Schwingungsdiagnostik im Elektromotor, insbesondere am Wälzlager

Besondere Lernleistung
Im Fach Physik
Schwingungsdiagnostik im Elektromotor,
insbesondere am Wälzlager
von
David Krake
Klasse 12/1
Werner-Heisenberg-Gymnasium Riesa
Betreuer: Herr Pamsch
Abgabedatum: 2008-02-18
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .......................................................................................................................... 3
2. Schwingungsdiagnostik im wälzgelagertem Elektromotor.................................................. 4
2.1 Prozesse der Instandhaltung ......................................................................................... 4
2.2 Elektromotor mit wälzgelagertem Rotor....................................................................... 5
2.2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors .................................................. 5
2.2.2 Aufbau und Funktionsweise eines Wälzlagers ..................................................... 11
2.3 Mechanische Schwingungen ...................................................................................... 13
2.3.1 Parameter mechanischer Schwingungen .............................................................. 13
2.3.2 Überlagerung von mechanischen Schwingungen ................................................. 16
2.4 Die parameterspezifische Aufschlüsselung einer Summenschwingung ....................... 17
2.4.1 Das Fouriersche Theorem.................................................................................... 17
2.4.2 Fourier-Transformation ....................................................................................... 19
2.5 Funktion des Elektromotors G355 im Werk Zeithain.................................................. 21
2.6 Überblick der Schwingungsursachen.......................................................................... 22
2.7 Signalformen von mechanischen Schwingungen ........................................................ 23
2.8 Funktionsweise des FFT-Schwingungsanalysators VIBXpert ..................................... 26
2.9 Beschreibung des Instandhaltungszyklus im Zeithainer Rohrwerk.............................. 28
2.10 Schwingungsanalyse eines wälzgelagertem Elektromotors Typs G355 ..................... 28
2.10.1 Summenschwingungsanalyse ............................................................................ 28
2.10.2 Wälzlagerdiagnose an einem funktionstüchtigem Lager..................................... 30
2.10.3 Wälzlageranalyse an einem defekten Lager ....................................................... 30
3. Resümee .......................................................................................................................... 34
4. Quellenverzeichnis .......................................................................................................... 36
5. Eigenständigkeitserklärung .............................................................................................. 40
6. Anlagen ........................................................................................................................... 41
2
1. Einleitung
Mit dem Zitat „Remember that time is money“ oder auch „Zeit ist Geld“ erkannte Benjamin
Franklin1 schon frühzeitig den Charakter der industriellen Revolution. Auch in der heutigen
Zeit findet dieses Zitat noch große Resonanz. Nicht umsonst werden Industrieanlagen für
einen vierundzwanzig-Stunden-rundum-Betrieb konstruiert, um die Produktionskapazität
weitestgehend zu maximieren. Jedoch können bei dieser hohen Auslastung von Maschinen
auch Ausfälle auftreten, wodurch der komplette Produktionsbetrieb zum Erliegen kommen
kann.
Um diesen drastischen Konsequenzen von Maschinenausfällen zu entgehen, versuchen
Ingenieure und Wartungstechniker sich ein klares Bild vom gegenwärtigen und zukünftigen
Zustand von Maschinen zu machen. Dabei spielen dynamische Probleme wie Schwingungsschäden eine der wesentlichsten Rollen im heutigen Instandhaltungsprozess. Doch genau
diese Schwingungen machen sich Diagnostiker zu Nutze, indem sie durch diagnostische
Maßnahmen ermitteln, in welchem Zustand sich eine Baugruppe einer Anlage befindet.
Dadurch lässt sich die Verfügbarkeit von Anlagen, die im Wesentlichen durch die
Zuverlässigkeit der einzelnen Baugruppen bestimmt wird, erhöhen und Ausfällen kann
frühzeitig vorgebeugt werden.
Genau mit diesen Diagnoseverfahren beschäftigt sich die folgende Arbeit. Zunächst befasse
ich mich grundlegend mit dem Aufbau und der Funktionsweise von wälzgelagerten
Elektromotoren sowie der Beschreibung von im Motor auftretenden Schwingungen.
Weiterhin erläutere ich die mathematische Ermittlung von Spektren mittels der FourierTranformation sowie die Signalform von im Motor auftretenden Schwingungen, die bei dem
darauf folgend beschriebenem Fast-Fourier-Datenanalysator zur Anwendung kommt.
Grundlage für meine Untersuchung bilden zwei vierpolige Gleichstrommaschinen des Typs
G355, an welchen ich die Schwingungsanalsyse mittels eines VIBXpert FFT-Datensammlers
und Signalanalysators durchführen konnte. Ziel dieser Besonderen Lernleistung ist es, die
Effizienz heutiger Fast-Fourier-Transformation-Analysatoren zu untersuchen.
Besonderen Dank möchte ich an dieser Stelle ausdrücklich Herrn Dipl.-Ing. Rainer Bäger,
dem Gruppenleiter der Motorenwerkstatt, sowie Herrn Steffen Seibold der Mannesmannrohr
Sachsen GmbH, Werk Zeithain aussprechen, die mir stets hilfreich zur Seite standen.
1
Benjamin Franklin (1706-1790) war ein amerikanischer Verleger, Staatsmann, Naturwissenschaftler, Erfinder
und gilt zudem als einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten.
3
2. Schwingungsdiagnostik im wälzgelagertem Elektromotor
2.1 Prozesse der Instandhaltung
In der heutigen maschinellen Fertigung spielt die dauerhafte Verfügbarkeit von industriellen
Anlagen eine bedeutende Rolle, um einen maximallen Produktionsbetrieb zu gewährleisten.
Daher müssen die Maschinen regelmäßig kontrolliert und gewartet werden, um die maximale
Betriebsdauer der einzelnen Maschinenkomponenten zu nutzen. Diesen Prozess nennt man
Instandhaltung. Gemäß der Festlegung Nummer 31051 des Deutschen Instituts für Normung
ist die Instandhaltung „die Gesamtheit aller Maßnahmen zur Bewahrung des Soll-Zustandes
und zudem zur Feststellung und Beurteilung des Ist-Zustands von technischen Mitteln eines
Systems“ (DIN 31051). Das Ziel der Instandhaltung ist die Reduzierung von Störungen und
Ausfällen, die Gewährleistung und sogar Erhöhung der optimierten Nutzung der Lebensdauer
von Anlagen und Geräten sowie die Optimierung von Betriebsabläufen. All diese
Maßnahmen werden den Arbeitskategorien Inspektion, Wartung, Instandsetzung und
Verbesserung zugeordnet:
A. Inspektion
Unter dem Begriff der Inspektion versteht man gemäß DIN 31051 „Maßnahmen zur
Feststellung
und
Beurteilung
des
Funktionszustands,
die
Bestimmung
der
Abnutzungsursachen sowie das Ableiten der notwendigen Maßnahmen zur Rückführung in
den Soll-Zustand“ (DIN 31051). Zur Feststellung des Ist-Zustands ist das Erstellen eines
Inspektionsplanes, welcher auf die spezifischen Belange der Anlage abgestimmt ist, nötig.
Dieser Plan enthält Angaben über Methode, Termin, Gerät und Maßnahmen, die getroffen
werden müssen, um die kontinuierliche Arbeit der Maschine zu gewährleisten. Durch die
Ergebnisse der quantitativen Ermittlung bestimmter Zustandsgrößen lässt sich der Ist-Zustand
herausfinden, mögliche Konsequenzen zur Zurückführung in den Soll-Zustand ableiten, um
Störungen des Produktionsablaufes zu vermeiden. Dies erfolgt durch die Aufnahme von
Messwerten, dem Prüfen von Bauelementen und dem Diagnostizieren möglicher Schäden.
B. Wartung
Die Wartung umfasst alle „Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen
Abnutzungsvorrats“ (DIN 31051). Sie beinhaltet ebenso das Erstellen eines Plans, welcher
sich ebenfalls auf die spezifischen Belange einer Anlage beziehen muss. Dieser Wartungsplan
beinhaltet Angaben über das jeweilige Maschinenteil, die Zeitabstände und die Art der
4
verrichteten Wartungsarbeit machen. Die Wartungsarbeit umfasst dabei ein großes Spektrum
an Maßnahmen. Sie reicht vom Schmieren und Reinigen über das Wechseln von Hilfsstoffen,
wie zum Beispiel Öl oder Kühlflüssigkeiten, bis hin zum Nachjustieren und Austauschen von
Verschleißteilen.
C. Instandsetzung
Nach DIN 31051 setzt sich der Begriff Instandsetzung aus allen „Maßnahmen zur
Rückführung in den funktionsfähigen Zustand mit Ausnahme von Verbesserungen“ (DIN
31051) zusammen. Dies meint das Wiederherstellen des Soll-Zustands durch Austauschen
von Teilen, Reinigen und Reparieren. Zu diesem Zweck werden in heutigen Anlagen und
Maschinen in zunehmendem Maß die Elektronik und die elektrische Steuerung durch
Programme zum Gegenstand von Reparaturen.
Da die Verbesserung ein Maximum an technischem Verständnis im Maschinenbau erfordert,
lasse ich sie aus meiner Betrachtung außen vor, da eine solche Verbesserung am untersuchten
Motor des Zeithainer Rohrwerks nicht vollführt wird.
Man unterscheidet die Instandhaltung in drei klassische Arten. Zum einen die operative
Instandhaltung, also die Instandsetzung nach einem Schaden oder Ausfall, die vorbeugende
Instandhaltung, also die Instandsetzung nach festen Zeitintervallen, unabhängig vom
tatsächlichen Zustand der Baugruppen, und in die zustandsorientierte Instandhaltung. Diese
ist das am meisten verwendete Verfahren, da man die Maschinen aufgrund ihres tatsächlichen
Verschleißzustandes ihrer Baugruppen instand setzt. Dadurch lassen sich enorme
Kosteneinsparungen gegenüber den beiden anderen Verfahren erringen (vgl. Wirth 2003,
S. 1).
2.2 Elektromotor mit wälzgelagertem Rotor
2.2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors
Aufbau des Elektromotors
Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus einem ruhenden und einem frei drehbaren
Magneten. Der ruhende Magnet ist der so genannte Stator, welcher aus zwei gewickelten
Spulen besteht, die an der Innenseite des Stators mit aufgepressten Blechen besetzt sind.
5
Zwischen den Hauptpolen, deren Spulen mit Kompensationsspulen2 besetzt sind, liegen die
Wendepolspulen.
Bild 1: Aufbau eines Elektromotors
(freeweb.dnet.it)
Bild 2: Stator (6-polig)
(BBC Brown Boveri, S. 5)
Bild 3: Rotor
(BBC Brown Boveri, S. 5)
Bei dem frei drehbaren Magneten handelt es sich um den Rotor oder auch Anker genannt. Bei
Gleichstrommaschinen wird dabei bevorzugt der Trommelanker verwendet, da dieser aus
jeder Position heraus automatisch in Betrieb genommen werden kann. Er besteht zum einen
aus dem Kollektor und aus einzelnen Teilspulen, die, wie die Hauptpolspulen des Stators,
nach außen hin mit aufgepressten Dynamoblechen besetzt sind, wobei jede Teilspule mit je
einem Blech besetzt ist (vgl. Moller [Universität Münster], Der Gleichstrommotor). Die
Teilspulen sind fortlaufend miteinander verbunden, damit diejenigen Teilspulen, die nicht
miteinander kurzgeschlossen sind, ebenfalls Strom durchflossen sind. Die dünnen
Dynamobleche sind jeweils durch leitungsunfähiges Material voneinander isoliert und dienen
zum Einen der gezielten Bündelung des magnetischen Flusses und zum Anderen der
Formgebung des Rotors. Der Kollektor, der so genannte Stromwender, besteht aus Lamellen,
welche mit dem Anfang und dem Ende einer jeden Teilspule verbunden sind. Auf diesen
Lamellen schleifen die Kohlebürsten, die den Stromfluss im gesamten Anker erzeugen (vgl.
