Mit der Schwingungsanalyse können Sie Probleme mithilfe von Schwingungsdaten überwachen und erkennen. Lesen Sie mehr über Vibrationsanalysemethoden, Werkzeuge und Techniken, Vibrationsanalysemessmethoden und mehr.

Was ist Schwingungsanalyse?

Die Schwingungsanalyse ist definiert als ein Verfahren zur Messung der Schwingungsniveaus und -frequenzen von Maschinen und zur anschließenden Analyse der Gesundheit der Maschinen und ihrer Komponenten. Während das Innenleben und die Formeln, die zur Berechnung verschiedener Vibrationsformen verwendet werden, kompliziert werden können, beginnt alles mit der Verwendung eines Beschleunigungsmessers zur Messung der Vibration. Immer wenn eine Maschine läuft, erzeugt sie Vibrationen. Ein an der Maschine angebrachter Beschleunigungsmesser erzeugt ein Spannungssignal, das der Stärke der Vibration und der Frequenz der Vibration entspricht, die die Maschine erzeugt, normalerweise wie oft pro Sekunde oder Minute die Vibration auftritt.

Alle vom Beschleunigungsmesser gesammelten Daten gehen direkt in einen Datensammler (Software), der das Signal entweder als Amplitude gegen Zeit (bekannt als Zeitwellenform), Amplitude gegen Frequenz (bekannt als schnelle Fourier-Transformation) oder beides aufzeichnet. Alle diese Daten werden von Computerprogrammalgorithmen analysiert, die wiederum von Ingenieuren oder geschulten Vibrationsanalysten analysiert werden, um den Zustand der Maschine zu bestimmen und mögliche bevorstehende Probleme wie Lockerheit, Unwucht, Fehlausrichtung, Schmierprobleme und mehr zu identifizieren. Vibrationsanalyse kann Probleme erkennen wie:

• Unwucht
• Lagerausfälle
• Mechanische Lockerheit
• Fehlausrichtung
• Resonanz und Eigenfrequenzen
• Elektrische Motorfehler
• Gebogene Wellen
• Getriebeausfälle
• Leerraum oder Blasen (Kavitation) in Pumpen
• Kritische Drehzahlen

Händler und Ausrichtungs- und Wartungstrainingsanbieter VibrAlign verwenden Sie das Beispiel eines Industrieventilators, entfernen Sie ein Lüfterblatt und starten Sie es. Wie erwartet vibriert der Lüfter aufgrund eines unsymmetrischen Lüfterrads. Diese unsymmetrische Kraft tritt einmal pro Umdrehung des Lüfters auf. Ein anderes Beispiel wäre eine beschädigte Lagerbahn, die dazu führt, dass eine Lagerrolle bei jedem Kontakt mit dem Spalt Vibrationen erzeugt (ähnlich einem Schlagloch auf einer Autobahn). Wenn drei Lagerrollen pro Umdrehung auf den Spalt treffen, sollten Sie ein Vibrationssignal mit der dreifachen Laufgeschwindigkeit des Lüfters sehen.

Vibrationsanalysemethode

Während Beschleunigungsmesser immer noch das am häufigsten verwendete Werkzeug zur Erfassung von Vibrationsdaten sind, haben moderne Technologien und verbesserte Sensortechnologien berührungslose Hochgeschwindigkeits-Lasersensoren ermöglicht, die Probleme erkennen können, die Beschleunigungsmesser nicht können. Dies ermöglicht eine genauere und lokalisiertere Analyse und öffnet die Vibrationsanalyse für mehr Methodik. Die Vibrationsanalyse ist im Allgemeinen in vier Prinzipien unterteilt, und jedes Prinzip gibt Ihnen spezifische Informationen über die Arbeitsbedingungen und Merkmale der vibrierenden Teile.

