Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung von Maschinen und Anlagen 2., überarbeitete Auflage Herausgegeben vom Verein für Betriebsfestigkeitsforschung (VBFEh) im Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) Düsseldorf STAHLE i?) IS N
VII VII 1 Einordnung des Forschungsvorhabens 1.1 Einführung zur Maschinendiagnose 1 1.2 Übersicht zu den behandelten Themen 3 2 Instandhaltung und Zustandsüberwachung 2.1 Einordnung und Aufgaben der Instandhaltung 5 2.2 Instandhaltungsstrategien 8 2.2.1 Schadensorientierte Instandhaltung 8 2.2.2 Zeitorientierte Instandhaltung 8 2.2.3 Zustandsorientierte Instandhaltung 8 2.3 Inspektionsintervalle 10 2.4 Aspekte schwingungsdiagnostischer Überwachung 11 2.4.1 Ebenen von Überwachungssystemen 12 2.4.2 Alarmtypen und Alarmstufen 12 2.5 Grundsätzliches zu Diagnosemodellen und Zustandsvektoren 13 3 Messgrößen und Aufnehmeranordnungen 3.1 Messgrößenauswahl 17 3.1.1 Schwingungsmessungen 17 3.1.2 Andere Verfahren 18 3.2 Aufnehmeranordnung 19 3.3 Amplituden- und Frequenzbewertung 21 Umgang mit Pegelgrößen und Maßstäben 4 Erfassung und Aufbereitung von Zustandsdaten 4.1 Klassifizierung und Transformation von Signalen 25 4.1.1 Vom kontinuierlichen Signal zu Abtastwertesatz 25 4.1.2 Determinierte periodische und nichtperiodische Signale 26 4.1.3 Stochastische Signale (zufällige Signale, Rauschsignale) 26 4.1.4 Erläuterungen zur digitalen Frequenzanalyse, insbesondere zu: Diskrete Fourier-Transformation (DFT), Abtastung, Aliasing und Filterung 28
VIII 4.2 Signalanalyse im Zeitbereich 32 4.2.1 Schwingstärke, Summenpegel 32 4.2.2 Hüllkurvenanalyse im Zeitbereich 33 4.2.3 Autokorrelation und Kreuzkorrelation 35 4.3 Signalanalyse mit kinetischen Wellenbahnen (Zustandsraum) 36 4.3.1 Lissajous-Analyse 36 4.3.2 Ortskurven der Wellenbahn 37 4.4 Signalanalyse im Wahrscheinlichkeitsbereich 38 4.4.1 Scheitelfaktormessung 38 4.4.2 Wahrscheinlichkeitsdichte, Statistische Momente 39 4.4.3 Kurtosis 41 4.5 Signalanalyse im Frequenzbereich [Basisverfahren] 42 4.5.1 Breitbandspektrum: Mittelung, Auflösung, Dynamikbereich, Triggerung 42 4.5.2 Eigenschaften von Impulsfolgen 43 4.5.3 Frequenzlupenverfahren (Zoom-FFT) 44 4.5.4 Ordnungsanalyse 45 4.5.5 Kurzzeit-Fourier-Transformation 46 4.5.6 Anmerkungen zur digitalen Filterung 48 4.6 Grundsätzliches zur Datenreduzierung und zur Bewertung diagnostischer Kenngrößen 49 4.6.1 Datenreduzierung und Kenngrößenermittlung 49 4.6.2 Bewertung diagnostischer Größen: Ermittlung eines Zustandsvektors 50 5 Neuere signalgestützte und strukturanalytische Ansätze in der Maschinendiagnose 5.1 Neuere Methoden der Signalanalyse 51 5.1.1 Zur Klassifizierung instationärer Signale 51 5.1.2 Analysemethoden für instationäre Signale und für Zufallssignale 52 5.1.2.1 Chirp-z-Transformation 53 5.1.2.2 Wigner-Ville-Verteilung, Gabor-Verteilung 54 5.1.2.3 Wavelet-Transformation 55 5.1.2.4 Methoden spektraler Schätzung, Kaiman-Filter 58 5.1.3 Besonderheiten bei der Analyse von Zufallssignalen 61 5.1.3.1 Verteilungsfunktionen und statistische Momente 61 5.1.3.2 Korrelation und Kovarianz 62 5.1.3.3 Periodogramm-Techniken 64 5.2 Grundzüge strukturanalytische Ansätze: Konstruktionseigenschaften und modellgestützte Verfahren 64
