Condition Monitoring Zustandsbasierte Instandhaltung mit drahtlosen MEMS-Sensoren (Teil 3)

Von Chris Murphy, Richard Anslow *

MEMS-Sensorik ist inzwischen so ausgereift, dass sie klassische IEPE-Sensoren für die vorausscheuende Wartung in elektrischen Antrieben ablösen können. Diese dreiteilige Artikelserie zeigt die Vorzüge, den Nutzen und die mögliche Kostenersparnis am Beispiel einer MEMS-Entwicklung.

Mitarbeiter bei der Schwingungserfassung für die zustandsorientierte Überwachung des Antriebs.
Mitarbeiter bei der Schwingungserfassung für die zustandsorientierte Überwachung des Antriebs.
(Bild: ADI)

Was Sie in dieser Artikelserie erwartet:

Der Teil 1 diskutierte beispielhaft Design-Einschränkungen bei der Auswahl eines geeigneten MEMS-Sensors und drahtlosen Transceivers zur zustandsbasierten Wartung beim Einsatz in rauen HF-Umgebungen. Im Verlauf erklärte der Artikel die Voyager-Plattform, eine robuste, drahtlose Mesh- Vibrations-Überwachungs-Plattform mit geringem Stromverbrauch. Diese erlaubt es den Entwicklern, schnell ein drahtloses Überwachungssystem in einer Maschine oder einen Testaufbau zu integrieren.

Im Teil 2 geht es u.a. um die Analysefähigkeit bei Pumpen-Anwendungen. Markttrends und Umsatzwachstum werden skizziert. Es folgen technische Betrachtungen zum drahtlosen CbM-Modul EV-CBM-VOYAGER3-1Z, zu SmartMesh-Netzwerken, Signalketten und den Stromverbrauch.

Der vorliegende Teil 3 thematisiert die unterschiedlichen mechanischen Fehlerarten wie Unwucht, Ausricht- und Lagerfehler am Motor, die das System Voyager aufdecken kann. Weiterhin diskutiert der Artikel am Beispiel Voyager detailliert die reale Leistung sowie mehrere unterschiedliche Betriebsmodi, die zwischen Arbeitsweisen mit höheren Datenraten und extrem geringem Stromverbrauch variieren.

Geringes Rauschen ist die Voraussetzung zur Erkennung niederfrequenter Vibrationen, was eine frühere Fehlererkennung bzw. Fehlervorhersage ermöglichen kann. Die Sensor-Bandbreite ist wichtig, weil viele Anlagen-/Motorfehler wie Kavitation, Lagerprobleme und Zahnradeingriffe, frühestens bei Frequenzen über 5 kHz auftreten.

MEMS-Sensoren sind kein Ersatz für Wirbelstromsensoren

Warum müssen bei der Zustandsüberwachung Vibrationen unter 10 Hz (600 U/min) erfasst werden? Niederfrequente Vibrationsmessungen werden bei der Zustandsüberwachung im Allgemeinen innerhalb einer Bandbreite von 0,1 bis 10 Hz oder 6 bis 600 U/min durchgeführt. Niederfrequenzanwendungen sind komplizierter als die allgemeine Maschinenüberwachung, da Bewegungen unter 10 Hz (600 U/min) nur sehr geringe Vibrationen erzeugen.

Man kann davon ausgehen, dass die Messung von hochfrequenten Vibrationsdaten mit hochempfindlichen Sensoren dazu beitragen kann, bestimmte Fehler wie Lagerabplatzungen, Zahneingriffe und Pumpenkavitation zu erkennen und Erkenntnisse über die Restnutzungsdauer einer Anlage zu gewinnen. Allerdings ist auch bekannt, dass wichtige Informationen auch in der Nähe von DC (Motorstillstand) oder 0 Hz verfügbar sind.

Deshalb können kontaktlose Spezialsensoren wie Wirbelstrom- oder Näherungssensoren eingesetzt werden, um Verschiebungen oder Ausrichtungsfehler von Motorwellen mit hoher Genauigkeit bei 0 Hz und sogar bei hochfrequenten Vibrationen zu erkennen. Allerdings lassen sich solche Spezialsensoren in manchen Anwendungen schwerer positionieren als MEMS-Sensoren und kosten auch mehr.

MEMS-Beschleunigungssensoren sind keineswegs als Ersatz für Wirbelstromsensoren gedacht, die unter extremen Bedingungen Verschiebungen unter 0,1 nm erkennen können. Für Entwickler, die ein kostengünstiges Zustandsüberwachungssystem oder ein drahtloses System implementieren möchten, welches Beschleunigungen bis hinunter zum Stillstand (0 Hz) erfassen kann, können MEMS-Beschleunigungssensoren jedoch eine kostengünstige Alternative darstellen.

