Verwendung von Vibrationsanalysen bei der vorausschauenden Wartung

Produktions- und Wartungsingenieure sind ständig bestrebt, die Leistung ihrer Maschinen zu maximieren und Ausfallzeiten zu minimieren. Um diese Ziele zu erreichen, wird zunehmend auf die vorausschauende Wartung zurückgegriffen. Da Vibrationen in Geräten auf Probleme hinweisen können, ist die Erfassung von Vibrationsdaten wichtig für diesen Ansatz.

Die Vibrationsanalyse ermöglicht es Ingenieuren, den Zustand von Geräten wie Pumpen und Motoren zu beurteilen. Durch die kontinuierliche Erfassung von Vibrationsdaten können Ingenieure vorhersagen, wann Geräte gewartet werden müssen. Vibrationsdaten sind einfach zu sammeln und sehr effektiv bei der Identifizierung von Problemen in Geräten, die Motoren verwenden.

Was ist die vorausschauende Wartung?

Die vorausschauende Wartung dient dazu, den Zustand eines Geräts zu beurteilen und festzustellen, wann Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen. Der Status des Geräts wird anhand einer periodischen oder kontinuierlichen Zustandsüberwachung auf der Grundlage zerstörungsfreier Techniken wie Akustik-, Infrarot- und Vibrationsanalyse bewertet.

Der vorausschauende Aspekt des Verfahrens spiegelt das Ziel wider, auf der Grundlage statistischer Techniken vorherzusagen, wie sich der Zustand des Geräts im Laufe der Zeit ändern wird. Ziel ist es, die Wartung der Anlage zu einem möglichst kosteneffizienten Zeitpunkt durchzuführen, um sicherzustellen, dass sie weiterhin wie erforderlich funktioniert, während Produktionsunterbrechungen minimiert werden.

Daher ist die vorausschauende Wartung ein zustandsbasierter Wartungsprozess. Im Vergleich dazu ist die vorbeugende Wartung eine zeitbasierte Methode, die durch voreingestellte Wartungsintervalle bestimmt wird, welche dem tatsächlichen Zustand der Maschine wenig Beachtung schenken. Da diese Wartungsaufgaben nicht notwendigerweise mit den Produktionsplänen abgestimmt sind, können sie störend sein und somit zu Verlusten führen.

Durch die vorbeugende Wartung nach einem festen Zeitplan besteht auch die Gefahr, dass Teile ausgetauscht werden, bevor sie ausgetauscht werden müssen, was zusätzliche Kosten verursacht. Unnötige Arbeiten an einer Maschine können zudem zu Problemen führen, da die Gefahr besteht, dass Teile nicht richtig ausgetauscht werden oder Bauelemente verstellt werden. Obwohl die vorbeugende Wartung möglicherweise einfacher zu planen ist, kann sie auch dazu führen, dass mehr Zeit, Teile und Geld als nötig verbraucht werden.

Vorteile der vorausschauenden Wartung

Viele Branchen wie Lebensmittel und Getränke sowie die Wasser- und Abwasseraufbereitung sind auf den kontinuierlichen Betrieb kritischer Anlagen wie Motoren und Pumpen angewiesen. Diese Geräte müssen funktionieren, um sicherzustellen, dass die Kunden die Lebensmittelprodukte oder Wasserversorgungsdienste erhalten, die sie benötigen. Die Nichtlieferung kann dazu führen, dass diese Unternehmen mit Geldstrafen oder rechtliche Sanktionen belegt werden.

Ein vorausschauendes Wartungsprogramm soll diese Folgen vermeiden, indem unerwartete Störungen und damit ungeplante Ausfallzeiten beseitigt werden. Wenn Ausfallzeiten nicht geplant werden, werden Personen und Anlagen in einem „Notfallmodus“ eingesetzt, was zu Effizienzverlusten führt. Wartungstechniker kümmern sich um die Reparatur der ausgefallenen Anlagen und stehen nicht für die Durchführung geplanter Wartungsarbeiten an anderen Maschinen zur Verfügung.