IX 6 Methodische Beschreibung von Maschineneiementen, Baugruppen und Anlagenkomponenten: Laufeigenschaften, Fehler und Diagnosetechniken 6.1 Wälzlager 69 6.1.1 Laufeigenschaften und Fehler 69 6.1.2 Analyseverfahren 76 6.1.2.1 Grundsätzliches zur Wahl der Verfahren 76 6.1.2.2 Auswahl industriell angewandter Verfahren 77 6.1.2.2.1 Aufnehmer-Resonanztechniken 77 6.1.2.2.2 Bewertung der Spitzenhaltigkeit der Amplitudenverteilung bzw. Bewertung der statistischen Verteilung 78 6.1.2.2.3 Frequenzanalyse 79 6.1.2.2.4 Hüllkurvenanalyse 80 6.1.2.2.5 Kepstramanalyse 83 6.1.2.2.6 Praktischer Vergleich einiger Verfahren 85 6.1.2.3 Betriebliche Randbedingungen 88 6.2 Zahnradgetriebe 89 6.2.1 Anregungsquellen in Getriebestufen 89 6.2.1.1 Äußere und innere Anregungen 89 6.2.1.2 Funktions-und konstruktionsbedingte Erregerquellen 90 6.2.1.3 Fertigungsbedingte Anregungen 92 6.2.2 Laufeigenschaften und deren Veränderungen im Spektralbereich 93 6.2.2.1 Lauffrequenzen von Getrieben 93 6.2.2.2 Modulationseffekte und Seitenbandentwicklung 96 6.2.3 Analyseverfahren 99 6.2.3.1 Grundsätzliches zur Fehlerklassifizierung und zu Analyseverfahren 99 6.2.3.2 Praktische Fehlererkennung und Analyseverfahren an Getrieben 101 6.2.3.2.1 Verteilte Fehler in Verzahnungen, insbesondere Verschleiß 102 6.2.3.2.2 Zahnflankenschäden 104 6.2.3.2.3 Zahnfußanriss oder Zahneckbruch 105 6.2.3.2.4 Einflüsse der Verzahnungsgeometrie und der Wellen 106 6.2.3.3 Besonderheiten der Kepstramanalyse bei Zahnradgetrieben 109 6.2.3.4 Besonderheiten der Hüllkurvenanalyse bei Zahnradgetrieben 110 6.2.3.5 Anmerkungen zur Ordnungsanalyse 112 6.3 Kupplungen und Wellenstränge 113 6.3.1 Allgemeines zu Wellenverbindungen und Kupplungen 113 6.3.2 Fluchtungsfehler in Kupplungen 114 6.3.3 Unwuchten 116 6.3.4 Drehschwingungen in Wellen 117 6.3.5 Spiel in Verbindungen 120 6.4 Gleitlager 122 6.4.1 Funktion und Bauarten von Gleitlagern 122 6.4.2 Orbit-Analyse von Schwingwegen an Gleitlagern 124 6.4.3 Analyse von Beschleunigungen an Gleitlagern 128
X 6.5 Turbosätze und Schaufelräder 131 6.5.1 Schwingungen an Rotoren in Turbosätzen 131 6.5.1.1 Orbit-Analyse von Rotoren 134 6.5.1.2 Schaufelräder 137 6.5.1.3 Schwingungsarten in horizontalen Rotor-Lager-Systemen 138 6.5.2 Strömungsvorgänge und Kavitation 143 6.6 Elektrische Maschinen 145 6.6.1 Schwingungen aus Induktionsmaschinen 145 6.6.2 Schwingungen aus Gleichstrommaschinen 148 6.6.3 Schwingungen aus Frequenzumrichtern 149 6.6.4 Schallquellen elektrischer Maschinen 150 6.7 Prozesseinflüsse 152 7 Einordnung und Interpretation von Zustandsdaten in Überwachungssystemen 7.1 Strukturierung von Zustandsvektoren und Referenzmustern 153 7.2 Einführung in die Methoden der Mustererkennung 156 7.2.1 Ablauf einer Mustererkennung 156 7.2.2 Begriffe der Mustererkennung 157 7.2.3 Verfahren der Mustererkennung (Auswahl) 158 7.3 Praktische Aspekte bei Überwachungssystemen: Diagnoseverfahren, Systemkomponenten und Beispiele 161 7.3.1 Arten von Diagnoseverfahren bei der Fehlererkennung 161 7.3.2 Realisierung von Überwachungssystemen 163 7.3.3 Beispiel eines Überwachungssystems 166 8 Literatur Bücher 171 Forschungsberichte 172 Artikel, Manuskripte 173 Normen, Richtlinien 175 Programme 176 Fachzeitschriften 176 9 Glossar 177 10 Stichwortverzeichnis 181