Bild 1: Dreiachsige MEMS-Sensoren für die Zustandsüberwachung im Vergleich zu leistungsstärkeren MEMS- und IEPE-Sensoren.
Bild 1: Dreiachsige MEMS-Sensoren für die Zustandsüberwachung im Vergleich zu leistungsstärkeren MEMS- und IEPE-Sensoren.
(Bild: ADI)

In Branchen wie der Papier- und Zellstoffverarbeitung, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Öl- und Gasindustrie, der Energieerzeugung durch Windturbinen sowie der Metallverarbeitung und dem Bergbau werden Motoren mit sehr niedrigen Drehzahlen von unter 1 Hz eingesetzt. Daher ist es für Vibrationssensoren entscheidend, dass sie die Basisdrehzahlen erfassen können. Insbesondere wenn Unwucht und Ausrichtungsfehler erkannt werden müssen.

Es gibt spezielle piezoelektrische Sensoren für niedrige Frequenzen mit einem Frequenzgang bis auf 0,1 Hz. Gebräuchlicher sind jedoch General-Purpose-Sensoren mit einem Frequenzgang von 2 bis 5 Hz. Ein wesentlicher Vorteil von MEMS gegenüber piezoelektrischen Sensoren ist, dass sie Vibrationen bis hinunter zum Stillstand (0 Hz) messen können und somit Neigungsinformationen liefern. Auf einem Modal Shaker lässt sich dies nicht messen. Daher beschränken sich die Messungen auf 0,01 Hz (Bild 2).

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Bild 2: Niederfrequenzverlauf von MEMS- gegenüber piezoelektrischen Sensoren.
Bild 2: Niederfrequenzverlauf von MEMS- gegenüber piezoelektrischen Sensoren.
(Bild: ADI)

Zu beachten ist, dass piezoelektrische Sensoren wesentlich mehr kosten und, wie zu erwarten, ab knapp unter 0,1 Hz ein besseres Rauschverhalten aufweisen. Von 0,01 Hz bis hinunter auf 0 Hz bieten jedoch MEMS-Sensoren bessere Rauschwerte. Diese Leistungsfähigkeit bei niedrigen Frequenzen zeigt sich auf allen Achsen von mehrachsigen MEMS-Beschleunigungssensoren. Instandhaltungs- und Werksingenieure können somit tiefere Einblicke in die Niederfrequenzdynamik von Anlagen erhalten, die bisher auch nicht mit spezialisierten piezoelektrischen Sensoren möglich waren.

Normalerweise wird empfohlen, dass der Frequenzgang von Beschleunigungssensoren bei der Lagerüberwachung das 40- bis 50-fache der Wellendrehzahl und bei Ventilatoren und Getrieben das bis zu fünffache der Schaufeldurchgangsfrequenz betragen sollte. Sehr langsam laufende Maschinen wie Papiermaschinenwalzen, Schneckenförderer und Steinbrecher enthalten Wälzlager.

Die Drehzahlen mancher Maschinen können bei Werten bis hinunter auf 0,2 Hz oder 12 U/min liegen. Informationen bei Einfachem, Zweifachem und Dreifachem der Drehzahl sind entscheidend, um Unwucht, Ausrichtungsfehler und mechanische Lockerheit zu erkennen und zu diagnostizieren. Kurbelwellenlager von Stanzmaschinen können mit bis zu 0,18 Hz oder 11 U/min arbeiten. Für drahtlose Zustandsüberwachungssysteme eignen sich Wirbelstromsensoren aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs noch nicht. MEMS-Beschleunigungssensoren mit etwas geringerer Leistungsfähigkeit sind eine kostengünstigere Alternative zu multimodalen Vibrations- und Verschiebungsmessungen auf Basis von piezoelektrischen Sensoren und Wirbelstromsonden.

Voyager zum Erkennen von Soft-Foot- oder Neigungsproblemen

AC-Asynchronmotoren (ACIMs) gibt es in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Leistungen, wobei manch größere Varianten starre Fundamente erfordern (Bild 3). Eine typische Anwendung für ACIMs sind Industriepumpen, bei denen die Leistung von der Welle zur Pumpe über eine direkte Verbindung oder ein Kupplungselement übertragen wird. Der Versatz dieser Verbindungen kann radial, axial oder tangential sein.

