Die Grundlagen der Schwingungsanalyse

Es gibt verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP), die wir anwenden können, um den Zustand verschiedener Maschinenkomponenten zu bewerten, ohne dass die Ausrüstung angehalten und demontiert werden muss. Die Schwingungsanalyse ist ein bekanntes ZfP-Tool, das in vielen Branchen verwendet wird.

In diesem Artikel werfen wir einen wirklich guten Blick auf die Feinheiten des Schwingungsanalyseprozesses, Parameter, Tools und Anwendungsfälle.

Warum Vibration?

Während des Betriebs treten in allen beweglichen Maschinen Schwingungen auf. Jedes Material hat unter bestimmten Bedingungen ein charakteristisches Schwingungsmuster. Das Messen, Aufzeichnen und Untersuchen der Änderungen dieser Schwingungseigenschaften kann verwendet werden, um die Änderungen im Testmaterial selbst zu verstehen.

Was ist Schwingungsanalyse?

Die Schwingungsanalyse ist ein Prozess, der Schwingungssignale verwendet, um Anomalien in Schwingungsmustern zu identifizieren. Eine Änderung des Schwingungsmusters weist auf eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Prüflings hin.

Bei der Gerätewartung hilft uns die Schwingungsanalyse, den Zustand unserer Geräte zu verfolgen und zu bewerten.

Wenn ein anomales Muster beobachtet wird, können wir eine Ursachenanalyse durchführen, um den Grund für die Änderung zu identifizieren. Sobald wir dies wissen, können wir, falls dies als notwendig erachtet wird, geeignete Wartungsarbeiten planen.

Wo und wann wird es verwendet?

Die Schwingungsanalyse eignet sich zur Prüfung von Bauteilen, die einer Drehbewegung unterliegen, also Bauteilen, die Torsionskräften ausgesetzt sind. Es wird verwendet, um die Bedingungen von:

. zu testen oder zu verfolgen

• Lager, Zahnräder, Wellen, Rotoren
• Motoren, Lüfter, Antriebsstränge, Getriebe
• Pumpen, Kolbenmotoren, Kompressoren und andere Hubkolbenmaschinen

Betrachten Sie dies nicht als vollständige Liste – die Schwingungsanalyse hat viele weitere Nischenanwendungen und ist nicht nur auf rotierende Maschinen oder Maschinenvibrationen beschränkt.

Beispielsweise können Schwingungsdaten gesammelt werden, um die Änderungen und Schwankungen elektrischer und magnetischer Felder zu messen sowie die strukturelle Integrität von Brücken, Rohren und anderer Infrastruktur zu überwachen.

Getriebe inspizieren

Gebrochene Zahnräder kommen bei Getrieben häufig vor. Gebrochene Zahnräder verursachen viel Schaden, bevor Sie sehen können dass etwas nicht stimmt. Die Schwingungsanalyse hilft, Zahnbrüche frühzeitig zu erkennen, ohne dass etwas demontiert werden muss.

Auf diese Weise können wir einen Arbeitsauftrag erstellen und das Problem beheben, bevor es zu einem katastrophalen Fehler führt.

Auffangen von Lagerfehlern

Lagerfehler verursachen bei Maschinen mit rotierenden Teilen übermäßige Schwingungen. Die Überwachung der Lagerbedingungen mithilfe von Schwingungsanalysen hilft Ihnen, Lagerausfälle zu erkennen und geeignete Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.

Die Schwingungsanalyse gibt Aufschluss über den genauen Lagerfehler, der Folgendes umfassen kann:

• Umgekehrtes Laden
• falsches Brinelling
• Überhitzung
• Müdigkeit
• Korrosion
• Anpassungsprobleme
• Fehlausrichtung
• Ungleichgewicht

Zustandsüberwachung für Pipelines

Ölpipelines sind ein weiteres großartiges Beispiel für verdeckte Operationen. Ein häufiges Problem ist hier Korrosion, die zu Undichtigkeiten und Brandgefahr führen kann. Wie Sie wahrscheinlich schon erahnen können:Anhand von Schwingungs- und Schwingungsfrequenzdaten ist es möglich, mit Hilfe der Schwingungsanalyse die Korrosion in Rohrleitungen zu analysieren und zu messen.

