Was ist Schwingungsanalyse und wie kann sie zur Optimierung der vorausschauenden Wartung beitragen?

Die Schwingungsanalyse (oder Schwingungsüberwachung) ist ein leistungsfähiges Diagnosetool zur Erkennung, Überwachung und Vermeidung mechanischer Fehler in rotierenden Maschinen und Kolbenmaschinen. Es ist ein wesentlicher Bestandteil von Programmen zur vorausschauenden Wartung, sodass Techniker sich entwickelnde Probleme an Geräten erkennen können, bevor sie zu kostspieligen ungeplanten Ausfallzeiten oder katastrophalen Ausfällen führen.

Die Schwingungsanalyse – eine Komponente von Zustandsüberwachung – nutzt Schwingungssensoren, um Frequenzen in einem Asset zu messen und Anomalien zu erkennen, die auf ein Problem hindeuten können. Im Kern befasst sich die Schwingungsanalyse mit der Untersuchung der oszillierenden Bewegungen von Maschinen und ihren Komponenten um einen etablierten Gleichgewichtspunkt. Diese Schwankungen können auf eine Reihe von Problemen zurückzuführen sein, darunter Unausgewogenheiten, Fehlausrichtungen, Spiel, verbogene Wellen und Lagerfehler.

Durch die Messung und Analyse von Maschinenschwingungen können Techniker den Gesundheitszustand und die Leistung der Equipment besser einschätzen, Probleme erkennen und Korrekturmaßnahmen ergreifen. Und da rotierende und sich hin- und herbewegende Komponenten (z. B. Motoren, Kompressoren, Pumpen usw.) mit zunehmendem Alter dazu neigen, stärker und lauter zu vibrieren, kann die Analyse von Schwingungsänderungen den Wartungsleitern helfen, den Zustand der Maschinen in Echtzeit zu überwachen und Verschleiß und Schäden an den Assets proaktiv zu erkennen.

Schwingungen sind mehrdimensional, daher erfordert die Schwingungsprüfung ein Verständnis für verschiedene Parameter. Die primären Parameter sind Amplitude, Frequenz und Phase:

• Die Amplitude bezieht sich auf das Ausmaß der Schwingung, die typischerweise in Einheiten wie Verschiebung (Mil oder Mikrometer), Geschwindigkeit (Zoll pro Sekunde oder Millimeter pro Sekunde) oder Beschleunigung (g) gemessen wird.
• Die Frequenz misst die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, die normalerweise in Hertz (Hz) ausgedrückt wird.
• Die Phase bezieht sich auf das relative Timing der Schwingungswellenform und wird normalerweise in Grad gemessen.

Schwingungsanalysatoren können diese Faktoren – zusammen mit anderen Faktoren wie der Wellenform und dem Oberschwingungsgehalt – nutzen, um bestimmte Maschinenfehler und deren Schwere zu identifizieren. 

Es gibt auch zwei Haupttypen von Schwingungen:

• Erzwungene Schwingungen treten auf, wenn eine externe Kraft auf ein System einwirkt und es in Schwingung versetzt. Beispiele hierfür sind die Schwingungen, die von einem laufenden Motor oder einer Zapfsäule erzeugt werden.
• Natürliche Schwingung, auch als Resonanz bezeichnet, tritt auf, wenn ein System mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Diese Art von Schwingungen kann problematisch sein, wenn die Eigenfrequenz der Maschine mit der Betriebsfrequenz übereinstimmt, da sie zu übermäßigen Schwingungen führen kann.

In der heutigen wettbewerbsintensiven Geschäftswelt ist die Gewährleistung des reibungslosen Betriebs und der Langlebigkeit Ihrer Maschinen von größter Bedeutung. Eine schrittweise Anleitung zur Schwingungsanalyse kann Ihnen helfen, Maschinenschwingungen zu nutzen, um den Zustand Ihrer Geräte und Systeme besser zu verstehen.