Bild 3: Soft Footing ist ein häufiges Problem beim Ausrichten von rotierenden Maschinen.
Bild 3: Soft Footing ist ein häufiges Problem beim Ausrichten von rotierenden Maschinen.
(Bild: ADI)

Für eine dauerhaft stabile Ausrichtung müssen mögliche Vibrationen minimiert und die Pumpe auf einem festen Fundament befestigt werden. Ein stabiles, starres Fundament mit gleichmäßiger Steifigkeit kann die Zuverlässigkeit verbessern, indem es Vibrationen verringert und so die Lebensdauer von Motoren verlängert.

Industriepumpen werden normalerweise direkt auf einer entsprechend vorbereiteten Grundplatte verschraubt. Die zugehörigen Gerätschaften werden auf der gleichen Grundplatte ausgerichtet und befestigt. Die gesamte Baugruppe wird dann auf einem Betonfundament montiert. Ein zu nachgiebiges oder unebenes Fundament kann zu Ausrichtungsproblemen, erhöhten Vibrationsamplituden und letztlich zu ungeplanten Ausfallzeiten führen.

Ausrichtungsprüfungen werden bei der Installation eines Motors und in der Anfangsphase des Betriebs sowie nach Wartungs- oder Reparaturarbeiten und bei der planmäßigen Wartung durchgeführt. Ausrichtungsfehler lassen sich mit verschiedenen mechanischen Geräten wie Fühlerlehren, Messschieber und Messuhren feststellen. Alternative Werkzeuge wie Laserausrichtsysteme kommen oft zum Ausrichten von Motorwellen und den von ihnen angetriebenen Geräten zum Einsatz.

Nach der Inbetriebnahme wird bei routinemäßigen Wartungskontrollen nach Anomalien bei der Ausrichtung des Motors auf dem Fundament oder bei der Motorbefestigung gesucht, die jedoch Monate auseinander liegen können. Aktuelle Wartungssysteme greifen auf Vibrationsdaten zum Erkennen von Unwucht und Fehlausrichtungen zurück und haben sich seit Jahrzehnten bewährt. Unter Low-g-Bedingungen können dreiachsige MEMS-Beschleunigungssensoren Vibrationen und Neigungsänderungen kontinuierlich überwachen und erkennen. In Kombination kann dies für zusätzliche Sicherheit bei den Messungen und eine potentiell frühere Fehlererkennung ermöglichen.

Wie MEMS-Beschleunigungssensoren die Neigung messen

Wenn ein einachsiger Beschleunigungssensor (Bild 4) flach auf eine Oberfläche gelegt wird, steht seine empfindliche Achse senkrecht zur Schwerkraft und er liefert daher einen Wert von 0 g. Wird der Sensor in Richtung der Schwerkraft gekippt, erfasst er die Beschleunigung durch das 1-g-Feld. Die Steigung der Kurve in Bild 4 entspricht der Empfindlichkeit des Sensors. Die Empfindlichkeit nimmt ab, wenn der Winkel zwischen dem Horizont und der x-Achse zunimmt.

Bild 4: MEMS-Beschleunigungssensor mit empfindlicher Achse senkrecht zu 1 g.
Bild 4: MEMS-Beschleunigungssensor mit empfindlicher Achse senkrecht zu 1 g.
(Bild: ADI)

Das Voyager-Modul in Bild 5 misst die Erdbeschleunigung oder die statische Beschleunigung. Es wird aufrecht mit einer Beschleunigung von 1 g in der z-Achse und 0 g in der x- und y-Achse aufgestellt. Wenn das Voyager-Modul um 4 Grad in der x-Achse gekippt wird, ist die Kippung bei 22 s zu beobachten, wie in Bild 5 als DC-Offset dargestellt. Die Umrechnung der gemessenen Beschleunigung in einen Neigungswinkel erfolgt über den Kehrwert des Sinus der gemessenen Beschleunigung sin-1 0,07 g = 4 Grad.

Bild 5: Das Voyager-Modul erkennt eine Neigung von 4 Grad unter statischen Bedingungen.
Bild 5: Das Voyager-Modul erkennt eine Neigung von 4 Grad unter statischen Bedingungen.
(Bild: ADI)

Beim Erfassen der Neigung unter Einfluss von Vibration ergeben sich bei der Zustandsüberwachung mehrere Probleme. Abgesehen davon, dass die Neigungserfassung schwieriger ist, ist sie gegenüber Messungen unter statischen Bedingungen anspruchsvoller. Außerdem ist die Bandbreite bei Neigungsanwendungen normalerweise begrenzt, um das Rauschen zu verringern (<100 Hz), während bei der Zustandsüberwachung eine größere Bandbreite (1 kHz oder höher) bevorzugt wird.

