Schwingungsdiagnose: Lagerschaden an einem Pumpenantrieb

Mit Methoden der Schwingungsanalyse können Schäden bereits anhand einzelner Messungen zielsicher bewertet werden. Im Folgenden wird ein Beispiel geschildert, wie Schwingungsmessungen an einer Speisewasserpumpe ausgewertet wurden.

Niveau der Schwingungsmessungen

erhöhte Maschinenschwingungen im Zeitsignal
Beschleunigungs-Zeitsignal der Motorschwingungen, NDE, vertikal

Sämtliche Messpunkte am Motor zeigten bereits im Zeitsignal nach DIN ISO 10816 [1] überhöhte Amplituden. Das nebenstehende Diagramm stellt die Schwingungen dar, wie sie am Lagergehäuse der Nichtantriebsseite in vertikaler Richtung ermittelt wurden.

Drehzahlermittlung

Im Frequenzspektrum sind zahlreiche Spitzen zu sehen. Um deren Zusammenhänge und Ursachen zu klären, muss zunächst die Drehfrequenz ermittelt werden. Die folgenden Diagramme zeigen das Geschwindigkeits-Frequenzspektrum, das an der Nichtantriebsseite in vertikaler Richtung ermittelt wurde.

Geschwingigkeits-Frequenzspektrum, NDE, vertikal: Zahlreiche Frequenzspitzen (Peaks) sind zu sehen
Frequenzspektrum

Drehzahlen zeigen sich im Spektrum typischerweise auf 2 Arten:

  • Mechanische Wirkungen, die insbesondere niederfrequent sichtbar sind.
  • Elektrische Wirkungen durch Netzfrequenz oder Umrichterbetrieb. Diese sind als Seitenbänder in einem höheren Frequenzbereich sichtbar.
Geschwingigkeits-Frequenzspektrum, NDE, vertikal: Zahlreiche Frequenspitzen (Peaks) sind zu sehen; einige der hochfrequenten Peaks sind markiert
Frequenzspektrum: Frequenz mit Seitenbändern markiert

Wie nebenstehende Abbildung zeigt, lassen sich solche Seitenbänder in den Messdaten finden. Nun wird das typische Verhalten angenommen, dass der Seitenbandabstand der doppelten elektrischen Frequenz entspricht. Die Drehfrequenz des Rotors ist nun von der elektrischen Frequenz des Ständerfeldes und dem Schlupf des Asynchronmotors abhängig.

Berechnung aus Seitenbändern, elektrischer Frequenz des Ständerfeldes, Schlupf des Asynchronmotors
Abschätzung der Drehfrequenz der Motorwelle

Die abgeschätzte Drehfrequenz um etwa 46 Hz kann nun im niederfrequenten Bereich der Messdaten gesucht werden. Damit wird im folgenden Diagramm die Drehfrequenz der Motorwelle auf 46,66 Hz gesetzt.

Geschwingigkeits-Frequenzspektrum, NDE, vertikal: Zahlreiche Frequenzspitzen (Peaks) sind zu sehen; einige der niederfrequenten Peaks sind markiert
Frequenzspektrum: Drehfrequenz mit Oberschwingungen markiert

Lagerschaden

Werden nun die bereits zugeordneten Frequenzen berücksichtigt (im folgenden Diagramm durch vollflächige rote Markierungen), so bleiben nicht mehr viele ungeklärte Spitzen offen. Diese lassen sich nahezu vollständig über die Harmonien von 145,31 Hz (Ordnung 3,144) erklären (vgl. offene Markierungen in folgendem Diagramm).

Geschwingigkeits-Frequenzspektrum, NDE, vertikal: markierung zugeordneter Frequenzen und potentieller Schadensfrequenz mit Ordnungszahl 3,144
Frequenzspektrum: vollflächige Markierung der oben betrachteten Frequenzen, offene Markierung der Harmonien der Ordnung 3,144

Die Ordnungszahl von 3,144 ist typisch für Schäden an Lagerringen. Zudem lässt sich diese an allen Motormesspunkten deutlich nachweisen, während sie an der Pumpe bereits überhaupt nicht mehr nachweisbar ist. Das folgende Diagramm zeigt eine Hüllkurvenanalyse des gleichen Messpunkts, bei dem die bereits betrachtete Schadensfrequenz herausragt.

Die Schadensfrequenz 3,1. Ordnung ist markiert, ansonsten sind keine auffälligen Spitzen zu sehen.
Hüllkurvenanalyse Peakvue, NDE, vertikal: Ausgeprägte Schadensfrequenz

Auch ohne die verbauten Wälzlager zu kennen, muss die Aussage getroffen werden, dass es sich um einen Lagerschaden handelt.

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[1] DIN ISO 10816-1: Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1: Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-1:1995) (Deutsche Norm), 1997