Zum Hauptinhalt springen

Schwingungsmessung


Präventiv zu mehr Effizienz und Sicherheit

Die Wartung von Anlagen und Maschinen ist ein entscheidender Faktor für mehr Effizienz und Sicherheit. Traditionelle Ansätze, die auf präventiver Wartung basieren und häufig den Austausch von funktionsfähigen Teilen beinhalten, sind oft sehr kostspielig. Kein Wunder also, dass immer mehr Unternehmen auf eine zustandsbasierte Instandhaltung setzen. Eine Methode des Condition Monitoring ist die Schwingungsmessung. Sie trägt wesentlich dazu bei, Fehler frühzeitig zu erkennen und teure Betriebsausfälle zu verhindern.

Die Vorteile der Schwingungsmessung, welche Ursachen gefährliche Schwingungen haben und wie eine korrekte Überwachung nach DIN ISO 10816 aussieht – darüber lesen Sie im nachfolgenden Artikel.

Die Grundlagen der Schwingungsmessung

Allgemein gesprochen, dient die Schwingungsmessung der Erfassung und Analyse mechanischer Vibration von Objekten oder Strukturen. Um deren Charakteristika zu verstehen, erfasst man die Amplitude, die Frequenz und die Phase der Schwingungen. Die Schwingungen werden mittels Schwingungs,- und Vibrationssensoren gemessen. Analysegeräte oder eine Software verarbeiten schließlich die Daten aus den Sensoren. Hierbei gilt es Muster zu erkennen und potenzielle Probleme wie Materialermüdung oder Instabilitäten zu identifizieren.

Schwingungsmessungen finden Anwendung in zahlreichen Bereichen: Neben der Bauüberwachung und der Fahrzeugtechnik, wird sie vor allem in der präventiven Wartung industrieller Anlagen und Maschinen eingesetzt.

Die Vorteile der Vibrationsmessung
als Methode des Condition Monitoring

  • Früherkennung von Maschinenschäden: Vibrationen können ein Frühwarnzeichen für verschiedene Arten von Maschinenschäden sein (Beispiele dazu siehe „Ursachen für gefährliche Schwingungen“).
  • Präventive Wartung: Anstelle einer Wartung nach einem festen Zeitplan ermöglicht die Vibrationsanalyse eine bedarfsorientierte Wartung. Bedeutet, die Wartungsarbeiten werden nur dann durchgeführt, wenn tatsächlich ein Bedarf aufgrund der Schwingungsmessdaten besteht.
  • Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen: Die regelmäßige Überwachung der Vibrationen hilft dabei, die Maschinen in einem optimalen Zustand zu halten und ihre Lebensdauer zu verlängern.
  • Erhöhung der Betriebssicherheit: Durch die Überwachung der Schwingungen können potenziell gefährliche Bedingungen in einer Anlage erkannt werden, bevor sie sich negativ auswirken.
  • Effizienzsteigerung: Maschinen, die richtig ausgerichtet und gewartet sind, arbeiten effizienter. Die Vibrationsmessung unterstützt dabei, diese Bedingungen zu identifizieren und aufrechtzuerhalten.
  • Kosteneinsparung: Indem größere Schäden und Ausfallzeiten vermieden werden, können durch Schwingungsmessungen erhebliche Kosten eingespart werden.

Ursachen für gefährliche Schwingungen

Ob in Motoren, Dampfturbinen, Generatoren, Gasturbinen, Ventilatoren, Pumpen oder Kompressoren – in Maschinen, Bauteilen und Anlagen (mit bewegten Massen) können überall gefährliche Schwingungen entstehen. Die Ursachen dafür sind vielfältig:

  • Mechanische Unwucht: Dies ist eine der häufigsten Ursachen für Schwingungen in rotierenden Maschinen. Sie tritt auf, wenn der Schwerpunkt einer rotierenden Komponente nicht mit ihrer Rotationsachse übereinstimmt.
  • Fehlausrichtung: Dies bezieht sich auf die Situation, wenn zwei oder mehr rotierende Teile nicht korrekt ausgerichtet sind. Fehlausrichtung kann zu ungleichmäßigen Drehmomenten und erhöhten Schwingungen führen.
  • Verschleiß und Ermüdung: Komponentenverschleiß, wie abgenutzte Lager, lose Schraubverbindungen oder Materialermüdung, kann erhöhte Schwingungen auslösen.
  • Hydraulische und pneumatische Kräfte: Fluktuationen in Flüssigkeits- oder Gasströmungen verursacht häufig Vibrationen. Dies kommt besonders in Pumpen, Kompressoren und Rohrleitungssystemen vor.