Ein extremer Bereich, um die Neigung einer Anlage oder eines Motors zu erkennen, könnte auf ±5 Grad oder ±87 mg begrenzt sein (Bild 6). Bei möglichen Vibrationen mit hohen g-Werten kann dies Herausforderungen mit sich bringen.

Bild 6: Ausgangsbeschleunigung in Abhängigkeit vom Neigungswinkel unter statischen Bedingungen.
Bild 6: Ausgangsbeschleunigung in Abhängigkeit vom Neigungswinkel unter statischen Bedingungen.
(Bild: ADI)

Durch Anwendung einer trigonometrischen Funktion auf die gemessene Beschleunigung lässt sich der Neigungswinkel leicht ermitteln. Wird jedoch ein Schlag oder eine Vibration festgestellt, kann dies die Neigungsmessung beeinflussen (Bild 7). Ein Stoß von 2 g ergibt in Bild 7 einen Neigungswert von 82 Grad.

Bild 7: Neigungsdaten bei High-g-Vibration und gemittelte Daten.
Bild 7: Neigungsdaten bei High-g-Vibration und gemittelte Daten.
(Bild: ADI)

Während ein kurzzeitiger Stoß, eine Erschütterung oder eine Vibration die tatsächliche Schieflage oder Neigung eines Motors nicht beeinflusst, zeigt der Umwandlungsprozess von Beschleunigung in Neigung diese Daten als tatsächlichen Neigungswert (Bild 7). Die Mittelwertbildung der Daten ist ein gängiger Ansatz, um solche Anomalien zu beseitigen. Dies ist ein Leistungsmerkmal der grafischen Benutzeroberfläche der Voyager-Plattform (Bild 8).

Bild 8: Durchschnittliche Vibration auf drei Achsen.
Bild 8: Durchschnittliche Vibration auf drei Achsen.
(Bild: ADI)

Die Messergebnisse in Bild 8 zeigen, dass der Motor ab 1 s läuft und bei zirka 18 s um 4 Grad gekippt wird. Während auf der y- und z-Achse nur kleine Änderungen zu beobachten sind, ist die Neigung auf der x-Achse deutlich erkennbar. Dies ist einer der Hauptvorteile eines dreiachsigen Vibrationssensors, der in diesem Fall so befestigt ist, dass er Schwingungen in erster Linie in der z-Achse und dann in der y-Achse erfasst. Die x-Achse kann die Neigung genauer erfassen, da sie außerhalb der Achse für die Vibrationsmessung liegt.

Während sich die genaue Neigung unter dynamischen Bedingungen nur schwer mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt, kann eine einfache Charakterisierung des Motors und des zulässigen Neigungsbereichs gute Ergebnisse liefern.

Die aus Bild 8 ersichtliche Neigung ergibt sich als sin-1 0,07 g = 4 Grad, wenn die z-Achse 3 g, die y-Achse 1,3 g und die x-Achse 0,2 g misst (Bild 9). Die statische Neigungsauflösung des Voyager-Moduls beträgt etwa 0,2 Grad.

Bild 9: Zeitbereichsdiagramme mit auf drei Achsen gemessenen Vibrationen.
Bild 9: Zeitbereichsdiagramme mit auf drei Achsen gemessenen Vibrationen.
(Bild: ADI)

Ein weiterer wichtiger Datenblattparameter, der bei der Entwicklung eines drahtlosen Vibrationsmoduls mit MEMS-Sensoren zum Messen von Neigung zu berücksichtigen ist, ist der g-Bereich. Falls ein MEMS-Sensor Vibrationen ausgesetzt ist, die den g-Bereich überschreiten, kann sogenanntes Clipping auftreten. Dieses macht sich als DC-Offset am Ausgang bemerkbar und beeinträchtigt die Neigungsmessungen.

Dies bedeutet, dass Entwickler bei der Auswahl eines MEMS-Sensors zur Erfassung von Neigungen im Umfeld von Vibrationen sicherstellen müssen, dass der g-Bereich einen Spielraum über den voraussichtlichen Werten von Stößen, Schlägen oder Vibrationen hat, um diese Offset-Quelle zu vermeiden.

