Schwingungsmessung an Industriegetrieben

Lager, Zahnräder und Wellen erzeugen während des Betriebs charakteristische Schwingungen. Diese werden über das Getriebegehäuse übertragen und dort mit geeigneten Sensoren aufgenommen.

In den Messdaten treten unter anderem Drehfrequenzen, Zahneingriffsfrequenzen und lagerbezogene Frequenzanteile auf. Veränderungen dieser Signale geben dem erfahrenen Diagnostiker Hinweise darauf, wo im Antriebsstrang eine Auffälligkeit liegen könnte. Typische Fragestellungen, die mit einer Schwingungsanalyse beantwortet werden können, sind:

• Gibt es Hinweise auf einen Lagerschaden?
• Zeigt eine Verzahnungsstufe Auffälligkeiten?
• Haben sich Schwingungspegel gegenüber früheren Messungen verändert?
• Liegen Unwucht, Fehlausrichtung oder mechanische Lockerungen vor?
• Treten ungewöhnliche Frequenzen oder Seitenbänder auf?
• Wie entwickelt sich eine bereits bekannte Auffälligkeit?

Die Stärke der Schwingungsanalyse liegt in der Diagnose. Aus einem auffälligen Signal lassen sich häufig Hinweise auf die betroffene Komponente und die Art der Störung gewinnen.

Schwingungsmessung ist nicht automatisch eine permanente Getriebeüberwachung. In vielen Betrieben werden Getriebe in regelmäßigen Abständen mit mobiler Messtechnik untersucht. Für besonders kritische Antriebe kommen fest installierte Online-Systeme zum Einsatz. Beide Ansätze haben ihre Berechtigung. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie oft Messdaten zur Verfügung stehen und welcher technische Aufwand betrieben wird.

Eine Offline-Schwingungsmessung zeigt den Zustand zum Zeitpunkt der Messung. Liegt zwischen zwei Messungen ein Zeitraum von mehreren Wochen oder Monaten, gibt es aus der Schwingungsmessung für diesen Zeitraum keine neue Zustandsinformation. Bei Anlagen mit langsam fortschreitendem Verschleiß muss das kein Problem sein.

Bei einem kritischen Getriebe stellt sich jedoch eine andere Frage: Reicht das Messintervall aus, wenn sich ein Schaden zwischen zwei Terminen schneller entwickelt als erwartet? Genau hier beginnt der Unterschied zwischen periodischer Diagnose und Online-Condition-Monitoring (CMS).

Industriegetriebe laufen häufig nicht unter konstanten Bedingungen. Ändert sich die Drehzahl, verschieben sich auch die charakteristischen Frequenzen im Spektrum.
Lastwechsel verändern zusätzlich die Amplituden. Prozessschwingungen der angeschlossenen Maschine kommen hinzu.

Bei variabler Drehzahl reicht deshalb ein normales Frequenzspektrum häufig nicht aus. Drehzahlsynchrone Auswertungen stellen den Bezug zur aktuellen Drehzahl her.
Die Diagnose bleibt möglich – sie braucht aber mehr Informationen über den tatsächlichen Betriebszustand.

Ein Beschleunigungssensor liefert zunächst Messdaten. Die eigentliche Diagnose entsteht erst bei der Auswertung. Bei einem Industriegetriebe überlagern sich Schwingungen von Motor, Kupplung, Lagern, Wellen, mehreren Verzahnungsstufen und der angeschlossenen Maschine. Resonanzen im Gehäuse verändern das gemessene Signal zusätzlich.

Automatisierte Condition-Monitoring-Systeme übernehmen heute einen erheblichen Teil der Vorbewertung. Sie bilden Trends, überwachen Grenzwerte und erkennen bekannte Schadensmuster. Bei ungewöhnlichen Signalbildern, wechselnden Betriebsbedingungen oder komplexen Getrieben bleibt die fachliche Diagnose wichtig.

Der Umfang hängt von Getriebe und Aufgabenstellung ab. Bei einer vollständigen Online-Überwachung gehören häufig mehrere Komponenten zusammen:

• geeignete Beschleunigungssensoren an definierten Messstellen,
• Drehzahlerfassung bei variablen Drehzahlen,
• gegebenenfalls Temperatur-, Last- oder Drehmomentdaten,
• Datenerfassung beziehungsweise Edge-Hardware,
• Datenübertragung,
• Software zur Analyse und Trenddarstellung,
• Alarm- und Warnlogik,
• Parametrierung und Inbetriebnahme,
• technische Bewertung auffälliger Messwerte.

Bei einfachen Anwendungen lässt sich eine Schwingungsüberwachung deutlich schlanker aufbauen. Große oder komplexe Industriegetriebe verlangen aber meist mehr Aufwand.

Nicht unbedingt. Ein Betreiber möchte häufig zunächst eine viel einfachere Frage beantworten:

• Entwickelt sich an diesem Getriebe gerade ein ungewöhnlicher mechanischer Verschleiß?

Für diese Frage braucht er nicht zwingend permanent eine vollständige Frequenzdiagnose. Bei einem ölumlaufgeschmierten Getriebe gibt es noch eine andere Messgröße: den metallischen Abrieb, der bei Verschleiß an Lagern und Verzahnungen in das Getriebeöl gelangt.

Dieser Ansatz misst nicht die Schwingungsreaktion des Getriebes. Er beobachtet die Metallpartikel, die durch den mechanischen Verschleiß entstehen.

Eine gute Schwingungsanalyse geht tief in die Diagnose. Sie untersucht Frequenzen, Seitenbänder, Amplituden und deren Entwicklung. Mit ausreichenden technischen Daten lassen sich Auffälligkeiten häufig bestimmten Lagern, Wellen oder Verzahnungsstufen zuordnen.