Die Ursachen gilt es mittels Schwingungsmessung ausfindig zu machen. Für die Analyse werden standardisierte Methoden und Schwellenwerte herangezogen, die z. B. in der Norm für Maschinenüberwachung DIN ISO 10816 (neu: DIN ISO 20816) festgeschrieben sind.

So funktioniert die Schwingungsmessung:

  1. Messung der Schwingungen: In der Regel führt man Schwingungsmessungen mit Vibrationssensoren durch. Diese werden an verschiedenen Punkten der Maschine oder Anlage angebracht, um die Schwingungen in verschiedenen Richtungen (horizontal, vertikal und axial) zu messen.
  2. Messdaten: Die erfassten Daten beinhalten Informationen über die Schwingungsamplitude (die Stärke der Schwingung) und die Frequenz (wie oft die Schwingung pro Zeiteinheit auftritt).
  3. Bewertung nach Normen: DIN ISO 10816 stellt eine Reihe von Klassen und Grenzwerten zur Verfügung, die je nach Art und Größe der Maschine oder Anlage variieren. Diese Klassen geben an, ob die gemessenen Schwingungen innerhalb akzeptabler Grenzen liegen oder Anomalien anzeigen.
  4. Klasseneinteilung: Die Normenreihe teilt Maschinen in verschiedene Klassen ein, basierend auf Faktoren wie der Größe, der Art des Fundaments (flexibel oder starr) und der Betriebsdrehzahl. Für jede Klasse gibt es spezifische Grenzwerte.
  5. Grenzwerte und Zustandsbeurteilung: Die Grenzwerte sind in vier Zonen eingeteilt – A (gut, meist neu in Betrieb gesetzte Maschinen liegen in dieser Zone), B (zufriedenstellend), C (unbefriedigend) und D (unzulässig). Eine Maschine, deren Schwingungen in die Zone A fallen, gilt als in gutem Zustand, während Schwingungen in den Zonen C und D auf mögliche Probleme hinweisen und eine Wartung oder Reparatur erforderlich machen könnten.
  6. Langzeitüberwachung und Trendanalyse: Oftmals werden Schwingungsmessungen über längere Zeiträume durchgeführt, um Trends zu erkennen und vorausschauende Wartungsarbeiten zu planen.

FAQ rund um die Vibrationsmessung

Um den Zustand und die Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen beurteilen zu können, werden verschiedene Parameter gemessen, darunter u.a.:

Amplitude der Schwingungen: Dies bezieht sich auf die Stärke oder Intensität der Schwingung. Hohe Amplituden bedeutet meist eine Abnutzung in der Maschine.

Frequenz: Sie misst, wie oft eine Schwingung innerhalb eines bestimmten Zeitraums auftritt. Jede Maschine hat ihre eigene „normale“ Betriebsfrequenz, und Abweichungen davon können auf Probleme hinweisen.

Phase: Sie gibt an, zu welchem Zeitpunkt im Schwingungszyklus sich die Schwingung befindet. Die Phase wird oft in Grad oder Radianten gemessen und ist wichtig, um die zeitliche Beziehung zwischen verschiedenen Schwingungen zu verstehen.

Schwingungsrichtung: Die Richtung der Schwingungen kann Aufschluss geben, beispielsweise über eine Unwucht oder Fehlausrichtung in rotierenden Maschinen.

Zeitverlaufsmuster: Eine Analyse des Zeitverlaufs der Schwingungen hilft, intermittierende Veränderungen im Betriebszustand der Maschine zu identifizieren.

Temperatur: Oft wird auch die Temperatur überwacht, da eine erhöhte Temperatur ein Indikator für erhöhte Reibung sein kann, die zu Schwingungen führen.

Wo genau die Messung erfolgt, hängt vom Zweck der Messung und von der Art des Bauteils ab. Bei Motoren oder Pumpen werden Schwingungen oft an Lagern oder Gehäusen gemessen, um den Zustand der Maschine zu beurteilen. Dies kann mit einem oder mehreren Vibrationssensoren erfolgen.

Die Messgeräte erfassen die Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung der Schwingungen. Dabei ist die Position des Sensors entscheidend, da sie die Genauigkeit und Relevanz der Messdaten stark beeinflusst.

