19.11.2018

Messung von dreidimensionalen Schwingungen an Maschinen

Drei in Eins

Vibrationen bei Maschinen mit rotierenden Bauteilen werden oft mit mehreren unabhängigen, an unterschiedlichen Stellen positionierten Beschleunigungssensoren gemessen. Dies kann jedoch zu Fehlinterpretationen führen, da die Datenanalyse kompliziert und anfällig für Fehler ist. Effektiver ist die Verwendung von Triaxial-Beschleunigungssensoren, die Schwingungen in drei orthogonalen Achsen messen.


Bild 1: Triaxial-Beschleunigungssensoren messen bei unterschiedlichen Anwendungen in einem einzigen Gehäuse Vibrationen in drei Achsen. Die integrierte Elektronik ermöglicht eine schnelle und genaue Frequenz- und Phasenanalyse.
Bild: Hansford Sensors Ltd

Um möglichst früh auf einen drohenden Schaden hingewiesen zu werden, haben viele Unternehmen an ihren Anlagen Systeme zur Zustandsüberwachung von sensiblen Bauteilen angeschlossen. Diese ermöglichen es, bereits vor dem Eintreten eines Schadens - und dem damit verbundenen Anlagenstops - die Beschaffung und den Austausch des betroffenen Bauteils zu planen. Neben der Temperaturmessung, ist hier die Erfassung von Schwingungen die am häufigsten genutzte Methode für die Zustandsüberwachung, denn jede Maschine erzeugt Vibrationen, gleichgültig wie präzise sie konstruiert, montiert oder betrieben wird. Vibrationen sind immer dreidimensional. Eine Pumpe hat z.B. ein vielschichtiges Schwingungsmuster. Dieses entsteht durch das Aufeinandertreffen von Schwingungen des Gehäuses, der Rotation von Drehteilen und der hochkomplexen Interaktionen der Hydraulikflüssigkeit mit dem Rotor sowie durch strömungstechnische Phänomene. Um eine genaue Einschätzung der Signale treffen zu können, muss das Schwingungsmuster entlang von aussagekräftigen Achsen erfasst werden. Die Schwingungsmessung basiert auf den Einsatz von empfindlichen Beschleunigungssensoren, die an strategischen Stellen der Maschine montiert sind, wie z.B. an Lager- bzw. Pumpengehäusen oder Getrieben. Mit diesen Sensoren kann man Schwingungsfrequenzen oder die Amplituden der Schwingungen in einer beliebigen Anzahl von Maschinenachsen messen. Die Signale werden anschließend analysiert, um eine Abweichung von der Schwingungssignatur im einwandfreien Zustand zu identifizieren. Die unterschiedlichen Charakteristika der Abweichungen können auf unterschiedliche Schadenfälle hinweisen, u.U. auf einen sich anbahnenden Lagerschaden oder einen Defekt an einem Pumpenlaufrad. Die Installation mehrerer unabhängiger Sensoren für jede Schwingungsachse, ist allerdings ein kompliziertes Unterfangen. Neben Problemen bei der Integration und Ausrichtung der Sensoren, ist die Aufbereitung der Daten und das synchronisieren der Phasen ebenfalls aufwändig. Ein weiterer negativer Effekt ist das Gewicht der Sensoren. Drei unabhängige Sensoren samt der notwendigen Verkabelung können aufgrund Ihrer Masse einen Einfluss auf das Schwingverhalten des Systems haben und die Messung somit verfälschen.

