Beschleunigungshüllkurve zur Erkennung von Lagerschäden
Einleitung
In jeder Produktions- oder Verarbeitungsanlage hat ein Maschinenausfall schwerwiegende Folgen. Normalerweise sind davon die Produktivität und die Rentabilität betroffen, zudem besteht ein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko. Überraschenderweise wird die Ursache des Ausfalls jedoch selten ermittelt. Stattdessen werden die beschädigten und ausgefallenen Lager oft einfach ersetzt, in der Hoffnung, dass sie beim nächsten Mal länger halten.
Lager versagen jedoch nicht grundlos. Es gibt immer eine Erklärung dafür, und meistens liegt dies an einem von mehreren Gründen: Die Maschine läuft unternasst, fehlausgerichtet oder mit einer kritischen Drehzahl; ein Lager wurde nicht korrekt eingebaut; es wurde zu viel oder zu wenig geschmiert; oder es wurde das falsche Schmiermittel verwendet.
Schwingungsanalyse
Wenn derartige Probleme an Industrieanlagen auftreten, werden empfindliche Beschleunigungsmesser eingesetzt, um die Vibrationen zu erkennen und zu analysieren. Diese Technik wird als Schwingungsanalyse bezeichnet und kann Lagerschäden in einem sehr frühen Stadium erkennen, wenn beispielsweise ein mikroskopischer Defekt an der Laufbahn vorliegt.
Dies ermöglicht es, Probleme vor dem Ausfall der Maschine zu erkennen, und es können proaktive Maßnahmen ergriffen werden, um Schäden an den Anlagen zu minimieren. Bei dieser Technik gibt es jedoch ein wichtiges Problem zu beachten: Das Identifizierungssignal geht in der Regel in all den anderen von der Maschine erzeugten Geräuschen unter.
Was ist die Beschleunigungs-Hüllkurvenanalyse
Es ist von entscheidender Bedeutung, Lagerschäden so früh wie möglich zu erkennen, um zu verhindern, dass sie sich zu schwerwiegenderen Problemen entwickeln, und eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung einer Signalverarbeitungstechnik namens Beschleunigungshüllkurvenanalyse.
Es funktioniert, indem unerwünschte Teile des Schwingungsspektrums schrittweise herausgefiltert werden, bis das Signal eines Lagerdefekts deutlich zu erkennen ist.
Die Hüllkurven-Beschleunigungsanalyse wird am häufigsten in Wälzlagersystemen eingesetzt, kann aber auch in Bereichen wie Elektromotoren und Getrieben angewendet werden. Sie ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg zustandsorientierter Instandhaltungsprogramme.
Ohne Hüllkurvenanalyse erfahren Instandhaltungsteams und Ingenieure erst dann von Schäden und Ausfällen, wenn die Gesamtschwingung zunimmt, Schmierstoffe verunreinigt sind und die Temperaturen steigen. Zu diesem Zeitpunkt kann die verbleibende Lebensdauer der ausfallenden Maschinenelemente bereits kurz sein und der Schaden schwerwiegender sein, als wenn die Fehler früher erkannt worden wären.
Im schlimmsten Fall können Lager versagen und die Maschine ausfallen, bevor das Bedienerpersonal Probleme bemerkt oder behebt.
Wie Beschleunigungs-Hüllkurvenbildung funktioniert
Die Hüllkurvenanalyse der Beschleunigung ist ein zweistufiger Prozess.
Der erste Schritt besteht darin, einen Bandpassfilter auf die Mischung aus niedrigen und hohen Frequenzen der ungefilterten Wellenform eines defekten Lagers anzuwenden. Dies isoliert nur die Frequenzen, in denen sich das Signal von Interesse verbirgt.
Die gefilterte Ausgabe identifiziert sich wiederholende, hochfrequente Signale. Dies sind die Stöße, die durch das Aufprallen der Wälzkörper auf den Defekt des rotierenden Lagers entstehen.
Der zweite Schritt des Prozesses besteht darin, das gefilterte Ausgangssignal durch einen Hüllkurvendetektor zu leiten, der die Wellenform gleichrichtet, indem er den negativen Teil in den positiven invertiert, und die Wiederholungsrate der Energiestöße extrahiert.
Diese Hüllkurve wird nun als echtes Schwingungssignal genutzt, was ihr hilft, sich vom Hintergrundrauschen abzuheben.
Die Hüllkurve hilft dabei, regelmäßig beabstandete Signale wie einen einzelnen Defekt auf einer Laufbahn zu erfassen, während andere Rauschquellen wie Wellenreiben zufällig sind und keine gleichmäßig verteilten Peaks erzeugen.
Es ist wichtig zu beachten, dass einige Erfahrung erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Schritte in diesem Prozess korrekt ausgeführt werden, insbesondere bei der Auswahl der richtigen Hoch- und Tiefpassfrequenzen.
Beschleunigungs-Hüllkurvenanalyse in der Praxis
Beschleunigungs-Hüllkurvenanalyse wird am häufigsten in Wälzlagersystemen eingesetzt, kann aber auch in Bereichen wie Elektromotoren und Getrieben angewendet werden.
Es hat sich wiederholt als Schlüsselfaktor für den Erfolg zustandsorientierter Instandhaltungsprogramme erwiesen. Obwohl es überwiegend bei Signalen im Beschleunigungsspektrum eingesetzt wird, kann es auch zur Verbesserung anderer Messungen wie Stoßimpulsen verwendet werden.
Anwendungsbeispiel: Beschleunigungs-Hüllkurvenanalyse in Windkraftanlagen
Die durchschnittliche Windkraftanlage hat rund achttausend Einzelteile. Davon steht eine große Anzahl mit dem Antriebsstrang in Verbindung, der als Hauptursache für verlängerte Ausfallzeiten erkannt wurde.