Schritt 1. Sammeln von vorläufigen Daten

Zur Durchführung einer Schwingungsanalyse sammeln Sie zunächst Daten über die Equipment und/oder die Struktur. Identifizieren Sie unbedingt den Standort und den Typ der Sensoren, die Sie für Schwingungsmessungen benötigen, einschließlich aller Phasen- und Frequenzbereiche, da die Sensoren während des gesamten Prozesses als Datenkollektoren dienen. Es ist auch wichtig, Informationen über die Betriebsbedingungen der Equipment zu sammeln, wie z. B. Geschwindigkeit, Last und Temperatur.

Schritt 2. Messung von Schwingungen

Der nächste Schritt im Prozess ist das Messen der Schwingungen von der ausgewählten Maschinerie. Bei der Schwingungsanalyse wird in der Regel die Schwingungsamplitude eines Asset oder eines Systems gemessen.

In diesem Fall verlassen Sie sich auf einen Beschleunigungsmesser, der an den wichtigsten Schwingungsstellen angebracht ist, um Messungen durchzuführen. Beschleunigungsmesser (z. B. piezoelektrische Beschleunigungsmesser, Näherungssensoren, Laser-Doppler-Vibrometer usw.) nutzen hochfrequente Reaktionen, um die Beschleunigung eines schwingenden Objekts in drei Richtungen zu messen: auf und ab, von Seite zu Seite und von vorne nach hinten.

Sie können Schwingungen auch mit Geschwindigkeitssensoren und Wegsensoren messen. Geschwindigkeitssensoren messen die Geschwindigkeit eines schwingenden Objekts und bieten eine Mittelfrequenzreaktion, die sich ideal für die Überwachung des gesamten Zustands eignet. Verschiebungssensoren hingegen messen die Verschiebung eines schwingenden Objekts und liefern eine Niederfrequenzreaktion, die sich zur Erkennung struktureller Probleme und Unausgewogenheiten eignet.

Schritt 3. Analyse der Daten

Sobald Sie alle relevanten Daten gesammelt haben, ist es an der Zeit, sie zu analysieren. In der Analysephase müssen Sie Computeralgorithmen und Software verwenden, um Schwingungsmuster und Datentrends zu identifizieren, und Sie müssen die Daten mit etablierten Standards und Richtlinien vergleichen.

Wartungsteams können Schwingungsdaten mit einer Vielzahl von Verfahren analysieren, darunter die folgenden: 

• Zeitbereichsanalyse: Um eine Zeitbereichsanalyse durchzuführen, analysieren Sie das rohe Schwingungssignal im Zeitverlauf. Techniker können Daten (z. B. Spitzenamplitude, Scheitelfaktor, Schiefe, quadratischer Mittelwert (RMS) usw.) des Signals direkt aus der Zeitwellenform extrahieren und bewerten. Diese Technik eignet sich zur Erkennung transienter Phänomene wie Auswirkungen oder Erschütterungen. 
• Frequenzbereichsanalyse: Mithilfe einer mathematischen Frequenzanalyseoperation, der Fast Fourier Transform (FFT), wird bei der Frequenzbereichsanalyse das Zeitbereichssignal in ein Frequenzbereichssignal umgewandelt. Das resultierende Frequenzspektrum erleichtert die Identifizierung der spezifischen Frequenzen, die mit mechanischen Fehlern verbunden sind.
• Envelope Analyse: Envelope Analyse, auch Demodulator genannt, dient in erster Linie der Erkennung von Lagerfehlern im Frühstadium. Dabei werden die hochfrequenten Aufprallsignale, die von beschädigten Lagern erzeugt werden, aus dem gesamten Schwingungssignal extrahiert, sodass Techniker das Vorhandensein und die Schwere von Lagerfehlern erkennen können.
• Modalanalyse: Die Modalanalyse ist eine fortgeschrittenere Technik, die sich auf die Identifizierung der Eigenfrequenzen, Eigenformen und Dämpfungseigenschaften einer Maschine konzentriert. Die Untersuchung dieser Eigenschaften hilft den Analysten, das dynamische Verhalten einer Maschine zu beurteilen und potenzielle strukturelle Probleme und/oder Resonanzbedingungen zu erkennen.

