Vibrationsanalyse in der Industrie – ein Überblick

Viele Branchen sind auf den ununterbrochenen Betrieb kritischer Anlagen wie Motoren und Pumpen angewiesen. Diese Geräte müssen funktionieren, bei Ausfällen drohen Geldstrafen oder rechtliche Sanktionen.

Was bedeutet vorausschauende Wartung?

Unternehmen setzen daher zunehmend auf Programme zur vorausschauenden Wartung, indem sie unerwarteten Störungen und damit ungeplanten Ausfallzeiten zuvorkommen. Ein solches Programm überwacht den Zustand und die Leistung von Maschinen, um zu beurteilen, welche mit größerer Wahrscheinlichkeit wann ausfallen. Diese Informationen ermöglichen es, den Zustand einer Maschine gezielter zu untersuchen, Wartungsarbeiten so zu planen, dass sie mit den Produktionsplänen abgestimmt sind, und Reparaturen durchzuführen, bevor eine Maschine ausfällt.

Diese Vorgehensweise kann einige wesentliche Vorteile bringen, darunter:

• Wartungskosten – Reduktion um 50 Prozent
• Unerwartete Ausfälle – Reduktion um 55 Prozent
• Reparatur- und Überholungszeit – Reduktion um 60 Prozent
• Ersatzteilbestand – Reduktion um 30 Prozent
• Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) – Erhöhung um 30 Prozent
• Verfügbarkeit – Erhöhung um 30 Prozent

Laut dem Plant Engineer’s Handbook (2001) kann bei einer typischen Fertigungsstätte eine Reduzierung der Wartungskosten um 10 Prozent den gleichen finanziellen Nutzen bringen wie eine Umsatzsteigerung von 40 Prozent.

Vibrationssensoren liefert Daten über den Zustand der Maschinen

Eines der wichtigsten Werkzeuge, das Daten für ein vorausschauendes Wartungsprogramm liefern kann, ist die Vibrationsanalyse. Anhand der gemessenen Vibrationen können Techniker auf Änderungen des Zustands eines Bauteils in Echtzeit reagieren und den Zustand auch aus der Ferne überwachen.

Die häufigste Art von Vibrationssensoren sind Beschleunigungsmesser, die in direktem Kontakt mit der gemessenen Maschine oder dem gemessenen Bauteil stehen müssen. Dabei sind piezoelektrische Beschleunigungsmesser die am weitesten verbreitete Art, da sie bei den meisten Frequenzen ein starkes, klares Signal erzeugen. Auch piezoresistive Beschleunigungsmesser, die Widerstandsänderungen produzieren, werden zunehmend eingesetzt.

Mikrofonsensoren können Änderungen in hochfrequenten Tönen erfassen und sind eine kostengünstige Möglichkeit, grundlegende Informationen bereitzustellen. Sie werden häufig neben Beschleunigungsmessern verwendet.

Dehnungsmesser funktionieren über ein elektrisch leitfähiges Gitter, das sich bei Vibration des Bauteils verformt. Diese Verformungen verändern den elektrischen Widerstand des Gitters und durch Ablesen der Zeit, die ein elektrischer Strom benötigt, um durch das Gitter zu fließen, kann die Vibration des Objekts beurteilt werden.

Bei berührungslosen Techniken wie Wirbelstrom und Laserwegmessung ist kein direkter Kontakt mit der Anlage erforderlich. Daher sind sie ideal für die Verwendung an empfindlichen Maschinen und Bauteilen.

Es gibt auch bewährte Vibrationsanalysetechniken, die bei der vorausschauenden Wartung zum Einsatz kommen, wie die Analyse der maximalen Beschleunigung, die Frequenzanalyse und Techniken auf Basis von künstlicher Intelligenz. Einige Anbieter liefern kompakte Vibrationsanalysegeräte, die Hinweise auf Vibrationsprobleme in Motoren, hydraulischen Bauteilen und anderen Maschinen in Produktionsprozessen liefern können.

Das IIoT fördert die Impelmentierung von Vibrationsanalyse

Einer der Hauptfaktoren zur Förderung der Implementierung von Vibrationsanalysesensoren und -techniken ist die laufende Einführung des industriellen Internets der Dinge (IIoT). Da Fertigungsunternehmen eine werksweite Konnektivität implementieren, um Daten von miteinander verbundenen Sensoren und Messgeräten auszutauschen, wird es einfacher, auf Daten zuzugreifen, sie zu analysieren und sie in vorausschauende Wartungsprogramme einzuspeisen. Dies erleichtert die Integration von Vibrationssensoren in ein Überwachungs- und Wartungsprogramm. Anwender von Produktionsmaschinen, insbesondere rotierenden Maschinen wie Motoren, Pumpen, Verdichtern und Turbinen, können von dieser Technologie finanziell profitieren.

