Condition Monitoring in der Fabrik Anforderungskatalog für MEMS-Sensoren

Vibrationssensoren für die Zustandsüberwachung werden anhand ihrer Rauschdichte, Bandbreite, Dynamik und Auflösung ausgewählt. Welche Mindestanforderungen ein Sensor erfüllen muss, hängt vom Fehlertyp ab.

Halbleiter werden ständig weiterentwickelt. Und damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen. Aktuelle MEMS-Sensoren sind präzise und robust genug, damit die Überwachung über das grundlegende Erkennen von potenziellen Fehlerquellen hinausgehen kann. Das Ziel sind Überwachungsmethoden, um die Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen, den Fertigungsdurchsatz zu steigern und die Prozessqualität zu verbessern. Dafür ist die Schwingungsmessung zentral. Sie wird im industriellen Umfeld weitläufig eingesetzt und hat sich auch für die Überwachung von systemkritischer Ausrüstung als zuverlässig erwiesen.

Ein großer Teil der aktuellen Fachliteratur zur Schwingungsmessung an Maschinen dreht sich um die Diagnose- und Prognosefähigkeit des Gesamtsystems. Weniger beachtet wurde dabei der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Vibrationssensors – beispielsweise Bandbreite und Rauschdichte – und den Fehlerdiagnosefähigkeiten der Endanwendung.

Nachfolgend werden gängige Fehlertypen und ihre spezifischen Eigenschaften erläutert, um einige der wichtigsten Systemanforderungen aufzuzeigen, die bei der Entwicklung eines Systems zum Condition Monitoring berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören Unwucht, Fluchtungsfehler, Getriebefehler und Wälzlagerfehler.

Unwucht

Eine Unwucht ist eine ungleiche Verteilung der Masse, die dazu führt, dass die Last den Massenschwerpunkt vom Mittelpunkt der Rotation weg verschiebt. Entstehen können sie durch unsachgemäße Installation wie Kupplungsexzentrizität, Systemdesignfehler, Komponentenfehler und Ansammlungen von Ablagerungen oder anderen Verunreinigungen. Ein Beispiel sind in Induktionsmotoren eingebaute Kühlventilatoren. Eine ungleichmäßige Ansammlung Staub und Fett oder auch gebrochene Lüfterblätter können hier eine Unwucht hervorrufen. Allgemein erzeugt eine Unwucht Vibrationen, die mechanisch mit Lagern, Kupplungen und weiteren Komponenten gekoppelt sind und den Verschleiß der Komponenten beschleunigen.

Unwucht erkennen

Eine erhöhte Vibration des gesamten Systems kann auf eine Unwucht hinweisen (Bild 1). Die genaue Ursache zeigt aber erst eine Analyse im Frequenzbereich. Systeme mit Unwucht erzeugen ein Signal bei der Drehzahl des Systems – typischerweise als »1x- Komponente« bezeichnet. Die Signalamplitude F ist proportional zum Quadrat der Drehzahl ω, es gilt: F = m × ω2.

Die 1x-Komponente ist normalerweise immer im Frequenzbereich vorhanden. Um eine Unwucht zu erkennen, wird die Amplitude der 1x-Komponente mit den Amplituden der Harmonischen verglichen. Liegt die 1x-Komponente deutlich über den Harmonischen und dem Vergleichswert unter normalen Betriebsbedingungen (Baseline), dann liegt sehr wahrscheinlich eine Unwucht vor. In diesem Fall können auch vertikal und horizontal phasenverschobene Vibrationskomponenten auftreten [1].

Anforderungen an den Sensor

Um ein System auf Unwucht zu überwachen, muss das spektrale Rauschen des Vibrationssensors relativ klein ausfallen. Es sollte zwischen 100 μg/√Hz und 1 mg/√Hz betragen (Tabelle 1). Um auch kleine Unwuchten zu erkennen und die Baseline zu ermitteln, ist eine Sensorauflösung im mittleren Bereich nötig. Die Zuverlässigkeit der Diagnose hängt von der Bandbreite des Sensors ab. Die 1x-Komponente kann durch Fluchtungsfehler, mechanische Lockerung und weitere Systemfehler beeinflusst werden. Zur Unterscheidung davon werden die höheren Harmonischen analysiert [1]. Bei langsam drehenden Maschinen liegen die Drehzahlen unter 10 U/min. Für ihre Erfassung ist der untere Frequenzgang des Sensors relevant.

Fluchtungsfehler

Fluchtungsfehler entstehen, wenn zwei rotierende Wellen nicht sauber aufeinander ausgerichtet sind. Bild 2 zeigt ein ideales System mit einer sauberen Ausrichtung vom Motor über die Welle und die Kupplung bis hin zur Last, in diesem Fall eine Pumpe. Fluchtungsfehler können sowohl in paralleler, in Winkelrichtung oder in einer Kombination aus beidem auftreten (Bild 3).

Bilder: 3

Fluchtungsfehler entstehen, erkennen, Bilder 2-4

Fluchtungsfehler entstehen und erkennen, Bilder 2-4

Parallele Fluchtungsfehler entstehen, wenn die beiden Wellen in horizontaler oder vertikaler Richtung verschoben sind. Ein winkliger Fluchtungsfehler ist vorhanden, wenn sich eine der Wellen in einem für die andere Welle relevanten Winkel befindet [2].

Fluchtungsfehler erkennen

Fluchtungsfehler können an Maschinenteilen Belastungen erzeugen, die die definierten Toleranzen übersteigen und vorzeitige Ausfälle verursachen. In der Frequenzanalyse treten sie typischerweise als die zweite Harmonische der Drehzahl des Systems auf, bezeichnet als 2x. Ist die 2x-Komponente im Frequenzgang vorhanden, zeigt das Verhältnis zur 1x-Komponente an, ob ein Fluchtungsfehler vorliegt (Bild 4). Gravierende Fluchtungsfehler können messbare Oberwellen bis zu 10x anregen, abhängig von der Art des Fluchtungsfehlers, dem Messpunkt und den Richtungsinformationen [1]. Bild 4 zeigt die Auffälligkeiten im spektralen Signalverlauf, die auf Fluchtungsfehler hinweisen.

Anforderungen an den Sensor

Für das Erkennen von kleinen Fluchtungsfehlern ist ein geringes Rauschen und eine ausreichende Sensorauflösung erforderlich. Wie genau dabei gemessen werden muss, hängt von Maschinentyp, den System- und Prozessanforderungen sowie den Drehzahlen ab. Die Bandbreite bestimmt die Zuverlässigkeit der Fluchtungsfehlererkennung und sollte beim Vibrationssensor 1 kHz bis 5 kHz betragen. Je höher die Bandbreite, desto größer ist der erfasste Frequenzbereich und damit auch die Zuverlässigkeit. Die 1×-Harmonische kann durch andere Systemfehler beeinflusst werden, sodass für die Unterscheidung die Analyse der höheren Harmonischen herangezogen wird.

Dies gilt insbesondere für Maschinen mit höheren Drehzahlen. Für Werkzeugmaschinen mit Drehzahlen über 10.000 U/min werden Bandbreiten oberhalb von 2 kHz benötigt, um Fluchtungsfehler zuverlässig zu erkennen. Wird an mehreren Messpunkten die Vibration gemessen, kann über die Phasendifferenz zwischen den Messpunkten bzw. über das gesamte System darauf geschlossen werden, ob es sich um einen winkligen, einen parallelen oder einen kombinierten Fluchtungsfehler handelt [1].