Bild 10: Vibrationsgleichrichtung in einem Beschleunigungssensor mit einem vollen Messbereich von ±2g aufgrund von asymmetrischem Clipping.
Bild 10: Vibrationsgleichrichtung in einem Beschleunigungssensor mit einem vollen Messbereich von ±2g aufgrund von asymmetrischem Clipping.
(Bild: ADI)

Fehler mit der Vibrationsmesslösung Voyager erkennen

Die dreiachsige Vibrationsmesslösung Voyager kann gegenüber einachsige Lösungen Fehler erkennen und daraus entsprechende Erkenntnisse liefern. Fehler anhand von Vibration aufzuspüren, ist eine komplexe Aufgabe, bei der viele mathematische Modelle und sogar KI zur Fehlerdiagnose eingesetzt werden. Mit Voyager gewonnene Ergebnisse sollen das Vertrauen der Anwender in dreiachsige Messungen stärken. Im Vergleich zu Lösungen mit einachsigen Sensoren ermöglicht Voyager darüber hinaus eine robustere Methode zur Diagnose spezifischer Fehler.

Bild 11: Der Prüfstand Lite Rig von SpectraQuest.
Bild 11: Der Prüfstand Lite Rig von SpectraQuest.
(Bild: ADI)

Bild 11 zeigt den Prüfstand Lite Rig von SpectraQuest zur Durchführung von kontrollierten Experimenten an einem Prüfling, der reale Maschinen emuliert. Fehlersignaturen aufgrund von Unwuchtlasten, verkanteten oder exzentrischen Rotoren, verbogenen Rotorwellen und beschädigten Lagern/Lagergehäusen lassen sich simulieren, um die Vibrationssignaturen besser zu verstehen. Das drahtlos arbeitende Modul (Mote) von Voyager wird am Gehäuse befestigt und ist positioniert, um sowohl die radialen (z- und y-Richtung) Vibrationsamplituden als auch die axialen Vibrationen in Richtung der Welle und der Lasten zu messen (Bild 11).

Unwucht und Fehlausrichtung als Fehlersignaturen

Unwucht und Fehlausrichtung werden als Fehlersignaturen zusammengefasst und zeigen sich oft in derselben FFT-Analyse. Eine ungleichmäßige Verteilung um den Schwerpunkt des Motorrotors, wie in Bild 12 dargestellt, kann zu einer Unwucht führen, die Vibration am Rotor erzeugt und die Lager zusätzlich belastet. Die Vibration kann übermäßigen Verschleiß der Lager hervorrufen, was wiederum mehr Geräusche verursacht. Ohne Wartung können die Lager und im schlimmsten Fall der gesamte Motor ausfallen.

Bild 12. Ungleichmäßige Verteilung der Masse um eine Drehachse.
Bild 12. Ungleichmäßige Verteilung der Masse um eine Drehachse.
(Bild: ADI)

Ein Rotorversatz kann entstehen, wenn der Rotor, die Kupplung und die angetriebene Welle nicht zentriert sind (Bild 13). Man unterscheidet zwischen Winkelversatz, Parallelversatz oder Kombinationen beider Möglichkeiten.

Bild 13: Die Mittellinien von Rotor und Welle des angetriebenen Equipments befinden sich nicht in einer Linie.
Bild 13: Die Mittellinien von Rotor und Welle des angetriebenen Equipments befinden sich nicht in einer Linie.
(Bild: ADI)

Die häufigste Vibration, die durch eine Fehlausrichtung entsteht, liegt bei der Rotationsfrequenz. Es kann sein, dass das Zweifache der Rotationsfrequenz das Einfache der Rotationsfrequenz übersteigt, was aber nicht üblich ist. Zu beachten ist, dass eine verkantete Motorwelle und eine Unwucht auch Vibrationen mit einfacher Rotationsfrequenz erzeugen.

Unausgewogene Belastung und die Folgen

Ein Antriebssystem ist möglicherweise unausgewogen, wenn bei der Grundfrequenz im Vergleich zum Basis-Hintergrundvibrationsgeräusch eine erhöhte Vibrationsamplitude auftritt. Um ein Ungleichgewicht zu simulieren, wurde eine Last mit zusätzlicher Masse am Ende auf die Welle des Prüfstands platziert. Das System wurde mit 3.000 U/min und einer zusätzlichen Last von 5 kg betrieben.

Bild 14: Unwucht-FFT-Analyse bei 3.000 U/min mit einer Last von 5kg, z-Achse im Vergleich zur Grundlinie.
Bild 14: Unwucht-FFT-Analyse bei 3.000 U/min mit einer Last von 5kg, z-Achse im Vergleich zur Grundlinie.
(Bild: ADI)

Bild 14 zeigt, wie erwartet, eine deutliche Zunahme der Grundfrequenz in z-Radialrichtung im Vergleich zur Ausgangslage. Bild 15 zeigt das Ergebnis einer FFT-Analyse der über die x-, y- und z-Achsen erfassten Vibrationsamplitude.