Dipl.-Ing. Rainer Bäger).
Wirkungsweise eines Gleichstrommotors
Die Wirkungsweise beruht im Wesentlichen auf den magnetischen Abstoßungs- und
Anziehungskräften. Diese sich beeinflussenden Felder werden durch stromdurchflossene
Spulen erzeugt, wobei sowohl die Hauptpolspulen als auch die Wendepolspulen des Stators
immer die gleiche Polung beibehalten.
2
Auf den Hauptspulen angebrachte Spulen, die Störfeldstärken beseitigen.
6
Bild 4: elektrische Ladung im Magnetfeld (Model Magnetfeld) (Wikipedia, Lorentzkraft)
Schießt man nun eine bewegte elektrische Ladung Q in ein magnetisches Feld, verläuft diese
nicht gerade durch das Feld, sondern wird abgelenkt. Dafür verantwortlich ist die Lorentzkraft
F, die auf bewegte Ladungsträger einwirkt. Dabei gilt wie in Bild 4 ersichtlich:
F ×v×B
Die Lorentzkraft berechnet sich dabei nach:
(1)
F = q ⋅v ⋅ B
oder
F = I ⋅l ⋅ B
Die Ablenkung ergibt sich dabei nach der so genannten Drei-Finger-Regel (UVW-Regel).
Dabei gibt der Daumen den Vektor der Geschwindigkeit v beziehungsweise die technische
Stromrichtung I an. Der ausgestreckte Zeigefinger steht für den Vektor der magnetischen
Flussdichte3 B beziehungsweise den Magnetlinienverlauf und der senkrecht zum Zeigefinger
stehende Mittelfinger bildet die Wirkungsrichtung der Lorentzkraft. Nach Bild 4 würde also
eine von rechts kommende, senkrecht zu den Feldlinien verlaufende, bewegte Ladung aus der
Ebene abgelenkt werden (vgl. Wikipedia, Lorentzkraft).
Entsprechend dem elektromagnetischen Induktionsgesetz von Michael Faraday4, wird in einer
Spule bei der Änderung des magnetischen Flusses5 eine Spannung induziert.
3
4
5
Formelzeichen B, Einheit Tesla (T), Feldvektor des magnetischen Feldes definiert durch die Kraftwirkung auf
bewegte elektr. Ladungen, B = (magnetisch er Fluss φ )
÷ (Querschnit tsfläche A ) (vgl. elektonikkomdendium.de)
Britischer Chemiker (1791-1867) (vgl. Paizoni [Technische Universität München])
Verhältnis aus der magnetischen Spannung Um und dem magnetischen Widerstand Rm in einem magnetischen
Feld H
7
Eine Änderung des magnetischen Flusses erfolgt einerseits durch eine Änderung der
magnetischen Feldstärke H und damit der magnetischen Flussdichte B, denn es gilt:
H=
n⋅I
l
n⋅I
l
(2)
B=µ⋅
(3)
U ind = − n ⋅
bzw.
B = µ⋅H
∆( B ⋅ A)
∆t
Andererseits, wie aus Gleichung (3) ersichtlich, erfolgt dies ebenfalls durch eine Änderung
der vom magnetischen Feld durchsetzten Fläche.
Bild 5: Feldlinienverlauf eines 2-poligen Motors
(zottl.de, Gleichstromotor)
mit Trommelanker
Diese physikalischen Prinzipien werden nun beim Elektromotor genutzt. Dazu werden sowohl
die Hauptpolspulen als auch die Ankerspulen von einem elektrischen Strom durchflossen. Bei
den Ankerspulen geschieht dies mittels Kohlebürsten, die auf den Kommutatorlamellen
schleifen und somit die Stromzufuhr herstellen. Dadurch werden die Elektronen beschleunigt.
Dies kommt der Ablenkung durch die Lorentzkraft gleich, denn den Elektronen wird dabei
ihre Bewegungsrichtung aufgezwungen. Senkrecht zu dieser Kraft wirkt der magnetische
Fluss, da auf der Grundlage des Induktionsgesetzes ein Magnetfeld, durch den Stromfluss, um
die Ankerspule induziert wurde. Die Feldlinien des magnetischen Flusses der Ankerspule
stehen aufgrund ihrer senkrechten Lage zur Lorentzkraft auch senkrecht und entgegengesetzt
zum magnetischen Fluss der Statorspule. Die aus der gleichnamigen Polung der Haupt- und
Ankerspulen folgende Abstoßung erfolgt wie im Bild 5 dargestellt. Dies lässt sich auf die
Überlagerung und Auslöschung der magnetischen Flüsse zurückführen. Aus Bild 5 Abbildung
3 wird ersichtlich, dass sich die Feldlinien der Hauptpole als auch der Ankerpole einerseits
überlagern und andererseits abschwächen. Dadurch wirkt einerseits eine Abstoßungskraft, der
keine Kraft auf der gegenüberliegenden Seite entgegenwirkt. Die Stärke sowohl der
Überlagerung als auch der Abschwächung und somit der Geschwindigkeit der Rotation und
der wirkenden Kraft hängt von den abstoßenden magnetischen Feldern ab. Diese lässt sich
8
beliebig durch das Vergrößern der angelegten Spannung regulieren, wie aus der Umformung
der Gleichung (3)
Bind = U ⋅
(4)
∆t
∆A
ersichtlich wird. Aufgrund der periodisch wechselnden Überlagerung und Auslöschung der
Magnetfelder kommt es zur Drehbewegung des Ankers (vgl. Wikipedia, Elektromagnetische
Induktion). Diese würde jedoch schon nach einer viertel Drehung enden und der Rotor würde
zum Erliegen kommen, da sowohl keine Überlagerung als auch keine Abschwächung der
Felder mehr vorhanden ist. Der Anker befindet sich in der so genannten neutralen Zone, in
der kein Drehmoment6 mehr vorhanden ist. Daher muss der Stromfluss der betreffenden
Ankerspule kommutiert, also die Richtung des Stromflusses gewendet werden. Dies erfolgt
durch die Kohlebürsten, die auf den Lamellen schleifen. Bild 6 zeigt schematisch einen
Ausschnitt einer Ankerwicklung in der Nähe einer Kohlebürste beim Kommutieren.
Bild 6: Stromwendung
a) Kurzschluss der Spule 3
b) Kurzschluss der Spule 4
(VEB Fachbuchverlag Berlin, Rotierende elektrische Maschinen)
Der Strom tritt aus der Bürste in die Ankerwicklungen ein. Der Läuferstrom IL teilt sich in
zwei gleich große Teilströme IS. Im Bild 6a ist die Spule 3 kurzgeschlossen, im Bild 6b die
Spule 4. Während die Kommutatorlamelle die Bürste durchläuft, wird jeweils die betreffende
Teilspule aus dem einen Stromkreis (links) in den anderen (rechts) kommutiert. Die
Stromrichtung ändert sich dabei von +IS über Null auf -IS. Dabei ist der Stromfluss I bei exakt
90° Null. In Gleichung:
(5)
M = c ⋅φ ⋅ I
wird deutlich, dass nun auch das Drehmoment gleich Null ist.
Die Bewegung kommt jedoch nicht zum Erliegen, denn aufgrund der physikalischen Trägheit
von Massen behält der Anker seine Bewegung bei, da die Reibungskraft nicht ausreicht, um
den Anker bei exakt 90° zu stoppen. Nach der Überwindung der neutralen Zone kommt es
6
Ist jene physikalische Größe, die die Bewegung eines drehbaren Körpers beeinflusst, einerseits durch
Beschleunigung, andererseits durch Verzögerung.
9
aufgrund der Stromrichtungsänderung von +IS zu -IS zur Induktion eines des
vorangegangenen Magnetfeldes genau entgegen gesetzt gerichteten Magnetfeldes. Dadurch
wirken die Abstoßungs- und Auslöschungskräfte wieder auf der gleichen Seite wie vor der
Stromrichtungsänderung, wodurch die Drehbewegung aufrechterhalten bleibt. Diese
Stromwendung erfolgt daraufhin aller 90°.
Bild 7: Verschiebung der neutralen Zone durch die Ankerrückwirkung (uni-muenster.de, Der Gleichstrommotor)
Die neutrale Zone liegt aber nur theoretisch genau zwischen zwei Hauptpolen. Denn sie wird,
wie im Bild 7 dargestellt, durch die so genannte Ankerrückwirkung entgegen des Drehsinns
verschoben. Sie resultiert daraus, dass sich der magnetische Fluss
während des
Kommutierens innerhalb der Ankerwicklung ändert, da:
(6)
φ = B⋅ A
und der magnetische Fluss B nach Gleichung (4) abhängig von der Spannung U ist, die sich
bei der Stromwendung ändert.
Dadurch wird nach dem elektromagnetischen Induktionsgesetz in den Ankerwicklungen eine
so genannte Stromwendespannung induziert, welche sich aus der Ankerfeldspannung und der
Reaktanzspannung zusammensetzt. Die Ankerfeldspannung entsteht durch das Umpolen des
Ankerfeldes und die Reaktanzspannung durch das Umpolen des Streuflusses7 der Spule.
Diese Stromwendespannung ruft ihrerseits ein Magnetfeld hervor, welches den Hauptfeldern
entgegen wirkt und somit die neutrale Zone verschiebt.
Da die Spule jedoch während der Kommutierzeit über die Kohlebürste kurzgeschlossen ist,
würde ein Lichtbogen, oder auch Bürstenfeuer8, entstehen. Die Folge wäre die Beschädigung
der Kohlebürsten als auch der Lamellen des Kommutators.
Die Wendepole verhindern jedoch diesen schädigenden Prozess. Dazu werden die
Wendepolspulen vom Ankerstrom durchflossen und erzeugen damit ein Wendefeld in der
neutralen Zone. Dieses Wendefeld hebt einerseits das Ankerfeld im Nulldurchgang auf und
7
8
Feldlinien, die nicht den rotierenden Ankermagneten durchsetzen.
Elektrischen Überschlägen, die als Funken sichtbar werden
10
induziert andererseits in den kommutierenden Leitern eine der Reaktanzspannung gleich
große, jedoch entgegengesetzte Spannung, die zur Auslöschung der Reaktanzspannung führt
(vgl. VEB Verlag Technik Berlin 1969, S.40-46).
Weiteren Anteil an der Rückwirkung haben Störfeldstärken, die bei der Zunahme der
Hauptfeldstärke in der Mitte der Hauptspulen entstehen.
Die Kompensationswicklungen beheben jedoch diese Störfeldstärken durch Feldstärkekompensation. Die Kompensationsspulen, in Reihe zu den Hauptspulen geschalten, erzeugen
dabei ein Magnetfeld in der Gegenrichtung und vermindern daher das Gesamtmagnetfeld in
der Spulenmitte (Anlage 2) möglichst auf Null (vgl. pitfax.de, Kompensationsspulen).
Doch lässt sich das Entstehen eines Lichtbogens nie zu 100 Prozent beheben, da sich die
Gesamtmagnetfeldstärke der Hauptspulen in der Spulenmitte durch die Kompensationswicklungen nicht exakt auf Null korrigieren lässt (Anlage 2), wodurch immer ein
geringfügiges Bürstenfeuer entsteht. Dieses ruft daraufhin im Motor elektrisch induzierte
Schwingungen hervor, die in die Gehäuseschwingung eines Elektromotors mit einfließen (vgl.
Dr.-Ing. Rainer Wirth, Maschinendiagnose an Industriegetrieben).
