Was ist Schwingungsüberwachung?

Vibration ist eine Bewegung oder Schwingung relativ zu einem Bezugspunkt. Die Frequenz dieser Bewegung wird in Hertz (Hz) gemessen. Vibrationen gehören zum normalen Betrieb vieler Maschinen, können jedoch problematisch werden, wenn sie definierte Parameter überschreiten. Die Schwingungsüberwachung hilft Mitarbeitern zu erkennen, wann eine Maschine vor einem Ausfall Aufmerksamkeit benötigt. Vorausschauende Wartung kann teure Reparaturen, Schäden und sogar Verletzungen verhindern.

^{Abbildung 1: Schwingungssensor}

Die folgende Liste beschreibt verschiedene Sensortypen zur Schwingungsüberwachung:

• Beschleunigungsmesser – Vibrationen werden üblicherweise mit einem Beschleunigungsmesser gemessen, von denen viele den piezoelektrischen Effekt nutzen, um Vibrationen zu erfassen. Der piezoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Kristalle als Reaktion auf eine Kraft eine Spannung erzeugen. Die erzeugte Spannung ist proportional zur aufgebrachten Kraft, wodurch der Beschleunigungsmesser Vibrationen genau messen kann.
• Näherungssensoren – Ein Näherungssensor misst den Abstand zu einem Ziel und wird häufig zur Messung der Bewegung rotierender Maschinenteile eingesetzt. Näherungssensoren sind besonders nützlich, wenn flexible Fluidfilm-Lager oder schwere Gehäuse die Schwingungen blockieren, die für den effektiven Betrieb von Beschleunigungsmessern nötig sind.
• Geschwindigkeitssensoren – Diese Geräte funktionieren ähnlich wie Beschleunigungsmesser, besitzen jedoch eine Integrationsschaltung, die Beschleunigung in Geschwindigkeit umwandelt. Geschwindigkeitssensoren werden oft zur Überwachung niederfrequenter Vibrationen genutzt, bei denen andere Sensoren anfälliger für Rauschen oder Verzerrungen sind.

^{Abbildung 2: Drahtlose Schwingungsüberwachung}

Jede Maschinenkomponente besitzt im Normalbetrieb eine einzigartige Schwingungssignatur. Abweichungen von dieser Basislinie – wie höhere Amplituden, Frequenzverschiebungen oder unregelmäßige Muster – können frühe Ausfallanzeichen signalisieren. Schwingungsüberwachungssysteme kombinieren Sensoren, DAQ-Hardware und Analysesoftware, um diese Veränderungen in Echtzeit zu erkennen und vorausschauende Wartung vor kritischen Ausfällen zu ermöglichen. Es gibt nicht nur verschiedene Sensortypen, sondern auch unterschiedliche Konfigurationen zur Erfassung und Analyse von Schwingungsdaten, wie die folgende Liste einiger gängiger Optionen zeigt.

• Drahtlose Schwingungsüberwachung – Sensoren am Gerät senden Daten an ein Datenerfassungsgerät, das zur Analyse an einen Computer angeschlossen ist. Wireless-Schwingungssensoren können an schwer zugänglichen oder gefährlichen Stellen installiert werden, ohne Kabel durch die Maschine zu führen oder Techniker für manuelle Messungen während des Betriebs zu senden. Sensoren lassen sich zudem ohne Entfernung und Neuverlegung von Kabeln umplatzieren. Diese Methode hat jedoch potenzielle Nachteile, wie Sicherheitsrisiken bei der drahtlosen Datenübertragung und begrenzte Reichweite.
• Verdrahtete Vibrationsüberwachung – Vibrationssensoren sind mit Kabeln an ein Datenerfassungsgerät und einen Computer angeschlossen. Die Daten sind weniger anfällig für Störungen oder Abfangen als bei drahtlosen Systemen, und die Sensoren liefern Echtzeitwerte. Andererseits kann die Installation komplex sein und Kabel physisch beschädigt werden. Das Umsetzen der Sensoren an andere Stellen erfordert das Ab- und Wiederanschließen der Kabel.