1. Zeitbereich: Wenn ein Schwingungssignal von einem Wandler (Gerät, das eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt) aufgenommen und auf dem Bildschirm eines Oszilloskops angezeigt wird, spricht man von einer Wellenform. Dieses Signal befindet sich im Zeitbereich. Der Zeitbereich ist Amplitude gegen die Zeit aufgetragen. Während die meisten Maschinenvibrationsprobleme mithilfe der Spektrumanalyse erkannt werden, sind einige Typen leichter in der Wellenform zu erkennen.
2. Frequenzbereich: Wenn die zuvor diskutierte Wellenform einer Spektrumanalyse unterzogen wird, ist das Endergebnis ein Bild von Frequenz vs. amplitude, bekannt als Spektrum. Das Spektrum liegt im Frequenzbereich wie die Schwingung im Zeitbereich. Die meisten eingehenden Analysen von Maschinenschwingungen werden im Frequenzbereich oder mithilfe der Spektrumanalyse durchgeführt.
3. Gemeinsamer Bereich: Da Schwingungssignale mit der Zeit variieren, kann es nützlich sein, mehr als ein Spektrum gleichzeitig zu berechnen. Dazu kann eine gemeinsame Zeittechnik namens Gabor-Wigner-Wavelet verwendet werden. Diese Technik wird verwendet, um Variationen der schnellen Fourier-Transformation (siehe unten), einschließlich der Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT), zu berechnen.
4. Modalanalyse: Die Modalanalyse nimmt gemessene Frequenzgangfunktionen eines Maschinenteils und setzt sie in ein Computermodell um. Das Computermodell kann mit Animationen aller verschiedenen Vibrationsmodi angezeigt werden. Das Modell kann angepasst werden, indem Dinge wie Masse oder Steifigkeit hinzugefügt oder entfernt werden, um die Effekte zu sehen.

Außerhalb dieser vier Grundprinzipien liegen zahlreiche Analyseformen, Berechnungen und Algorithmen, mit denen verschiedene Aspekte der Schwingungsanalyse bestimmt werden. Dazu gehören:

• Zeitwellenform: Eine Zeitwellenform ist Beschleunigung vs. zeit als Tabellen und Diagramme angezeigt. Zeit wellenformen zeigen eine kurze zeit probe von raw vibration, enthüllt hinweise auf den zustand von maschinen nicht immer klar in die frequenz spektrum. Ein Verfahren zur Verwendung von Zeitwellenform-Schwingungssignalen als Schwingungsanalysewerkzeug ist die Verwendung von FFT.



• Fast Fourier Transform (FFT): FFT ist definiert als ein Algorithmus, der verwendet wird, um ein Spektrum aus einer Zeitwellenform zu berechnen. Mit anderen Worten, es ist eine Berechnung, die ein Signal in alle seine Frequenzen zerlegen soll. Wenn Sie sich an den oben diskutierten Zeitbereich und Frequenzbereich erinnern, konvertiert FFT ein Signal aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Die schnelle Fourier-Transformation wird am häufigsten zur Erkennung von Maschinenfehlern wie Fehlausrichtung oder Unwucht verwendet.
• Phasenmessung: Bei der Schwingungsanalyse ist Phase eine relative Zeitdifferenz zwischen zwei Signalen, die in Winkeleinheiten im Gegensatz zur Zeit gemessen wird. Es funktioniert nur, wenn die beiden zu vergleichenden Signale die gleiche Frequenz haben. Phasenmessung wird zusammen mit FFT verwendet, um Maschinenfehler wie lose Teile, Fehlausrichtung und Unwucht zu entschlüsseln.
• Auftragsanalyse: Die Auftragsanalyse ist eine Variation der FFT-Analyse und wird hauptsächlich zur Quantifizierung von Schwingungen von Maschinen mit unterschiedlichen Umdrehungen pro Minute (RPM) verwendet. Mit anderen Worten, die Ordnungsanalyse ist eine Frequenzanalyse, bei der die Frequenzachse des Spektrums in U / min-Größenordnungen und nicht in Hertz angezeigt wird. Der Begriff „Frequenz“ bezieht sich auf eine Frequenz, die ein Vielfaches einer Referenzdrehzahl ist. Wenn beispielsweise ein Vibrationssignal gleich der doppelten Frequenz der Motordrehung ist, beträgt die Reihenfolge zwei.
• Leistungsspektraldichte (PSD): Die Leistungsspektraldichte wird berechnet, indem die Amplitude der FFT mit ihren verschiedenen Formen multipliziert wird, um sie mit der Frequenz-Bin-Breite zu normalisieren (Bin-Breite bezieht sich auf die gruppierten x-Achsenwerte). Stellen Sie sich PSD als „zufällige“ Vibrationen oder Bewegungen bei vielen verschiedenen Frequenzen vor. PSD vergleicht genau zufällige Vibrationssignale, die unterschiedliche Signallängen haben.