2.2.2 Aufbau und Funktionsweise eines Wälzlagers
Die Verbindung des rotierenden Trommelankers und dem Statorgehäuse der 30 G355
Elektromotoren (Anlage 3) des Zeithainer
Streckreduzierwalzwerkes wird
mittels
Rillenkugellagern (Anlage 6), den am meisten verbreiteten Wälzlagertyp, geschaffen. Die
Wälzlagerungen dienen dabei der Verbindung zwischen starren und sich bewegenden
Bauteilen sowie der Abstützung und Führung der bewegenden Komponente.
Bild 8: Rillenkugellager
(mdesign.de, Rillenkugellager)
Bild 9: Aufbau eines
Wälzlagers
(bs-wiki.de,Wälzlagerungen)
Bild 10: Radialkraft Fr
Axialkraft Fa
(skf.com, Radiallager)
Diese Lager bestehen, wie im Bild 9 gezeigt, aus zwei zueinander beweglichen Ringen, dem
Innen- und Außenring, die durch rollende Körper, den so genannten Wälzkörpern,
voneinander getrennt sind. Die Ringe bestehen aus gehärtetem Stahl, an denen, hauptsächlich
11
durch den Wälzkörper, Rollreibung auftritt. Die Reibung wird dabei durch regelmäßige
Schmierung verringert.
Rillenkugellager sind darauf ausgelegt hauptsächlich die durch die Drehbewegung des Rotors
entstehenden, radialen Kräfte aufzunehmen. In den Ringen sind dabei relativ tiefe Furchen
eingelassen, in denen die Kugeln laufen. Zwischen der Kugel und der Laufrille besteht jedoch
sowohl axial als auch radial eine geringfügige Toleranz, um der thermischen Verformung, die
drehzahlabhängig ist, entsprechen zu können (vgl. Wikipedia, Wälzlager). Diese Toleranzen,
auch Lagerluft bezeichnet, sind lagerspezifisch (Anlage 4). Beim Rillenkugellager wird
versucht, diese gegen Null gehen zu lassen, „um einen idealen Rundlauf des Lagers zu
erreichen“ (bs-wiki.de, Wälzlagerungen), auch wenn man damit einen höheren Verschleiß
und somit eine kürzere Lebensdauer in Kauf nehmen muss (vgl. bs-wiki.de, Wälzlagerungen).
Die Übertragung der Rotationsbewegung des Ankers zum Gehäuse wird durch die
Verwendung von einzelnen Wälzkörpern auf ein minimales Reibmoment gesenkt. Somit
lassen sich Leistungsverluste, verursacht durch hohe Reibmomente wie in komplett
bestückten Wälzlagern durch Berührung der Walzkörper, nahezu ausschließen.
Bild 11: Radiale und Axiale Lagerluft
(bs-wiki.de, Wälzlagerungen)
Bild 12: Umfangslast
Bild 13: Punktlast
(medias.ina.de, Wellen- und Gehäuseausführung)
Der Außenring des Wälzlagers ist dabei fest mit dem Statorgehäuse verbunden. Die Bilder 12
und 13 zeigen deutlich, dass sich die Umfangslast auf den Innenring und die Punktlast auf den
Außenring auswirkt (Anlage 5) (vgl. medias®, Wellen- und Gehäuseausführung). Das ist bei
der Schwingungsdiagnose ebenfalls von großer Bedeutung, da sich dies auf die
Frequenzspektren der Schwingungsanalyse auswirkt.
Dieser Typ des Wälzlagers ist besonders für den Betrieb im Streckreduzierwalzwerk geeignet,
da die Kugeln sehr eng an den Laufrillen anliegen und somit auch axiale Kräfte aufnehmen
können. Solche axial wirkenden Kräfte entstehen beispielsweise durch die Kraftrückwirkung
12
über die Welle, die beim Durchlaufen eines Rohres durch das betroffene Walzgerüst entsteht.
Auch geringfügige Unwuchten in der Welle oder eine relativ ungenaue Ausrichtung von
Welle und Motorende können diese Lager schadlos verkraften. Somit ist eine weitaus längere
Verfügbarkeit der Lager gewährleistet (vgl. bs-wiki.de, Wälzlagerungen). So zeigt die
Erfahrung der Motorenwerkstatt des Zeithainer Rohrwerkes, dass diese Lager regulär, also im
Normalfall, eine weitaus längere Lebenszeit als zum Beispiel Gleitlager besitzen und damit
wirtschaftlich kostengünstiger sind als andere Lagertypen. Jedoch ist das Lager eines
Elektromotors die am meisten vom Verschleiß betroffene Baugruppe (vgl. Dipl.-Ing. Rainer
Bäger).
2.3 Mechanische Schwingungen
2.3.1 Parameter mechanischer Schwingungen
„Eine zeitlich veränderliche, physikalische Größe soll schwingende Größe genannt werden“
(Fischer/Stephan 1984, S. 11). Die dabei veränderlichen physikalischen Größen sind
beispielsweise die Kraft, der Ort, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Energie oder
die Auslenkung. Man unterscheidet zwischen „harmonischen Schwingungen9“ und
„anharmonischen Schwingungen“ (Lindner 1955, S. 117). In einem komplexen Gebilde wie
einem Elektromotor besteht ein großes Spektrum an diversen Schwingungen, wobei die
einzelnen Teilschwingungen periodisch wirken und die Schwingungen, die aus der
Überlagerung zweier Schwingungen resultieren, teilweise periodisch und teilweise nichtperiodisch wirken. Jedoch lassen sich alle durch harmonische Schwingungen beschreiben,
was die große Bedeutung harmonischer Schwingungen in der Mathematik erklärt. Die
wichtigsten Kenngrößen harmonischer Schwingungen sind:
y – Elongation
Auslenkung zu einer bestimmten Zeit
A = ymax – Amplitude
maximale Auslenkung
T – Periodendauer
Zeit für eine volle Schwingung
f - Frequenz
Anzahl voller Schwingungen (T,2T,usw.)
je Zeiteinheit
– Kreisfrequenz
Winkelgeschwindigkeit im Bogenmaß
– Winkelbeschleunigung
Geschwindigkeitsänderung in bestimmter
Zeit
9
Schwingung, deren zeitabhängige veränderliche Zustandsgrößen sinusförmig sind, da sie keine Dämpfung aufweist.
13
– Phasenwinkel
Argument der Sinusfunktion. Beschreibt
den Winkel, den die Projektion einer
Schwingung auf einer Kreisbahn
zurückgelegt (siehe Bild 14)
0
– Nullphasenwinkel
Ist der Phasenwinkel zur Zeit t = 0
Harmonische Schwingungen oder auch Sinusschwingungen lassen sich mathematisch
darstellen durch die Gleichung:
f (t ) = A ∗
(7)
sin 2π
∗t
T
Ort-Zeit-Funktion der harmonischen Schwingung
Der zeitliche Verlauf in Abhängigkeit zur Auslenkung einer Sinusschwingung ist im Bild 14
dargestellt.
Bild 14: Ort–Zeit–Funktion einer harmonischen Schwingung (Lindner 1955, S. 118)
Eine solche harmonische Schwingung lässt sich als gleichförmige Bewegung auf einer
Kreisbahn darstellen. Aus Bild 14 wird ersichtlich, dass die Schwingung ihre Amplitude bei
einem Phasenwinkel von 90° und jeweils weiteren 180° besitzt. Dieser Phasenwinkel
besteht, wie aus der Abbildung erkennbar, aus dem Nullphasenwinkel und dem Winkel, den
der Punkt (P1) im Zeitraum von t = 0 bis t = t überstreicht. Dieser Winkel lässt sich
mathematisch darstellen durch ϕ´= ωt , da die Winkelgeschwindigkeit konstant bleibt. Damit
ist der Phasenwinkel:
(8)
ϕ = ωt + ϕ 0
Das Produkt aus dem Sinus des Phasenwinkels und der Amplitude bilden den Wert der
Elongation.
(9)
y = A * sin( ωt + ϕ 0
14
Aufgrund rechnerischer Einfachheit legt man den Beginn der Zeitzählung auf einen der
Ruhepunkte der Schwingung. Da für t = 0 dann die Elongation ebenfalls gleich Null ist, ergibt
sich für die Amplitude:
A=
(10)
y
sin ωt
Während der einfachen Periodendauer durchläuft der zugeordnete Punkt auf der Kreisbahn
den Winkel ϕ = 360° = 2 . Daher gilt 2 = ω *T =
ω = 2πf =
(11)
ω
f
. Daher gilt für die Kreisfrequenz:
2π
T
Geschwindigkeit und Beschleunigung der harmonischen Schwingung
Für die Geschwindigkeit v auf einem Kreis gilt die Gleichung v = r* ω (vgl. Lindner 1955, S.
41) mit v = vmax (gleichförmige Bewegung). Daraus folgt, dass die Maximalgeschwindigkeit
des Punktes auf der Kreisbahn gleich dem Produkt aus Amplitude mal Kreisfrequenz ist,
wenn dieser seine Ruhelage durchquert.
v max = A * ω
(12)
Die Geschwindigkeit für einen beliebigen Zeitpunkt erhält man durch Differenzieren der
Funktion (9) nach der Zeit t:
v=
dy d [ A * sin(ωt + ϕ 0 )]
=
dt
dt
und erhält dabei die Gleichung:
(13)
v = A * ω * cos(ωt + ϕ 0 )
Die Gleichung (12) für die Maximalgeschwindigkeit entsteht also im Falle ϕ0 = 0 für alle
Phasenwinkel ϕ = ωt , bei denen der cos ωt den Maximalwert 1 annimmt, so beispielsweise
wenn ωt = 0, , 2
usw. ist. An den Umkehrpunkten ωt =
π 3
, π , usw. hingegen nimmt die
2 2
Funktion cos ωt den Wert Null an. Dadurch ist auch die Geschwindigkeit in diesen Fällen
Null und gewinnt erst im weiteren Verlauf wieder an Geschwindigkeit, bis sie ihren
Maximalwert wieder erreicht hat. Aus dieser Erkenntnis folgt, dass eine harmonische
Schwingung eine abwechselnd beschleunigte und verzögerte Bewegung ist, daher einer
Beschleunigung ausgesetzt ist.
15
Für die Beschleunigung a auf einem Kreis gilt die Gleichung a = r* ω 2 (vgl. Lindner 1955, S.
53)
mit
ar
=
amax
(Radialbeschleunigung
(vgl.
Lindner
1955,
S.
52)).
Die
Maximalbeschleunigung des Punktes auf der Kreisbahn ist demnach gleich dem Produkt aus
Amplitude mal dem Quadrat der Kreisfrequenz für den Durchgang des Umkehrpunkts.
(14)
a = A *ω 2
Die Beschleunigung für einen beliebigen Zeitpunkt erhält man durch die Bildung der ersten
Ableitung der Gleichung (14):
a=
dv d [ A * ω * cos(ωt + ϕ 0 )]
=
dt
dt
und erhält dabei die Gleichung:
(15)
a = A * ω * sin(ωt + ϕ 0 + π )
Die Gleichung (14) entsteht daher für die Umkehrpunkte, da hier die Funktion
sin(ωt + ϕ 0 + π ) jeweils den Wert 1 annimmt (vgl. Lindner 1955, S. 117-122).
2.3.2 Überlagerung von mechanischen Schwingungen
Wie im Punkt 2.3.1 bereits erwähnt, kommt es in einem Elektromotor zu einer Vielzahl von
Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen. Diese Schwingungen überlagern sich und
bilden letztlich eine Gesamtschwingung, die das Motorgehäuse zum Schwingen bringt. Diese
dabei letztlich entstehende Schwingung heißt Summenschwingung und entsteht aus der
additiven Überlagerung (Supperposition10) der unterschiedlichen Einzelschwingungen.