Wenn der Ausfall der Anlage nicht erwartet wird, sind möglicherweise keine Ersatzteile für die betreffenden Maschinenbauelemente vorhanden. Obwohl es Lieferanten gibt, die Ersatzteile schnell liefern können, wie Farnell, führt dies zu unvermeidlichen Verzögerungen bei der Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit der Maschine. Im Gegensatz dazu kann es sein, dass ein Unternehmen möglicherweise zu viele Ersatzteile für einige Maschinen auf Lager hat, wodurch das Umlaufvermögen unnötig gebunden wird.

Die vorausschauende Wartung gibt Einblicke, welche Maschine und welches Bauelement an der Maschine wahrscheinlich ausfallen wird und wann. Dies ermöglicht es dem Wartungspersonal, den Zustand der Maschine besser zu untersuchen, Wartungsarbeiten so zu planen, dass sie mit den Produktionsplänen abgestimmt sind, und Reparaturen durchzuführen, bevor die Maschine ausfällt.

Ein ordnungsgemäß durchgeführtes vorausschauendes Wartungsprogramm wird ungeplante Ausfallzeiten, die durch Maschinenausfälle verursacht werden, drastisch reduzieren oder sogar komplett beseitigen. Es trägt auch dazu bei, die Nutzung der Arbeitskräfte zu verbessern, sodass ihre Aufgaben rationeller und effektiver geplant werden können. Ein großer Vorteil ist die erhöhte Produktionskapazität, die ermöglicht werden kann. Wenn beispielsweise eine Maschine nur dann außer Betrieb genommen wird, wenn dies unbedingt erforderlich ist, und nicht nach den Vorgaben eines vorab festgelegten Zeitplans, erhöht sich die zur Verfügung stehende Zeit für nützliche Arbeiten.

In ähnlicher Weise können die Abkehr von der vorbeugenden Wartung und die Zuwendung zu einer Kultur der vorausschauenden Wartung dazu beitragen, Routineaufgaben zu vermeiden, die keinen Mehrwert schaffen, und die Gesamtwartungskosten zu senken. Mit einem besseren Einblick in den tatsächlichen Zustand der Maschine kann sie so gewartet werden, wie sie es erfordert, wodurch ihre Lebensdauer erhöht werden kann.

Diese Vorteile können ganz erheblich sein. Im Plant Engineer's Handbook führt R. Keith Mobley (2001) zahlreiche Vorteile der vorausschauenden Wartung an, einschließlich:

• Wartungskosten – Reduktion um 50 %
• Unerwartete Ausfälle – Reduktion um 55 %
• Reparatur- und Überholungszeit – Reduktion um 60 %
• Ersatzteilbestand – Reduktion um 30 %
• Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) – Erhöhung um 30 %
• Verfügbarkeit – Erhöhung um 30 %

Für eine typische Produktionsanlage kann eine 10 %ige Senkung der Wartungskosten den gleichen finanziellen Nutzen bringen wie eine 40 %ige Umsatzsteigerung.

Die Bedeutung von Vibrationsanalysen bei der vorausschauenden Wartung

Die Vibrationsanalyse für die vorausschauende Wartung überwacht die Vibrationen von Maschinen wie Motoren. Durch die Analyse dieser Vibrationen können Ingenieure Einblick in den Zustand der Maschine gewinnen und vorhersagen, wann sie ausfallen könnte. Dadurch können sie Wartungsarbeiten gezielt durchführen, um einen möglichen Ausfall zu verhindern und die Lebensdauer der Maschine zu verlängern.

Einige Branchen sind besonders auf rotierende Maschinen und die von ihnen angetriebenen Geräte wie Pumpen und Verdichtern angewiesen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie beispielsweise kommen bei der Verarbeitung viele Verdichter, Kühler und Pumpen zum Einsatz.

Die Wasserindustrie muss Ausfallzeiten ihrer Pumpen vermeiden, um die Wasserqualität aufrechtzuerhalten und den Kunden einen angemessenen Wasserdruck zu liefern. Öl- und Gasanlagen nutzen viele Motoren, die zuverlässig sein müssen, damit das Unternehmen seinen Lieferverpflichtungen nachkommen kann.