• Hüllkurvenanalyse: Die Hüllkurvenanalyse ist eine Form der Schwingungsanalyse, mit der Stöße mit sehr geringer Energie erkannt werden können, die häufig durch andere Schwingungssignale verdeckt werden. Es ist ein beliebtes Diagnosewerkzeug für beschädigte Verzahnungen und Wälzlager.
• Umlaufbahn: Die Umlaufbahn wird als Diagramm der Mittellinie eines Gleitlagerzapfens definiert. Es wird gemessen, indem zwei Sonden im Abstand von 90 Grad im Lagergehäuse platziert werden. Die Daten dieser Sonden können digital angezeigt und zur Erkennung von Wellenschwingungen verwendet werden, die durch Ölwirbel verursacht werden – Öl wirbelt im Inneren herum und bewirkt, dass sich der Zapfen bewegt.
• Resonanzanalyse: Die Resonanzanalyse identifiziert alle Eigenschwingungen und Frequenzen in Maschinen. Das Vorhandensein von Resonanz bedeutet hohe Vibrationen, die schädliche Werte erreichen können.

Kategorien der Schwingungsmessung

• Gesamtschwingungsgrad: Sie können sich vorstellen, den Gesamtschwingungsgrad wie einen „Grobcheck“ an einer Maschine zu überprüfen. Wenn Sie eine Maschine mit der Hand fühlen, können Sie allgemein feststellen, ob sie ungefähr über ein breites Frequenzband läuft. Diese Erstprüfung eignet sich am besten für rotierende Maschinen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsmaschinen. Es ist normalerweise nicht auf Hubkolbenmaschinen anwendbar.
• Spektralanalyse von Vibrationen: Spektralanalyse ist der Prozess der Transformation eines Signals aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Es wird oft mit FFT gemacht. Das Signal wird analysiert, um alle wesentlichen Frequenzen zu bestimmen, die von den Komponenten der Maschine kommen. Wo es eine Spitze im Frequenzsignal gibt, ist das die wahrscheinliche Quelle der Erschütterung. Gängige Anwendungen für die Spektralanalyse sind die Drehzahl einer Welle oder die Häufigkeit des Zahneingriffs an einem Zahnradpaar.
• Diskrete Frequenzüberwachung: Wenn Sie eine bestimmte Komponente innerhalb einer Maschine überwachen müssen, misst die diskrete Frequenzüberwachung den Vibrationspegel, der bei einer bestimmten Frequenz erzeugt wird, die diese Komponente voraussichtlich erzeugen wird. Wenn Sie beispielsweise eine bestimmte Welle in einer Maschine untersuchen möchten, drehen Sie die Überwachung auf die Drehzahl dieser Maschine. Die diskrete Frequenz wird mit dem FFT-Algorithmus berechnet.
• Shock pulse Monitoring: Shock pulse Monitoring ist eine vorausschauende Wartungstechnik, die Wälzlager mit einem Handgerät überwacht. Das Handgerät gibt eine Eigenfrequenz ab, die durch Stöße oder Vibrationen von Wälzlagern angeregt wird. Mit anderen Worten, wenn sich zwei Metallstücke während der Bewegung berühren, entstehen durch den Aufprall Stoßwellen, die sich durch das Metall bewegen. Diese Stoßwelle wird in der Stoßimpulsüberwachung verwendet.
• Kurtosis-Messung: Kurtosis gibt Ihnen ein Maß für die „Stacheligkeit“ eines Zufallssignals. Signale mit einem höheren Kurtosis-Wert haben mehr Peaks, die größer als das Dreifache des Effektivwerts des Signals sind. In der Schwingungsanalyse wird Kurtosis verwendet, um die Ermüdungsentwicklung in Wälzlagern mit einem einfachen Instrument zu überwachen.
• Signalmittelung: Da sich Signale mit der Zeit ändern, ist die Signalmittelung in der Spektrumanalyse wichtig, da sie den Pegel des Signals bei jeder Frequenz bestimmt. Dies ist besonders wichtig für Niederfrequenzmessungen, da sie eine längere Mittelungszeit benötigen, um eine statisch genaue Schätzung des Spektrums zu erhalten. Die Signalmittelung wird häufig bei der Überwachung eines Getriebes in Bezug auf seine Drehzahl verwendet. In diesem Beispiel zeigt Ihnen die Signalmittelung die zyklische Wirkung jedes Zahns im Zahnrad. Wenn ein Zahn einen großen Riss aufweist, würde er aufgrund seiner erhöhten Flexibilität erkannt.Cepstrum-Analyse: Ursprünglich erfunden, um seismische Echos zu charakterisieren, die durch Erdbeben und Bombenexplosionen erzeugt werden, wird Cepstrum verwendet, um die wiederholten Muster in einem Spektrum zu betrachten. Wiederholte Muster im Spektrum werden als eine oder zwei Komponenten im Cepstrum mit mehreren Sätzen von Seitenbändern erfasst, was verwirrend sein kann. Das Cepstrum trennt diese Seitenbänder wie das Spektrum repetitive Zeitmuster in der Wellenform trennt. Die Cepstrum-Analyse wird häufig verwendet, um Wechselwirkungen zwischen der Rotationsfrequenz von Schaufelrotoren und der Schaufeldurchlauffrequenz zu untersuchen. Ein weiteres Beispiel ist die Untersuchung von Verzahnungseingriffsfrequenzen und Verzahnungsdrehzahlen.

