Zustandsüberwachung von Maschinen

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Dirk Baumann
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$Prof. Dr. Josef Kolerus Prof. Dr. Johann Wassermann ^Jf\ Edition / У expert^ Zustandsüberwachung von Maschinen Das Lehr- und Arbeitsbuch für den Praktiker 4.$

1 Prof. Dr. Josef Kolerus Prof. Dr. Johann Wassermann ^Jf\ Edition / У expert^ Zustandsüberwachung von Maschinen Das Lehr- und Arbeitsbuch für den Praktiker 4., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 252 Bildern, 7 Tabellen und DVD-ROM experttyjverlag Lab VIEW 8.6 \ Studentenedition Virtueller Analysator VUSA

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Maschinenüberwachung -Ziele und Konzepte 1 1.1 Warum Schwingungsüberwachung? 1 1.2 Zielsetzungen 2 1.3 Konzepte 3 1.

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Maschinenüberwachung -Ziele und Konzepte Warum Schwingungsüberwachung? Zielsetzungen Konzepte Die Idee der zustandsorientierten Maschinenwartung Fahren bis zum Bruch Vorbeugende Wartung Zustandsabhängige Wartung Breitbandige Schwingungsüberwachung Schwingungen an nicht-rotierenden Bauteilen Messwertgewinnung Beurteilung von Schwingungen nicht-rotierender Bauteile Messung und Bewertung von Wellenschwingungen Wellenschwingungsmessung Beurteilung von Wellenschwingungen Gegenüberstellung 10 2 Mess- und Analysesysteme Human Resources Serielle Analysatoren Mechanische Frequenzanalyse Digitale Filter Frequenzanalysatoren Rechnerbasierte Systeme Datensammler Industriegeräte Virtuelle Instrumente (VI) Das Prinzip Grafische Programmierung 18 4

$\ 2.10 Embedded Systeme 22 2.10.1 Prozessorbasierte Systeme 22 2.10.2 Application Specific Integrated Circuit (ASIC) 22 2.10.3 Field Programmable Gate Array (FPGA) 23 2.10.4 Kombinierte Systeme 29 2.$

3 \ 2.10 Embedded Systeme Prozessorbasierte Systeme Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Field Programmable Gate Array (FPGA) Kombinierte Systeme Verteilte Systeme Konzepte Datenübertragung - Sockelprogrammierung Monitorsysteme 33 3 Einführung zur Schwingungsanalyse Maschinenschwingungen Frequenzanalyse Bedeutung der Frequenzanalyse Durchführung der Frequenzanalyse Filter Die Fouriertransformation Signaltypen Einteilung Die Spektren Filter Filtercharakteristik Bandbreite und Messzeit Mittelung-der Detektor Zeitbereichsmittelung Darstellung und Auswertung von Spektren Amplitudenskalierung - Beurteilungskriterien Frequenzskalierung - Spektrenvergleich und Diagnose Die Wahl der richtigen Bandbreite 67 4 Schwingungsaufnehmer Allgemeines Wirbelstromaufnehmer Elektrodynamische Geschwindigkeitsaufnehmer Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer Eigenschaften Der piezoelektrische Effekt 73

4.4.3 Konstruktionsprinzipien 74 4.4.4 Messbereiche 76 4.4.5 Industrieaufnehmer 80 4.4.6 Die Montage des Aufnehmers 82 4.4.6.1 Allgemeines 82 4.4.6.2 Montagemethoden 84 4.4.7 Störgrößen 89 4.4.8 Kalibrierung 93 4.

4 4.4.3 Konstruktionsprinzipien Messbereiche Industrieaufnehmer Die Montage des Aufnehmers Allgemeines Montagemethoden Störgrößen Kalibrierung Beschleunigungsaufnehmer mit eingebautem Vorverstärker TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) 93 5 Frequenzanalyse - Verfahren und Geräte Frequenzanalysatoren Parameter der Frequenzanalyse Funktionsgruppen des FFT Analysators Signalabtastung und Fouriertransformation Aliasing Leakage - Zeitbewertung Normierung des Zeitfensters Die Auswirkung der Zeitbewertung im Frequenzbereich Der Picket-Fence Effekt Breitbandkorrektur - Berechnung von Breitbandpegeln Gaußfenster Triggerung Übersteuerung Mittelung Lineare Mittelung Exponentielle Mittelung Overlap Analyse mit gleitendem Zeitfenster Das Verfahren Mittelung mit gleitendem Zeitfenster Frequenzlupe (ZOOM) Rekursive Zoom-Analyse Frequenzlupenanalyse nach dem Überlagerungsprinzip Gegenüberstellung 130

5.4 Wie arbeitet man mit dem FFT-Analysator? 132 5.5 Technische Parameter 133 5.5.1 Übertragungsverhalten des Antialiasingfilters 133 5.5.2 Digitale Auflösung 134 5.5.3 Konvertierungsgeschwindigkeit des ADC 134 5.