Korrodierte Rohre, die die Flüssigkeit mit einer festen Durchflussmenge führen, haben ein anderes Schwingungsverhalten als eine gesunde Rohrleitung mit der gleichen Durchflussmenge.

Schwingungsanalyseprozess

Die Standardschritte, die wir zur Durchführung einer Schwingungsanalyse durchführen müssen, sind:

1. Erstellen Sie eine Baseline . Führen Sie eine Schwingungsanalyse an einer Maschine durch, die mit idealen Eigenschaften arbeitet. Die Vibrationspegel werden aufgezeichnet, um als Grundlage für diese (Art von) Maschine zu dienen.
2. Eine Routine entwickeln . Die Analyse muss in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Wählen Sie ein geeignetes Intervall für die Durchführung der Schwingungsanalyse. Das gewählte Intervall sollte die Maschineneigenschaften und Betriebsbedingungen widerspiegeln. (Wenn Sie Sensoren zum Streamen von Echtzeit-Vibrationsdaten installieren, können Sie diesen Schritt überspringen.)
3. Standardisieren Sie den Prozess . Die Werkzeuge und Techniken zur Durchführung von Schwingungsanalysen müssen standardisiert werden. Die Verwendung derselben Ausrüstung mit konsistenten SOPs sollte zu vergleichbaren Ergebnissen führen.
4. Aktuelle Aufzeichnungen sicherstellen . Die Ergebnisse aller periodischen Analysen sind aufzubewahren. Dies hilft, die historischen Daten der Maschine aufzuzeichnen. Dies ist für die weitere Analyse unerlässlich. (Wenn Sie ein Online-Überwachungssystem haben, speichert es automatisch vergangene Schwingungsdaten.)
5. Schwingungsanalyse durchführen . Das Ergebnis jeder Schwingungsanalyse wird mit Basisdaten verglichen, um Anomalien und Defekte zu erkennen und erforderliche Wartungsarbeiten durchzuführen.

Vibrationsmessparameter

Jede Schwingung, dargestellt als Wellenform, hat eine Frequenz, Amplitude und Periode:

• Häufigkeit :Dies ist die Anzahl der Schwingungen, die jede Sekunde auftreten. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen.
• Amplitude :Dies ist die maximale Verschiebung der Welle aus der Gleichgewichtslage. Der RMS-Wert ist der häufig verwendete Wert für die Amplitude.
• Zeitraum :Die Zeit zwischen zwei Höhen oder Tiefen in einer Wellenform ist die Periode. Sie wird in Sekunden oder anderen geeigneten Zeiteinheiten gemessen. Die Periode ist der Kehrwert der Frequenz.

Bei der Schwingungsanalyse wird die Amplitude anhand von drei physikalischen Parametern gemessen und aufgezeichnet. Sie sind:

• Verdrängung :Stellt den Abstand zwischen der Ruheposition des Bauteils und der maximalen Abweichung dar. Es misst, wie viel sich die Komponente bewegt. Die Maßeinheiten sind Millimeter (mm), Mikrometer (μm) oder andere geeignete Verschiebungseinheiten.
• Geschwindigkeit :Stellt die Verschiebung pro Zeiteinheit dar. Sie ist ein Maß dafür, wie schnell das Bauteil schwingt. Die Einheiten sind Millimeter pro Sekunde (mm/s) oder Mikrometer pro Sekunde (μm/s).
• Beschleunigung :Repräsentiert die Geschwindigkeitsänderungsrate. Sie ist am höchsten, wenn sich die Bewegung des Bauteils in der Richtung umkehrt. Sie wird in Millimeter pro Quadratsekunde (mm/s2) oder Mikrometer pro Quadratsekunde (μm/s2) gemessen.

Vibration kann basierend auf der menschlichen Wahrnehmung in drei Kategorien eingeteilt werden; etwas, das wir sehen, durch Berühren spüren oder hören können. Quelle: IMV Corporation  

Brauchen Sie spezielle Geräte zur Schwingungsanalyse, um VA durchzuführen?