Schritt 6: Ergebnisse interpretieren

Für eine erfolgreiche Analyse müssen Schwingungsanalysten die spezifischen Frequenzen verstehen, die mit verschiedenen mechanischen Problemen verbunden sind. Zu den häufigsten Fehlerhäufigkeiten gehören die folgenden:

• Grundfrequenz: Die Frequenz, mit der eine rotierende Komponente eine volle Umdrehung vollzieht. Abweichungen von der Referenzgrundfrequenz können Ihnen helfen, bestimmte Fehler zu erkennen, wie z. B. Unausgewogenheit, Fehlausrichtung und Lockerheit.
• Harmonische: Die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, die häufig mit Zahneingriffsproblemen oder anderen zyklischen Ereignissen verbunden sind.
• Seitenbänder: Das Ergebnis der Modulation der Grundfrequenz durch eine andere Frequenz, wie bei der Wechselwirkung zwischen einem Lagerfehler und der Frequenz einer rotierenden Komponente. Seitenbanden treten häufig als symmetrische Spitzen um die Grundfrequenz oder deren Harmonische auf und können auf Lagerprobleme und/oder gebrochene Zahnräder hindeuten.

Schritt 5. Ergreifung von Korrekturmaßnahmen

Sobald Sie potenzielle Probleme in der Interpretationsphase identifiziert haben, legen Sie Alarmschwellen fest, die eine Reaktion auslösen, wenn Schwingungen diese Schwelle überschreiten. Diese Schwellenwerte können auf Branchenstandards, historischen Daten oder Herstellerempfehlungen basieren. Die am häufigsten verwendeten Arten von Alarmschwellenwerten sind absolute Schwellenwerte, Trendschwellenwerte und statistische Schwellenwerte.

• Absolute Schwellenwerte sind feste Werte, die auf akzeptablen Schwingungsniveaus für bestimmte Arten von Equipment basieren. 
• Trending-Schwellenwerte sind dynamische Werte, die sich im Laufe der Zeit basierend auf der bisherigen Leistung des Equipments ändern. Wenn die Schwingungen plötzlich zunehmen, kann dies auf ein sich entwickelndes Problem hindeuten.
• Statistische Schwellenwerte werden aus statistischen Analysen historischer Daten abgeleitet, wobei der Mittelwert und die Standardabweichung der Schwingungswerte berücksichtigt werden.

Wenn ein System oder Asset die Alarmschwelle überschreitet, sollte der Wartungsmanager geeignete Maßnahmen ergreifen, um das Problem zu beheben. Dies kann die Planung von Wartung, das Anpassen von Betriebsparametern oder die Durchführung weiterer Analysen umfassen, um die Ursache des Problems zu ermitteln.

Die Implementierung der Schwingungsanalyse als Teil eines vorausschauenden Wartungsprogramms bietet zahlreiche Nutzen:

• Frühzeitige Fehlererkennung: Schwingungsanalysen können sich entwickelnde Fehler in Maschinen erkennen, lange bevor sie für menschliche Sinne sichtbar oder hörbar werden. Diese Erkennungsfunktionen helfen den Wartungsteams, Reparaturen oder den Austausch von Systemen zu planen, bevor es zu einer Störung kommt. So werden Ausfallzeit reduziert und die Gesamtproduktivität verbessert.
• Verbesserte Wartungsplanung: Durch die Ermittlung des Schweregrads von Maschinenfehlern ermöglicht die Schwingungsanalyse den Wartungsteams, ihre Bemühungen zu priorisieren und Ressourcen effektiver zuzuweisen. Dieser gezielte Ansatz kann zu erheblichen Kosteneinsparungen und einer verbesserten Zuverlässigkeit der Equipment führen.
• Geringere Wartungskosten: Das Auffinden und Beheben von Maschinenfehlern, bevor sie zu katastrophalen Ausfällen führen, kann Organisationen helfen, kostspielige Reparaturen und den Austausch von Equipment zu vermeiden. Darüber hinaus kann eine vorausschauende Wartung auf der Grundlage von Schwingungsanalysen die Lebensdauer von Maschinen verlängern und so die langfristigen Investitionsausgaben weiter senken. 
• Verbesserte Sicherheit: Schwingungsanalysen können eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung einer sicheren Arbeitsumgebung für Mitarbeiter spielen. Die proaktive Erkennung und Behebung potenzieller mechanischer Fehler verringert das Risiko von Unfällen und Verletzungen am Arbeitsplatz erheblich.
• Verbesserte Energieeffizienz: Fehlerhafte Maschinen verbrauchen oft mehr Energie als sie sollten, was zu höheren Betriebskosten führt. Die Behebung von Problemen mithilfe von Schwingungsanalysen hilft Organisationen, die Effizienz ihrer Assets zu optimieren und den Energieverbrauch zu senken.

