Análisis y diagnóstico de máquinas

Maschinenanalyse und -diagnose

Lärm und Schwingungen sind nicht nur lästig – sie repräsentieren auch abgestrahlte Energie, die auf ineffiziente Prozesse in Maschinen hinweist.

Geräusche und Schwingungen weisen auf Probleme hin, die Bedeutung für die Zuverlässigkeit einer Maschine haben können (z.B. Unwuchten) und können letzten Endes sogar zum Versagen von Maschinen führen.

Schwingungsanalyse an Maschinen

Maschinen mit rotierenden oder sich hin- und herbewegenden Komponenten wie Kompressoren, Antriebsstränge, Motoren, Pumpen und Turbinen bestehen aus zahlreichen Teilen, die alle zum Schall- und Schwingungsmuster des Gesamtaufbaus beitragen. Variierende Belastungen und Unwuchten durch Fehler oder ungleichmäßig verteilte Massen können in solchen Maschinen zu Vibrationen und damit verbundenen Geräuschen führen. Um eine höhere Effizienz zu erreichen und die Vibrationen zu minimieren, müssen diese Fehler und Unwuchten erkannt werden – eine vollständige Eliminierung ist jedoch nicht möglich. Wird eine Maschine in eine andere Struktur eingebaut – z.B. das Triebwerk in ein Flugzeug – ist es wichtig, die von der Maschine abgegebenen Schwingungssignale richtig zu interpretieren, um beispielsweise zu vermeiden, dass es zur Anregung von Strukturresonanzen kommt.

Um die Schwingungssignale einer Maschine zu verstehen, müssen Analysen durchgeführt werden, die eine Korrelation zwischen den Schwingungsmesswerten und den in der Maschine ablaufenden Prozessen herstellen. Bei der Ordnungsanalyse werden Schwingungsmessungen mit den Umdrehungen einer rotierenden Komponente in Beziehung gesetzt. Hiermit werden Maschinen wie Antriebsstränge, Pumpen, Kompressoren und Elektromotoren untersucht. Es ist wichtig, die Parameter der jeweiligen Maschine in die Analyse einzubeziehen, z.B. Öldruck und Drehzahl. Dies erfolgt über CAN-Bus oder Zusatzeingänge.

Zustandsorientierte Instandhaltung und Zustandsüberwachung

Änderungen in den Schwingungsmustern einer Maschine können wichtige Informationen über den Maschinenzustand liefern. Durch Diagnose und Behandlung von Schwingungsproblemen in Rotations- und Kolbenmaschinen kann die Leistung optimiert werden. Maschinenzustandsüberwachung sorgt dafür, dass Verschleiß und Ermüdungsdefekte vermieden werden. Auf diese Weise wird die produktive Betriebszeit maximiert und eine bessere Planung von Wartung, Reparaturen und Überholung (Maintenance, Repair and Overhaul, MRO) ermöglicht – mit höherer Sicherheit zwischen den geplanten Stillstandszeiten.

Unwucht entsteht durch eine ungleichmäßige Massenverteilung in einem Rotor und erzeugt Schwingungen, die an Lager und andere Maschinenteile übertragen werden. Ausgangspunkt können Materialfehler, Konstruktionsfehler, Fehler bei der Herstellung und Montage und insbesondere Fehler beim Betrieb sein.

Durch Reduzierung dieser Schwingungen werden eine bessere Leistung und ein wirtschaftlicherer Betrieb erreicht, da Verschleiß und Ermüdungsdefekte vermieden werden. Deshalb muss der Rotor ausgewuchtet werden, indem an definierten Stellen Masse hinzugefügt oder entfernt wird.

Wichtige Faktoren bei der Konstruktion moderner Maschinen ergeben sich aus Forderungen nach ständig höheren Betriebsdrehzahlen, besserem Leistungs-Gewicht-Verhältnis und mehr Zuverlässigkeit. Auswuchten führt zu einem optimierten Design, besserer Leistung, wirtschaftlicherem Betrieb, längerer Lebensdauer und höherer Sicherheit. Fehler und Schäden lassen sich zwar reduzieren, doch niemals so weit eliminieren, dass ein Auswuchten unnötig wird.