Bild 15: Fourier-Summe: Summe aus der Überlagerung harmonischen Funktionen (uni-tuebingen.de, FourierTransformation)
10
Ist die Überlagerung gleichartiger mechanischer Spannungen. Das Superpositionsgesetz besagt, dass
gleichartige Spannungen aus 2 oder mehreren Schnittkräften in denselben Punkten addiert werden.
16
Bild 15 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Summenschwingung, die sich aus harmonischen
Funktionen mit rationalem Frequenzverhältnis bildet (siehe Punkt 2.4.1). Weiterhin wird
ersichtlich, dass die Überlagerung von periodischen Teilschwingungen ebenfalls eine
periodische Schwingung ergibt. Die Amplituden der einzelnen Teilschwingungen zu einer
beliebigen Zeit t werden daher addiert. Die Periodendauer der resultierenden Summenschwingung wiederholt sich nach der Zeit
(16)
T = pT1 = qT2 .
Schwingungen mit irrationalem Frequenzverhältnis (siehe 2.4.1) liegen jedoch hauptsächlich
am Gehäuse eines Elektromotors vor. Solch eine daraus entstehende Summenschwingung
beschreibt eher den Verlauf in Bild 16.
Bild 16: Überlagerung harmonischer Schwingungen mit irrationalem Frequenzverhältnis (Fischer/Stephan 1984,
S. 33)
2.4 Die parameterspezifische Aufschlüsselung einer Summenschwingung
2.4.1 Das Fouriersche Theorem
Wie im Punkt 2.3.2 beschrieben, handelt es sich bei einer Summenschwingung aus zwei
harmonischen Schwingungen um eine periodische Funktion der Zeit t. „Es ist leicht
anzunehmen, dass die Überlagerung beliebig vieler harmonischer Funktionen mit rationalem
Frequenzverhältnis[, daher
f1 ω1 T2 p
=
=
=
mit p, q = 1,2,3,…,] ebenso eine periodische
f 2 ω 2 T1 q
Funktion der Zeit ergibt“ (Fischer/Stephan 1984, S. 21). Umgekehrt bedeutet das, „dass unter
Vorraussetzungen, die von physikalischen Größen praktisch immer erfüllt werden, sich jede
periodische Funktion y (t ) in eine Konstante und eine unendliche Reihe harmonischer
17
Funktionen zerlegen lässt, deren Frequenzen ganze Vielfache der Frequenz von y (t ) sind“
(Fischer/Stephan 1984, S. 21).
y (t ) = A0 +
(17)
∞
n =1
a n * sin(ω n t + ϕ n )
Sie heißt Fourierreihe nach dem Franzosen Josef Baron de Fourier11. Zweckmäßiger ist
allerdings die Form:
y (t ) = A0 +
(18)
∞
n =1
( An cos ω n t + > Bn sin ω n t )
Die Ermittlung der Amplituden, also der Größen An und Bn der Teilschwingungen, wird als
Fourier-Analyse oder auch harmonische Analyse bezeichnet. Die dafür benötigten
Fourierkoeffizienten
An
und
Bn
können
durch
die,
mit
Hilfe
der
bekannten
Orthogonalitätseigenschaften der harmonischen Funktionen
2π
2π
cos jx * cos nx * dx = sin jx * sin nx * dx =
0
0
π für j = n
0 für j ≠ n
2π
cos jx * sin nx * dx
0
, Gleichungen
A0 =
T
1
y (t )dt
T 0
An =
T
2
y (t ) cos ω n t dt
T 0
Bn =
2
y (t ) sin ω n t dt
T 0
bestimmt werden. Stellt man diese Teilschwingungen als Funktion der Frequenz dar, so ergibt
sich ein Linienspektrum für
die
Gesamtschwingung.
amplitudenmoduliertes Linienspektrum.
11
Französischer Mathematiker und Physiker (1768 bis 1830)
18
Bild
17
zeigt
solch ein
Bild 17: ein amplitudenmoduliertes Linienspektrum (physik.uni-dortmund.de, Fourier Analyse und Synthese)
Außer der Grundfrequenz v1, die gleich der Frequenz des periodischen Vorgangs ist, treten
nur ganzzahlige Vielfache von v1, die so genannten Oberschwingungen auf (vgl. physik.unidortmund.de, Fourier Analyse und Synthese). Es handelt sich dabei um ein diskretes
Frequenzspektrum. Jedoch treten neben den harmonischen Funktionen mit rationalem
Frequenzverhältnis auch Funktionen auf, die ein irrationales Frequenzverhältnis besitzen. Es
ist leicht einzusehen, dass diese Überlagerung zu keiner periodischen Schwingung führt, da
ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von T1 und T2 nicht mehr existiert. „Da aber jede
irrationale Zahl mit beliebiger Genauigkeit durch eine rationale Zahl p/q mit hinreichend
großen p und q angenähert werden kann, wiederholt sich ein bestimmter Schwingzustand
nach einer längeren Zeit
T = T1 p = T2 q fast genau“ (Fischer/Stephan 1984, S. 21-32). Bei
diesen Schwingungen spricht man in der Fachliteratur von fastperiodischen Schwingungen.
Dadurch lassen sich auch deren Komponenten mittels der Fourier-Analyse bestimmen.
2.4.2 Fourier-Transformation
Die Fourier-Transformation ist eine Integraltransformation, die der periodischen Funktion
eine andere Funktion, ihre so genannte Fourier-Transformierte, zuordnet. Während man mit
Hilfe der Fourier-Analyse die Komponenten der einzelnen Teilschwingungen berechnen
kann, ist es mittels der Fourier-Transformation möglich, das gesamte Frequenzspektrum12 der
periodischen Funktion zu bestimmen.
Dazu müssen die nichtperiodischen Funktionen durch eine Verallgemeinerung durch
harmonische Funktionen dargestellt werden. Diese Darstellung ist mittels der Gleichung (18)
möglich. Dazu lässt man die Periodendauer T → ∞ laufen, wobei nun ein kontinuierliches
12
Ist die Gesamtheit der Frequenzen, die ein schwingendes System erzeugt bzw. die periodische Funktion
enthält.
19
Spektrum entsteht, in dem die Frequenz jeden Wert annehmen kann. Mathematisch lässt sich
dies veranschaulichen, wenn die Dirichletsche Bedingungen (Anlage 7) erfüllt sind und das
Integral:
I=
∞
y (t ) dt
−∞
existiert, durch:
(19)
y (t ) =
∞
[a(ω ) cos ωt + b(ω ) sin ωt ]
dω
−∞
Daraus ergeben sich die Teilamplituden:
(20)
a(ω ) =
b(ω ) =
∞
1
2π
y (τ ) * cos ωτ * dτ
−∞
∞
1
2π
y (τ ) * sin ωτ * dτ
−∞
Während jedoch die Größen an und bn die Amplituden der jeweiligen Sinus- bzw.
Kosinusanteile sind, die dadurch dieselbe Maßeinheit wie die schwingende Größe y(t)
besitzen, sind die Größen a( ) und b( ) auf das differentiell kleine Frequenzintervall d
bezogene Teilamplituden, mit der Maßeinheit der beschriebenen physikalischen Größe
multipliziert mit der Zeiteinheit. Sie werden auch als Dichte des Spektrums bezeichnet. Daher
wird der Ausdruck
(21)
A(ω ) = a 2 (ω ) + b 2 (ω )
auch als Amplitudendichtenspektrum bezeichnet. Mathematisch von großer Bedeutung für
viele Anwendungen ist die Darstellung der Funktion y(t) mittels des komplexen
Amplitudendichtenspektrums A (ω ) . „Ausgehend von der Identität
y (t ) =
1
2π
∞
y (τ )e jω (t −τ ) dτ =
−∞
1
2π
∞
e jωτ dω *
−∞
∞
y (τ ) * e − jωτ dτ
−∞
folgt
y (t ) =
∞
A (ω )e jωt dω
−∞
mit
1
A (ω ) =
2π
∞
y (τ )e − jωτ dτ “ (Fischer/Stephan 1984, S. 35f.).
−∞
Anders formuliert ist die Funktion A ( ) die so genannte Fouriertransformierte der Funktion
y(t). Mittels der Fourier-Transormation gelangt man von der Darstellung einer Funktion y(t)
20
im Zeitbereich „zu einer gleichwertigen Darstellung im Frequenzbereich, die durch die
komplexe Amplitudendichte ausgedrückt wird (Fischer/Stephan 1984, S. 36).
Schwingungsanalysatoren wie der VIBXpert machen sich diese Transformation zu Nutze und
erstellen dazu eine so genannte Hüllkurve, um das gesamt enthaltene Frequenzspektrum einer
Summenschwingung zu berechnen und diese in Abhängigkeit einer bestimmten Größe
(Beschleunigung, Amplitude, Geschwindigkeit etc) darzustellen, wie im Punkt 2.10.2 näher
beschrieben.
2.5 Funktion des Elektromotors G355 im Werk Zeithain
Der vierpolige Gleichstrommotor Nummer 16 vom Typ G355 sowie der Reservemotor 2 des
gleichen Typs, an denen ich die Schwingungsanalyse durchführen konnte, sind zwei von 30
Motoren ihrer Art des 30 Gerüste umfassenden Streckreduzierwalzwerks (Anlage 1). Diese
Motoren betreiben im Einzelnen die Rollwalzen der Walzgerüste. Dies geschieht über die 15
Duo-Getriebe13, die mit jeweils zwei Motoren gekuppelt sind. Über die Antriebswelle des
Motors werden die Drehbewegungen mit der Nenndrehzahl14 von 900 Umdrehungen pro
Minute auf das Getriebe übertragen. Die Getriebe übersetzen diese niedrigen Drehzahlen von
900 Umdrehungen pro Minute mit hohem Drehmoment auf höhere Drehzahlen von 1000 bis
1500 Umdrehungen pro Minute, jedoch mit einem niedrigeren Drehmoment. Alle 30 Motoren
laufen, wenn sie alle gleichzeitig benötigt werden, mit der gleichen Drehzahl. Aufgrund der
unterschiedlichen Durchmesser der Walzgerüste im Streckreduzierwalzwerk beziehungsweise
der kleiner werdenden Abstände der Rollen, müssen diese sich nach hinten abnehmend immer
schneller bei geringerem Drehmoment drehen, um Stauchungskräfte im Rohr zu verhindern.
Dadurch kommen maximalle Stoßgeschwindigkeiten von sechs Metern pro Sekunde der
Rollwalzen des letzten Rollenkäfigs zustande. Diese höhere Stoßgeschwindigkeit geht aber
Zulasten des Drehmomentes, wodurch die langsameren Walzgerüste ein höheres Drehmoment
aufweisen als die weiter hinten im Produktionsbetrieb liegenden Walzgerüste. Dadurch treten
ebenfalls unterschiedliche rückwirkende Kräfte vom Walzgerüst über das Getriebe zum
Motor, die bei der Schwingungsanalyse ebenfalls berücksichtigt werden müssen (Anlage 8),
um die Datenanalyse richtig auswerten können.
13
14
Sind Getriebegerüste, bei denen zwei Getriebe in einem Gehäuse untergebracht sind.
Die Nenndrehzahl ist die Drehzahl, bei der ein Motor die größtmögliche Leistung (Nennleistung) unter
Volllast, also in dem Betriebszustand einer Antriebsmaschine, bei der sie das maximal mögliche Drehmoment
bereitstellt, das die Bauart sowie die Energiezufuhr der Maschine zulässt, abgibt.
