Was ist Schwingungsanalyse
Die Schwingungsanalyse misst, wie eine rotierende Maschine schwingt, und nutzt das Spektrum dieses Signals, um die Ursache zu finden: Unwucht, Fluchtungsfehler, Lockerheit oder Lagerschaden. Sie ist das meistgenutzte Verfahren der zustandsorientierten Instandhaltung, denn jeder mechanische Fehler hinterlässt lange vor dem Ausfall ein Muster bei einer eigenen Frequenz.
Der Kerngedanke ist einfach: Der Gesamtwert zeigt, dass ein Problem vorliegt, das Spektrum zeigt, welches.
Visuelle Karte zur Schwingungsanalyse
Die Karte zeigt, wie Unwucht, Fluchtungsfehler und Lockerheit im Spektrum erscheinen, mit den Zahlen des Motors mit 1780 U/min aus diesem Artikel.
Vom Signal zum Spektrum
Ein am Lagergehäuse befestigter Beschleunigungsaufnehmer liefert ein Zeitsignal. Die FFT (schnelle Fourier-Transformation) wandelt es in ein Spektrum um: Frequenz (Hz) auf der horizontalen, Amplitude auf der vertikalen Achse. Drei Begriffe reichen für den Einstieg:
- Drehfrequenz (1X): Drehzahl ÷ 60. Bei 1780 U/min ist 1X = 29,67 Hz. Die Vielfachen (2X = 59,3 Hz; 3X = 89,0 Hz) sind die Harmonischen.
- Messgröße: Die Beschleunigung betont hohe Frequenzen (Wälzlager); die Schwinggeschwindigkeit in mm/s (Effektivwert) ist das beste Maß für die Gesamtschwere; der Weg eignet sich für niedrige Frequenzen. Zusammenhang: Beschleunigung = Geschwindigkeit × 2π × f. Eine Spitzengeschwindigkeit von 6,0 mm/s bei 29,67 Hz entspricht 1,12 m/s², etwa 0,114 g.
- Effektivwert und Spitze: Bei einer Sinusschwingung gilt Effektivwert = 0,707 × Spitze. Aus 6,0 mm/s Spitze werden 4,24 mm/s effektiv.
Die Messparameter bestimmen, was sichtbar wird. Mit Fmax = 1000 Hz und 1600 Linien beträgt die Auflösung 1000 ÷ 1600 = 0,625 Hz und reicht aus, um 1X (29,67 Hz) von Nachbarlinien zu trennen. Die Abtastrate muss mindestens 2,56 × Fmax = 2560 Hz betragen, die Messdauer ist 1 ÷ 0,625 = 1,6 s.
Muster der häufigsten Fehler
| Fehler | Erscheinung im Spektrum | Typische Richtung |
|---|---|---|
| Unwucht | Dominante Linie bei 1X, stabile Phase | Radial (horizontal und vertikal) |
| Fluchtungsfehler | 1X und 2X hoch; Faustregel: 2X über 50 % von 1X | Axial und radial |
| Mechanische Lockerheit | Viele Harmonische (1X, 2X, 3X …), teils 0,5X | Radial, instabile Phase |
| Lagerschaden | Nicht synchrone Linien (BPFO, BPFI) und anfangs hochfrequentes Rauschen | Radial, in Lagernähe |
Bei Wälzlagern hängen die Schadensfrequenzen von der Geometrie ab. Für den Außenring gilt BPFO = (n ÷ 2) × f × (1 − d/D × cos φ), für den Innenring BPFI = (n ÷ 2) × f × (1 + d/D × cos φ), mit n als Zahl der Wälzkörper. Mit n = 9, d/D = 0,2, φ = 0 und f = 29,67 Hz: BPFO = 4,5 × 29,67 × 0,8 = 106,8 Hz und BPFI = 4,5 × 29,67 × 1,2 = 160,2 Hz. In der Praxis nutzen Sie die Werte aus dem Katalog des Lagerherstellers. Schnelle Kontrolle: BPFO + BPFI = n × f = 267,0 Hz.
Beispiel: Motor mit Lüfter bei 1780 U/min (fiktiv)
In der monatlichen Messrunde zeigte das Lüfterlager einen Gesamtwert von 4,2 mm/s (effektiv) gegenüber einer Referenz von 1,8 mm/s. Das Spektrum zeigt:
| Frequenz | Hz | Amplitude (mm/s eff.) | Bewertung |
|---|---|---|---|
| 1X | 29,7 | 4,2 | Dominant |
| 2X | 59,3 | 0,4 | Niedrig |
| 3X | 89,0 | 0,3 | Niedrig |
| BPFO | 106,8 | 0,1 | Keine Lagerlinie |
Das Verhältnis 2X ÷ 1X = 0,4 ÷ 4,2 ≈ 0,095 liegt weit unter 0,5, und es gibt weder eine Reihe von Harmonischen noch eine Linie bei BPFO. Die Diagnose lautet Unwucht des Rotors (z. B. Ablagerungen an den Schaufeln). Die Maßnahme ist Reinigen und Auswuchten vor Ort; bestätigt wird bei der nächsten Messung: 1X sollte wieder nahe 1,8 mm/s liegen.
