Die Schwingungsanalyse, auch als Vibrationsanalyse bekannt, ist eine diagnostische Methode zur Überwachung der Betriebszustände von Maschinen und Anlagen und liefert wichtige Informationen zum Zustand.. Sie dient dazu, Schwingungen, die während des Betriebes in rotierenden Maschinen entstehen, zu messen und zu analysieren und potenzielle Probleme wie beispielsweise Unwuchten im Rotor oder defekte Lager frühzeitig zu erkennen. Diese Analyse spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Betriebseffizienz und Sicherheit von Maschinen. In diesem Kontext kann sie Energieverluste, Qualitätsmängel und sogar Maschinenversagen verhindern und damit Unfallrisiken minimieren und die Lebensdauer der Maschinen und Anlagen verlängern.

Schwingungsanalyse – Grundlagen und Definition

Die Schwingungsanalyse (englisch: Vibration Analysis) ist eine diagnostische Methode zur Überwachung von Vibrationen. Eine Vibrationsanalyse zielt darauf ab, die Schwingungsniveaus von rotierenden Maschinen zu überwachen und die Muster in den Schwingungssignalen zu untersuchen. Sie wird typischerweise sowohl auf den Zeitverläufen des Schwingungssignals als auch auf das Frequenzspektrum angewendet, das durch Anwendung der Fourier-Transformation auf den Zeitverlauf gewonnen wird. 

Die Analyse im Zeitbereich, die auf den chronologisch aufgezeichneten Schwingungsverläufen basiert, offenbart, wann und wie schwerwiegende abnormale Schwingungsereignisse auftreten, indem sie Parameter wie den Effektivwert (RMS), die Standardabweichung, die Spitzenamplitude, die Kurtosis, den Scheitelfaktor, die Schiefe und einige andere extrahiert und untersucht. Diese Analyse ist in der Lage, den Gesamtzustand der überwachten Maschinen und Anlagen zu bewerten.

Die Analyse der Frequenzspektren erlaubt das Erkennen typischer Probleme, wie Unwuchten in rotierenden Teilen, Fehlausrichtungen von Wellen und Antrieben, Lagerschäden, lose Teile (lockere Schrauben oder Verbindungen) oder Resonanzen im Eigenfrequenzbereich der Maschinen. 

Was sind Schwingungen?

Schwingungen sind mehrdimensional, daher erfordert die Schwingungsüberprüfung in der Praxis ein Verständnis verschiedener Parameter. Die wichtigsten Kennwerte sind Amplitude, Frequenz und Phase:

• Amplitude bezieht sich auf die Stärke der Schwingung und wird in der Regel in Einheiten wie Verschiebung (Mikrometer), Geschwindigkeit (Zoll pro Sekunde oder Millimeter pro Sekunde) oder Beschleunigung (g) gemessen.
• Die Frequenz misst die Anzahl der Vibrationen pro Zeiteinheit und wird normalerweise in Hertz (Hz) ausgedrückt.
• Die Phase bezieht sich auf die relative zeitliche Abstimmung der Schwingungsform und wird in der Regel in Grad gemessen.

Kritische Vibrationen lassen sich reduzieren oder unter bestimmten Bedingungen sogar vollständig eliminieren, beispielsweise durch Schwingungsdämpfer als eine von mehreren wirksamen Methoden.

Zudem wird zwischen zwei Hauptarten von Schwingungen unterschieden:

• Erzwungene Schwingungen treten auf, wenn eine periodische externe Kraft oder Anregung auf ein System ausgeübt wird, wodurch es zu Vibrationen kommt. Beispiele hierfür sind Unregelmäßigkeiten, die von einem laufenden Motor oder einem Frequenzumrichter erzeugt werden.
• Natürliche oder freie Schwingungen, auch als Resonanz bezeichnet, treten auf, wenn ein System mit seiner natürlichen Frequenz schwingt. Diese Art von Schwingung kann problematisch sein, wenn die natürliche Frequenz der Maschine mit der Betriebsfrequenz zusammenfällt, da dies unter Umständen zu übermäßigen Vibrationen führen kann.

Funktionsweise der Schwingungsanalyse

Die Schwingungsanalyse wird in der Regel in vier Prinzipien unterteilt, und jedes Prinzip liefert spezifische Informationen über die Arbeitsbedingungen und Eigenschaften der schwingenden Teile. Für die Durchführung der Analyse kommen verschiedene Werkzeuge und Prinzipien zum Einsatz, um das Schwingungsverhalten zu messen und zu verstehen. 