21
Aufgrund
der
geringen
Länge
des
Streckreduzierwalzwerkes
sind
jeweils
zwei
Antriebsmotoren versetzt übereinander als auch hintereinander angeordnet. Bei den hinteren
Motoren sind dadurch sehr lange Wellen zum Getriebe hin nötig (Anlage 9). Dabei kann
schon eine geringe Abweichung in der Ausrichtung der Lage von Motor und Getriebe enorme
Schwingungen in den Wälzlagern des Getriebes und vor allem im Motor verursachen. Daher
müssen die Motoren nach einer Reparatur oder Instandhaltung wieder genau mittels Laser
ausgerichtet werden, um eine möglichst genaue Übereinstimmung der Ausrichtung von
Motorwelle und Getriebewelle zu erreichen. Zentrier- und Fluchtfehler können dabei mittels
Signalanalysatoren gemessen und dadurch dann korrigiert werden (vgl. Dipl.-Ing. Rainer
Bäger).
2.6 Überblick der Schwingungsursachen
Die im vorangegangen Text bisher erläuterten Schwingungsursachen sollen im folgenden
Text noch einmal zusammengefasst werden. Wie sich bereits zeigte, kommt es in einem
Elektromotor zu einer Vielzahl von Schwingungen, die sich überlagern, aber in den
verschiedenen Parametern klar voneinander unterscheiden. Die Schwingungen entspringen
dabei entweder aus dem Motor (A), dem Wälzlager (B), dem Getriebe und der Welle (C) oder
äußeren Krafteinwirkungen (D).
A. Motor
Schwingungen mit harmonischem Kraftverlauf durch die Ankerdrehung
elektrisch induzierte Schwingungen
Schwingungen hervorgerufen durch das Anschlagen loser Teile im Motor
B. Wälzlager
Passieren von Unregelmäßigkeiten der Wälzkörper auf den Wälzbahnen
Anschlagen eines verformten Käfigs
Aufeinanderprallen von Wälzkörpern (“Knattern”)
Radiale und axiale Lagerluft
Mechanisches Lagerspiel
Schwingungen hervorgerufen durch das Anschlagen loser Teile im Lager
C. Getriebe und Welle
Axiale Getriebeschwingungen
Fluchtfehler durch thermische Verformung (Anlage11)
22
Zentrierfehler und deformierte Wellen15
Unwuchten16
D. Äußere Krafteinwirkungen
Übertragene Schwingungen umgebender Motoren
Prozessbedingte Stoßanregungen (Eintritt der Rohrluppe in den Wälzkäfig)
2.7 Signalformen von mechanischen Schwingungen
Die im Punkt 2.6 aufgelisteten Schwingungsursachen rufen an den wälzgelagerten Motoren
zwei unterschiedliche Formen von Schwingungen hervor. Die Schwingungsform sowie
Schwingungsfrequenz sind dabei charakteristisch für die Schwingungsursache. Zum einen
werden harmonisch oszillierende Kräfte (siehe 2.3.2) erzeugt und zum anderen Stoßimpulse.
Die harmonisch oszillierenden Kräfte entstehen beispielsweise durch:
- Unwuchten
- Fluchtfehler
- Zentrierfehler und deformierten Wellen17
- Prozesseinflüssen mit harmonischem Kraftverlauf.
Diese harmonischen Kraftanregungen führen zu Schwingungen mit kleinen Amplituden und
hoher Signalenergie. Sie überlagern sich mit allen anderen Signalanteilen durch
Superposition. Daher werden alle Elongationen miteinander addiert (siehe Punkt 2.3.2). Diese
Primärereignisse verursachen dabei ein verknüpftes, beispielsweise amplitudenmoduliertes
Signal.
Die Auswertung dieses Signals mit dem VIBXpert (Fourier-Analyse) ermöglicht dann
Ursachen für beispielsweise hohe Amplituden oder hohe Frequenzen zu erkennen und diese
zu beheben. Eine solche Ursache kann eine unexakte Justierung des Motors mit der Welle
sein, die zu Fluchtfehlern führt, was sehr häufig auftritt, vor allem wenn ein Motor in der
Reparatur war und dann nur sehr ungenau wieder eingebaut wurde. Solche Ungenauigkeiten
können mit bloßem Auge nicht erkannt werden, doch können sie zur Schädigung von
Baugruppen und letztlich auch zum Ausfall der Maschine führen. Weiterhin kann mittels
dieser Technik eine Unwucht der Welle erkannt werden. Schäden am Lager erzeugen jedoch
nicht diesen harmonischen Kraftverlauf.
15
16
17
Bauteil, welches zur Kraftübertragung zwischen Getriebe und Motor dient.
Von einer Unwucht spricht man bei rotierenden Körpern, deren Masse nicht rotationssymmetrisch verteilt ist.
Unwuchten führen vor allem bei hohen Drehzahlen zu Vibrationen und erhöhtem Verschleiß.
Bauteil, welches zur Kraftübertragung zwischen Getriebe und Motor dient.
23
Schwingungen, die aufgrund von Schäden des Lagers resultieren, weisen einen
stoßimpulsförmigen Kraftverlauf auf. Diese entstehen durch das Aufeinanderprallen zweier
fester Körper im Lager und erzeugen einen zeitlich begrenzten, sehr kurzen Stoßimpuls.
Bild 18: Stoßimpuls (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)
Diese Primärereignisse, die sich in periodischen Stoßimpulsfolgen äußern, entstehen zum
Beispiel durch:
- das Anschlagen eines verformten Käfigs,
- mechanisches Lagerspiel,
- das “Knattern”, einem Effekt des Aufeinanderprallens von Wälzkörpern.
Der periodische Verlauf dieser Stoßimpulsfolge resultiert daraus, dass beispielsweise bei
einem Schaden am Außenring des Lagers alle Walzrollen diesen Schaden an exakt derselben
Stelle durchlaufen.
Die Änderung der Schwingbeschleunigung über der Zeit ist ein Maß für seinen
Frequenzgang.
Bild 19: Frequenzgang (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)
Die Kenntnis über den Frequenzgang ist insofern von Bedeutung, dass nur die
Eigenfrequenzen
der
Maschinenteile
zum
Schwingen
angeregt
werden,
die
im
Anregungsbereich des Stoßimpulses in Resonanz liegen. Aufgrund der Reihung der in einem
Motor auftretenden Stoßimpulse kommt es dazu, dass die Elongation des realen Stoßimpulses
in der Regel nicht auf den Wert Null zurückfällt. Infolgedessen enthält der Anregungsbereich
des realen Stoßimpulses nur bestimmte Frequenzanteile, die in Resonanz liegen.
24
Die Stoßimpulse
verknüpfen sich durch Faltung18
mit
dem Einheitsimpulsüber-
tragungsverhalten19 der umgebenden schwingfähigen Struktur. Wirkt daher an den
schwingungsfähigen Motorkomponenten ein Eingangssignal (Stoßimpuls) x(t) infolge eines
Schadens, so entsteht ein Ausgangssignal, welches sich mittels der Fourieranalyse bestimmen
und graphisch darstellen lässt. Da die Maschinenkomponenten wie Wellen, Wälzlagerringe
und Gehäuse die Eigenschaft linearer zeitinvarianter Systeme besitzen, weisen sie somit
dieses Einheitsimpulsübertragungsverhalten auf. Infolge dieser Tatsache ruft das Einwirken
eines Einheitsimpulses auf die Motorkomponenten material- und strukturtypische Reaktionen
hervor.
Bild 20 zeigt solch ein strukturtypisches Ausgangssignal. Es zeigt die Impulsantwort eines
Wälzlageraußenrings auf einen realen Stoßimpuls, der durch das Aufschlagen mittels eines
harten Gegenstandes erzeugt wurde.
Bild 20: Impulsantwort eines Wälzlageraußenringschadens (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an
Industriegetrieben)
Auch die Impulsantwort hat einen Frequenzgang (siehe Bild 21), der aus meist sehr schmalen
Eigenfrequenzbereichen der schwingfähigen Struktur besteht.
Bild 21: Frequenzgang der Impulsantwort
Maschinendiagnose an Industriegetrieben)
18
19
eines Wälzlageraußenrings 23026 (vgl.
Wirth
1998,
Die Faltung beschreibt einen mathematischen Operator, der für zwei Funktionen f und g eine dritte Funktion
liefert, welche eine Art "Überlappung" zwischen f und einer gespiegelten und verschobenen Version von g
angibt und einem gleitenden Durchschnitt ähnelt.
Ist das Verhalten von linear zeitinvarianter Systeme. Diese weisen strukturtypische Reaktion auf das
Einwirken eines Einheitsimpulses auf, unabhängig von der Zeit, zu welcher dies geschieht.
25
In der Diagnosepraxis treten Stoßimpulse nicht einzeln auf, sondern als Stoßimpulsfolge. Die
Faltung dieser Stoßimpulsfolgefunktion mit dem Einheitsimpulsübertragungsverhalten ergibt
für Wälzlageraußenringschäden ein typisches Zeitsignal (vgl. Dr.-Ing. Rainer Wirth 1998,
Maschinendiagnose an Industriegetrieben).
Bild 22: Zeitsignal
Industriegetrieben)
eines
Wälzlageraußenringschadens
(vgl.
Wirth
1998,
Maschinendiagnose
an
Die Stoßanregungen in Bild 22 repräsentieren das Passieren der Außenringunregelmäßigkeit
durch einen Wälzkörper. Diese stoßimpulsförmigen Kraftanregungen äußern sich mit extrem
hoher Amplitude, aber geringer Signalenergie. Mittels der Messung eines Datenanalysators
kann eine so genannte Hüllkurve erstellt werden, wodurch die Wartungstechniker diesen
Schaden gezielt beheben können.
2.8 Funktionsweise des FFT-Schwingungsanalysators VIBXpert
Die Schwingungsanalyse mittels des VIBXpert FTT-Datensammlers und Signalanalysators
(Anlage 11) erfolgt daraufhin wie im Punkt 2.7 beschrieben. Dieser Signalanalysator wird an
den G355 Motoren genutzt, um einerseits die Gesamtschwingung oder auch real anliegende
Summenschwingung zu messen und andererseits die von hohem Verschleiß betroffenen
Wälzlager zu beurteilen.
Dazu müssen jedoch zunächst die erforderlichen Daten in das Datenanalysegerät eingegeben
werden. Entscheidend dabei sind:
die Drehzahl des Motors,
an welches Getriebe dieser Motor gekuppelt ist,
der Wälzlagertyp.
26
Der Wälzlagertyp ist bei der Wälzlagerdiagnose von entscheidender Bedeutung. Denn die
notwendigen Kenngrößen:
Durchmesser des Außen- und Innenringes sowie der Wälzkugel des Lagers,
Toleranzen von Laufrille zu Kugel (Lagerluft)
müssen zuvor bekannt sein.
Die Firma Prüftechnik steht jedoch in Zusammenarbeit mit vielen Lagerproduzenten,
wodurch das VIBXpert auf eine große Kartei von diesen lagertypischen Kenngrößen
zurückgreifen kann, ohne dass diese Werte per Hand eingegeben werden müssten, was die
Bedienung dieses Signalanalysators sehr einfach macht.
Die Messungen der im Wälzlager auftretenden Schwingungen sowie der Summenschwingung
erfolgen an drei vorgefertigten Schwingungsaufnahmepunkten am Motor. Diese befinden sich
vorn und hinten am Gehäuseende senkrecht zur Welle und am Wellenausgang des Motors
parallel zu ihr (Anlage 12). So werden einerseits die radial auftretenden Schwingung beider
Wälzlager eines Motors gemessen und andererseits die axialen Schwingungen am
wellenseitigen Motorende (vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger). Diese werden über einen
piezoelektrischen20 Beschleunigungssensor gemessen und in elektrische Signale umgewandelt
(vgl. telediagnose.com 2001, S. 5).
Das VIBXpert erstellt dann die für die Wälzlagerdiagnose wichtigen Frequenzspektren mittels
der im Punkt 2.4.2 beschriebenen Fourier-Transformation. Die Berechnung dieser DiskretenFourier-Transformation wird jedoch durch einen Algorithmus stark vereinfacht, wodurch sich
der Rechenaufwand reduziert. Diesen Algorithmus bezeichnet man als Fast-FourierTransformation
(FFT21).
