Ausfall-Frühwarnung aus Schwingungsdaten: die Logik von ISO 20816 und ein allgemeiner Ansatz

An einer rotierenden Maschine ist die Schwingung eines der frühesten sichtbaren Zeichen eines Ausfalls: Unwucht, Fluchtungsfehler, Lockerheit und Lagerschäden verändern sie. Die Frage ist, wie man erkennt, wann die Veränderung ein Niveau erreicht, das „Instandhaltung verlangt“. Dieser Beitrag erklärt die Logik des Ansatzes ohne Zahlen; die für Ihre Maschine geltenden Werte stehen in der Norm selbst und in den Herstellerunterlagen.

Was leisten die Normen?

Die Normenreihe ISO 10816 wurde durch die Reihe ISO 20816 abgelöst. Für rotierende Maschinen teilt sie die an Strukturen gemessene breitbandige Schwingstärke (meist Schwinggeschwindigkeit, Effektivwert) nach Maschinenart, Leistung und Fundamentsteifigkeit in vier Zonen ein: A ist das Niveau einer neu in Betrieb genommenen Maschine, B eignet sich für Dauerbetrieb, C für zeitlich begrenzten Betrieb, D bedeutet Schadensrisiko. Die Zonengrenzen ändern sich mit der Maschinengruppe; es gibt also kein einzelnes „sicheres mm/s“. Die Tabelle aus der Norm lesen, nicht schätzen.

Die Norm reicht nicht: Basislinie und Trend

Die Zonenbewertung betrachtet das absolute Niveau. Für die Frühwarnung ist die relative Änderung oft wertvoller: Das an derselben Maschine, an derselben Stelle, unter derselben Betriebsbedingung im gesunden Zustand gemessene Niveau ist die Basislinie. Ein deutlicher Anstieg gegenüber der Basislinie zeigt, dass sich etwas verändert hat, auch wenn die Maschine noch in Zone B liegt. Alarmschwellen sollten beide Maßstäbe nutzen: die Normzone (absolute Grenze) und ein Vielfaches der Basislinie oder eine Steigung (relative Grenze). Die Faktoren wählen Sie nach Ihrer Maschine und Erfahrung; ein „Beispiel“-Faktor ist keine Norm.

Einheiten: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Weg

Dieselbe Schwingung wird in drei Einheiten ausgedrückt, die sich über die Frequenz ineinander umrechnen lassen. Für eine Sinusschwingung gilt: Spitzengeschwindigkeit = Spitzenbeschleunigung / (2πf). Beispiel: Bei einer Spitzenbeschleunigung von 0,5 g (0,5 × 9,81 = 4,905 m/s²) bei 100 Hz beträgt die Spitzengeschwindigkeit 4,905 / 628,3 = 7,81 mm/s, die Effektivgeschwindigkeit, geteilt durch √2, 5,52 mm/s. Da ein reales Signal nicht einfrequent ist, gilt diese Umrechnung nur für eine Komponente; breitbandig erhält man die Geschwindigkeit durch direkte Messung oder Integration des Signals.

Häufige Fehler beim Einrichten von Alarmen

• **Messpunkt und Richtung ändern.** Ein anderer Montageort des Sensors ändert das Niveau. Punkte markieren, Richtung und Befestigungsart beibehalten.
• **Betriebsbedingung ignorieren.** Ändern sich Last und Drehzahl, ändert sich die Schwingung; Daten unter ähnlichen Bedingungen vergleichen.
• **Auf eine einzelne Messung alarmieren.** Ein kurzer Ausschlag (Stoß, Messfehler) erzeugt Fehlalarm. Verlangen Sie, dass er über mehrere aufeinanderfolgende Messungen anhält.
• **Nur den Gesamtpegel betrachten.** Ein Lagerschaden verändert den Gesamtpegel im Frühstadium kaum; nötig sind ein Hochfrequenzband oder Spektraldetails. Bei Spektren auf die Messeinstellungen (Abtastung, Fenster, Auflösung) achten.
• **Keine Maßnahme nach dem Alarm festlegen.** Was löst der „Alarm“ aus? Inspektion, Schmierung, Nachmessung, geplanter Stopp: Die Maßnahme je Schwelle vorab aufschreiben.

Mit den Werkzeugen ausprobieren

Einen gemessenen Geschwindigkeitswert können Sie im Schwingstärke-Bewerter für Ihre Maschinengruppe einer Zone zuordnen und mit Ihrer Basislinie vergleichen; die Grenzen im Werkzeug dienen der Veranschaulichung, verbindlich sind die Norm und die Herstellerunterlage. Zur Einheitenumrechnung gibt es den Schwingungs-Einheitenrechner, für Spektrumseinstellungen die FFT-Messeinstellung. Wie man ohne gelabelte Ausfalldaten vorgeht, steht in diesem Beitrag. Für den Aufbau einer Schwingungsüberwachung schreiben Sie uns.