Hier sind die grundlegenden Funktionsweisen der Schwingungsmessung:

• Zeitbereich: In diesem Ansatz wird ein Vibrationssignal mithilfe eines Wandlers erfasst, der die Vibration in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird als Wellenform bezeichnet und zeigt die Amplitude der Vibration über die Zeit. Der Zeitraum ermöglicht es, abnormale Vibrationen direkt auf dem Bildschirm darzustellen, was einige Probleme leichter erkennbar macht.
• Frequenzbereich: Die Wellenform aus dem Zeitbereich wird einer Spektralanalyse unterzogen, um ein Frequenzspektrum zu erstellen. Dieses Spektrum zeigt die Vibration in Bezug auf ihre Frequenz und Amplitude. Die meisten detaillierten Analysen von Maschinenschwingungen werden im Frequenzbereich durchgeführt.
• Gemeinsamer Bereich: Da Schwingungssignale über die Zeit variieren, ist es manchmal hilfreich, mehrere Spektren gleichzeitig zu berechnen. Die Gabor-Wigner-Wavelet-Technik ermöglicht dies und wird verwendet, um Varianten der schnellen Fourier-Transformation (eine mathematische Methode zur Frequenzanalyse von Signalen) zu erstellen.
• Modalanalyse: Die Modalanalyse verwendet gemessene Frequenzantwortfunktionen eines Maschinenteils, um ein Computermodell zu erstellen. Dieses Modell zeigt die verschiedenen Schwingungsmoden und kann angepasst werden, um die Auswirkungen von Änderungen wie Masse oder Steifigkeit zu untersuchen.

Zusätzlich zu diesen grundlegenden Prinzipien gibt es weitere Analysemethoden, Berechnungen und Algorithmen, die verwendet werden, um verschiedene Aspekte der Vibrationsanalyse zu bestimmen. Diese umfassen die Zeitwellenform, die Fast Fourier Transformation (FFT), Phasenmessungen, Ordnungsanalyse, Leistungsdichtespektrum (PSD), Envelope-Analyse, Orbit-Analyse und Resonanzanalyse. Anhand dieser Ergebnisse kann eine Maschine oder Anlage in Bezug auf die Schwingungen optimiert werden.

Neben der Analyse der Vibrationen lassen sich darüber hinaus noch weitere Messungen realisieren, beispielsweise Temperaturen-, Leistungs- oder Druckmessungen.

Was ist eine FFT-Schwingungsanalyse? 

Die FFT-Schwingungsanalyse (Fast Fourier Transform-Schwingungsanalyse) ist eine Technik zur Untersuchung von Vibrationen in mechanischen Systemen. Diese Analysemethode nutzt die Fast Fourier Transform (FFT), um Vibrationssignale, die im Zeitbereich erfasst wurden, in den Frequenzbereich zu überführen. Durch die FFT-Schwingungsanalyse können Schwingungssignale in ihre einzelnen Frequenzkomponenten zerlegt werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der verschiedenen Frequenzen, die in einem Schwingungssignal enthalten sind. 

Die schnelle Fourier Transformation benötigt in der Regel weniger Rechenoperationen als die herkömmliche Fourier Transformation bei gleichen Ergebnissen.

Die FFT-Vibrationsanalyse wird häufig in der Maschinendiagnostik und Zustandsüberwachung eingesetzt, um Probleme wie Unwuchten, Lagerdefekte, Fehlausrichtungen und andere Maschinenfehler zu identifizieren. Sie liefert wertvolle Informationen zur Diagnose von mechanischen Problemen und ermöglicht es, gezielte Maßnahmen zur Instandhaltung und Reparatur von Maschinen zu ergreifen.

Was ist eine Modalanalyse?

Die Modalanalyse ist eine Methode zur Untersuchung der Strukturdynamik von Objekten, einschließlich deren Schwingungsverhalten und Widerstandsfähigkeit gegen äußere Kräfte. Sie wird verwendet, um Konstruktionen zu testen, zu optimieren und zu validieren. Mit der Modalanalyse werden Eigenresonanzfrequenzen der Objekte und Dämpfungsparameter berechnet. 

Darüber hinaus können die Eigenformen, die das Schwingungsverhalten der Objekte darstellen, auf animierten geometrischen 3D-Modellen visualisiert werden. Diese Modalparameter, zu denen Eigenfrequenz, modale Dämpfung und Eigenform gehören, werden als Modalmodell bezeichnet.

Um genaue Modalmodelle zu erstellen, müssen gründliche Modalanalysen auf der Grundlage präziser Messungen durchgeführt werden, ein Prozess, der oft als experimentelle Modalanalyse bezeichnet wird.

Ursache für Schwingungen in Anlagen und Maschinen

Schwingungen in Anlagen und Maschinen können verschiedene Ursachen haben, darunter:

1. Ungleichgewicht: Ein unausgeglichenes Gewicht in einem rotierenden Bauteil erzeugt Fliehkräfte und verursacht Vibrationen. Dies kann durch Herstellungsfehler oder Wartungsprobleme verursacht werden.
2. Fehlausrichtung / Wellenunwucht: Wenn Maschinenwellen nicht richtig ausgerichtet sind, treten Schwingungen auf. Dies kann während der Montage oder im Laufe der Zeit auftreten.
3. Verschleiß: Abgenutzte Komponenten wie Lager, Antriebsriemen oder Zahnräder können Vibrationen verursachen.
4. Mangelhafte Befestigung: Lose Lager oder Komponenten, die nicht ordnungsgemäß befestigt sind, können Vibrationen verstärken und Schäden verursachen.