Sowohl drahtlose als auch verdrahtete Schwingungsüberwachungen sind Formen der Online-Überwachung, bei der kontinuierlich Daten erfasst werden.

• Offline-Vibrationsüberwachung – Ein Techniker misst mit einem tragbaren Sensor die Schwingungswerte an jeder Komponente. Obwohl dies eine flexible Methode ist, erfolgt sie periodisch statt kontinuierlich und kann Personen in der Nähe laufender Maschinen gefährden.

Schwingungsanalyse bezeichnet die Auswertung von Sensordaten durch spezielle Software. Signale werden mittels verschiedener Verfahren analysiert, darunter schnelle Fourier-Transformation (FFT), Ordnungsanalyse, Zeit-Frequenz-Analyse, Hüllkurvenanalyse und Wavelet-Analyse. Diese Methoden können kombiniert werden, um eine umfassendere Analyse zu ermöglichen. Potenzielle Probleme können für eine manuelle Überprüfung markiert werden. Schwingungsüberwachungssysteme können auch so konfiguriert werden, dass sie bei ernsthaften Situationen automatisch reagieren, beispielsweise durch Abschalten einer Maschine. 

Schwingungsüberwachung wird in vielen Industriezweigen an Geräten eingesetzt, darunter Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Energieindustrie. Schwingungsüberwachungssensoren finden sich typischerweise an folgenden Stellen:

• Rotierende Wellen
• Motoren
• Gasturbinen
• Kolbenkompressoren
• Pumpen
• Lager
• Lüfter
• Motoren

Die Schwingungsüberwachung ist ein wichtiger Bestandteil bei Konstruktion und Prüfung neuer Komponenten. Ingenieure müssen beispielsweise sicherstellen, dass Teile von Raketen- oder Strahltriebwerken unter den extremen Belastungen und Bedingungen, denen sie in der Praxis ausgesetzt sind, sicher funktionieren.

Die Schwingungsüberwachung bietet folgende potenzielle Vorteile:

• Reduzierung ungeplanter Ausfallzeiten
• Senkung der Kosten für vorausschauende Wartung
• Schutz von Menschen vor Gefahren
• Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen
• Optimierung von Wartungszeitplänen
• Verbesserung der Zuverlässigkeit von Maschinen
• Steigerung der Effizienz

NI-Hardware für Schall- und Schwingungsmessungen arbeitet mit Beschleunigungsmessern zusammen, um Vibrationssignale für die Maschinenzustandsüberwachung sowie Anwendungen zu Lärm, Vibration und Rauheit (NVH) zu erfassen. Unser Angebot umfasst neben DAQ auch Software; das NI LabVIEW Sound and Vibration Toolkit ermöglicht Schwingungsanalysen innerhalb eines leistungsstarken und weit verbreiteten Programms.

NI-Lösungen zur Schwingungsüberwachung bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Ansätzen:

• Unsere langjährige Erfahrung mit Messungen in vielen Anwendungen gewährleistet, dass Sie mit NI-Geräten hochqualitative Messungen durchführen, die denen spezialisierter Zustandsüberwachungs-Hardware überlegen sind. NI-Produkte bieten präzisere, zeitlich stabilere und zuverlässigere Messungen.
• NI-Plattformen basieren auf modularen Konzepten, was Systeme effizienter entwerfen und über die gesamte Lebensdauer einfacher warten lässt. Im Gegensatz zu Systemen mit fester Konfiguration können Sie Systeme leicht durch das Hinzufügen von Modulen erweitern, um neue Kanäle oder Messarten zu erhalten.
• NI-Hochgeschwindigkeitssysteme erfassen alle Daten, nicht nur periodische Bursts. Das bedeutet, Sie können Ereignisse aufzeichnen, die andere Systeme möglicherweise verpassen.