Systemvorschlag

Balancing system overview

Unser PULSE-basiertes System bestimmt die Auswuchtqualität in einer oder zwei Ebenen gemäß ISO 1940-1. Mit Multi-plane Balancing Consultant Typ 7790-B ist Auswuchten in drei und vier Ebenen möglich. Eine intuitive, aufgabenorientierte Benutzeroberfläche führt Sie durch die Arbeitsgänge beim Setup, der Messung und Berichterstellung. Der Vorgang kann als Betriebsauswuchten ausgeführt werden, wobei der Rotor auf seinen eigenen Lagern und dem Fundament ruht, oder als Auswuchten der Rotoren auf separaten Auswuchtmaschinen. Trim Balancing mit gespeicherten Rotordaten von früheren Auswuchtvorgängen wird ebenfalls unterstützt. Der Auswuchtvorgang kann auf der Basis von Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder Ordnungsanalyse ausgeführt werden, um die genauesten Ergebnisse zu erhalten.

> Two-plane and Multi-plane Balancing Consultant (Produktdatenblatt)

> PULSE Datenmanager Typ 7767-A, B, C und D

In Rotations- und Kolbenmaschinen verursachen variierende Belastungen und Fehler an beweglichen Teilen Vibrationen und damit verbundene Geräusche. Die Form der Schwingungen wird durch die Struktureigenschaften der bewegten und stationären Maschinenteile bestimmt. Bei der Ordnungsanalyse werden Messungen mit den Umdrehungen eines rotierenden Teils in Beziehung gesetzt. Hiermit werden Maschinen wie Flugzeugtriebwerke und Fahrzeugmotoren, Antriebsstränge, Pumpen, Kompressoren und Elektromotoren untersucht.

Typische Anwendungen sind Analysen an rotierenden Maschinen und die Verarbeitung von Drehzahldurchläufen (Hoch-/Auslauf) an Fahrzeugen oder Motoren bezogen auf die Drehzahl oder andere zeitlich veränderliche Größen. FFT-Ordnungsanalyse mit fester Bandbreite ist am besten geeignet, wenn die Sweep-Rates relativ klein sind, oder bei schnelleren Drehzahldurchläufen, wenn die niedrigeren Ordnungen von Interesse sind. Mitlauf-Ordnungsanalyse wird für die hochpräzise Analyse höherer Ordnungen und schnelle Drehzahldurchläufe empfohlen.

Systemvorschlag

Order analysis system overview

Mit unserer Ordnungsanalyse-Software und PULSE Reflex Order Analysis steht in PULSE ein komplettes Arsenal an Diagnosetools für die einfache Echtzeit-Ordnungsanalyse (mit und ohne Mitlauf) bis hin zu anspruchsvollen Analysen mit PULSE Reflex zur Verfügung: Tachometer, Autotracker, Ordnungsanalyse und verwandte Nachverarbeitungsfunktionen sowie zahlreiche Anzeigemöglichkeiten und drei zusätzliche Triggertypen – Tacho, Drehzahl und Drehzahlintervall.

> PULSE Reflex Orderanalyse

> PULSE Orderanalyse Typ 7702

Bewegliche Teile in Rotationsmaschinen beginnen nach einiger Zeit störende Vibrationen zu verursachen, die letzten Endes zu Ausfällen führen. Ursachen sind Produktions- und Montagetoleranzen, Verschleiß und variierende Belastung.

Mithilfe verschiedener Diagnosetechniken, die Schwingungsmessungen als Indikator verwenden, ist es möglich, die tiefere Ursache des verschlechterten Maschinenzustands festzustellen und Abhilfemaßnahmen zu planen. Diese Diagnosetechniken sind äußerst effektiv, da sie die in der Schwingungssignatur der Maschine enthaltenen Informationen direkt nutzen. Die Signatur wird durch Frequenz- und Zeitanalyse des Schwingungssignals der Maschine von einem Sensor erhalten, der auf der Oberfläche oder im Innern der Maschine befestigt ist. Sie ermöglicht die Fehlersuche bei rotordynamischen Problemen, Schäden an rotierenden Komponenten und Strukturproblemen.

Systemvorschlag

Machine diagnostics system overview

PULSE Machine Diagnostics kann im Hochlauf/Auslauf-Betrieb verschiedene Fehler diagnostizieren. Alle Analysen werden gleichzeitig ausgeführt und die unbearbeiteten Signale können für die nachfolgende Analyse mit PULSE Time Data Recorder aufgezeichnet werden. Die Diagnose von Transienten erfolgt dann mit PULSE Time Capture. Die Ergebnisse werden in Bezug auf Daten angezeigt, die mit zusätzlichen Parametern wie Temperatur, Öldruck, Position und Windgeschwindigkeit markiert sind. Das System besteht aus Order Analysis Typ 7702-N mit Multi-Tachometer, FFT-Ordnungsanalyse, Ordnungsverfolgung, Zeitsignalmittelung, Hüllkurvenanalyse für Lager, Cepstrum-Analyse für Getriebe und Protokollierung von Prozessdaten/Zusatzparametern. Alle LAN-XI Datenerfassungsmodule sind geeignet und stellen bis zu 12 Eingangskanäle bereit. Die Protokollierung zusätzlicher Parameter erfordert das LAN-XI-Modul Typ 3056.