Bild 15: Unwucht-FFT-Analyse bei 3.000 U/min mit einer Last von 5 kg.
Bild 15: Unwucht-FFT-Analyse bei 3.000 U/min mit einer Last von 5 kg.
(Bild: ADI)

Es ist ein deutlicher Anstieg der Grundfrequenz in y- und z-Radialrichtung zu erkennen. Ebenso zeigt sich ein klarer Anstieg der Vibrationsamplitude bei der Neun- und Zehnfachen der Grundfrequenz in x-Achsenrichtung. Dieser würde mit einem einachsigen Sensor nicht erfasst werden.

Gekippter Rotor (Cocked Rotor)

Bild 16 zeigt das Ergebnis einer FFT-Analyse für einen um 0,5 Grad aus der Achse gekippten Rotor, der am Prüfstand befestigt wurde.

Bild 16: Ergebnis einer FFT-Analyse eines gekippten Rotors bei 3.000 U/min ohne Last und mit einem Unwuchtgewicht.
Bild 16: Ergebnis einer FFT-Analyse eines gekippten Rotors bei 3.000 U/min ohne Last und mit einem Unwuchtgewicht.
(Bild: ADI)

Das Frequenzspektrum zeigt einen starken Anstieg der Vibrationsamplitude bei der Drehzahl. Ebenso ist ein sich wiederholender Anstieg der Vibrationsamplitude bei den Harmonischen 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 in axialer Richtung zu erkennen. Wie die unausgeglichene Last, zeigt auch der gekippte Rotor Fehlersignaturen in axialer Richtung, die mit einem einachsigen Vibrationssensor nicht erkennbar wären.

Exzentrischer Rotor

Bild 17 zeigt die Ergebnisse einer FFT-Analyse für einen exzentrischen Rotor, der am Prüfstand befestigt wurde.

Bild 17: Ergebnisse einer FFT-Analyse eines exzentrischen Rotors bei 3.000 U/min ohne Last.
Bild 17: Ergebnisse einer FFT-Analyse eines exzentrischen Rotors bei 3.000 U/min ohne Last.
(Bild: ADI)

Das Frequenzspektrum zeigt einen starken Anstieg der ersten Harmonischen, was auf eine Unwucht in radialer Richtung (z) hinweist. Zu sehen ist auch ein starker Anstieg der dritten Harmonischen in axialer Richtung, was auf eine Fehlausrichtung hinweist. Ein dreiachsiger Sensor erfasst sowohl Ausrichtungsfehler als auch Unwucht aufgrund eines exzentrischen Rotordefekts, die bei einer einachsigen Sensorlösung offensichtlich übersehen werden würden.

Verbogene Antriebswelle

Bild 18 zeigt das Ergebnis einer FFT-Analyse für eine verbogene Antriebswelle, die am Prüfstand befestigt wurde. Im Frequenzspektrum ist ein starker Anstieg der ersten Harmonischen ersichtlich, was auf eine Unwucht sowohl in z- als auch in y-Richtung hinweist. Zu sehen ist auch ein starker Anstieg der dritten Harmonischen in axialer Richtung, was auf eine Fehlausrichtung hindeutet.

Bild 18: Ergebnis einer FFT-Analyse einer verbogenen Welle bei 3.000 U/min ohne Last.
Bild 18: Ergebnis einer FFT-Analyse einer verbogenen Welle bei 3.000 U/min ohne Last.
(Bild: ADI)

Tabelle 1: Simulierte Fehlerbeschreibung und Fehlersignaturen.
Tabelle 1: Simulierte Fehlerbeschreibung und Fehlersignaturen.
(Bild: ADI)

Die zusätzliche Spitze in y-Richtung der Grundschwingung hilft bei der Unterscheidung zwischen den simulierten Fehlern „verbogene Welle“ und „exzentrischer Rotor“. Ein dreiachsiger Sensor erfasst sowohl Ausrichtungsfehler als auch Unwucht aufgrund einer verbogenen Welle, die eine einachsige Sensorlösung offensichtlich nicht erfassen würde. Tabelle 1 fasst die häufigsten Maschinenfehler bei niedriger Frequenz zusammen.

Klassifizierungen von Lagerdefekte

Je nach Lagergeometrie gibt es mehrere grundlegend berechnete Klassifizierungen von Lagerschäden. Die Überrollfrequenz des Innenrings (BPFI) und die Überrollfrequenz des Außenrings (BPFO) sind die Frequenzen, die entstehen, wenn Wälzkörper über einen Defekt im Außen- oder Innenring des Lagers rollen.

