Grundlagen und Technologie

Eine harmonische Schwingung lässt sich durch eine Sinusfunktion beschreiben. Es gibt hierbei unterschiedliche Größen, welche für die Charakterisierung der Schwingung relevant sind: 

Periode T bezeichnet das zeitliche Intervall, nach dem sich ein Vorgang vollständig wiederholt hat. Der Kehrwert einer Periode wird als Frequenz bezeichnet (f = 1/T). Bei einer Motordrehzahl von 3.000 Umdrehungen pro Minute wiederholt sich die Drehung alle 20 ms (Periode T), was einer Frequenz von 50 Hz entspricht. 

Amplitude A beschreibt die maximale Auslenkung einer Schwingung aus der Nulllage. Hierbei gibt es unterschiedliche Begrifflichkeiten, welche im Zusammenhang mit der Amplitude verwendet werden können. Neben dem klassischen Spitzenwert (= Amplitude, Peak), sind der Effektivwert (= RMS-Wert) und die Schwingbreite (= 2x Amplitude, Peak-Peak) zwei weitere gängige Begrifflichkeiten. 

Phase bezeichnet die Winkelfunktion oder den zeitlichen Versatz eines periodischen Vorgangs, z.B. einer Sinusfunktion zu einer Referenz (zum Beispiel Impuls eines Drehgebers). In unserem Fall ist die Phase eine wichtige Größe beim Auswuchten eines rotierenden Systems, um die Positionierung des Ausgleichsgewichts zu ermitteln. 

In der Praxis überlagern sich viele unterschiedliche harmonische Schwingungen, weshalb im Zeitsignal die einzelnen Sinusfunktionen meist nicht mehr erkennbar sind.

Zeitbereich

Bei der Analyse im Zeitbereich wird das komplexe überlagerte Schwingungssignal über den zeitlichen Verlauf dargestellt und analysiert. Durch das Auftreten von dominanten, transienten Signalen oder Mustern im Zeitsignal können Rückschlüsse über Schädigungen getroffen werden. 
Beispielsweise erzeugen Lagerschäden im frühen Stadium ihrer Schädigung nadelartige, periodische Amplituden im Zeitsignal.

Im Zeitbereich werden typischerweise Zustandskennwerte als Effektivwert (RMS) oder Spitzenwert (Peak) gebildet.
Im Bereich der Schwingungsüberwachung wird beispielsweise der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit (v-RMS) für Unwucht, Fehlausrichtung und Lockerung verwendet, der Effektivwert der Schwingbeschleunigung (a-RMS) für Reibungen oder Mangelschmierung in Getrieben oder Lagern. 
Ein verbreiteter Kennwert für Spitzenwerte ist der sogenannte Spitzenwert der Schwingbeschleunigung (a-Peak), dieser repräsentiert transiente Ereignisse zum Beispiel infolge von Lagerschäden oder einem plötzlichen Maschinencrash.

Frequenzbereich

Bei der Analyse im Frequenzbereich wird das komplexe überlagerte Zeitsignal mittels einer Fast-Fourier-Transformation (=FFT) in seine Frequenzanteile und Amplituden zerlegt. Dadurch lassen sich dominante Frequenzen, zum Beispiel die Unwuchtfrequenz, im Schwinggemisch schnell und eindeutig erkennen.

Eine besondere Form der FFT ist das Hüllkurvenspektrum (= H-FFT). Hierbei werden die periodischen Stoßimpulse (beispielsweise eines Wälzlagerschadens), welche die Eigenfrequenz des Systems anregen, demoduliert und entsprechend vorgefiltert. Die Hüllkurvenanalyse hat insbesondere bei Wälzlagern oder einer komplexen Maschinenkinematik (zum Beispiel Getriebe) den Vorteil, dass die auftretenden, wiederkehrenden Stoßimpulsfrequenzen des schädigenden Bauteils eindeutig zu erkennen sind.

Breitbandige Messung

Bei einer breitbandigen Messung wird der gesamte Frequenzbereich eines Signals, mit allen Frequenzkomponenten, erfasst und analysiert. Dabei werden Messungen über einen weiten Frequenzbereich (zum Beispiel 2…1.000 Hz) durchgeführt und daraus Zustandskennwerte (zum Beispiel Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit v-RMS) gebildet, welche in Echtzeit übertragen werden und eine Zustandsüberwachung ermöglichen. 

Schmalbandige Messung

Bei einer schmalbandigen Messung konzentriert sich die Erfassung auf einen engen Frequenzbereich beziehungsweise einzelne Frequenzen innerhalb des Gesamtspektrums. Schmalbandige Messungen werden häufig eingesetzt, wenn das Interesse auf eine bestimmte Frequenzkomponente (zum Beispiel die Lagerfrequenzen eines Wälzlagers) oder einen bestimmten Frequenzbereich gerichtet ist.

