaten, die sich auf Faktoren wie Anlagenzustand und -leistung, Ausfallraten, Wartungsprozesse, Belastungszyklen und Tastverhältnisse sowie Umgebungsbedingungen beziehen. Anhand dieser Daten erstellt der Algorithmus ein mathematisches Modell, um das komplexe System und die Wechselwirkungen seiner Bauelemente zu beschreiben. Ziel dabei ist es, eine abhängige „Soll“-Variable wie die Gesundheit von Anlagen oder die verbleibende Lebensdauer vorherzusagen. Wenn neue reale Daten in das Modell aufgenommen werden, die auf tatsächlichen Messungen basieren, gibt das Modell einen Status oder eine Vorhersage für den Motor zurück, sodass Ingenieure fundierte Entscheidungen über seine Wartung treffen können.

Ein Großteil der Arbeit in Zusammenhang mit KI-basierten Methoden kann durch den Einsatz von Cloud-basierten Lösungen wie Senseye vermieden werden. Unter Verwendung bereits gesammelter Daten generiert die Lösung Verhaltensmodelle, um Ingenieuren dabei zu helfen, kritischen Problemen Beachtung zu schenken.

Einige Vibrationssensoren können leicht in die KI-Software integriert werden, um ein Zustandsüberwachungssystem zu erstellen. Ein Beispiel ist die Sensorplatine STM32 von ST, mit welcher der Benutzer vibrationsbasierte Zustandsüberwachungslösungen einrichten kann, die KI-Bibliotheken mit Anomalieerkennung verwenden.

Vorausschauende und vorbeugende Wartung

Ziel der Vibrationsmessung ist es, eine optimale Leistung des Motors zu gewährleisten, welcher die geforderte Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz so lange wie möglich beibehält. Die Motorbetreiber müssen eine hohe Verfügbarkeit ihrer Motoren sicherstellen, insbesondere für kritische Prozesse, die nicht ohne erhebliche Verluste unterbrochen werden können.

Obwohl die vorbeugende Wartung nach wie vor beliebt ist, wird sie durch voreingestellte Wartungsintervalle bestimmt, welche dem tatsächlichen Zustand der Maschine wenig Beachtung schenken. Weil sie nicht notwendigerweise mit den Produktionsplänen abgestimmt ist, kann sie störend sein und somit zu Verlusten führen.

Im Gegensatz dazu bewertet die vorausschauende Wartung den Zustand der Geräte durch die Durchführung einer intermittierenden oder kontinuierlichen Zustandsüberwachung.

Die Überwachung der Motorvibration spielt dabei eine entscheidende Rolle. Sie stellt sicher, dass die Motorbenutzer immer eine aktuelle Bewertung des Zustands ihrer Motoren haben, sodass diese die erforderlichen Wartungsarbeiten zur richtigen Zeit erhalten, um die Verfügbarkeit zu optimieren, die Effizienz zu aufrechterhalten und die Kosten zu senken.