Überrollfrequenz des Innenrings (BPFI)

Ein Lager mit einem Defekt am Innenring wurde am Prüfstand angebracht. Welle und Last wurden durch das defekte Lagergehäuse hindurch sicher befestigt. Die Überrollfrequenz des Innenrings kann mit der Formel

(Bild: ADI)

berechnet werden. Darin ist F die Frequenz, N die Anzahl der Kugeln, B der Kugeldurchmesser, θ der Kontaktwinkel und P der Teilungsdurchmesser. Für den SpectraQuest-Prüfstand findet man die Berechnung im Benutzerhandbuch.

Ausgehend von den acht Wälzkörpern in einem Rotorlager mit 5/8 Zoll und mit einem Wälzkörperdurchmesser von 0,3125 Zoll und einem Teilkreisdurchmesser von 1,318 Zoll ergibt sich die Überrollfrequenz des Innenrings als 4,95-faches der Grunddrehzahl.

Bild 19: Ergebnisse einer FFT-Analyse der Überrollfrequenz des Innenrings bei 3.000 U/min mit einer 5 kg schweren Last.
Bild 19: Ergebnisse einer FFT-Analyse der Überrollfrequenz des Innenrings bei 3.000 U/min mit einer 5 kg schweren Last.
(Bild: ADI)

Bild 19 zeigt die Ergebnisse der FFT-Analyse des Sensors im Voyager-Modul für einen Lagerdefekt am Innenring auf dem SpectraQuest-Prüfstand. Die Überrollfrequenz des Innenrings wird bei etwa 250 Hz (ungefähr 4,95 U/min) auf der y-Achse (radial) gemessen. Erwähnenswert ist, dass dies auch auf der z-Radialachse der Fall ist. Die Vibrationsamplitude ist dort aber nicht so stark ausgeprägt.

Überrollfrequenz des Außenrings

Ein Lager mit einem Defekt am Außenring wurde auf dem Prüfstand montiert, wobei Welle und Last durch das defekte Lagergehäuse hindurch sicher befestigt wurden. Die Überrollfrequenz des Außenrings (BPFO) lässt sich mit folgender Formel (beachten Sie das Minuszeichen) berechnen:

(Bild: ADI)

Für den Prüfstand findet man die Berechnung im Benutzerhandbuch.

Ausgehend von den acht Wälzkörpern in einem Rotorlager mit 5/8 Zoll und mit einem Wälzkörperdurchmesser von 0,3125 Zoll und einem Teilkreisdurchmesser von 1,3125 Zoll ergibt sich die Überrollfrequenz des Außenrings als 3,048-faches der Grunddrehzahl.

Bild 20: Ergebnisse einer FFT-Analyse der Überrollfrequenz des Außenrings bei 3.000 U/min mit einer 5 kg schweren Last.
Bild 20: Ergebnisse einer FFT-Analyse der Überrollfrequenz des Außenrings bei 3.000 U/min mit einer 5 kg schweren Last.
(Bild: ADI)

Bild 20 zeigt die Ergebnisse der FFT-Analyse des Sensors im Voyager-Modul für einen Lagerdefekt am Außenring auf dem Prüfstand.

Die Überrollfrequenz des Außenrings wird bei etwa 150 Hz (ungefähr 3,048 U/min) auf der y- und z-Radialachse erfasst. Erwähnenswert ist, dass dieser Defekt bei der geschätzten BPFO-Signatur von 3,048 U/min im Vergleich zur geschätzten BPFI-Signatur von 4,95 U/min keine große Amplitude aufweist.

Fehlerdiagnose: Fehlersignaturen in Algorithmen verwenden

Tabelle 2 zeigt, dass der dreiachsige Vibrationssensor im Voyager-Modul Fehlersignaturen in axialer Richtung aufnimmt. Die Fehlersignaturen können helfen, zwischen bestimmten Fehlern zu unterscheiden. Beispielsweise verursachen sowohl Fehler bei exzentrischen als auch bei verkanteten Rotoren einen starken Anstieg der Vibrationsamplitude bei der Systemdrehzahl (erste Harmonische).

Tabelle 2: Zusammenfassung von Fehlerfrequenzsignaturen für häufig auftretende Maschinenfehler.
Tabelle 2: Zusammenfassung von Fehlerfrequenzsignaturen für häufig auftretende Maschinenfehler.
(Bild: ADI)

In axialer Richtung zeigt ein exzentrischer Rotor jedoch nur einen Anstieg der dritten Harmonischen, während ein verkanteter Rotor einen Anstieg der dritten, vierten bis zehnten Harmischen zeigt. Diese einfachen Muster in den Frequenzharmonischen lassen sich in einem Algorithmus nutzen, um zwischen den beiden Fehlern zu unterscheiden. Die dreiachsige Sensorlösung von Voyager bietet Einblicke, die mit einer einachsigen Sensorlösung nicht möglich sind.