5 5.4 Wie arbeitet man mit dem FFT-Analysator? Technische Parameter Übertragungsverhalten des Antialiasingfilters Digitale Auflösung Konvertierungsgeschwindigkeit des ADC Verfügbare Speichertiefe Rechenzeit für den FFT-Algorithmus Modellbasierte Frequenzanalyse Einführung zu Fehlererkennung und Diagnose Grundsätzliche Methoden Vergleich mit festen Grenzwerten Trendanalyse Fehler und ihr spektrales Erscheinungsbild Fehler an Rotoren undwellen Lagerfehler Gleitlager Wälzlager Magnetisch induzierte Schwingungen Zahnradgetriebe Diagnosekarte Diagnose an Lagern und Getrieben Fehler in Wälzlagern Erscheinungsbild der Fehler Methoden der Fehleranalyse bei Wälzlagern Aufnehmer-Resonanztechniken Messung der Spitzenhaltigkeit Der Wälzlagerfehler in der Frequenzanalyse Hüllkurvenanalyse Stress Wave Energy (SWE) Spectral Emitted Energy (SEE-Verfahren) Bearing Condition Online Monitoring System (BeCOMS) Ursachenanalyse- Root Cause Failure Analysis (RCFA) Fehler an Zahnrädern Der Mechanismus der Zahneingriffsschwingung Zur Analyse von Zahneingriffsschwingungen 176

7.2.3 Das Erscheinungsbild von Verzahnungsfehlern im Spektrum 176 7.2.3.1 Zahneingriffsschwingungen und Geisterkomponenten 176 7.2.3.2 Modulationsschwingungen - Seitenbandanalyse 184 7.2.3.3 Ein Beispiel - Zeitbereichsmittelung 191 7.

6 7.2.3 Das Erscheinungsbild von Verzahnungsfehlern im Spektrum Zahneingriffsschwingungen und Geisterkomponenten Modulationsschwingungen - Seitenbandanalyse Ein Beispiel - Zeitbereichsmittelung Bandbreite Cepstrumanalyse Was ist Cepstrumanalyse? Allgemeine Definition Varianten des Cepstrums Das Leistungscepstrum Das komplexe Cepstrum Anwendungen des Leistungscepstrums Detektion von periodischen Strukturen im Spektrum Trennung der Einflüsse von Quelle und Übertragungsweg Fallstudien Das Cepstrum von Zoom-Spektren Editieren des Spektrums Weitere Anwendungen der Cepstrumanalyse Das Leistungscepstrum - Zusammenfassung Das komplexe Cepstrum Definition und Eigenschaften Anwendungen des komplexen Cepstrums Ausblicke Rechnergestützte Überwachung Grundlagen Messgrößen und Beurteilungsgrößen Automatischer Spektrenvergleich Probleme beim Vergleich digitalisierter Spektren Maskenspektren Berechnung von Masken Beispiele Order Tracking Trendanalyse 247

10 Analyse von Hoch- und Auslaufvorgängen 254 10.1 Die Thematik 254 10.2 Auswertung von Einzelkomponenten - kritische Drehzahlen 255 10.3 Auswertung spektraler Messungen 257 10.3.1 Kaskadendiagramm (Wasserfalldarstellung) 257 10.