Da rotierende Bauelemente für viele Arten von Industrieanlagen kritisch sind und häufig Teil von Engpass-Prozessen sind, die nicht vermieden werden können, sind Motoren oft die Ursache für ungeplante Ausfallzeiten aufgrund von Pannen, wenn sie nicht ordnungsgemäß gewartet werden.

Eine Hauptursache für diese Fehler ist Verschleiß und Fehlausrichtung bei Bauelementen wie Lagerringen, Zahnrädern und Wellen. Wenn sich diese Bauelemente bewegen, kann eine unzureichende Schmierung dazu führen, dass sie aufeinandertreffen, anstatt reibungslos zu gleiten, was zu Schäden führt, die zu großen oder ungewöhnlichen Vibrationen führen. Beispielsweise kann ein zerfurchter Laufring des Rollenlagers bei jedem Verfahren des beschädigten Bereichs durch ein Lager eine Bewegung erzeugen. Wenn diesen Vibrationen nicht auf den Grund gegangen wird, können sie zu weiteren Schäden und letztendlich zum Versagen führen.

Die Analyse und das Verständnis dieser Vibrationen sowie die Gewinnung von Erkenntnissen darüber, was sie für die Leistung und die zukünftige Gesundheit des Motors bedeuten, ist die Grundlage für die vorausschauende Wartung.

Neben den Motoren selbst kann die Vibrationsanalyse auch zur Überwachung anderer Teile eines Prozesses, einer Maschine oder eines Antriebssystems verwendet werden, einschließlich Lagern auf Förderbändern, Getrieben, Antriebswellen und Freiläufen. Die Vibrationsüberwachung wird außerdem dazu verwendet, die strukturelle Gesundheit und Sicherheit von Infrastrukturanlagen wie Brücken, Rohren und Turbinenschaufeln zu überwachen.

Neben der Vibrationsanalyse gibt es mehrere weitere Möglichkeiten zur Überwachung des Motorzustands. Eine der bedeutenderen Methoden ist die Motorstrom-Signaturanalyse (MCSA). Die Technik erfasst ein elektrisches Signal, das Stromkomponenten aufweist. Die Stromsignale werden verarbeitet, um ein Frequenzspektrum für den Motor zu erhalten. Im Fehlerfall weicht dieses Frequenzspektrum von dem des ordnungsgemäß funktionierenden Motors ab.

Die MCSA kann dazu verwendet werden, verschiedene Arten von Motorfehlern zu diagnostizieren, darunter Lagerfehler und gebrochene Rotorstäbe sowie inkonsistente Luftspalte zwischen Rotor und Stator.

Trotz der Nützlichkeit von MCSA sind kontinuierliche Vibrationsanalysesysteme mit festen Sensoren einfacher zu implementieren und zu verwenden. Sie können von ungeschultem Personal problemlos verwendet werden, ermöglichen mehr Zeit für die Wartungsplanung und lassen sich in Fertigungsautomationssysteme integrieren.

Vibrationsanalysedaten sind für die vorausschauende Wartung von entscheidender Bedeutung. Die Vibrationsdaten können anhand verschiedener Techniken analysiert werden, um verschiedene Erkenntnisse über den Zustand des Motors zu erhalten. Beispielsweise werden bei der zeitbasierten Analyse Messgrößen wie der Effektivwert der Beschleunigung, der Scheitelfaktor, der Effektivwert der Geschwindigkeit und der Effektivwert der Verschiebung untersucht. Der Effektivwert der Beschleunigung ist eine beliebte und nützliche Messgröße für die Überwachung der zulässigen Vibration, während ein zunehmender Scheitelfaktor auf einen Lagerausfall hinweisen kann.

Der Effektivwert der Geschwindigkeit ist die primäre Messgröße, die im Laufe der Zeit verfolgt wird, um den Vibrationszustand zu überwachen und Informationen für vorausschauende Wartungsprogramme bereitzustellen. Der Effektivwert der Verschiebung ist nützlich bei der Bewertung von rotierenden Geräten, da Unwuchtwellen und andere unausgeglichene Bauelemente erhebliche Verschiebungen verursachen können.