Messparameter der Schwingungsanalyse

Alle diese Schwingungsanalysetechniken helfen, drei Hauptparameter zu identifizieren: Beschleunigung, Geschwindigkeit (RMS) und Weg. Jeder dieser Parameter betont bestimmte Frequenzbereiche auf seine eigene Weise und kann zusammen analysiert werden, um Probleme zu diagnostizieren. Schauen wir uns jeden Parameter an.

• Beschleunigung: Beschleunigung legt größeren Wert auf hohe Frequenzen. Ein Beschleunigungssignal ist jedoch nicht exklusiv. Das Beschleunigungssignal kann in Geschwindigkeit oder Weg umgewandelt werden.
• Verschiebung: So wie die Beschleunigung hohen Frequenzen eine größere Bedeutung beimisst, betrachtet die Verschiebung niedrige Frequenzen. Wegmessungen werden im Allgemeinen nur verwendet, wenn das breite Bild mechanischer Schwingungen untersucht wird. Sie können die Verschiebung verwenden, um Unwuchten in einem rotierenden Teil aufgrund einer erheblichen Verschiebung bei den Drehfrequenzen der Maschinenwelle zu ermitteln.
• Geschwindigkeit: Die Geschwindigkeit hängt mit der Zerstörungskraft der Vibration zusammen und ist damit der wichtigste Parameter. Es legt gleichen Wert auf hohe und niedrige Frequenzen. Normalerweise zeigt der Effektivwert der Geschwindigkeit (gemessen im Bereich von 10 bis 10.000 Hz) das beste Anzeichen für die Schwere der Vibration. Der Effektivwert wird berechnet, indem die Spitzenamplitude mit 0,707 multipliziert wird.

Unten sehen Sie ein Beispiel dafür, wie Beschleunigung, Weg und Geschwindigkeit auf demselben Signal aussehen. Sie können einige Peaks bei denselben Frequenzen sehen, aber jede hat unterschiedliche Amplituden. Dies ist ein gutes Bild davon, wie jeder Parameter Frequenzbereichen unterschiedliche Bedeutung zuweist.

Tools und Technologie zur Schwingungsanalyse

Fortschrittliche Technologie, insbesondere Fortschritte in der Funktechnologie, hat die Art und Weise, wie Schwingungsanalysten Daten sammeln, interpretieren und austauschen, erheblich verbessert. Vibrationsanalysatoren sind heute extrem portabel, kommunizieren in Echtzeit mit Smartphones und Tablets und können FFT in extrem hoher Auflösung erzeugen. Viele Vibrationsinstrumentenfirmen entwickeln ihre eigenen Apps, um miteinander zu kommunizieren.

Eine weitere Form der fortschrittlichen Technologie, die Sie mit Schwingungsanalyse-Interpretationsinstrumenten sehen werden, sind 3D-Simulationen von Maschinenschwingungen in Operating Deflection Shapes (ODS). Kurz gesagt, diese Art von Software übertreibt vibrationsinduzierte Bewegungen in einem 3D-Modell, sodass Sie die Kräfte visualisieren können, die auf Ihre Maschine wirken, während sie läuft.

Einige Hersteller von Schwingungsanalysegeräten bieten Datenbanken mit Tausenden von vorinstallierten Lagerfehlerfrequenzen an, damit Sie bestimmte Fehlerfrequenzen für Ihre Lager identifizieren können. Einige Software kann die Geometrie Ihrer Wälzkörper kontinuierlich überwachen und Sie warnen, wenn mögliche vorzeitige Ausfälle auftreten können.

Wie bei den meisten fortschrittlichen Technologien wird der Großteil der Schwingungsanalysedaten automatisch in die Cloud hochgeladen und steht auf Ihrem Mobilgerät, Computer oder direkt über Ihren Browser zur Verfügung. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie Schwingungsanalysen als externer Berater durchführen, sodass Sie Spektren frei mit Ihren Kunden teilen können.