Schwingweg d 

Schwingweg ist der tatsächliche Bewegungsweg eines Messpunktes von seiner Ruheposition, somit können zyklische Bewegungen einer Applikation erfasst werden, z. B. Förderbewegung oder Zustand der Dämpfungselemente eines Schwingförderers. Typischerweise wird der Schwingweg in einem Frequenzbereich unter 500 Hz erfasst.

Schwinggeschwindigkeit v 

Die Schwinggeschwindigkeit, insbesondere der Effektivwert, ist ein guter Indikator für das Maß der Energie, die auf eine Maschine einwirkt. Vor allem Unwucht, Lockerungen, Fehlausrichtungen oder Riemenprobleme können einen Anstieg des v-RMS zur Folge haben. Typischerweise befinden sich diese Applikationen in einem Frequenzbereich von 2…1.000 Hz (gemäß ISO 10816-3 bzw. ISO 20816-3).

Schwingbeschleunigung a 

Hochfrequente, breitbandige Kennwerte wie der a-Peak oder a-RMS sind ein bewährter Indikator für Lagerschäden, Anstreifungsvorgänge, Reibungen oder auch Kavitation. Die hochfrequenten Beschleunigungsspitzen werden gerade im frühen Stadium einer Schädigung nicht im ISO 20816 Frequenzbereich abgedeckt. Dadurch ist die Schwingbeschleunigung ein guter Frühwarnindikator für die kurzen, transienten Stoßimpulse eines sich anbahnenden Lagerschadens oder von Getriebezahnfehlern. 

Crest-Faktor

Ein besonderer Kennwert der Schwingbeschleunigung ist der sogenannte Crest-Faktor, dieser ist definiert als der Quotient aus dem Spitzenwert und dem Effektivwert: 
Crest = a−Peak / a−RMS

Der Crest-Faktor ist ein bewährter Kennwert bei der Bewertung eines Lagerschadens. Gerade im frühen Stadium des Lagerschadens treten einzelne Stoßimpulse beim periodischen Durchlaufen eines Pittings auf. Diese Stoßimpulse führen zu einem Anstieg des a-Peaks. In dieser Phase bleibt der a-RMS jedoch noch verhältnismäßig klein. Mit Voranschreiten der Schädigung wird die Häufigkeit der Pittings größer und auch die Intensität der Stoßimpulse nimmt zu, das hat auch einen Anstieg des a-RMS zur Folge. Gerade in dieser Anfangsphase zwischen hohen a-Peak- und niedrigen a-RMS-Werten ist der Crest-Faktor ein hilfreicher Zusatzindikator, um den Lagerschaden frühzeitig zu identifizieren, da in dieser Phase auch der Crest-Faktor hoch sein muss und mit steigenden a-RMS-Werten allmählich fällt. 

Einachsige vs. mehrachsige Messung 

In den meisten Applikationen ist eine einachsige Schwingungsmessung ausreichend, da sich die Hauptschwingung in radialer Richtung zur Welle befindet.
Eine 3-achsige Messung kann jedoch entscheidende Vorteile hinsichtlich Funktion, Flexibilität und auch Kosten mit sich bringen. 

Beispielsweise kann die Steifigkeit von Maschinen je nach Kinematik und Konstruktion, axial, horizontal oder vertikal eine unterschiedliche Intensität oder Ausprägung haben. Eine 3-achsige Messung gibt Flexibilität hinsichtlich der Montage und erfasst alle drei Dimensionen und damit auch unterschiedliche Anregungen zielgerecht. 
Zusätzlich haben bestimmte Maschinengeometrien und gewisse Fehlerbilder einen erheblichen Einfluss auf die Richtung der Schadensausprägung. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung der Welle in axialer oder radialer Richtung dominant sein oder Unwucht / Schläge bei bestimmten Maschinengeometrien sich auch in unterschiedlichen Richtungen stärker ausprägen.

Die Eigenfrequenz ist eine spezifische Frequenz eines Gesamtsystems, welche selbst bei kleinsten Anregungen bereits Schwingungen mit großen Amplituden hervorruft. Liegt die Anregungsfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches in der Nähe der Eigenfrequenz des Systems, spricht man von Resonanz. 

Ein Gesamtsystem hat mehrere Eigenfrequenzen, sodass durch Anregung mehrfach Resonanz erzeugt werden kann. Beispielsweise hat ein Gesamtsystem bestehend aus einem Elektromotor und einem Schwingungssensor auch unterschiedliche Eigenfrequenzen, somit kann im Beschleunigungssignal des Sensors die Resonanz des Motors, aber auch die eigene Resonanz enthalten sein.
Die Eigenfrequenz des Systems wird durch die Masse und Steifigkeit definiert. Durch die Dämpfung eines Systems wird die Verstärkung der Anregung bei einer Eigenfrequenz bestimmt.