> PULSE Orderanalyse Typ 7702

> PULSE™ Time Data Recorder Typ 7708

> PULSE Reflex Base und PULSE Reflex Core

Health und Usage Monitoring Systeme (HUMS) werden in zunehmendem Maße zur Überwachung von kritischen Hubschraubergetrieben verwendet und in wachsendem Umfang auch für Gasturbinen – sowohl für Hubschrauber als auch für bestimmte Starrflügelflugzeuge.

Schwingungsüberwachung ist eine bewährte Methode zur Vermeidung katastrophaler Ausfälle von rotierenden Komponenten. Für solche Anwendungen haben sich piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer als die geeignetsten Sensoren erwiesen.

An HUMS-Beschleunigungsaufnehmer werden in der Regel sehr spezielle Forderungen in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit gestellt. Es müssen strenge Entwicklungs- und Produktionsnormen wie AS/EN 9100 und Umweltstandards wie DO-160 „Umweltbedingungen und Testprozeduren für luftfahrtgenutzte Ausrüstungen“ befolgt werden, sowie Anforderungen an das jeweilige Luftfahrzeug.

Systemvorschlag

Health and usage monitoring systems (HUMS) system overview

Brüel & Kjær bietet eine Auswahl von HUMS und Beschleunigungsaufnehmern für die Triebwerksüberwachung an. Diese Aufnehmer sind besonders robuste und zuverlässige Sensoren. Die Sensoren müssen unter schwierigen Umgebungsbedingungen kontinuierlich arbeiten und ausreichend empfindlich sein, um beginnende Lager- und Getriebeschäden zu erkennen. Geringe Abmessungen und einfache Montage spielen bei diesen Anwendungen ebenfalls eine große Rolle.

AgustaWestland sichert Helikopterzuverlässigkeit mit HUMS (Lösungsbericht)

> Airbus Helicopters: Überwachung von Getrieben mit HUMS-Beschleunigungssensoren (Lösungsbericht)

> CCLD Beschleunigungsaufnehmer - Typ 4511-001

Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer - Typ 4523

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer - Typ 8345

An Flugzeughersteller werden strenge Forderungen nach Reduzierung von Treibstoffverbrauch, Umweltemissionen und Triebwerksgeräuschen gestellt – dabei spielt die Triebwerksleistung eine große Rolle. Gasturbinen sind sehr komplexe Maschinen, die in der Entwicklungsphase gründlich getestet und analysiert werden müssen, um ihr dynamisches Verhalten zu verstehen und zu optimieren. Triebwerksprüfungen erfordern beträchtliche Ressourcen. Mit großen Prüfanlagen, hohen Anforderungen an die Messdatenerfassung und umfangreichem Personalaufwand stellt ein solcher Test eine bedeutende Operation mit engen Zeitplänen und bindenden Verpflichtungen dar.

Systemvorschlag

Gas turbine testing system overview

Das LAN-XI-basierte Datenerfassungssystem ermöglicht die Datenaufzeichnung von hunderten dynamischen Kanälen sowie eine sehr detaillierte Echtzeit-Überwachung der Prüfdaten und den Datenaustausch in der gesamten Prüfeinrichtung für die weitere Analyse. Bediener erhalten sofortiges Feedback in Form detaillierter Echtzeitanalysen und Alarminformationen von mehreren vernetzten Überwachungsstationen, um die Gültigkeit der Prüfdaten sicherzustellen.

Das System ist äußerst skalierbar und einfach zu transportieren. Eine zentralisierte Datenerfassung mit hoher Kapazität ist ebenso möglich wie die Aufteilung in kleinere, sehr mobile Systeme, um den Transport zwischen Standorten und Prüfeinrichtungen zu erleichtern.

PULSE Reflex Datenverarbeitungssoftware liefert eine breite Palette von Funktionen für die weitere Analyse und unterstützt zahlreiche Formate für den Import und Export an native und Drittsysteme.

Vorsprung durch Düsentriebwerksprüfung (WAVES Artikel)

Software für PULSE LabShop (Systemdaten)

> 3-Kanal Eingangs-Brücken-Modul LAN-XI 102.4 kHz - Typ 3057-B-030

> PULSE Reflex Basic Processing - Typ 8702

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