Vorteile der kontinuierlichen Schwingungsüberwachung

Die in diesem Artikel beschriebenen Methoden und Werkzeuge eignen sich nicht nur hervorragend, um festzustellen, was mit einem Gerät oder einer Maschine nicht stimmt (reaktiv), sondern sie können auch verwendet werden, um Probleme zu erkennen, bevor sie zu erheblichen Ausfallzeiten führen (proaktiv). Mithilfe der Schwingungsanalyse und -überwachung können Sie Strukturschwäche oder -lockerheit, Lockerheit rotierender Komponenten und das Vorhandensein von Resonanzen quantitativ untersuchen.

Bei richtiger Implementierung hilft Ihnen die kontinuierliche Schwingungsüberwachung, die Maschinenleistung zu optimieren. Mit dem Einsatz moderner Technologie können Sie kontinuierliche Vibrationsmessungen an verschiedenen Geräten in Echtzeit durchführen und die Daten über die Cloud direkt an Ihr Smartphone, Tablet oder Ihren Desktop senden lassen.

• Überwachung kritischer Geräte: Kritische Ausrüstung ist jedes Gerät oder jede Maschine, die dazu führen kann, dass Sie einen großen finanziellen Schaden erleiden, wenn ein Fehler auftritt. Die kontinuierliche Schwingungsüberwachung hilft dabei, Abweichungen im Schwingungsspektrum zu erkennen, die Schmierprobleme und Lagerdefekte aufdecken können, lange bevor größere Probleme auftreten.
• Überwachen Sie stark genutzte Geräte: Viele Anlagen arbeiten 24/7 und stoppen nur monatlich oder vierteljährlich für die routinemäßige Wartung. Mehr als das zu stoppen, kann die Pflanze eine erhebliche Menge Geld kosten. Die kontinuierliche Online-Vibrationsüberwachung hilft bei der Überwachung des Zustands stark beanspruchter Maschinen oder problematischer Maschinen und sendet Warnungen, wenn sich dieser Zustand ändert.
• Überwachung schwer zugänglicher Geräte: Die Durchführung von Wartungsarbeiten an Geräten an schwer zugänglichen Stellen ist schwierig. Maschinen auf Dächern, Kühltürmen und in Hochtemperaturbereichen können kontinuierlich auf Vibrationsanomalien überwacht werden, sodass die Wartung zu einem geeigneten Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Dies verhindert ungeplante Ausfallzeiten und verhindert, dass Wartungspersonal unnötig auf diese Standorte zugreift.

Fallstudie Schwingungsanalyse

Die im Schwingungsanalyseprozess verwendeten Werkzeuge und Techniken können auf dem Papier etwas verwirrend sein. Diese spezielle Fallstudie untersucht die Prüfung einer Luftbehandlungseinheit in einer pharmazeutischen Einrichtung. Das Gerät wird benötigt, um zwei Versorgungsventilatoren mit der Kapazität zu betreiben, um die Anforderungen an den geschlossenen Luftstrom zu erfüllen. Das Klimagerät verfügt über zwei direkt gekoppelte Lüfter, die jeweils mit einem 150-Horspower-Motor ausgestattet sind. Die anfängliche Bewertung der Lüftereinheit zeigte, dass die Einheit normal lief, wenn ein Lüfter lief, aber sobald der zweite Lüfter eingeschaltet wurde, An bestimmten Sollwerten traten Vibrationsprobleme auf.

Die Schwingungsanalyse ergab, dass nach dem Einschalten des Lüfters Nr. 2 eine leichte Zunahme der Schwingungsamplitude über alle drei Messpunkte auftrat, während der Lüfter Nr. 1 gleich blieb. Tests zeigten, dass die höchste Amplitude in der Vertikalen des Außenbordmotors bei 0,456 Zoll pro Sekunde auftrat, mit einem dominanten Peak bei 841 Zyklen pro Minute, so IVC Technologies. Dies deutete darauf hin, dass das Problem eine strukturelle Resonanzschwingung sein könnte, da Spektraldaten keine anderen Anzeichen mechanischer Probleme zeigten.

*Informationen aus IVC Technologies Fallstudie Lüftungsgerät

Als Berater empfahl IVC Technologies dem Unternehmen, die Rahmenstruktur und den dynamischen Absorber des Lüfters Nr. 2 zu überprüfen. Ein Bump-Test wurde ebenfalls empfohlen, um die Resonanzschwingung weiter zu lokalisieren und zu analysieren.