Wann eine Vibrationsanalyse sinnvoll ist

Es gibt eine Reihe von Missverständnissen in Bezug auf die Vibrationsanalyse und die Notwendigkeit, sie als wichtige Säule eines vorausschauenden Wartungsprogramms einzuführen. Dazu gehört die Annahme, die Maschinen vibrieren nicht, und daher wird auch nicht erwartet, dass sie bald ausfallen.

Alle Maschine vibrieren und während es normal ist, dass Motoren geringe Vibrationen erzeugen, können große Vibrationen oder Änderungen des Vibrationsmusters des Motors auf Probleme hindeuten. Die Gesamtvibration eines Motors kann auf viele Elemente zurückgehen.

Das sind die Ursachen von Vibrationen

Eine der Hauptursachen für Vibrationen sind Unwuchten in einem Motor, d. h. ein Punkt, an dem sich ein Unwuchtgewicht um die Maschinenachse bewegt, wodurch die rotierenden Bauteile vibrieren. Diese Arten von Unwuchten können durch Guss- bzw. Bearbeitungsfehler oder auch Wartungsprobleme wie verschmutzte Lüfterflügel verursacht werden.

Lager können eine weitere wesentliche Ursache für Vibrationen sein, wobei lose Lager zu Vibrationen führen können, die sich auf andere Bauteile ausbreiten. Eine mangelhafte Schmierung, schlechte Isolierung oder Verschmutzung kann zum schnellen Verschleiß von Lagerbestandteilen führen, während die zerfurchte Lauffläche eines Rollenlagers bei jedem Überrollen des beschädigten Bereichs eine Bewegung erzeugen kann.

Zahnräder sind auch eine potenzielle Vibrationsquelle, wenn sie verstellt werden. Verschlissene oder kaputte Zahnradzähne können aneinander reiben und eine potenziell gefährliche Vibration verursachen.

Anzeichen für einen möglichen Ausfall

Abzuwarten, bis es leicht erkennbare Anzeichen eines bevorstehenden Ausfalls gibt, ist eine falsche Herangehensweise. An diesem Punkt könnte es in nur wenigen Tagen oder Stunden zu einem Totalausfall kommen. Im Gegensatz dazu kann ein ordnungsgemäß ausgeführtes Vibrationsanalyseprogramm einen möglichen Fehler viele Monate vor seinem tatsächlichen Auftreten erkennen.

Erkennbare Anzeichen für einen bevorstehenden Ausfall eines Bauteils sind Geräusche und übermäßige Hitze, die von Menschen wahrgenommen werden können. Änderungen beim Vibrationsprofil eines Bauteils oder einer Maschine können viele Monate vor einem zu erwartenden Ausfall erkannt werden.

Viele Anlagenwartungsabteilungen arbeiten nach der Run-to-Failure-Philosophie und ergreifen erst dann Maßnahmen, wenn die Maschine tatsächlich ausfällt. Wartungskosten und Produktionsverluste sind daher hoch. Zu den Vorteilen der Vibrationsfrüherkennung gehören hingegen Vorhersehbarkeit, Sicherheit, niedrigere Kosten und höhere Zuverlässigkeit.

Analyse der Vibrationsdaten

Die Analyse von Vibrationsdaten erfordert Software, Hardware, Schulung und Einarbeitung, eine umfangreiche Informationsinfrastruktur für Anlagen und Maschinen und einen geregelten Zeitplan. Auch wenn die komplexeste Analyse von Vibrationssignalen mit mehreren Ursachen am besten spezialisierten Vibrationsanalysten überlassen werden sollte, gibt es viel, was getan werden kann, um grundlegende Probleme auch mit relativ kostengünstigen Geräten zu erkennen.

Beispiel für ein Schwingungsmessgerät für präzise, wiederholbare Messwerte

Ein Beispiel ist das Schwingungsmessgerät Fluke 805, ein benutzerfreundliches Instrument, das präzise, wiederholbare Messwerte liefert. Dieses Messgerät verfügt über eine vierstufige Schweregrad-Skala und einen integrierten Prozessor, der den Lagerzustand und die Gesamtvibration berechnet und mithilfe von gleichermaßen leicht verständlichen Textmeldungen angibt.

Seine Sensoren können einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 20.000 Hz auslesen, der breit genug ist, um die Vibrationsprofile der meisten Maschinen und Bauteile abzudecken. Das Messgerät 805 verfügt über eine einfache Benutzeroberfläche, bei welcher der Benutzer nur den Drehzahlbereich und den Maschinentyp eingeben muss. Fluke bietet auch das Schwingungsmessgerät Fluke 810 an, ein Messgerät mit einer Diagnose-Engine, die eine Datenbank mit realen Vibrationsdaten verwendet.