Diese Vibrationen können zu vorzeitigem Verschleiß, Energieverlust, ungeplanter Ausfallzeit und Sicherheitsproblemen führen. Die ordnungsgemäße Messung und Analyse sind entscheidend, um derartige Probleme zu verhindern und die präventive Instandhaltung zu ermöglichen. Serafima ist in diesem Fall gerne für Sie da.

Messungen von Schwingungen

Die Messung von Schwingungen ist ein entscheidender Schritt bei der Bewertung der Exposition gegenüber Vibrationen. Hierbei wird die Schwingungsbeschleunigung mit einem Schwingungsmessgerät in Metern pro Quadratsekunde (m/s2) gemessen. Diese Messung der Beschleunigung ermöglicht es, die Stärke oder Intensität des Schwingungsverhaltens zu quantifizieren, was wichtig ist, um potenzielle Auswirkungen auf die Gesundheit oder die Funktionalität zu bewerten. So kann die Messung der Beschleunigung zusätzliche Informationen über die Geschwindigkeit und Amplitude der Vibrationen liefern.

Ebenso wichtig ist die Berücksichtigung der Richtung, in der die Schwingung wirkt, und diese wird in vordefinierten Richtungen gemessen. Zusätzlich werden die Frequenz der Schwingung und die Dauer der Exposition ermittelt. 

Vorteile von Schwingungsanalysen

1. Frühere Fehlererkennung: Die Vibrationsanalyse kann sich entwickelnde Fehler in Maschinen erkennen, lange bevor sie für menschliche Sinne sichtbar oder hörbar werden. Diese Fähigkeit zur frühzeitigen Erkennung hilft Instandhaltungsteams, Reparaturen oder Austausche zu planen, bevor es zu großen Belastungen kommt oder sich störende Geräusche entwickeln.
2. Verbesserte Instandhaltungsplanung: Durch die Identifizierung der Schwere von Maschinenfehlern ermöglicht die Analyse eine effektive Ressourcenplanung. Dieser gezielte Ansatz kann zur Optimierung der Kosten und einer verbesserten Gerätezuverlässigkeit führen.
3. Reduzierte Instandhaltungskosten: Das Finden und Beheben von Maschinenfehlern, bevor sie zu katastrophalen Ausfällen führen, kann Unternehmen vor teuren Reparaturen und Geräteaustauschen bewahren. Darüber hinaus verlängert diese Instandhaltung basierend auf der Vibrationsanalyse die Lebensdauer von Maschinen verlängern und reduziert somit langfristige Kapitalausgaben.
4. Verbesserte Sicherheit: Die proaktive Erkennung und Behebung potenzieller mechanischer Ausfälle, reduziert signifikant das Risiko von Unfällen und Verletzungen am Arbeitsplatz.
5. Steigerung der Energieeffizienz: Defekte Maschinen verbrauchen oft mehr Energie als herkömmlicherweise, was zu erhöhten Betriebskosten führt. Durch die Behebung von Problemen mithilfe der Schwingungs Analyse lässt sich die Energieeffizienz der Anlagen optimieren.

Monitoring und Schwingungstechnik

Das Condition Monitoring von rotierenden Maschinen ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des Anlagenzustands, um frühzeitig Änderungen der Schwingungstrends zu erkennen und so eine vorhersehbare Wartung zu ermöglichen.. Durch diese proaktive Herangehensweise können ungeplante Ausfallzeiten vermieden und die Anlagenverfügbarkeit erheblich gesteigert werden. Eine zuverlässige Zustandsanalyse und ein kontinuierliches Monitoring erfordern leistungsstarke Schwingungssensoren, intelligente Sensorik zur Mess- und Prüftechnik sowie eine fortschrittliche Schwingungsanalyse Software. 

Besonders wichtig ist die Anpassung des Monitoring-Systems an die spezifischen Anforderungen jeder Anlage, einschließlich der Schwingungsüberwachung von Lagern und Getrieben sowie der gezielten Identifizierung und Filterung von Störeinflüssen. Damit wird gewährleistet, dass keine potenziell schädlichen Entwicklungen übersehen werden und die Maschine stets in optimaler Betriebsbereitschaft bleibt.

Serafima – Kompetenter Service vor Ort

Bei Serafima wissen wir um die entscheidende Rolle der Schwingungsanalyse in der Industrie. Wir bieten branchenübergreifend zuverlässige Lösungen zur Instandhaltung Ihrer strömungs- und verfahrenstechnischen Anlagen, die weltweit Sicherheit und Effizienz gewährleisten. 

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