Die Antwort ist ja. Wir können Schwingungen nicht mit einem Schraubendreher messen. Lassen Sie uns kurz die wichtigen Geräte zur Schwingungsanalyse besprechen, die Sie kennen sollten.

Vibrationssensoren

Mit unterschiedlichen Sensortypen werden unterschiedliche Schwingungsparameter gemessen. Daher können wir zwischen Wegsensoren, Geschwindigkeitssensoren und Beschleunigungssensoren unterscheiden.

Die am häufigsten verwendeten Typen sind Beschleunigungssensoren wie piezoelektrische Beschleunigungssensoren, mikroelektromechanische Sensoren (MEMS), Näherungssonden, Laser-Doppler-Vibrometer und ähnliche.

Verschiedene Arten von Vibrationssensoren 

Welchen Sensor sollten Sie kaufen? Nun, das hängt von Ihrer Anwendung ab. Abgesehen vom Kaufpreis müssen Sie Funktionen berücksichtigen wie:

• Schwingungsamplitude
• Empfindlichkeit
• Bandbreite
• Lärm
• Sensormontageoptionen
• Anzahl der Achsen, die gleichzeitig abgedeckt werden können
• Abtastfrequenz

Wir werden hier nicht auf allzu viele Details eingehen, aber für alle, die mehr über diese Funktionen erfahren möchten, lesen Sie diese großartige Anleitung zur Auswahl des richtigen Sensors für die Schwingungsanalyse.

Schwingungsanalyse-Software

Hier ist eine kurze Liste verschiedener Software zur Schwingungsanalyse, auf die wir beim Schreiben dieses Artikels gestoßen sind:

• EI-Analyse
• Vibinspect von ReVibe Energy
• Dplot
• Steuerungssoftware von Vibration Research
• ProAnalyst von Xcitex
• Laborsoftware von enDAQ
• FEMtools

Einige dieser Lösungen werden speziell für die Schwingungsanalyse verwendet, während andere Teil größerer Softwarepakete sind, die viele andere Anwendungen haben. Führen Sie Ihre Due Diligence durch, bevor Sie Einkäufe tätigen.

Online-Schwingungsüberwachungssystem

Das Online-Schwingungsüberwachungssystem stellt ein Setup dar, bei dem:

• Sie haben Vibrationssensoren an Ihren kritischen Geräten installiert
• diese Sensoren senden kontinuierlich Echtzeitdaten in die Cloud
• Ihre ausgewählte Schwingungssoftware liest und analysiert eingehende Schwingungsdaten und gibt Warnungen und Empfehlungen aus

Basierend auf der Analyse können Sie geeignete Wartungsarbeiten planen.

Tragbares Schwingungsüberwachungsgerät 

Die Installation von Sensoren ist nicht die einzige Möglichkeit, Schwingungsdaten zu erhalten. Es gibt viele tragbare Schwingungsgeräte, die Wartungsingenieure und Techniker verwenden können, um Schwingungsmessungen durchzuführen.

Tragbare Schwingungsüberwachungsgeräte

Handgehaltene Schwingungsmesser sind sehr nützlich für Organisationen, die eine zustandsbasierte Wartung durchführen. Sie können ein computergestütztes Wartungsmanagementsystem (CMMS) verwenden, um regelmäßige Schwingungsmessungen für verschiedene Komponenten/Maschinen zu planen.

Der „Analyzer“-Teil der Schwingungsanalyse

Die Daten von Schwingungssensoren und -geräten werden von Datensammler-Softwaretools gesammelt und aufgezeichnet. Die Software zeichnet die Daten in einem von zwei Formaten (oder in beiden) auf:

1. Zeitwellenform :Zeitwellenform sind die Rohdaten des Sensors. Die zwei Variablen, die die Wellenform bilden, sind Amplitude und Zeit. Heutzutage wird seine Verwendung immer seltener.
2. Fast Fourier Transform (FTT) :Eine schnelle Fourier-Transformationswelle wird aus der Zeitwellenform erzeugt. Die Amplitude wird als Frequenz aufgetragen gegen die Zeit dargestellt. Die Computertechnologie hat FFT zu einem viel besseren Werkzeug zur Analyse des Maschinenzustands gemacht.