Dabei
„verringern
sich
Rundungsfehler,
die
bei
der
Zwischenrechnung entstehen“ (kgw.tu-berlin.de, Fast Fourier Transformation (FFT)). Bei
diesem Algorithmus handelt es sich um ein Teile-und-herrsche-Verfahren, wodurch im
Gegensatz zur Diskreten-Fourier-Transformation bereits berechnete Zwischenergebnisse
schnell zusammengesetzt werden (vgl. Wikipedia.de, Schnelle Fourier-Transformation) und
sich der Rechenaufwand um fast das 100-fache verringert (vgl. kgw.tu-berlin.de, Fast Fourier
Transformation (FFT)).
Diese Daten lassen sich dann auf einen PC laden und sowohl graphisch als auch tabellarisch
darstellen.
20
21
Der Piezoeffekt beschreibt das Phänomen, dass bei der Verformung von Festkörpern auf der Oberfläche des
Materials elektrische Ladungen auftreten.
1965 veröffentlichtes Verfahren von James Cooley und John W. Tukey
27
2.9 Beschreibung des Instandhaltungszyklus im Zeithainer Rohrwerk
Um nun die Verfügbarkeit der 30 Antriebsmotoren des Streckreduzierwalzwerkes zu
gewährleisten, ist die Zuverlässigkeit der einzelnen Baugruppen der Motoren sicherzustellen.
Dabei stellt die vorangegangene Wälzlagerdiagnose die wichtigste Diagnoseform der G355
Antriebsmotoren dar, da vor allem die Wälzlager von hohem Verschleiß betroffen sind.
Die Möglichkeiten der Prävention von Ausfällen sind vielfältig und lassen sich in drei
Instandhaltungsstrategien einordnen. Dazu zählt die operative Instandhaltung, also die
Instandsetzung nach einem Ausfall, die vorbeugende und die zustandsorientierte
Instandhaltung. Da die vorbeugende Instandhaltung eine Instandsetzung nach festen
Zeitintervallen und somit unabhängig vom tatsächlichen Abnutzungsgrad der Maschine ist, ist
sie mit enormen Kosten verbunden, da die maximalle Lebensdauer von bestimmten
Baugruppen nie erreicht wird (vgl. Wirth 2003, S. 1). Um wirtschaftlich arbeiten zu können,
setzt die Mannesmannrohr Sachsen GmbH, Werk Zeithain auf die zustandsorientierte
Instandhaltung der Motoren. Dazu werden die Motoren unabhängig voneinander einmal im
Quartal der im Punkt 2.8 beschriebenen vollautomatischen Maschinendiagnose unterzogen.
Die Ergebnisse der Inspektion lassen Schlussfolgerungen zu möglichen kleineren
Nachbesserungen, wie dem Schmieren der Lager, sowie der verbleibenden Restlaufzeit, also
der Zeit, in der der Motor den geforderten Werten entspricht, zu.
Mithilfe dieser Ergebnisse ist eine Planung der Instandsetzungstermine möglich. Weist ein
Motor erhöhte Messwerte auf, wird die Zeit zwischen den einzelnen Inspektionen verkürzt.
Sind dann stark erhöhte Werte gemessen worden, wird versucht den Motor bei nächster
Gelegenheit auszubauen. Wenn ein Motor einen Schaden aufweist, der Folgeschäden mit sich
ziehen würde, kann dieser, wenn nicht alle 30 Walzgerüste für den Produktionsbetrieb genutzt
werden, ausgebaut und wieder instand gesetzt werden. Zudem wird mittels dieser
Wälzlagerdiagnose überprüft, welche der Motoren beim halbjährlichen Stillstand des Werkes,
aufgrund von groß angelegten Reparaturarbeiten, ausgebaut und erneuert wird.
2.10 Schwingungsanalyse eines wälzgelagertem Elektromotors Typs G355
2.10.1 Summenschwingungsanalyse
Wie bereits erläutert wurde, wird die Schwingungsanalyse der G355 Elektromotoren im
Rohrwerk Zeithain eingeteilt in die Summenschwingungsanalyse und die Wälzlageranalyse.
Die Summenschwingungsanalyse ist dabei ein Indikator für den Gesamtzustand des Motors.
Dabei wird nur die real anliegende Schwingung am Motorgehäuse gemessen. „Die
28
Schwinggeschwindigkeit ist die maßgebende Messgröße in allen Richtlinien oder Normen zur
Beurteilung
der
Gehäuseschwingungen
von
Maschinen
mit
rotierenden
Massen“
(telediagnose.com, Nr. 01 – März 2001). Für die Bewertung wird dabei vorzugsweise der
Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in mm/s (Peak to Peak) gemessen (vgl.
telediagnose.com, Nr. 01 – März 2001). Die Messwerte werden dann mit den in Anlage 13
gezeigten Richtwerten für Maschinen der Gruppe 2 mit starren Fundamenten (Beton) gemäß
ISO 2372/VDI2056 verglichen, um sich ein Bild vom Zustand der Maschine zu verschaffen.
Ein Inspektionsablauf, wie er im Punkt 2.9 beschrieben wurde, also zunächst aller drei
Monate und daraufhin bei der Verschlechterung der Messwerte in kürzeren Abständen, kann
jedoch nicht dargestellt werden, weil diese Messmethode mittels des VIBXpert zu diesem
Zeitpunkt in der Motorenwerkstatt neu eingeführt wurde. Die von mir vorgenommene
Summenschwingungsanalyse zeigt dennoch eine kontinuierliche Verschlechterung des
Gesamtzustandes des Elektromotors Nummer 16 bis zum 12.04.2007.
Datum
Geschwindigkeit
Datum
Geschwindigkeit
Datum
Geschwindigkeit
08.02.07 14:31
0,33 mm/s
08.02.07 14:27
0,53 mm/s
08.02.07 14:29
0,56 mm/s
05.04.07 10:51
0,80 mm/s
05.04.07 10:49
0,88 mm/s
05.04.07 10:50
1,43 mm/s
12.04.07 12:30
1,09 mm/s
12.04.07 13:11
6,33 mm/s
12.04.07 13:14
5,89 mm/s
31.05.07 07:33
0,45 mm/s
31.05.07 07:30
0,81 mm/s
31.05.07 07:32
0,40 mm/s
31.05.07 12:20
0,71 mm/s
31.05.07 12:15
1,15 mm/s
31.05.07 12:18
1,22 mm/s
A-Seite AX
A-Seite RH
B-Seite RH
Daraufhin entschloss man sich, diesen Motor während der folgenden groß angelegten
Betriebsreparatur auszubauen und wieder in den Soll-Zusatand zu versetzen. Nach der
Reparatur des Motors wurde dieser im Leerlauf in der Motorenwerkstatt erneut einer
Summenschwingungsanalyse unterzogen, um die Grundschwingung zu ermitteln und
festzustellen, dass sich der Motor in einem einsatzbereiten Zustand befindet. Eine weitere
Messung wurde dann im eingebauten Betriebszustand durchgeführt, um einerseits
Fluchtfehler oder Zentrierfehler auszuschließen und andererseits sicherzustellen, dass sich der
Motor in einwandfreiem Zustand befindet und eine lange Betriebsdauer gewährleistet.
Somit ist die Summenschwingungsanalyse bei der Inspektion der G355 Elektromotoren des
Streckreduzierwalzwerkes das maßgebende Verfahren zur Beurteilung des Betriebszustandes
(vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger).
29
2.10.2 Wälzlagerdiagnose an einem funktionstüchtigem Lager
Jedoch reicht die Summenschwingungsanalyse allein nicht aus, denn ein von hohem
Verschleiß betroffenes Wälzlager, welches, wie im Punkt 2.2.2 bereits erwähnt wurde, die am
meisten
vom
Verschleiß
betroffene
Baugruppe
ist,
würde
bei
der
Summen-
schwingungsanalyse eines sonst vollkommen intaktem Motors nicht in dem Maße sichtbar,
wie es gegebenenfalls nötig wäre. Die Stoßimpulse eines stark abgenutzten Lagers würden
sprichwörtlich in der Summenschwingung „untergehen“. Daher ist die Aufnahme der
Stoßimpulse und die Erstellung einer Hüllkurve von Nöten. Dieses Verfahren wurde jedoch
bei dem Motor 16 nicht vollzogen, da – wie schon erwähnt – diese Messtechnik zu dem
damaligen Zeitpunkt neu war. Daher wurde eine komplette Schwingungsanalyse am
Reservemotor 2 des gleichen Typs des Streckreduzierwalzwerkes durchgeführt. Die
Summenschwingungsaufnahme zeigte eine Verschlechterung des Betriebszustandes des
Motors (Anlage 15). Daraufhin wurde eine so genannte Stoßimpulsmessung an den erst
kürzlich gefetteten Wälzlagern durchgeführt.
Die Stoßimpulse werden in Dezibel22 angegeben. Dabei wird einerseits die Trägerleistung
dBm (decibel maximum value), also der Stoß mit der höchsten Amplitude, auch als MaxWert bezeichnet, angegeben (spminstrument.se, Stoßimpulsmessung dBm/dBc). Zum
Anderen wird der so genannte Teppich-Wert angegeben. Dabei handelt es sich um die
Signalpegeldifferenz zwischen den Modulationsseitenbändern und dem dazugehörigen Träger
dBm (Anlage16), auch als dBc (decibel carpet value) bezeichnet (mhf-e.desy.de, dBc). Dieser
Teppich-Wert spiegelt dabei das Grundrauschen24 eines Lagers wieder.
Die Stoßimpulsmessung zeigte jedoch eine deutliche Verbesserung der Lagerzustände
(Anlage 17). Dies ist voraussichtlich auf die vorangegangene Schmierung der Lager
zurückzuführen. Die danach erstellte Hüllkurve, wie im Punkt 2.4.2 beschrieben, zeigte
ebenfalls den einwandfreien Zustand des Lagers, da hier keine Geräuschspitzen, die einen
Lagerschaden signalisieren könnten, hervortraten (Anlage 18).
2.10.3 Wälzlageranalyse an einem defekten Lager
Im folgenden Beispiel wurden die hochfrequenten Stoßimpulse über einen längeren Zeitpunkt
zur Wälzlagerdiagnose regelmäßig aufgenommen und überwacht (siehe Bild 23). Dies ist der
so genannte Level-1 der Wälzlagerdiagnose. Als der Signalpegel den Warn-Wert überschritt,
22
23
24
Maßeinheit des Schallleistungspegels LW. LW ist die logarithmische Größe und die gebräuchlichere Angabe
der Schallleistung23 (Wikipedia.de, Schallleistungspegel).
Pak ist die pro Zeiteinheit von einer Schallquelle abgegebene Schallenergie (Wikipedia.de, Schallleistung).
Signal ohne Geräuschspitzen (Maxwerte)
30
wurde in kürzeren Abständen gemessen, um den Grad des Verschleißes zu ermitteln und
einen möglichen Schaden frühzeitig zu beseitigen.
Bild 23: Stoßimpulsmessung (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)
Als dann die Messwerte den Alarmwert überschritten, wurde in den Level-2 Modus
übergegangen. Dazu wurde nun die Wälzlagerhüllkurve ermittelt, wie im Bild 24 dargestellt
ist.
Bild 24: Wälzlagerhüllkurve (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)
31
Hier zeigten sich neben dem Grundrauschen einzelne Schadensfrequenzen, die als Spitzen
hervorstachen. Mittels dieser Hüllkurve können erfahrene Diagnostiker erkennen, zu welcher
Baugruppe des Lagers diese im Punkt 2.7 beschriebenen, strukturspezifischen Schadensfrequenzen gehören.