Die richtige Interpretation von Messdaten bei Schwingungsmessungen ist ganz zentral. Sie entscheidet darüber, ob vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden sollten oder nicht.

Folgende Schritte sind zu beachten:

  1. Auswahl der Messstellen: Zunächst ist sicherzustellen, dass die Messstellen an der Maschine korrekt ausgewählt wurden.
  2. Erfassen von Baseline-Daten: Bedeutet Daten sammeln, wenn die Maschine in einem normalen Betriebszustand ist. Diese Daten dienen als Referenz für zukünftige Messungen und helfen dabei, Abweichungen zu erkennen.
  3. Trendanalyse: Die regelmäßige Überwachung der Schwingungsdaten ist entscheidend. Durch das Verfolgen von Veränderungen im Laufe der Zeit können Abweichungen frühzeitig erkannt werden.
  4. Diagnose und Maßnahmen: Bei Abweichungen sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um die genaue Ursache der Schwingungen zu ermitteln.
  5. Dokumentation: Alle Schwingungsmessungen und Analysen sollten sorgfältig dokumentiert werden. Dies hilft bei der Nachverfolgung von Trends und ermöglicht eine effektive Wartungsplanung.

Die Auswertung von Schwingungsdaten kann sehr komplex sein und spezielle Kenntnisse und Erfahrung erfordern. Oft ist es daher sinnvoll, einen Experten für Schwingungsanalyse hinzuzuziehen. So ist sichergestellt, dass die Daten korrekt interpretiert werden und angemessene Maßnahmen ergriffen werden.

In der Regel werden dafür die Grenzwerte der internationalen Normreihe DIN ISO 10816 / 20816 herangezogen. Sie hängen von verschiedenen Faktoren ab, etwa die Art der Maschine, ihre Größe, Geschwindigkeit und Verwendungszweck. Die genauen Grenzwerte finden sich in den jeweiligen Teilen der Normreihe.

Hier ein Beispiel für Grenzwerte von Ventilatoren aus DIN ISO 10816-3:

  • Kleine Ventilatoren (z. B. axiale oder radiale Lüfter):
    • Geschwindigkeitsgrenzwert für den effektiven Wert der Schwinggeschwindigkeit (rms): 1,0 mm/s
    • Geschwindigkeitsgrenzwert für den Spitzenwert der Schwinggeschwindigkeit (Peak): 4,0 mm/s
  • Mittelgroße Ventilatoren:
    • Geschwindigkeitsgrenzwert für den effektiven Wert der Schwinggeschwindigkeit (rms): 1,4 mm/s
    • Geschwindigkeitsgrenzwert für den Spitzenwert der Schwinggeschwindigkeit (Peak): 5,6 mm/s

Die Häufigkeit von Vibrationsmessungen variiert. Es kommt z. B. auf den Typ der Anlage, den Betriebszustand, die vorherige Wartungshistorie, die Herstellervorgaben oder gesetzliche Standards an.  

Die Faustregel: Präventive Wartungsmaßnahmen wie Schwingungsmessungen tragen dazu bei, Ausfälle zu verhindern und die Lebensdauer von Anlagen zu verlängern. Eine regelmäßige Überprüfung und Anpassung des Wartungsplans basierend auf den neuesten Betriebsdaten und Erfahrungen ist daher auf jeden Fall empfehlenswert.

Leistungen von A. Hock im Bereich der Schwingungsmessung

Die Vibrationsmessung als Methode des Condition Monitoring ist ganz wesentlich, um für Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit in Industrieanlagen zu sorgen. A. Hock hat speziell für Anlagen und Motoren mit rotierenden Massen Produkte im Portfolio, die zuverlässige und exakte Daten liefern, z. B. der Honeywell Versatilis™ Transmitter HVT100 als Vibrationssensor mit modernem LoRaWAN®-Protokoll.

Mit der End-to-End-Komplettlösung – der LoRaWAN easybox von A. Hock – gelingt schließlich eine übersichtliche Darstellung der Daten. Sie unterstützt die fortschrittliche, zustandsbasierte Wartung.

Sie möchten Schwingungsmessung an ihren Komponenten dauerhaft durchführen?

Zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.

Dominic Hock

Dominic Hock

Geschäftsführer

Ich berate Sie gerne bei Projekten und Anfragen aus dem Bereich Ventiltechnik und Mess- und Regeltechnik.
Meine Expertise liegt in der Automatisierungstechnik sowie Netzwerke.

Schliessen