Die Vielseitigkeit der Schwingungsanalyse macht sie zu einer nützlichen Methode für eine Vielzahl von Branchen und Equipment.

In Fertigungsbetrieben werden Schwingungsanalysen eingesetzt, um den Zustand von Motoren (einschließlich Elektromotoren), Getrieben, Förderbändern und Werkzeugmaschinen zu überwachen. Die Schwingungsdaten können verwendet werden, um Produktionsprozesse zu optimieren, das Risiko von Equipmentfehlern zu verringern und die Gesamteffizienz der Anlage zu verbessern.

In der Automobilbranche spielt die Schwingungsanalyse eine wichtige Rolle bei der Konstruktion, Entwicklung und Prüfung von Komponenten. Die Analyse der Schwingungseigenschaften von Motoren, Getrieben und Aufhängungssystemen kann Ingenieuren dabei helfen, ihre Entwürfe zu optimieren, um die Leistung und Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen zu verbessern und den Komfort für die Passagiere zu erhöhen.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie ermöglicht die Schwingungsanalyse den Ingenieuren, Probleme wie übermäßige Schwingungen, Resonanzen oder Materialermüdung zu identifizieren und zu beheben, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Flugzeugsystemen zu verbessern. Im Windkraftsektor hilft die Schwingungsanalyse den Betreibern von Windkraftanlagen, den Zustand der Windkraftanlagen zu überwachen, um Unausgewogenheiten der Rotorblätter, Getriebeausfälle und/oder Lagerfehler zu erkennen.

Schwingungsanalyse ist ein unschätzbares Werkzeug in der Welt der vorausschauenden Wartung und bietet Unternehmen die Möglichkeit, Maschinenfehler frühzeitig zu erkennen. Wenn Sie die Prinzipien der Schwingungsanalyse verstehen und fortschrittliche Software wie die IBM Maximo Application Suite einsetzen, können Wartungsteams die Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit ihrer Equipment erheblich verbessern.

IBM Maximo ist eine integrierte Plattform, die Fertigungsunternehmen dabei hilft, die Leistung ihrer Assets zu optimieren und ihre täglichen Abläufe zu rationalisieren. Mit Maximo können Teams Zähler für die Beobachtung und Messung des Asset-Zustands einrichten und diese Zähler mit Schwingungssensoren verbinden, die an wichtigen Assets installiert sind, sodass sie Maschinendaten einfacher speichern und darauf zugreifen können.

Über eine integrierte, KI-gestützte, cloudbasierte Plattform bietet Maximo CMMS, EAM und APM Funktionen, die fortschrittliche Schwingungsdaten-Analyse und helfen Managern, intelligentere, datengesteuerte Wartungsentscheidungen zu treffen.

Da sich die Branchen weiterentwickeln und neue Technologien einführen, wird die Schwingungsanalyse auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Zustands von Maschinen und der Sicherstellung einer optimalen Leistung spielen. Durch die Nutzung der fortschrittlichen Funktionen und Möglichkeiten von IBM Maximo können Unternehmen ihre Wartungsabläufe transformieren, um mit der sich ständig verändernden Geschäftswelt Schritt zu halten.