Bild 25: Wälzlagerhüllkurve mit aufgelegter Schadensschablone (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)
Bild 25 zeigt diese bauteilcharakterlichen Frequenzen der Wälzlagerkomponenten, bei denen
ein Schaden zu erwarten wäre (elektromotoren-scholz.de, Level-1 / Level-2 –Strategie). Diese
speziellen Frequenzen sind für die Lager berechnet und im VIBXpert eingespeichert, um die
entsprechende defekte Baukomponente zu ermitteln (vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger). Diese
Schadensschablone veranschaulicht den höchsten Ausschlag bei einer Frequenz von 128,6Hz.
Diese Frequenz verweist, wie in Bild 25 ersichtlich, auf einen Schaden des
Wälzlageraußenrings.
Dadurch konnte der Schaden vorzeitig erkannt und das komplette Lager bei nächstmöglicher
Gelegenheit gewechselt werden, bevor der Außenringschaden zum Ausfall des Motors
geführt hätte. Bild 26 zeigt nun die erneut aufgenommene Wälzlagerhüllkurve des neuen
Lagers. Es zeigt sich lediglich das Grundrauschen ohne hervortretende Spitzen, wie bei einem
neuen Wälzlager aber auch zu erwarten ist (elektromotoren-scholz.de, Level-1 / Level-2 –
Strategie).
32
Bild 26: Hüllkurve des neuen Lagers (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)
33
3. Resümee
Dr. Edwin Becker fand in seinem Artikel im condition monitoring magazin der Prüftechnik
AG „telediagnose.com“ vom März 2001 einen passenden Vergleich zur Bedeutung heutiger
Fast-Fourier-Transformations-Analysatoren. Er verglich die Effizienz dieser zustandsorientierten Diagnoseverfahren mit einem „Sechser im Lotto“. Sieben Jahre sind seit diesem
Artikel vergangen und doch ließen sich diese Verfahren zur zustandsorientierten
Instandhaltung nicht vom Markt verdrängen. Ganz im Gegenteil! Heutige FFTDatensammler- und Signalanalysatoren bilden das Grundkonzept der zustandsorientierten
Instandhaltung in allen maschinellen Bereichen. So kommen FFT-Analysatoren im Schiffbau,
in Windanlagen bis hin zu allen Arten maschineller Produktion (vgl. telediagnose.com, Nr.
06/ Nr. 09/ Nr. 12) zum Einsatz. Ihre Möglichkeiten wuchsen dabei ständig und ihre
Genauigkeit nahm stetig zu. Galten 2001 noch Spektren mit 800 Linien als vollkommen
zureichend (telediagnose.com, 2001), so gehen heutige FFT-Analysatoren wie der VIBXpert
mit bis zu 102400 Linien weit über dieses Maß hinaus. Durch diese rasante Entwicklung, die
die Bedienung immer leichter und die Geräte immer schneller und zuverlässiger werden ließ,
haben sie sich in so gut wie allen Bereichen der Zustandsüberwachung etabliert. Dabei ist die
Frage ihrer Effizienz leicht durch einen Vergleich mit der Ausfallsrate der Motoren der
Mannesmannrohr Sachsen GmbH zu beantworten. So gab es im Zeitraum zwischen 1986 und
1990 nur kleinere Zwischenfälle, da in diesem Zeitraum die Motoren und Getriebe mittels
eines älteren FFT-Datenanalysators überwacht wurden. Nach der Wende jedoch wurde dieses
Verfahren aufgrund von Entlassungen im Rohrwerk, die auch die Instandhaltungswarte betraf,
eingestellt. In dieser Zeit zwischen der Abschaffung dieses Instandhaltungsverfahrens und der
Wiedereinführung, kam es zu großen Ausfällen von Getrieben und Motoren, deren Reparatur
aufgrund einer Schädigung sich jeweils auf mehrere 10.000 Euro belief sowie einen Verlust
durch den kompletten Stillstand des Werkes herbeiführte. Seit der Neueinführung dieses
Diagnoseverfahrens kam es zu keinerlei Werksstillständen oder Ausfällen von Maschinen
(vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger).
Zudem ließen sich die Kosten der Motorenwerkstatt, der die gesamte Motoreninstandhaltung
obliegt, sogar stark reduzieren, da durch die nicht mehr vorbeugende, sondern
zustandsorientierte Instandhaltung die nahezu maximale Lebensdauer der Maschinen
ausgeschöpft wird und Schäden gezielt beseitigt werden können (vgl. Dr.-Ing. Rainer Wirth,
Vollautomatische Maschinendiagnose an mechanischen Antrieben).
34
Auch in Zukunft wird die zustandsorientierte Instandhaltung stark an Fast-FourierTransformations-Analysatoren
gebunden
sein
voranschreiten.
35
und
die
Weiterentwicklung
stetig
4. Quellenverzeichnis
a) Literatur
b) Zeitschriften
c) Internetquellen
d) mündliche Quellen
a) Literatur
BBC Brown Boveri: Kompensierte Gleichstrommaschinen Typ G 400…900. Druckschrift Nr.
Ch-T 3484 D, BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
Prof. Dr. sc. techn. Fischer, Udo/ Prof. Dr. sc. techn. Stephan, Wolfgang: Mechanische
Schwingungen. 2. Auflage. Leipzig: VEB Fachbuchverlag Leipzig 1984
Lindner, Helmut: Lehrbuch der Physik für Ingenieur- und Fachschulen. Leipzig: VEB
Fachbuchverlag Leipzig 1967
VEB Verlag Technik Berlin: Rotierende elektrische Maschinen. Berlin: VEB Verlag Technik
Berlin 1969
b) Zeitschriften
Dr.
Becker,
Edwin: Zustandsorientierter
Service an einem Extrudergetriebe.
In:
telediagnose.com, März 2001, Nr. 1, S. 1f.
Dr. Becker, Edwin: Gehäuserisse am Schaufelradbagger. In: telediagnose.com, April 2004,
Nr. 6, S. 1
Dr. Becker, Edwin: Eisenabrieb im Thrustergetriebe. In: telediagnose.com, Nr. 9, S. 1f.
Dr. Becker, Edwin: Betriebswuchten von Rotorblättern. In: telediagnose.com, Nr. 12, S. 1f.
36
Luft, Mathias: Messung des thermischen Wachstums eines Propan-Kälteverdichters. In:
telediagnose.com, März 2002, Nr. 3, S. 7
Prüftechnik Condition Monitoring: VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator. In:
VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator, VIBXPERT Anleitungsheft
telediagnose.com: Schwingungskenngrößen für Standardmaschinen. In: telediagnose.com,
März 2001, Nr. 1, S. 5f.
Vallourec & Mannesmann Tubes: Werk Zeithain. In: Werk Zeithain Broschüre
Dr. Ing. Wirth, Rainer: Vollautomatische Maschinendiagnose an mechanischen Antrieben. In:
antriebstechnik 42, Sonderdruck Nr. 3, 2003, S. 1
Dr.-Ing. Wirth, Rainer: Maschinendiagnose an Industriegetrieben. In: antriebstechnik 37, Nr.
10, 1998, S. 75-80
c) Internetquellen
ASK Kugellagerfabrik: Rillenkugellager. http://www.mdesign.de/Anzeigen/Waelzlager/
ask2.html, Dez. 07
Dr.-Ing. Brensing, Karl Heinz/ Dipl.-Ing. Sommer, Baldur: Herstellverfahren für Stahlrohre.
Elektronisch umgesetzt in: http://www.mrw.de/downloads/stahlrohre_dt.pdf, Aug. 07
Deutsches Elektronen Synchrotron: dBc. http://mhf-e.desy.de/e638/e1999, Feb. 07
Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH: Umlaufender lokaler Wälzlagerschaden.
http://www.maschinendiagnose.de/Kompendium/umlaufender_lokaler_Walzlagerschaden.ht
ml, Jan. 07
GMN: Lagerluft. http://www.gmn.de/front_content.php?idart=37, Feb. 07
37
medias®: Wellen- und Gehäuseausführung. http://medias.ina.de/medias/de!hp.tg.cat/
tg_rot*CHEIACID*SWLRKS, Jan. 07
Moller, Philipp: Der Gleichstrommotor. http://www.uni-muenster.de/Physik.TD/gleich
strommotor.html, Aug. 07
o.V.: Das magnetische Wendefeld. http://freeweb.dnet.it/motor/Kap3.htm, Okt. 07
o.V.: Fourier-Analyse und Synthese. http://praktikum.physik.uni-dortmund.de/APAnleitungen/Schwingungen/Versuch%20Nr.351.pdf, Dez. 07
o.V.: Fourier-Transformation. http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skript_ppt_07/
Schwingungen_Fourier_Summe.ppt, Dez. 07
o.V. Gleichstrommotoren. http://www.zottl.de/gleichstrommotoren.htm, Aug. 07
o.V.: Magnetische Größen und Einheiten. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/
1003181.htm, Feb. 07
o.V.:: Wälzlagerungen. http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Wälzlagerungen, Jan. 07
o.V.: Wälzlagerüberwachung und Wälzlagerdiagnose Level-1 / Level-2 –Strategie.
http://www.elektromotoren-scholz.de/pdf/Waelzluebwadiag.pdf, Jan. 07
Paizoni, Markus: Michael Faraday. http://users.physik.tu-muenchen.de/kressier/
Bios/Faraday.html, Feb. 07
Rüdinger, Bernd: Fast Fourier Transformation (FFT). http://www.kgw.tu-berlin.de/statisch/
lehre/skript/ds/node36.html, Jan. 07
Saupe, Pieter: Kompensationsspulen. http://www.pitfax.de/diplom/kapitel411.php, Sept. 07
skf: Radiallager. http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dict
Page=r&lang=de, Dez. 07
38
SPM Instrument AB: Leonova™ Infinity – Stoßimpulsmessung, dBm/dBc.
http://www.spminstrument.se/data/pdf/td/TD213C.pdf, Jan. 07
Wikipedia: Lorentzkraft. http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft, Sept. 07
Wikipedia: Elektromagnetische Induktion. http://de.wikipedia.org/wiki/
Elektromagnetische_Induktion, Sept. 07
Wikipedia: Wälzlager. http://de.wikipedia.org/wiki/Wälzlager, Okt. 07
d) Mündliche Quellen
Diplom Ingenieur Rainer Bäger: Gruppenleiter der Motorenwerkstatt, der Energie- und
Nebenanlagen, April 2007 – Januar 2008
39
5. Eigenständigkeitserklärung
Hiermit bestätige ich, David Krake, geboren am 17.08.1989, die vorliegende „Besondere
Lernleistung“ eigenständig und nur mit den angegebenen Hilfsmitteln geschrieben zu haben.
Zeithain, den 18.02.2008
David Krake
40
6. Anlagen
Anlage 1
Produktionsablauf der Rohrstoßbankanlage des Zeithainer Rohrwerkes
Zunächst wird das etwa 11,5 Meter Einsatzmaterial, die so genannten Rundknüppel, mittels
einer Kaltsäge auf 0,9 Meter bis 2,4 Meter gekürzt und in den Drehherdofen transportiert.
Nachdem die Rohrrohlinge auf die entsprechende Umformtemperatur von zwischen 1100°C
bis 1280°C, je nach Einsatzmaterial, gebracht wurden, kommen sie in eine zylindrische
Lochpresse. Durch hohen Druck wird ein Dorn durch den erwärmten Rohling gepresst, jedoch
ohne den Boden zu durchstoßen wodurch das Ende verschlossen bleibt.