Wer wissen möchte, welches Bauteil auffällig ist und welche Art von mechanischer Störung vorliegt, bekommt aus der Schwingungsanalyse wertvolle Informationen.

Die Online-Metallabriebüberwachung verfolgt eine andere Logik. Metallische Verschleißpartikel im Ölstrom werden erfasst und über die Zeit gezählt.
Steigt die Partikelrate, verändert sich der metallische Abrieb im Getriebe. Das Verfahren liefert zunächst keine vollständige Schadensdiagnose. Es funktioniert vielmehr wie eine Alarmanlage für zunehmenden metallischen Verschleiß.

Nach einer frühen Warnung beginnt die gezielte Untersuchung des Getriebes, bei der auch mögliche Instandsetzungsmaßnahmen – ggf. auch vor Ort – festgelegt werden können.

Die Verfahren konkurrieren nicht zwingend miteinander. Bei einer Schadensdiagnose liefert die Schwingungsanalyse Informationen, die für die genaue Eingrenzung einer Auffälligkeit sehr wertvoll sind.

Für eine Frühwarnung bei einem ölumlaufgeschmierten Industriegetriebe reicht dem Betreiber dagegen häufig zunächst die Information, ob überhöhter metallischer Verschleiß vorhanden ist oder die Partikelzahl stabil bleibt. An besonders produktionsrelevanten und nicht schnell austauschbaren Industriegetrieben ist eine Kombination aus Schwingungsmessung und Partikelzählung sinnvoll:

Die Online-Partikelüberwachung meldet steigende Partikelzahlen. Die anschließende Schwingungsanalyse, Öluntersuchung oder Videoendoskopie hilft bei der Suche nach der Ursache. So bekommt jede Messmethode eine klare Aufgabe.

Für die Online-Überwachung metallischer Verschleißpartikel in ölumlaufgeschmierten Industriegetrieben empfehlen wir den Einsatz von MetalSCAN-Partikelzählern.

Der Sensor wird in den Ölkreislauf eingebaut und erfasst metallische Partikel, bevor diese im Filter abgeschieden werden.
MetalSCAN verfolgt nicht das Schwingungsspektrum. Das System beobachtet die Entwicklung des metallischen Abriebs, der auf einen beginnenden Getriebeschaden hinweist.

Für Betreiber, die ein kritisches Getriebe permanent überwachen möchten, ohne dauerhaft eine vollständige Schwingungsdiagnose aufzubauen, ist dieser Ansatz besonders interessant.

Eine regelmäßige Schwingungsmessung ist oft ausreichend, wenn das Getriebe stabil läuft, Messintervalle zum Ausfallrisiko passen und vergleichbare Betriebszustände hergestellt werden.

Eine permanente Schwingungsüberwachung ist interessanter, wenn:

• das Getriebe für die Produktion besonders kritisch ist,
• zwischen zwei Messintervallen kein Blindflug gewünscht ist,
• ein überraschender Getriebeausfall hohe Kosten verursacht,
• die Instandsetzung nach einem spät erkannten Getriebeschaden Monate dauern kann,
• kein kurzfristig verfügbares Ersatzgetriebe vorhanden ist, oder
• wenn ein bekannter Schaden bis zum nächsten geplanten Stillstand kontrolliert weiterbetrieben werden soll.

Die Frage lautet am Ende nicht, welches Condition-Monitoring-System technisch am meisten Daten erzeugt. Relevant ist, welche Information die Instandhaltung wann braucht.

Ein auffälliges Schwingungssignal heißt in der Regel nicht, dass ein Getriebeausfall unmittelbar bevorsteht.
Es sollte aber geklärt werden, welche Komponente die Auffälligkeit verursacht und wie kritisch der Befund ist.

Zum weiteren Vorgehen gehören beispielsweise:

• Frequenzspektrum und Trend (bei Online-Überwachung) auswerten,
• Öl und Filter auf Abrieb kontrollieren,
• zugängliche Lager und Verzahnungen prüfen,
• ggf. Videoendoskopie einsetzen,
• Ölprobe nehmen und untersuchen,
• Vor-Ort-Reparatur beziehungsweise Instandsetzung vorbereiten

Schwingungsdiagnose, Ölzustand und visuelle Befunde ergeben zusammen ein klareres Bild als ein einzelner Messwert.

Nicht jedes Getriebe braucht fest installierte Sensorik zur Schwingungsüberwachung. Eine gezielte Schwingungsmessung vor Ort ist sinnvoll, wenn ein Geräusch untersucht, eine bekannte Auffälligkeit überprüft oder der Zustand eines Getriebes im Rahmen einer Inspektion bewertet werden soll. Für Trendmessungen sollten Messpunkte und Lastzustand dokumentiert und bei Folgemessungen möglichst wieder verwendet werden.

Bei einem Getriebe, dessen Ausfall eine komplette Anlage stillsetzt, reichen periodische Kontrollen unter Umständen nicht aus.

Hier hat die permanente Schwingungsüberwachung gegenüber der Offline-Schwingungsmessung deutliche Vorteile, so dass die höheren Investitionskosten durchaus sinnvoll sein können.

Sie möchten den Zustand eines Industriegetriebes beurteilen oder suchen eine passende Überwachung für einen produktionskritischen Antrieb?
Senden Sie uns Getriebetyp, Hersteller, Anwendung, Drehzahlbereich und – soweit vorhanden – Angaben zu Last, Schmierung und bisherigen Auffälligkeiten.

Wir prüfen, ob eine gezielte Schwingungsmessung ausreicht oder ob für das Getriebe eine permanente Online-Überwachung sinnvoller ist.