Obwohl für die Einrichtung eines Vibrationsanalyseprogramms ein gewisser Aufwand erforderlich ist, können die Kosten im Falle einer Nichtdurchführung der Vibrationsanalyse erheblich höher sein. So hat zum Beispiel eine Analyse von ABB Motors die möglichen Kosten dargelegt, die entstehen, wenn ein Motor ausfällt. Bei der Analyse wurde ein 315 kW-Motor mit einem Wirkungsgrad von 95,5 Prozent in einem kontinuierlichen Prozess untersucht. Bei Energiekosten von 11 p/kWh und einer Betriebsdauer des Motors von 8.400 Stunden pro Jahr würden die Kosten für den Betrieb des Motors über eine Lebensdauer von 20 Jahren bei 5.7046.965 € liegen. Dies ist im Vergleich zum typischen Anschaffungspreis von 20.812 € äußerst hoch.

Die Kosten dafür, den Motor nicht einzuschalten, sind jedoch gleichermaßen hoch. Die Analyse führte ein Beispiel eines Motors in der Öl- und Gasindustrie an, bei dem ein einziger Ausfall zu Verlusten in Höhe von 254.373 € pro Stunde führen könnte. Bereits ein zehnstündiger Ausfall über die 20-jährige Lebensdauer eines Motors würde Verluste in Höhe von 2,5 Mio. € zur Folge haben.

Was bei der Vorbereitung einer Vibrationsüberwachung und -analyse zu beachten ist

Wenn ein Unternehmen groß genug ist, um ein eigenes Team zu haben, das sich um den reibungslosen Betrieb kümmert, dann sollten Vibrationsüberwachung und -analyse zum Aufgabenbereich dieses Teams gehören. Wartungstechniker können für wenige hundert Euro eine Online-Schulung nach ISO 18436-Standard absolvieren. Einer der Vorteile eines eigenen Vibrationsanalyseprogramms ist die Möglichkeit, Maschinentrends zu bewerten. Die eigenen Mitarbeiter kennen die Maschinen, Prozesse, Bedingungen und die Geschichte und können dieses Wissen dazu nutzen, Informationen zu ergänzen, die sie von ihren Überwachungstools erhalten.

Mit ein wenig Schulung, Einarbeitung und kostengünstigen Überwachungsgeräten können Daten gesammelt werden, die Fehlerzustände sichtbar machen. Wenn eine eingehendere Analyse erforderlich ist, können Fachberater hinzugezogen werden, um anspruchsvolle Probleme mithilfe fortschrittlicherer Techniken zu analysieren.

Eine wachsende Anzahl von Anbietern stellt technisch ausgereifte Überwachungs- und Analysegeräte zur Verfügung. Die Vibrationsanalyse findet dadurch breitere Anwendung, indem ihre Vorteile bekannter werden. Farnell bietet Lösungen von zahlreichen Lieferanten an, darunter Fluke, Kemet, Omron, Murata, Amphenol Wilcoxon, TE Connectivity und Rohm. Mehrere dieser Anbieter stellen auch Online-Ressourcen bereit, die Argumente für die Vibrationsanalyse und ihre praktische Anwendung liefern.

Raue Umgebungen

Branchen mit rauen Umgebungen, wie Industrie, Kfz-Branche und Luft- und Raumfahrt, verwenden Vibrationssensoren bereits in großem Umfang. Auch wenn es sich hierbei um Branchen mit anspruchsvollen Bedingungen handelt, haben sorgfältige Überlegungen im Hinblick auf Gehäuse/Steckverbinderkonstruktion, Sensorelementmaterial, Signalaufbereitung und Verkabelung gezeigt, dass die Herausforderungen nicht unüberwindbar sind. Namhafte Hersteller können für die meisten Anwendungen geeignete Lösungen empfehlen. Tatsächlich wächst die Nachfrage nach komplexen Sensoren, die auch extremen Wetterbedingungen standhalten, wie MEMS-, Ultraschall-, drahtlose und faseroptische Sensoren.

Fazit

Heute erkennen immer mehr Unternehmen die Notwendigkeit, ein vorausschauendes Wartungsprogramm umzusetzen, insbesondere in kritischen Produktionsanlagen. Die Vibrationsanalyse ist eine wichtige Maßnahme, um dieses Ziel zu erreichen. Viele Hersteller und Distributoren von elektronischen Bauelementen bieten Sensoren, Analysegeräte und Software, professionellen technischen Support und Schulungen an, um Kunden in jeder Phase der Entwicklung zu unterstützen.