Ein weiteres Beispiel ist die Fähigkeit, zwischen einer unausgewogenen Belastung und einer verbogenen Rotorwelle zu unterscheiden. Sowohl eine unausgewogene Belastung als auch eine verbogene Welle führen zu einem Anstieg der Vibrationsamplitude bei der Systemdrehzahl (erste Harmonische). Dieser Anstieg der ersten Harmonischen erfolgt radial in vertikaler als auch in horizontaler Richtung.

In axialer Richtung führt die unausgewogene Belastung zu einer Erhöhung der 9-ten und 10-ten Harmonischen. Eine verbogene Rotorwelle weist hingegen eine Erhöhung der 3-ten Harmonischen auf (Ausrichtungsfehler).

Wie bereits erwähnt, lassen sich die Defekte der verbogenen Rotorwelle und des exzentrischen Rotors wegen des starken Anstiegs in radialer (y) Richtung bei der verbogenen Rotorwelle voneinander unterscheiden. Bei der Prüfung der exzentrischen Rotorwelle ist dieser Anstieg nicht vorhanden.

Bei Lagerfehlern erfasst die dreiachsige Voyager-Lösung die Überrollfrequenz des Innenrings in der radialen horizontalen (y) Richtung, nicht aber in der vertikalen radialen Richtung (z). Mit einer einachsigen Sensorlösung lässt sich der Innenringfehler nicht erkennen. Es sei denn, der Benutzer hat das Glück, die Achse mit der größten g-Amplitude richtig zu erraten.

Forum für elektrische Antriebstechnik

Das Praxisforum Elektrische Antriebstechnik schlägt die Brücke zwischen Technikforschung und Anwendung. Renommierte Referenten aus Wissenschaft und Industrie vermitteln am 18. und 19. Oktober 2022 in Würzburg komplexes interdisziplinäres Wissen und aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.

Wer seine elektrische Antriebslösung bestmöglich auslegen will, nutzt daher Austausch mit anderen Sachkennern auf der Veranstaltung mit begleitender Fachausstellung.

Jetzt informieren

Schlussbemerkung: Durch die jüngsten Fortschritte bei MEMS-Sensoren hat sich deren Einsatz in Anwendungen der zustandorientierten Überwachung rasant beschleunigt. Trotz dieser Entwicklung kennen nicht alle Anwender die vielfältigen Fähigkeiten von MEMS-Sensoren und die damit verbundenen Vorteile.

In dieser dritten Folge wurden die Eigenschaften und Funktionsmerkmale von dreiachsigen MEMS-Sensoren für Condition Based Monitoring (CbM) gegenüber leistungsfähigeren einachsigen MEMS- und piezoelektrischen Sensoren beschrieben. Anhand dieses Vergleichs verdeutlichten die Autoren die Fähigkeiten der verschiedenen Sensortypen. Während piezoelektrische Sensoren bei höheren Frequenzen normalerweise ein geringeres Rauschen aufweisen, bieten MEMS-Sensoren in der Nähe von 0 Hz ein niedrigeres Rauschen. MEMS-Sensoren sind somit für viele Anwendungen der Zustandsüberwachung prädestiniert. In Verbindung mit drei Messachsen kann diese Fähigkeit der MEMS-Sensoren sogar auf eine Neigungserkennung mit grober Auflösung bei Vibrationen erweitert werden. Dies ist nützlich, um Soft-Foot-Probleme zu erkennen.

Auf einem Prüfstand wurden verschiedene Fehlerszenarien, darunter Unwucht, Ausrichtungsfehler, Lagerprobleme, verkanteter Rotor und verbogene Welle simuliert, welche der dreiachsige MEMS-Sensor im Voyager-Modul eindeutig erkannte. Darüber hinaus spricht die Zuverlässigkeit, mit der dreiachsige Sensoren spezifische Fehler erkennen können, für den Einsatz dreiachsiger MEMS-Beschleunigungssensoren in Vibrationsmesssystemen für die Zustandsüberwachung.

Weitere Detailbetrachtungen finden Sie im vollständigen White Paper "MEMS-Sensoren für drahtlose Zustandsüberwachung auswählen", das Sie gegen Registrierung downloaden können.

* * Chris Murphy ... ist Applications Engineer bei ADI in Dublin, Irland. Richard Anslow ... ist System Applications Engineer bei ADI in Limerik, Irland.

(ID:48061699)