Der sehr dickwandige Hohlkörper wird weitergeleitet und auf einen Dorn aufgefädelt. Der
Elongator, das so genannte Streck-Schrägwalzwerk, walzt ihn auf das 1,8fache seiner Größe
und man erreicht eine gleichmäßigere Wandung. Die drei fast parallel laufenden
Elongatorwalzen werden separat angetrieben. Die Kraftübertragung im Elongator als auch im
folgenden Arbeitsschritt, der Stoßbank, wird durch eine Zahnstange erreicht, die die
Dornstange antreibt. Nach Durchlaufen des Elongators wird die Dornstange wieder
herausgezogen und eine dünnere Dornstange, die der Stoßbank, tritt an ihre Stelle. Die
Rohrluppe25 durchläuft daraufhin die Stoßbank, welche aus 9 Rollenkäfigen besteht. Diese
wiederum sind aus vier, im neunzig Grad Winkel angebrachten kalibrierten26 Walzen, welche
keinen separaten Motor besitzen. Die Durchmesser der Rollenkäfige nimmt nach hinten ab,
wodurch die letzten Kalibrierwalzen eine Stoßgeschwindigkeit von bis zu sechs Metern pro
Sekunde erreichen können. Nach diesem Streckvorgang, der die Rohrluppe auf das zehn bis
fünfzehn fache vergrößert, durchfährt diese das Lösewalzwerk, um die eng verbundene
Rohrluppe von der Dornstange zu lösen. Dies erfolgt dadurch, dass separat angetriebene
Rollen oben und unten und zudem in entgegengesetzter Richtung drehen, die Dornstange
jedoch starr bleibt. Somit wird die Rohrluppe von der Dornstange gedreht. Darauf folgt die
Warmsäge, die das geschlossene Ende absägt. In dieser modernen Anlage werden somit zwei
unterschiedliche
Rohrluppengrößen
produziert,
die
dann
im
folgenden
Streckreduzierwalzwerk auf die geforderte Größe gewalzt werden. Dazu werden die Rohre
erneut im Nachwärmofen auf Umformtemperatur erwärmt, um sie wieder formbar zu machen.
25
26
Rohrluppe: Warm- bzw. kaltgefertigter, dickwandiger, zylindrischer Rohrrohling welcher als
Ausgangsrohr für einen nachfolgenden Umformschritt herangezogen wird
kalibrierte Walzen: Auf ein genaues Maß angepasste Walzen, die der Form des Rohres
entsprechen, daher nicht gerade sind und dem Rohr die endgültige Form geben
41
Im sich darauf anschließenden Streckreduzierwalzwerk durchlaufen sie die 30 Walzgerüste,
die im Einzelnen aus jeweils drei Rollwalzen bestehen, dem so genannten Kaliber. Diese
werden separat angetrieben, da die Kaliber von Walzgerüst zu Walzgerüst stetig kleiner
werden und sich die Drehgeschwindigkeit von Anfang nach Ende erhöht. Die Rollwalzen
eines jeden Walzgerüstes sind versetzt zueinander angeordnet, um das Rohr überall
gleichmäßig
walzen
zu
können.
Nach
der
endgültigen
Formgebung
im
Steckreduzierwalzwerk, wo das Rohr auf das zehnfache verlängert werden kann, kommen die
Rohre, die hier bis zu neunzig Meter lang sein können auf das Kühlbett. Nach der Beendigung
des Abkühlvorgangs, werden die Rohre mittels einer Lagensäge gekürzt und anschließend
durch Walzen gerichtet. Danach werden sie in der Adjustage nach verschiedenen Parametern
wie Länge, Wanddicke und Gleichmäßigkeit mittels neuster Technik untersucht, wie
beispielsweise
durch
die
Wirbelstrom-oder
Herstellverfahren für Stahlrohre).
42
Ultraschallprüfung
(vgl.
mrw.de,
(Vallourec & Mannesmann Tubes, Werk Zeithain)
43
Anlage 2
(pitfax.de, Kompensationsspulen)
Anlage 3
G355 Elektromotor
Leistung
140 kW
Nenndrehzahl
900 RPM
ISO Klasse
Gruppe 2 (ISO 10816-3)
44
Anlage 4
(gmn.de, Lagerluft)
Die radiale Lagerluft ist abhängig von den Passungen, dem Wärmehaushalt des Lagers sowie
den betrieblichen Belastungen. Die normale Lagerluft CN ist so festgelegt, dass bei normalen
Betriebsverhältnissen genügend Betriebslagerluft verbleibt. C2 ist die geringere Lagerluft und
ist dann zu verwenden, wenn eine nahezu spielfreie Lagerung vonnöten ist. C3 und C4 sind
die Maße der größeren Lagerluft und sind zum Beispiel bei hoher Temperaturdifferenz
zwischen Innen- und Außenring zu wählen. Das Axialspiel ergibt sich aus dem Radialspiel
und beträgt ungefähr das 8,5 – 10fache des radialen Lagerspiels.
Anlage 5
(medias.ina.de, Wellen- und Gehäuseausführung)
Die Punklast liegt vor, wenn die Lastrichtung und der Lagerring relativ zueinander stillstehen.
Die Umfangslast liegt vor, wenn die Lastrichtung und der Lagerring relativ zueinander
drehen. Dabei wird jeder Punkt der Laufbahn belastet.
45
Anlage 6
(bs-wiki.de, Wälzlagerungen)
Anlage 7
Gelten die Diricletschen Bedingungen für eine beliebige nichtperiodische Funktion y (t ) ,
dann:
1. lässt sich die Funktion in ihrem Definitionsintervall in endlich viele Teilintervalle
zerlegen, in denen sie stetig und monoton ist
2. und die Unstetigkeitsstellen (Grenzwerte) der Funktion definieren durch y (t + 0) ) und
y (t − 0) . (Fischer/Stephan 1984, S. 34)
46
Anlage 8
Abbildung des Messverlaufs des VIBXpert an einem G355 Motor des Streckreduzierwalzwerks
47
Anlage 9
(Vallourec & Mannesmann Tubes, Werk Zeithain)
Die Abbildung zeigt die Wellen vom Streckreduzierwalzwerk zu den Duo-Getrieben sowie
die dahinter liegenden Motoren.
Anlage 10
(Luft, Messung des thermischen Wachstums eines Propan-Kälteverdichters)
48
Anlage 11
(Prüftechnik Condition Monitoring, VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator)
49
Anlage 12
(Messung vom 12.04.2007)
Anlage 13
(telediagnose.com, März 2001)
50
Anlage 14
51
52
Anlage 15
53
54
55
56
57
Anlage 16
(mhf-e.desy.de, dBc)
Die
Abbildung
zeigt
einen
Signalträger
(Spitze)
mit
den
dazugehörigen
Modulationsseitenbändern. Die Signalpegeldifferenz beschreibt dabei die Differenz zwischen
dem höchsten Stoß (dBm) und den dazugehörigen Modulationsseitenbändern.
Beispiel:
Das in der Abbildung dargestellte Spektrum zeigt einen 499,66 MHz-Träger mit
symmetrischen 6,5-kHz-Seitenbändern.
Die Trägerleistung beträgt dabei -15,67 dBm.
Die Seitenbandleistung (die hellere Spur) beträgt -82 dBm.
Die Signalpegeldifferenz - auch Trägerabstand- beträgt somit: -82 dBm - (-15.67 dBm) = 66,33 dBc. (vgl. mhf-e.desy.de, dBc)
58
Anlage 17
59
60
Anlage 18
61
62
Anlage 19
Reparatur des G355 Elektromotors Nummer 16
Nachdem der Gleichstrommotor Nummer 16 des Walzwerkes zwei Jahre lang reibungslos im
Dauerbetrieb war, musste er turnusgemäß ausgebaut und überprüft werden. Dies geschah am
31.05.2007. Zu diesem Zweck wurde der Motor in seine Einzelteile zerlegt und Teile mit
einem hohen Abnutzungsgrad ausgewechselt.
Vor dem Ausbau wurde eine genaue Wälzlagerdiagnostik durchgeführt, um einen Vergleich
vom eingebauten zum ausgebauten Motor zu bekommen. Dazu ließ man den Motor in der
Reparaturhalle im Leerlauf arbeiten, um Störimpulse, wie sie im laufenden Betrieb auftreten,
auszuschließen, weil diese keine genauen Daten zulassen.
(VIBXpert FFT-Datensammler und Signalanalysator)
63
Nach der Wälzlagerdiagnostik folgte die Kommutatordiagnostik. Diese ermöglicht eine
Aussage darüber, ob die Schleifringe an den Auftreffstellen der Kohlebürsten eine Abnutzung
erfahren haben und somit nicht mehr in einer Ebene liegen. Solch eine erhöhte Abnutzung,
welche keinen einhundertprozentigen Umlauf der Schleifringe garantiert, kann zu vermehrten
Funkenübersprüngen führen. Zuvor wurde jedoch die Stromzufuhr zum Motor unterbunden.
Zur Überprüfung des Rundlaufs wird das Rundlaufprüfgerät auf den Lagerschild angebracht
und der Fühler an die Auftreffstellen der Kohlebürsten gelegt. Danach musste der Rotor von
Hand gleichmäßig gedreht werden, weil die Stromzufuhr mittels Kohlebürsten nun nicht mehr
möglich war. Die Diagnose ergab, dass die Schleifringe in gutem Zustand waren und somit
kein Bedarf einer Auswechslung bestand. Die eigentliche Demontage des Gleichstrommotors
begann damit, dass die Lagerschilde beidseitig abgeschraubt wurden. Diese waren stark durch
den Kohlebürstenabrieb verschmutzt.
64
Daher mussten sie vom Kohlestaub bereinigt werden, da sonst die Möglichkeit eines
Spannungsüberschlags bestünde. Dies geschieht für den Grobstaub mit Druckluft und für
festsitzen Staub durch Spiritus.
In diesem Bild sind die Ablagerungen deutlich zu erkennen. Danach konnten der
Tachodynamo, der Zentrifugalschalter, der Zwischenflansch und die Kupplung mittels der
Befestigungsschrauben gelöst werden. Um die Kupplungsnabe von der Welle zu ziehen,
65
musste die Abziehvorrichtung an das Ende der Welle angebracht werden. Da es sich jedoch
um eine Kupplungsnabe mittels Schrumpfverband handelte, die sich nur durch Druckölgeräte
abziehen lassen, mussten zuvor Ölpumpen und die Ölverteilungsnuten an die dafür
vorgesehen Anschlüsse angebracht werden. Mittels dieser Ölpumpen wurde der
Schrumpfverband durch hohen Druck um 0.022mm gelockert, wodurch man nun den
Schrumpfverband von der Kupplung lösen konnte. Dies erfolgte durch die Abziehvorrichtung
die am Schrumpfverband befestigt wurde, indem sie die immer noch fest verbundene Welle
aus dem Schrumpfverband nach hinten rausdrückte. Nachdem dies erfolgte, mussten die
Wälzlager aufgrund der Fettqualität und Fettmenge neu gefettet werden. Daraufhin wurden
ebenfalls beidseitig die Bürstenbrückenkonstruktionen abgeschraubt und die Federn der
Bürstenhalter, worin die Kohlebürsten beweglich eingesteckt sind, geölt, um deren
Funktionalität zu gewährleisten. Die Kohlebürsten wurden standardmäßig aufgrund ihres
starken Abriebes durch neue ersetzt. Letztendlich wurde der gesamte Rotor aus dem Stator
gehoben und zur Inspektion geschickt. Dabei wird er vom abgeriebenen Kohlestaub befreit
und verschlissene Teile ausgewechselt. Nachdem alle Teile überprüft und erneuert
beziehungsweise repariert wurden, wurde die Maschine wieder komplett montiert.
Nach der Montage wurde der Motor wieder in Betrieb genommen. Hierbei war zu beachten,
dass die Lagertemperatur während der ersten Stunden kontrolliert werden musste, um die
einwandfreie Betriebsbereitschaft zu gewährleisten.
66
Anlage 20
(Innenringschaden) (Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH, Umlaufender lokaler Wälzlagerschaden)
67