Triaxial-Beschleunigungssensoren

Eine deutlich effektivere Methode ist die Verwendung von speziellen Triaxial-Beschleunigungssesnsoren, die kompakter und leichter sind. Der Sensor misst in einem einzigen Gehäuse Vibrationen in drei Achsen und die integrierte Elektronik ermöglicht über einen einzigen Ausgang eine schnelle und genaue Frequenz- und Phasenanalyse. Natürlich ist auch hier die richtige Positionierung wichtig, sowie die Kalibrierung der Sensoren sorgfältig durchzuführen. Was genau ist aber ein Triaxial-Beschleunigungssensor? Die Sensoren vereinen drei voneinander getrennte Sensoreinheiten in einem einzigen Gehäuse, die eine unabhängige dynamische Messung von Beschleunigungen in den drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) ohne Zeitdifferenz ermöglichen. Die Einheiten sind in einem kompakten Gehäuse aus Edelstahl untergebracht. Auf Anfrage können auch Gehäuse aus Aluminium oder Titan zum Einsatz kommen. Der Anschluss an Datenlogger oder Diagnosegeräte erfolgt über einen vier Pin M12 Stecker. Für die Montage des Sensors stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Auswahl. Der HS-173 Premium Triaxial-Beschleunigungssensor gibt drei unabhängige Signale in einem Frequenzbereich von 2Hz bis 10kHz aus. Er kann in einem Temperaturbereich von -55 bis +130°C eingesetzt werden und ist nach Schutzklasse IP67 klassifiziert. Der Sensor ist schockfest für Beschleunigungen bis zu 5.000g. Um Beschleunigungen in drei unterschiedlichen Achsen zu messen, kann man vergleichbare Ergebnisse mit drei ´einfachen´ Beschleunigungssensoren erzielen, die auf einem Montageblock montiert werden. Diese Anordnung bringt jedoch einige Nachteile mit sich. Das Gewicht erhöht sich um ein Vielfaches, der Platzbedarf steigt und der Aufwand der Verkabelung verdreifacht sich. Daneben erhöht sich auch die Anzahl an möglichen Fehler- und Störquellen. Während einachsige Beschleunigungssensoren an verschiedenen Orten montiert werden können, um Vibrationen in spezifischen Achsen mit einem minimalen Frequenz- oder Amplitudenunterschied zu erkennen, haben triaxiale Systeme nur einen Montagepunkt. Die Auswahl des optimalen Montagepunktes ist daher von besonderer Bedeutung.

Montage

Neben dem Montagepunkt ist auch eine korrekte Montage sehr wichtig. Die Kopplung des Sensorgehäuses mit dem zu messenden System bestimmt maßgeblich die Qualität der Messung, insbesondere den Frequenzbereich. Wenn das Gewicht des Messsystems mehr als 10% des Gewichtes des zu messenden Systems beträgt, beeinflusst es die Schwingeigenschaften signifikant. Solange bei einer magnetischen Befestigung das Gewicht des Sensors in Verbindung mit dem Magnetadapter in einem zulässigen Rahmen bleibt und die Oberflächenscherwirkung gering ist, können damit sehr gute Messergebnisse erzielt werden. Bei der adhäsiven Befestigung mit Cyanacrylat-Klebstoffen beeinflusst die Schichtdicke des Klebstoffs die Genauigkeit der Messung, da es zu einer Dämpfung, besonders im hochfrequenten Bereich, kommen kann. Die Kleberschichtdicke sollte daher so gering wie möglich sein. Alternativ können Sensoren für den kurzzeitigen Einsatz auch mit Wachs befestigt werden. Hierbei muss jedoch ein Kompromiss zwischen der Menge an verwendeten Wachs, welche die Resonanzfrequenz negativ beeinflusst, und einer ausreichenden Haftung, die sich bei hohen Amplituden der Schwingung lösen kann, gefunden werden. Die beste und somit sicherste Montagemethode ist eine Befestigung mit einem Gewindebolzen. Diese erlaubt es den Sensor auf einem gut vorbereiteten Montagepunkt mit einer dünnen Ölschicht und einem definierten Anzugsmoment so zu montieren, dass eine starre und zuverlässige Verbindung entsteht. Bei dieser Art der Verbindung bleibt die Resonanzfrequenz der Anlage weit außerhalb des Messbereichs des Sensors.

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