Die Schwingungsdaten des Sensors können von geschulten Schwingungsanalytikern oder Zuverlässigkeitsingenieuren analysiert werden. Computeralgorithmen und Analysetools können auch verwendet werden, um Anomalien zu erkennen und den Zustand der getesteten Komponenten zu überprüfen.

Verwenden der FTT-Spektrumanalyse für die Schwingungsanalyse. Quelle: IMV Corporation  

Die Zeitverlaufsanalyse kann aufzeigen, ob Defekte bei der Testperson vorliegen. Aber es kann die Ursache für die Anomalie nicht bestimmen . Mit Fast Fourier Transform hingegen sind wir in der Lage, die Ursache des Fehlers zu lokalisieren.
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Zeigen wir das an einem Beispiel.

Stellen Sie sich vor, Sie führen eine reale Schwingungsanalyse an einem System mit einem Motor, einem Riemen und einer Antriebswelle durch. Schwingungsdaten werden von geeigneten Sensoren erfasst und über eine Analysesoftware aufgezeichnet. Die Daten werden als einfache Zeitwellenform erfasst. Sie können feststellen, dass eine Anomalie von der Basislinie vorliegt. Aber nichts mehr. Die Zeitwellenform kann nicht feststellen, ob der Defekt am Motor, Riemen oder an der Antriebswelle liegt.

Hier kommt die FFT ins Spiel. Da die FFT für jede der verschiedenen Komponenten (Motor/Riemen/Antriebswelle) diskrete Wellenformen liefert , können Sie den genauen Ort des Defekts lokalisieren, was letztendlich zu einer viel kürzeren Ausfallzeit führt. Die Verwendung von Algorithmen zur Durchführung der Analyse hat die FFT genauer und präziser gemacht.

Schulung, Zertifizierung und Akkreditierung

Die Schwingungsanalyse wird von Zuverlässigkeitsingenieuren und geschulten Schwingungsanalytikern durchgeführt. Es gibt Institute, die Schwingungsanalytiker und Zuverlässigkeitsingenieure für die Durchführung von Schwingungsanalysen ausbilden und zertifizieren:

• Amerikanische Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (ASNT) ist ein Pionier bei der Akkreditierung von Zuverlässigkeitsingenieuren für zerstörungsfreie Prüfungen. Schwingungsanalyse ist Teil der Kurse und Zertifizierungen von ASNT.
• Das Schwingungsinstitut widmet sich der Ausbildung und Zertifizierung von Schwingungsanalytikern. Die Zertifizierung reicht von Kategorie I bis Kategorie IV Schwingungsanalytiker. Das Vibration Institute ist vom American National Standards Institute (ANSI) anerkannt.
• Möbius-Institut bietet Schulungen in den Bereichen Zustandsüberwachung, Wartung und Anlagenzuverlässigkeitstechnik an. Sie bieten Schulungen und Zertifizierungen für die Schwingungsanalyse an. Die Zertifizierungen des Instituts sind von der International Organization for Standardization (ISO) akkreditiert.

Beachten wir auch, dass das US-Arbeitsministerium auch Spezialisten für zerstörungsfreie Prüfung anerkennt. Dazu gehören Spezialisten, die sich auf Schwingungsanalysen spezialisiert haben. Darüber hinaus verfügt jedes Land über eigene Zertifizierungs- und Akkreditierungssysteme, um qualifizierte Zuverlässigkeitsingenieure anzuerkennen.

Vibrationsanalyse und Gerätewartung

Hier sind kurze Erklärungen, wie Schwingungsmessungen sowohl in proaktiven als auch in reaktiven Wartungsszenarien helfen können.

Verwenden von Schwingungsanalysen für die vorausschauende Wartung

Zu wissen, wann und warum eine Komponente oder Maschine ausfällt, ist der Schlüssel zu erfolgreichen vorausschauenden Wartungsprogrammen. Die Schwingungsanalyse liefert nützliche Datenpunkte, die Sie in Ihr prädiktives Datenmodell einspeisen, um seine Genauigkeit bei der Vorhersage von Geräteausfällen zu verbessern.

