Das Öffnen des Umschlags über Schwingungen von Lagern

Eine ausgefeilte Signalverarbeitungstechnik kann helfen, Lagerschäden frühzeitig zu lokalisieren. Chris Hansford, Geschäftsführer von Hansford Sensors, erklärt.

Erfahrene Bediener können oft allein anhand der Tatsache, dass eine Maschine sich ‘nicht richtig anhört’, feststellen, dass sie nicht richtig funktioniert. Dasselbe Prinzip lässt sich – unter Einsatz moderner Elektronik – anwenden, um die genaue Ursache des Problems zu identifizieren.

Empfindliche Beschleunigungsmesser können die Vibrationen von Industrieanlagen erfassen und analysieren und dabei Probleme wie Fehlausrichtungen oder Unwuchten von Lagern aufzeigen. Diese Technik wird als Schwingungsanalyse bezeichnet. Sie kann Lagerschäden in einem sehr frühen Stadium erkennen, wenn beispielsweise ein mikroskopischer Defekt an der Laufbahn vorliegt. Das Problem ist, dass das Erkennungssignal normalerweise in dem gesamten anderen Lärm, der von der Maschine ausgeht, untergeht.

Filtervorrichtung

Es ist von entscheidender Bedeutung, diese Art von Fehlern so früh wie möglich zu erkennen, um zu verhindern, dass sie sich zu schwerwiegenderen Problemen entwickeln. Eine Möglichkeit, das Signal von Interesse zu lokalisieren und das ‘Rauschen’ herauszufiltern, ist die Verwendung einer Signalverarbeitungstechnik namens Beschleunigungshüllkurvenanalyse. Sie funktioniert, indem unerwünschte Teile des Schwingungsspektrums schrittweise herausgefiltert werden, bis das Signal eines Lagerfehlers deutlich zu erkennen ist – wodurch niederpegelige, repetitive Schwingungen aus dem sie umgebenden Rauschen extrahiert werden.

Die ungefilterte Wellenform eines defekten Lagers ist eine Mischung aus niedrigen und hohen Frequenzen ohne offensichtliches Muster. Der erste Schritt besteht darin, einen Bandpassfilter anzuwenden, der nur die Frequenzen isoliert, in denen sich das Signal von Interesse verbirgt. Es ist etwas Erfahrung erforderlich, um zu wissen, wie man die Hoch- und Tiefpassfrequenzen auswählt.

Das gefilterte Ausgangssignal identifiziert sich wiederholende Hochfrequenzsignale, allerdings sind weitere Schritte erforderlich, um das für den Lagerfehler spezifische Signal genau zu lokalisieren. Zunächst wird die Wellenform gleichgerichtet – wobei der negative Teil in den positiven invertiert wird – und anschließend wird diese durch das Nachzeichnen einer Linie über die allgemeine Form des gleichgerichteten Signals eingehüllt (oder demoduliert). Diese ‘Hüllkurve’ wird nun als echtes Schwingungssignal verwendet, wodurch sie sich besser vom Rauschen abhebt.

Die Hüllkurve trägt dazu bei, regelmäßig beabstandete Signale, wie etwa einen einzelnen Fehler auf einer Laufbahn, zu isolieren. Andere Rauschquellen, wie z. B. Wellenreiben, sind zufällig – sie erzeugen daher keine gleichmäßig verteilten Spitzen.

Technik in Aktion

Die Beschleunigungshüllkurvenanalyse 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.

Während die Hüllkurvenbildung am häufigsten bei Signalen im Beschleunigungsspektrum angewendet wird, kann sie auch zur Verbesserung anderer Messungen, wie beispielsweise Stoßimpulsen, eingesetzt werden.

Sobald das Signal gefiltert wurde, können die Informationen mit einem Datenerfassungsgerät vom Beschleunigungsmesser abgelesen werden, bereit zur Überprüfung und Auswertung durch einen Fachmann – der entscheiden kann, ob sofort Wartungsarbeiten erforderlich sind oder diese im Rahmen der Routinenplanung eingeplant werden können.

Obwohl die Hüllkurvenanalyse (Beschleunigungshüllkurvenverfahren) als die definitive Antwort zur Erkennung von Lagerschäden erscheinen mag, kann sie nicht universell auf jede Maschine angewendet werden. Die Technik erkennt Fehler, die mit wiederkehrenden Metall-auf-Metall-Interaktionen verbunden sind. Alles, was dies verdeckt, wie etwa Dichtungen oder Dämpfer, kann dazu führen, dass eine Maschine außerhalb ihres Anwendungsbereichs liegt.

Erfolgsfaktoren

Wenn eine Anwendung für die Hüllkurvenanalyse geeignet ist, tragen mehrere Faktoren zu besseren Ergebnissen bei. Erstens sollten Beschleunigungssensoren zur Messung des Signals mit niedrigem Pegel sorgfältig im geeigneten Frequenzbereich ausgewählt werden, um den Anforderungen der jeweiligen Maschine oder Anwendung zu entsprechen.