Verschleiß insbesondere in Getrieben und Lagern verursacht bekanntermaßen Probleme und kann zu teuren Reparaturen führen. Regelmäßige Schwingungsüberwachung kann verhindern, dass diese Probleme auftreten.
Die Komplexität einer typischen Windkraftanlage stellt eine Herausforderung für die Schwingungsüberwachung dar. Komponenten wie der Hauptturm, das Getriebe und der Generator erzeugen einzigartige Schwingungssignaturen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen, die schwer zu isolieren sind und durch Rauschen von umliegenden Systemen überdeckt werden können.
Hier spielt die Beschleunigungshüllkurvenanalyse eine entscheidende Rolle.
Sensorauswahl und -installation für Windkraftanwendungen
Um wirksam zu sein, sollten Beschleunigungsmesser an allen wichtigen rotierenden Teilen einer Turbine angebracht werden. Dazu gehören die Hauptlager, die Planeten-, Zwischen- und Schnellläufer-Getriebestufen, der Generator sowie idealerweise die Quer- und Axialbewegungen der Gondel.
Beschleunigungssensoren sollten in Abhängigkeit von der Frequenz von Hüllkurvensignalen ausgewählt werden. An den Antriebssträngen von Windkraftanlagen, insbesondere an der Generatorabtriebswelle, können die Drehzahlen relativ gering sein und erfordern möglicherweise spezielle niederfrequente AC-Beschleunigungssensoren mit Empfindlichkeiten zwischen einhundert Millivolt pro g und fünfhundert Millivolt pro g.
Jeder Beschleunigungssensor muss sicher auf einer sauberen und festen Basis montiert werden, und zwar so nah wie möglich an der zu überwachenden Komponente. Normalerweise werden Standard-M8-Halterungen verwendet.
Daten sollten regelmäßig und konsistent erhoben werden, um Änderungen der Betriebsbedingungen oder Trends im Zeitverlauf frühzeitig erkennen zu können.
Daten können vor Ort mit Handheld-Datenerfassern erfasst werden, die über eine Software zur automatischen Berechnung der Beschleunigungshüllkurve verfügen, oder zur anschließenden Analyse an ein Remote-Überwachungszentrum übertragen werden.
Auswertung von Beschleunigungs-Hüllkurvendaten
Sobald das Signal gefiltert wurde, können die Daten des Beschleunigungsmessers mit einem Datenerfassungsgerät erfasst und von einem Spezialisten überprüft werden.
Basierend auf den Daten kann entschieden werden, ob sofortige Wartungsarbeiten erforderlich sind, diese im Rahmen von Routineterminen geplant werden können oder zu diesem Zeitpunkt keine Maßnahmen erforderlich sind.
Grenzen der Beschleunigungshüllkurvenanalyse
Obwohl die Hüllkurven-Beschleunigungsanalyse die endgültige Antwort auf die Erkennung von Lagerschäden zu sein scheint, gibt es Situationen, in denen sie möglicherweise nicht die beste Option ist.
Die Technik erkennt Fehler, die mit wiederholten Metall-auf-Metall-Interaktionen verbunden sind. Alles, was dies maskiert, wie etwa Dichtungen oder Dämpfer, kann dazu führen, dass eine Maschine außerhalb des Anwendungsbereichs der Hüllkurvenanalyse liegt.
Schlüsselfaktoren für den Erfolg
Wenn sich eine Anwendung für die Beschleunigungshüllkurvenanalyse eignet, tragen mehrere Faktoren dazu bei, bestmögliche Ergebnisse sicherzustellen.
Beschleunigungssensoren müssen sorgfältig für den richtigen Frequenzbereich ausgewählt werden, um der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Ein erfahrener Anbieter kann bei der Auswahl zwischen AC- und Vier-bis-Zwanzig-Milliampere-Beschleunigungssensoren behilflich sein.
Beschleunigungssensoren müssen korrekt montiert werden, nahe dem zu überwachenden Bauteil und auf einer flachen, sauberen Oberfläche, um konsistente Ergebnisse zu gewährleisten. Eine schlechte Montage verringert die Zuverlässigkeit und kann die erfassten Daten unbrauchbar machen.
Nach der Installation und Kalibrierung sollten in regelmäßigen Abständen Messwerte erfasst werden, um eine genaue Trendanalyse zu ermöglichen. Dies ermöglicht es, einen sich stetig verschlechternden Zustand zu erkennen und zu beheben, bevor sich der Lagerschaden verschlimmert.
Es ist wichtig zu verstehen, dass Schwingungsdaten keine einfache Ja- oder Nein-Antwort liefern und Erfahrung erfordern, um sie richtig zu interpretieren. In einigen Fällen kann die Amplitude mit der Zeit abnehmen, obwohl sich der Verschlechterungsprozess fortsetzt.
Einsatz von Acceleration Enveloping als Teil einer umfassenderen Strategie
Die Vorteile der Hüllkurvendemodulation für Beschleunigungssignale liegen auf der Hand, sie sollte jedoch nicht als alleinstehende Technik verwendet werden.
Um die zuverlässigsten Ergebnisse zu erzielen, sollte die Beschleunigungshüllkurvenanalyse als Teil eines umfassenderen Überwachungs- und Analysesystems implementiert werden. In Kombination mit den Richtlinien in diesem Dokument kann sie Ingenieuren dabei helfen, den Maschinenzustand, die Leistung und die Produktivität zu schützen und gleichzeitig Ausfälle und Produktionsausfälle zu verhindern.
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