Um das Beste aus Schwingungsanalyse und Predictive Analytics herauszuholen, sollten Sie sie mit moderner CMMS-Software wie Limble kombinieren. Limble kann mit Ihrem Vibrationssensor kommunizieren und je nach Einrichtung automatisch Notfall-Arbeitsaufträge auslösen.

Ein ausgelöster WO in Limble CMMS basierend auf Vibrationssensordaten 

Verwenden von Schwingungsanalysen für Störungen und korrektive Wartung

Auch in einem reaktiven Szenario kann eine Schwingungsanalyse hilfreich sein. Sie können im Rahmen Ihres Störungswartungsprozesses eine Schwingungsanalyse durchführen, um die Ursache des Fehlers zu identifizieren. Dies wird Ihnen helfen:

1. die entsprechenden Korrekturmaßnahmen ergreifen, um den Fehler zu beheben
2. Verhindern, dass ähnliche Fehler in Zukunft auftreten

Wenn Sie Limble CMMS verwenden, können Techniker beim Schließen eines Arbeitsauftrags Kommentare hinterlassen und wichtige Notizen zu entdeckten Fehlerursachen, Vibrationstestdaten, Gerätezustand und Ausfallzeiten hinterlassen.

Diese Daten können verwendet werden von:

• Zuverlässigkeitsingenieure bei der Durchführung von Fehleranalysen
• Wartungsmanager zur Bewertung der Wartungskosten
• durch andere Techniker, um zukünftige Fehlerbehebungs- und Reparaturprozesse an dieser Art von Geräten zu beschleunigen

Vorteile und Grenzen der Schwingungsanalyse

Wie jedes andere Wartungswerkzeug oder jede andere Technik hat die Schwingungsanalyse spezifische Vorteile und Einschränkungen. Wenn Sie diese kennen, können Sie praktikable Anwendungsfälle für die Schwingungsanalyse in Ihrer Werkshalle identifizieren.

Vorteile der Schwingungsanalyse:

• Es kann verwendet werden, um schwer zugängliche Komponenten ohne geplante Abschaltungen zu überwachen.
• Mit der richtigen Einrichtung kann es aus der Ferne verwendet werden.
• Es bietet Echtzeit-Einblicke in den Zustand Ihrer kritischen Vermögenswerte.
• Es gibt viele etablierte SOPs, Methoden und Software, die Sie verwenden können, um den Schwingungsanalyseprozess zu vereinfachen.
• Heutzutage gibt es viele kommerziell erhältliche Sensoren, die für die Verfolgung bestimmter Betriebsbedingungen entwickelt wurden.

Einschränkungen der Schwingungsanalyse:

• Fachwissen, Schulungen und Zertifizierungen sind erforderlich, um eine Schwingungsanalyse korrekt durchzuführen.
• Es kann nicht verwendet werden, um sich schnell ändernde Fehler zu verfolgen (Fehler, die sich in kurzer Zeit durch die Maschine ausbreiten).
• Es erfordert einige Vorabinvestitionen in Vibrationsausrüstung und Softwaretools.
• Die Fehlerlokalisierung kann kompliziert sein.

Alles in allem ist die Schwingungsüberwachung ein leistungsstarker Verbündeter für jedes Unternehmen, das vorausschauende Wartung oder zustandsbasierte Wartung durchführt. Allerdings sollte jeder Implementierung von Sensoren und Tools eine Kosten-Nutzen-Analyse vorausgehen.

Der frühe Vogel bekommt den Wurm

Wenn Sie die Verschlechterung der Ausrüstung so früh wie möglich erkennen, kann Ihr Unternehmen auf lange Sicht eine Menge Geld sparen, insbesondere wenn Ihre Geschäftsprozesse auf teure physische Vermögenswerte angewiesen sind.

Mit mehr Freiraum hat Ihr Wartungsteam genügend Zeit, um Ersatzteile zu bestellen, die notwendigen Werkzeuge zuzuteilen und Wartungsarbeiten in Abstimmung mit der Produktion und anderen Abteilungen zu planen.

Dank CMMS, Schwingungsanalyse und anderen Tools zur Zustandsüberwachung war die Organisation von Wartungsarbeiten noch nie so einfach.