Um die vielen Vibrationsfrequenzen zu analysieren, die ein Motor oder eine andere Maschine aufweisen kann, wird der FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transformation) verwendet. Die Technik zerlegt das Signal in alle seine einzelnen Frequenzen und wandelt es vom Zeitbereich in den Frequenzbereich um. Dies bietet den Prüfern ein tieferes Verständnis des Vibrationsprofils und somit mehr Hinweise auf den Zustand des zu prüfenden Systems. Tatsache ist, dass der Großteil der Vibrationsanalysen im Frequenzbereich durchgeführt wird.

Verwendung von Vibrationsanalysen bei der vorausschauenden Wartung

Die Erfassung von Vibrationsdaten und deren Analyse mithilfe mathematischer Techniken, um Einblicke in den Zustand des Motors oder anderer Systembauelemente zu gewinnen, sind nur die ersten Schritte. Ein voll funktionsfähiges und nützliches vorausschauendes Wartungsprogramm erfordert, dass diese Tätigkeiten in ein Verwaltungssystem integriert werden, das diese Informationen effektiv nutzen kann.

Dies ist die Rolle eines computergestützten Wartungsverwaltungssystems (CMMS). Dies tritt in Form eines Softwarepakets auf, das eine Datenbank zur Verfolgung von Wartungsvorgängen bietet. Als solches hilft es einem Unternehmen dabei, seine Wartungsaktivitäten effektiv zu organisieren, um die Ziele einer maximalen Maschinenproduktivität, einer verlängerten Lebensdauer und minimaler Kosten zu erreichen. Dies geschieht durch die Unterstützung von Wartungspersonal, um zu verfolgen, welche Maschinen Wartungsarbeiten erfordern und wo sich Werkzeuge, Messgeräte und Ersatzteile befinden.

Es hilft Wartungsmanagern außerdem dabei, die Kosten für die Reparatur einer Maschine nach einer Panne im Vergleich zur Durchführung von vorbeugenden Wartungsarbeiten zu berechnen, wobei eine möglichst effektive Nutzung der Ressourcen ermöglicht wird. Ein CMMS zeichnet auch Daten auf, um den Überblick über zugewiesene und abgeschlossene Aufgaben zu behalten.

Ein Beispiel für eine CMMS ist die eMaint-Software von Fluke Reliability. eMaint ist eine leistungsstarke Plattform für die Zuverlässigkeit von Anlagen, mit der Unternehmen die Verfügbarkeit durch die einfache Integration von Wartungstools und Software erhöhen können.

Mit eMaint können Benutzer Anlagen-Hierarchien einrichten, die Wartungshistorie ihrer Anlagen verfolgen und Aufgaben priorisieren. Darauf aufbauend kann die Lösung zur Vergabe von Arbeitsaufträgen und Generierung von Arbeitsanforderungen genutzt werden.

Durch die Integration mit Zustandsüberwachungstools wie Vibrationssensoren kann eMaint verwendet werden, um die Grenzen für den Betrieb von Geräten zu definieren, Messwerte von Instrumenten und Sensoren zu importieren und Diagramme der Ergebnisse anzuzeigen. Dashboards und Berichte ermöglichen es Wartungsingenieuren, Trends zu analysieren und Entscheidungen auf der Grundlage von Daten zu treffen. Die vorausschauende Wartung wird auch durch die Fähigkeit der Lösung ermöglicht, Anlagendaten einfach auf verschiedene Arten zu visualisieren, z. B. in Form von Schaltplänen oder einer Übersichtsseite.

Die Verwaltung und Verfolgung von Ersatzteilen, die Zuweisung von vorausschauenden Wartungsaufgaben, die Verfolgung von Inspektionen und die Ermöglichung des Zugriffs auf mobile Geräte sind alles Funktionen, die eMaint bietet.

Vibrationssensoren, wie das umfangreiche Sortiment, das bei Farnell verfügbar ist, plus ein CMMS-Paket von eMaint, bilden eine Komplettlösung für die vorausschauende Wartung, welche Unternehmen dabei unterstützt, ihre Anlagen zu schützen und gleichzeitig maximale Produktivität und Effizienz zu gewährleisten.