Vibrationsanalyse: Messung und Frequenzbeispiel

Die Vibrationsanalyse untersucht mechanische Schwingungen von Maschinen oder Bauteilen. Sie betrachtet unter anderem Amplitude, zeitlichen Verlauf und Frequenzanteile eines gemessenen Signals. Damit lassen sich Auffälligkeiten eingrenzen, wenn Messaufbau und Betriebszustand bekannt sind.

Das Lehrmaterial der TU München zur Schwingungsanalyse unterscheidet Auswertungen im Zeit- und Frequenzbereich und beschreibt, wie eine FFT die Frequenzanteile eines Zeitsignals darstellt. Als Aufnehmer nennt es unter anderem Beschleunigungsaufnehmer, Laser-Doppler-Vibrometer und Mikrofone, die vor der Messung kalibriert werden. Eine auffällige Frequenz ist zunächst ein Befund, dessen Ursache weitere Informationen braucht.

Messgrößen und Regelwerk

Für die Messung und Bewertung von Maschinenschwingungen ist DIN ISO 20816-1:2017-03 der allgemeine Rahmen, die deutsche Fassung von ISO 20816-1:2016. Sie fasst die früheren Normen DIN ISO 7919-1 und DIN ISO 10816-1 zusammen. Die Norm definiert drei Messgrößen, Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung, und Kriterien sowohl für die Höhe der Schwingung als auch für ihre Änderung, für die Betriebsüberwachung wie für Abnahmen. Sie gilt für Schwingungen, die die Maschine selbst erzeugt; Axial- und Drehschwingungen von Wellen behandelt sie nicht. Eine deutliche Änderung gegenüber dem gewohnten Wert ist damit ein eigenes Kriterium, unabhängig von der absoluten Höhe.

Anforderungen an einzelne Maschinenarten stehen in den weiteren Teilen der Reihe. Für Wälzlager beschreibt die Richtlinie VDI 3832 von 2013 Körperschallmessungen zur Zustandsbeurteilung in laufenden Maschinen. Die zulässigen Werte für die eigene Maschine ergeben sich aus dem passenden Normteil und den Herstellervorgaben.

Die Messaufgabe vor dem Sensor festlegen

Eine Messung am Motorgehäuse beantwortet eine andere Frage als eine Messung an einem bewegten Werkzeug. Der Messpunkt muss zu der vermuteten Anregung passen. Auch die Richtung zählt, denn eine axiale Messung erfasst eine andere Bewegung als eine radiale. DIN ISO 20816-1 unterscheidet außerdem Messungen an nicht rotierenden Teilen wie Lagergehäusen von Messungen an rotierenden Wellen.

Grenzwerte stehen bewusst nicht in der Tabelle. Ein Sensor mit großer Reichweite oder hoher Abtastrate löst eine unklar gestellte Diagnosefrage nicht von selbst.

Drehfrequenz aus der Drehzahl rechnen

Angenommen, eine Welle dreht mit 1.500 Umdrehungen je Minute. Ihre Drehfrequenz beträgt 1.500 / 60 = 25 Hz. Ein Frequenzspektrum kann einen Anteil bei 25 Hz und weitere Anteile bei ganzzahligen Vielfachen zeigen; ein Anteil bei 50 Hz liegt beim Doppelten dieser Drehfrequenz. Die Drehzahlen sind ausgedacht.

Erhöht sich die Drehzahl auf 1.800 min⁻¹, beträgt die Drehfrequenz 30 Hz. Ein mit der Drehung verbundener Anteil verschiebt sich entsprechend. Die Zuordnung wird dadurch plausibler, eine einzelne Schadensursache ist damit aber nicht bewiesen. Auch die Amplitude bei 25 Hz sagt ohne Vergleichsmessung wenig; zum Befund wird sie durch die Änderung unter gleichen Bedingungen.

Ein Signal bei 50 Hz kann je nach Maschine andere Anregungen enthalten. Ohne Kenntnis von Antrieb, Aufbau und Last wäre die Aussage „50 Hz bedeutet Lagerschaden“ fachlich nicht gedeckt. Für Lagerdiagnosen werden unter anderem Lagergeometrie, Drehzahl und eine geeignete Signalverarbeitung benötigt, wie sie VDI 3832 für Körperschall beschreibt.

Änderungen nur unter vergleichbaren Bedingungen bewerten

Wird eine Maschine einmal im Leerlauf und einmal beim schweren Schnitt gemessen, kann sich die Schwingung aus dem Arbeitsprozess verändern. Der Vergleich muss diesen Unterschied zeigen, sonst wird eine andere Belastung als Zustandsverschlechterung gelesen.

Ebenso kann ein veränderter Messpunkt den Vergleich entwerten. Ein locker montierter Sensor misst nicht zwangsläufig dasselbe wie eine feste Aufnahme. Für eine wiederholte Untersuchung werden deshalb Position, Richtung und Montage dokumentiert. Bei einer auffälligen Messung bleiben Rohdaten, Betriebszustand und fachliche Entscheidung erhalten; aus „Untersuchung nötig“ wird im Bericht nicht nachträglich „Schaden bestätigt“.

Was SYMESTIC zur Instandhaltung beiträgt

SYMESTIC misst keine Schwingungen; die Diagnose braucht Messaufbau und Auswertung der Schwingungstechnik. Für die Instandhaltung liefert das Cloud-MES Alarme und Störmeldungen per Push oder E-Mail, die Stillstandsgründe je Anlage sowie MTBF und MTTR. Über eine REST-API gehen diese Daten an die Instandhaltungssoftware. Liegt der Zeitpunkt einer auffälligen Schwingungsmessung vor, lässt sich daneben nachsehen, wann und mit welchem Grund die Anlage stand.

Mehr zur Einordnung auf der Seite zu Smart Maintenance.

Quellen

• TUM: Vibration Analysis Overview
• DIN ISO 20816-1:2017-03, Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen, Teil 1
• VDI 3832:2013-04, Körperschallmessungen zur Zustandsbeurteilung von Wälzlagern

Über den Autor:

Martin Brandel

MES Consultant und Projektleiter bei der symestic GmbH, Schwerpunkt industrielle Automatisierung und Maschinenanbindung. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik.
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Wie Störmeldungen und Stillstandsgründe je Anlage ausgewertet werden, zeigt die kostenlose Live-Demo am eigenen Anwendungsfall.