Ob Unwuchten, Ausrichtfehler, Wellenkrümmung oder Kavitation: Wie Sie Ursachen für Schwingungen in Maschinen aufspüren – und wie Sie diese beseitigen können.
Die Ursachen für gefährliche Schwingungen in Maschinen und Anlagen mit bewegten Massen können vielfältig sein: Unwuchten, Ausrichtfehler, Wellenkrümmung, Fundamentprobleme, Kavitation, Verzahnungsfehler in Getrieben, elektrische oder magnetische Störungen – um einige zu nennen. Die Vibrationsmessung und Analyse von Schwingungsproblemen erfordert Grundlagenwissen und viel Erfahrung. Deshalb muss nun niemand Physik studieren oder Experte in Schwingungsmessung werden. Denn ein kompetenter Dienstleister ist Off-Highway Powertrain Services.
Messung der Phasenlage als erster Schritt
Schwingungen an großen rotierenden Maschinen wie Turbinen und Generatoren, Kompressoren oder Großverdichtern sind besonders kritisch. Werden die Schwingungsamplituden zu hoch, sind schwere und teure Schäden die Folge. Typische Überwachungsgrößen in diesen Maschinen sind die Messung der absoluten Lagerschwingung, die relative Wellenschwingung und die Messung der axialen Wellenbewegung mittels Sensoren.
Dabei treten Schwingungen mit unterschiedlichen Phasenlagen auf. Erst durch das Messen der Phasenlage lassen sich Schwingungsursachen analysieren. Mit einer nachgelagerten Analyse-Software ist eine tiefergehende Diagnose der Schwingungsursachen möglich.
Webbasierte Schwingungsüberwachung
Auch die Schwingungsmessung ist heute webbasiert. Erfassungs- und Überwachungsgeräte können direkt als IIoT-Gerät mit dynamischen Eingangskanälen und integrierter, webbasierter Visualisierungs- und Analysesoftware in die Cloud integriert werden. Die Konfiguration und die Onlinedarstellung von Schwingungen und Kennwerten erfolgt dabei über Analysediagramme und Diagnosefunktionen mit dem Web-Browser.
Im Ex-Bereich oder bei verteilten Maschinen werden oft drahtlose Überwachungssysteme eingesetzt. Solche Systeme können Maschinenschwingungen und Temperatur synchron messen und den Maschinenzustand überwachen. Die Software dient der Überwachung des Maschinenzustandes in Echtzeit und ermöglicht den Anwendern, Fehler der Maschine im Voraus zu erkennen – im Sinne von Condition Monitoring.
Schwingungsmessung durch Motorstromanalyse
Die Motorstromanalyse beruht darauf, dass sich mechanische Defekte wie Lagerschäden, Unwuchten oder Kavitation direkt im Motorstrom abbilden und durch präzise Strom- und Spannungsmessung erfasst werden können. Solche CMS-Systeme sind für die meisten elektromotorisch angetriebenen Geräte und Generatoren geeignet. Für eine Untersuchung wird ein Motor mit Stromzangen und Spannungswandlern verbunden. Ein Auswertungsgerät erfasst die Messwerte, erstellt eine Maschinenanalyse und generiert daraus einen Bericht, in dem die Schadenssymptome beziehungsweise der Zustand der Maschine bewertet wird.
Verschiedene Ursachen von Schwingungen
- Unwuchten: Unwucht spüren wir in einer Vibration bei sich drehenden Rotoren. Ein Handschleifer (Flex) vibriert, weil der Motor oder die Flexscheibe eine Unwucht hat, unser Handy vibriert, weil man absichtlich einen kleinen Motor mit Unwucht eingebaut hat. Diese Vibrationen werden von der Fliehkraft einer ungleich über den Rotor verteilten Masse erzeugt. Auf Maschinen bezogen werden Abweichungen der Rotationsachse einer Motorwelle von der optimalen Ausrichtung als Unwucht bezeichnet.
- Parallele Wellen-Fehlausrichtung: Kupplungen verbinden Wellen verschiedener Maschinen und Maschinenteile. Stehen die Wellen horizontal und vertikal versetzt zueinander, kommt es zu erhöhten Vibrationsamplituden. An den beiden verbundenen Maschinen(teilen) treten diese Schwingungen in entgegengesetzter Phasenlage auf. Über 50 Prozent der Fehlfunktionen von rotierenden Maschinen lassen sich auf falsch ausgerichtete Wellen zurückführen.
- Riemenfehler: Neben Kupplungen sind Transmissionsriemen eine weitere Möglichkeit, drehende Teile miteinander zu verbinden. Riemenfehler machen sich in der sogenannten Riemenumlauffrequenz bemerkbar. Diese ist in der Regel kleiner als die Hälfte der langsamsten Riemenwellendrehzahl. Das Riemenschlagen rührt meist aus Resonanzanregungen des aktiven und passiven Trums her.
- Wellenkrümmung: Die Wellenkrümmung gehört zu den eher selten zu berücksichtigenden Einflüssen auf die Lagerberechnung, da Lager oft am Ende einer Welle oder Achse platziert sind, wo kein nennenswertes Biegemoment mehr auftritt. Trotzdem gibt es eine hinreichende Anzahl von Fällen, wo sie nicht vernachlässigt werden sollte. Die relative Wellenschwingung kann mit berührungslosen Wegsensoren ermittelt werden.
- Kavitation: Die Spontanbildung von Dampfblasen in schnell strömenden Flüssigkeiten, bei denen der Druck in der Flüssigkeit so weit herabgesetzt ist, dass er den Dampfdruck der strömenden Flüssigkeit unterschreitet nennt man Kavitation. Diese kann bei Strömungsmaschinen zum Problem werden, wenn sie an sich schnell bewegenden Maschinenteilen entsteht. Übersteigt der Druck in der Flüssigkeit wieder den Dampfdruck der Flüssigkeit, so brechen die Dampfblasen implosionsartig zusammen. Dabei können Drücke bis zu einigen tausend bar entstehen, die große Schäden an den Maschinenteilen bewirken.
- Verzahnungsfehler: Eine geringe Geräuschentwicklung ist ein wesentliches Auslegungsziel in der Getriebeentwicklung und stellt ein wichtiges Gütekriterium dar. Mögliche Ursachen von Geräuschentwicklungen sind in fehlerhaftem Werkstoff, Mängeln in der Wärmebehandlung oder Eigenspannungen infolge zu hoher Wärmeentwicklung beim Verzahnungsschleifen zu suchen.
- Loser Motorfuß: Wenn sich Montageschrauben des Motors am Fuß oder an der Flanschplatte lösen, kommt es zu einer erheblichen Beeinflussung des Schwingverhaltens.
- Elektrische oder magnetische Störungen: Bei frequenzgeregelten Elektromotoren kommt es durch Potentialbildung zur Funkenentladung über die Wälzkörper zwischen Rotor und Stator. Diese Entladeströme verursachen Beschädigungen in den Laufspuren und sind für frühzeitige Lagerausfälle verantwortlich.
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