Zweitens sollten Beschleunigungssensoren dann korrekt montiert werden – nahe dem zu überwachenden Bauteil, auf einer flachen, sauberen Oberfläche, um konsistente Ergebnisse zu garantieren. Eine schlechte Montage verringert die Zuverlässigkeit und kann die gesammelten Daten überflüssig machen.

Sobald Beschleunigungssensoren installiert und kalibriert wurden, sollten über einen gewissen Zeitraum in regelmäßigen Abständen Datenmessungen durchgeführt werden, um genaue Trendanalysen zu ermöglichen. Dies ermöglicht beispielsweise die Identifizierung eines sich kontinuierlich verschlechternden Zustands.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die bereitgestellten Informationen keine einfache ‘Ja/Nein’-Antwort darstellen – und einige Fachkenntnis und Erfahrung erfordern, um sie zu interpretieren: So kann sich beispielsweise die Amplitude eines sich verschlechternden Zustands im Laufe der Zeit verringern, da die Unvollkommenheit etwas glatter wird.

Die potenziellen Vorteile der Beschleunigungsumhüllung liegen auf der Hand, aber es wäre unklug, sich allein auf diese Technik zu verlassen. Die Implementierung als Teil eines umfassenderen Überwachungs- und Analysesystems kann weitaus effektiver sein und den Betriebsingenieuren helfen, den Zustand, die Leistung und die Produktivität aller ihnen anvertrauten Anlagen zu schützen.

Hüllkurven-Beschleunigung in der Praxis

Dem Global Wind Energy Council zufolge waren Ende 2014 rund 268.000 Windkraftanlagen in Betrieb, wobei jede Turbine durchschnittlich 8.000 Einzeltemperaturen – beziehungsweise Bauteile – aufweist. Davon steht eine große Anzahl mit dem Antriebsstrang in Verbindung, der unabhängig davon als Hauptursache für längere Ausfallzeiten erkannt wurde. Insbesondere Verschleiß an Getrieben und Lagern verursacht bekanntermaßen Probleme. Obwohl Verschleiß eher schleichend als katastrophal verläuft, kann er dennoch zu teuren Reparaturen führen, die hinsichtlich der Ausfallzeiten sowie des eventuellen Bedarfs an Schwerlasthebezeugen, Getriebewechseln oder Generatorwicklungen weit mehr kosten als lediglich der Preis für ein Ersatzlager oder eine Getriebeeinheit. Regelmäßige Schwingungsüberwachung kann das Auftreten dieser Probleme verhindern.

Die Komplexität einer typischen Windkraftanlage stellt jedoch eine Herausforderung für die Schwingungsüberwachung dar. Beispielsweise sind in der Hauptturbine, dem Getriebe und dem Generator oft mehr als 15 Wälzlager installiert, während das Getriebe eine Reihe von Stufen mit jeweils mehreren Zahnrädern umfasst. Diese Komponenten erzeugen einzigartige Schwingungssignaturen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen, die nur schwer voneinander zu trennen sind und durch Geräusche umliegender Systeme überdeckt werden können.

Hier kann eine Technik wie die Beschleunigungshüllkurvenanalyse eine entscheidende Rolle spielen, indem sie Schwingungsanalytiker und Instandhaltungsingenieure in die Lage versetzt, Schwingungssignaturen zu trennen und Veränderungen der Signalbedingungen zu erkennen, die auf zunehmenden Verschleiß hinweisen können.

Um wirksam zu sein, erfordert die Beschleunigungs-Hüllkurvenanalyse den Einsatz mehrerer Beschleunigungssensoren, die an allen wichtigen rotierenden Teilen angebracht sind. Dazu gehören die Hauptlager, die Planeten-, Zwischen- und Hochgeschwindigkeits-Getriebestufen, der Generator (Lager innen und außen) sowie idealerweise die Quer- und Axialbewegungen der Gondel.

In jedem Fall gibt es mehrere kritische Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Insbesondere muss jeder Beschleunigungssensor sicher auf einer sauberen und festen Basis und so nah wie möglich an der zu überwachenden Komponente montiert werden; normalerweise werden standardmäßige M8-Halterungen verwendet. Es ist auch wichtig, Daten konsistent zu erfassen, damit Änderungen der Betriebsbedingungen oder Trends im Laufe der Zeit so früh wie möglich genau erkannt werden können.

Es ist auch zu beachten, dass die Frequenz von Hüllkurvensignalen in direktem Zusammenhang mit der Drehzahl der Welle steht. Bei Windkraftanlagen-Antriebssträngen, beispielsweise an der Generatorabtriebswelle, können die Drehzahlen relativ niedrig sein und daher den Einsatz spezieller niederfrequenter AC-Beschleunigungssensoren mit einer Empfindlichkeit zwischen 100 mV/g und 500 mV/g erfordern. Die Sensoren sind im Allgemeinen fest mit einer Anschlussbox in der Gondel und von dort aus mit einer Schaltbox am Boden verdrahtet. Die Signale können entweder vor Ort mit tragbaren Datenerfassungsgeräten überwacht werden, die über eine Software zur automatischen Berechnung der Beschleunigungshüllkurve verfügen, oder zur anschließenden Analyse an ein Remote-Überwachungszentrum übertragen werden.