7 10 Analyse von Hoch- und Auslaufvorgängen Die Thematik Auswertung von Einzelkomponenten - kritische Drehzahlen Auswertung spektraler Messungen Kaskadendiagramm (Wasserfalldarstellung) Spektrogramm Das Campbelldiagramm Zeit-Frequenz-Analyse (JTFA) Kurzzeit-Fouriertransformation (STFT) Gaborentwicklung und Gabortransformation Wavelet-Transformation (WT) Gegenüberstellung Gabor- und Wavelet-Transformation Grundprinzipien der Ordnungsanalyse Mitlauffilter Synchrone Abtastung Verfahren der digitalen Ordnungsanalyse Frequenzanalyse FFT Zeit-Frequenz-Analyse Order Tracking Resampling Zeitvariate Fouriertransformation (TVDFT) Vold-Kalman Filter Drehzahlmessung Gabor Order-Tracking (GOT) Order Tracking - State of Arts Ordnungsanalyse in Überwachung und Diagnose Profilüberwachung Vergleich spektraler Daten Überwachung von Einzelkomponenten Fehlererkennung an Kolbenmaschinen Die Problematik Zeitsignale und Spektren 291

11.3 Die Analyse 291 11.3.1 Erfassung der Einzelspektren 291 11.3.2 Darstellung der Spektren 291 11.3.3 Beispiele 294 11.

8 11.3 Die Analyse Erfassung der Einzelspektren Darstellung der Spektren Beispiele Bearing Condition Online Monitoring System (BeCOMS) Konzepte für Überwachungssysteme Die Thematik Ein Universalsystem Ein dezentrales Überwachungssystem mit FPGA-Einsatz Mustererkennung für automatisierte Diagnose Allgemeines Merkmalvektoren Mustererkennung Klassierungsverfahren Mustererkennung mit neuronalen Netzen Normative Hinweise Der wirtschaftliche Nutzen von Diagnosesystemen Allgemeines Grundlagen der Nutzwertanalyse Nutzwertanalyse und Kosten-Nutzen-Analyse Nutzwertanalyse Kosten-Nutzen-Analyse Objektive Gewichtung - paarweiser Vergleich Schlussfolgerung Strategien der Signalanalyse Der Grundgedanke Die Fouriertransformation Ansätze Allgemeine Eigenschaften der Fouriertransformation Linearität der Fouriertransformation Spektren reeller Zeitsignale Diskrete Fouriertransformation (DFT) und FFT Zusammenhänge Konsequenzen Überlagerte Prozesse 350

15.5 Faltung und Entfaltung 350 15.5.1 Lineare Systeme - Entfaltung 350 15.5.2 Die Entfaltung 352 15.5.3 Konsequenzen 353 15.6 Das Cepstrum-die vollendete Entfaltung 353 15.6.1 Das komplexe Cepstrum 353 15.

9 15.5 Faltung und Entfaltung Lineare Systeme - Entfaltung Die Entfaltung Konsequenzen Das Cepstrum-die vollendete Entfaltung Das komplexe Cepstrum Das Leistungscepstrum Demodulation Zeitbereich und Frequenzbereich Fouriertransformation kausaler Zeitsignale - Hilberttransformation Die Hilberttransformation im Zeitbereich Das analytische Zeitsignal Analyse modulierter Signale Amplitudenmodulation Amplituden- und Frequenzmodulation Hüllkurvendetektion Amplitudenmodulation Analytische Formulierung Grenzbetrachtungen Anwendungen und Aspekte Grundlagen der Zeit-Frequenz-Analyse Ansätze zur Signalanalyse Gefenstertes Zeitsignal Kurzzeit-Fouriertransformation (STFT) Gabortransformation Die Welt der Biorthogonaltransformationen ANHANG Lösung eines linearen Gleichungssystems Fouriertransformation eines Faltungsintegrals Fouriertransformation der Signumfunktion Normen und Richtlinien Betriebs- und Abnahmerichtlinien Die Entstehung Aktuellerstand 376

16.2 Die Normenreihen in sachlicher Gliederung 378 16.2.1 Normen zur Betriebsüberwachung 378 16.2.1.1 Wellenschwingungen 378 16.2.1.2 Schwingungen von nicht-rotierenden Bauteilen 380 16.2.2 Überwachung und Diagnose 381 16.

10 16.2 Die Normenreihen in sachlicher Gliederung Normen zur Betriebsüberwachung Wellenschwingungen Schwingungen von nicht-rotierenden Bauteilen Überwachung und Diagnose Übergeordnete Dokumente Schwingungsüberwachung Normen zur Messtechnik: Gesamtkonzepte Datenverarbeitung Training und Zertifizierung VDI-Richtlinien Laufende Projekte Stellenwert Entwicklungsstufen einer ISO-Norm 393 Literaturverzeichnis 394 Sachregister 403

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