Referenzwert, Alarme und Messroute
Zwei einfache Alarme eignen sich für den Einstieg, abgeleitet von der Referenz jedes Messpunkts: Warnung bei 2 × Referenz (im Beispiel 3,6 mm/s) und kritisch bei 3 × Referenz (5,4 mm/s). Die 4,2 mm/s des Lüfters überschreiten die Warnschwelle und verlangen Diagnose und eine geplante Behebung. Diese Faktoren sind ein internes Beispielkriterium; für Grenzwerte nach Maschinenklasse dient die ISO 20816 mit ihren Bewertungszonen (A bis D).
- Feste Messpunkte: Sensorposition markieren, bei jeder Messung gleiche Richtung und Lage.
- Intervall: monatlich für die meisten Anlagen; kürzer, wenn der Trend steigt.
- Priorisierung: mit den kritischen Anlagen beginnen, bestimmt durch zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung (RCM).
- Dokumentation: Messwert, Diagnose und Auftrag im CMMS erfassen, um den Trend zu verfolgen.
Das Ergebnis zeigt sich in den Kennzahlen: weniger ungeplante Stillstände erhöhen den MTBF und senken den MTTR, wie im Beitrag zu MTBF und MTTR. Die Schwingungsanalyse hilft auch, den Beginn der Verschleißphase in der Badewannenkurve zu erkennen.
Häufige Fehler
- Messen ohne festen Messpunkt: Ein Sensor an wechselnden Stellen erzeugt einen falschen Trend.
- Nur den Gesamtwert betrachten, ohne das Spektrum zu öffnen.
- Zu geringe Auflösung, die nahe Linien verschmilzt (z. B. 1X und Netzfrequenz).
- Diagnose ohne Kontrolle der tatsächlichen Drehzahl: Mit Frequenzumrichter verschiebt sich 1X.
- Eine Strukturresonanz mit einem Maschinenfehler verwechseln.
- Den Kreis nicht schließen: Nach der Reparatur nachmessen, um den Rückgang der Linie zu bestätigen.
Häufige Fragen
Wofür dient die Schwingungsanalyse?
Zum Erkennen und Diagnostizieren mechanischer Fehler an rotierenden Maschinen, wie Unwucht, Fluchtungsfehler, Lockerheit und Lagerschäden, vor dem Ausfall.
Wie berechnet man 1X?
Die Drehzahl in U/min durch 60 teilen. Bei 1780 U/min: 1780 ÷ 60 = 29,67 Hz.
Was unterscheidet Unwucht von Fluchtungsfehler?
Bei Unwucht dominiert 1X in radialer Richtung. Beim Fluchtungsfehler treten 1X und 2X auf, mit deutlicher 2X (Faustregel: über 50 % von 1X) und hohem Axialanteil.
Soll ich Beschleunigung oder Geschwindigkeit messen?
Schwinggeschwindigkeit in mm/s (effektiv) für die Gesamtschwere; Beschleunigung für Wälzlager- und Zahnradschäden, die bei hohen Frequenzen auftreten.
Wie oft sollte gemessen werden?
In den meisten Fällen monatlich. Das Intervall verkürzen, wenn der Trend steigt oder die Anlage kritisch ist.
Brauche ich die ISO für Alarmgrenzen?
Nicht zwingend, aber die ISO 20816 liefert Bewertungszonen je Maschinenklasse. Viele Werke kombinieren diese Zonen mit Grenzen auf Basis der Referenz jedes Messpunkts.
Quellen
- SCHEFFER, C.; GIRDHAR, P. Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive Maintenance. Oxford: Newnes, 2004.
- MOBLEY, R. K. An Introduction to Predictive Maintenance. 2. Aufl. Butterworth-Heinemann, 2002.
- DIN ISO 20816-1: Mechanische Schwingungen, Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen, allgemeine Anleitungen.
- DIN ISO 13373-1: Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen, Schwingungszustandsüberwachung.
Zum Weiterlernen: verlässliche Quellen und Links
- ABRAMAN: Associação Brasileira de Manutenção e Gestão de Ativos (auf Portugiesisch)
- SMRP: Society for Maintenance & Reliability Professionals (auf Englisch)
- Wikipedia: Wartung
- Wikipedia: Fließbandfertigung
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Über den Autor
Spezialist für Lean Manufacturing und Verhaltensmanagement
Über 20 Jahre in der Automobil- und Metallindustrie (GM und Dana), Praktiker für Lean Manufacturing seit 2006. SENAI-Dozent und Mentor im brasilianischen Programm Brasil Mais Produtivo, mit Beratung, Schulung und Audits für über 50 Unternehmen. Er verbindet Qualität, Produktivität und Personalentwicklung.
