Schwingungsanalyse und akustische Emission: Vorteile und Grenzen für Predictive Maintenance
Ein entscheidender Aspekt für Max, Leiter Inspektion und Wartung in einer Anlage, ist der Einsatz unterschiedlicher Werkzeuge bei seinen Wartungsarbeiten, um unerwartete Ausfälle zu verhindern und einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Vielleicht kennen Sie Max bereits aus einem früheren Artikel, in dem wir den Unterschied zwischen Körperschall und Luftschall besprochen haben: Lesen Sie hier mehr.
Weitere häufig verwendete Techniken für seine Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance sind Schwingungsanalyse (VA) und akustische Emissionsprüfung (AET). Der Vergleich dieser beiden Methoden ist nicht immer einfach. Tatsächlich wird AE umgangssprachlich manchmal als die neue Generation von Schwingungsverfahren beschrieben. - Siehe einen Artikel in Reliable Plant: Hier als Beispiel.
Wir wagen hier jedoch den Versuch, die beiden Methoden zu vergleichen.
Beide Methoden nutzen Sensoren, um von Maschinen ausgesendete Signale zu erfassen und zu analysieren, die dann Wellenformen im Zeit- und Frequenzbereich verarbeiten. Die Methoden mögen daher auf den ersten Blick ähnlich erscheinen und sich in den Anwendungen teilweise überschneiden, dennoch sind einige wesentliche Unterschiede zu beachten. Werfen wir einen Blick darauf.
Schwingungsanalyse:
Die Schwingungsanalyse (VA) ist eine Methode zur Messung der Bewegung (Schwingungspegel und -frequenzen) von Maschinen und zur anschließenden Verwendung der Signalinformationen zur Analyse des Gesundheitszustands von Maschinenkomponenten. Immer wenn eine Maschine läuft, erzeugt sie Vibrationen (sowohl im gesunden als auch im ungesunden Zustand). Vibrationen sind daher in rotierenden Maschinen und beweglichen Strukturen im Betrieb immer vorhanden. Man könnte auch sagen, es handelt sich im Wesentlichen um die Überwachung und Interpretation des Herzschlags eines bestimmten Geräts. Zur Durchführung der Analyse werden an den Geräten Sensoren installiert, die Vibrationen aufzeichnen und diese dann analysieren, um etwaige abnormale Muster oder Frequenzen zu erkennen. Um ein sich änderndes Signal zu erkennen, müssen bereits Mängel/Störungen aufgetreten sein.
Die Schwingungsanalyse wird häufig eingesetzt, ist aber nicht darauf beschränkt, um frühe Anzeichen von Verschleiß, Fehlausrichtung, Unwucht, mechanischer Lockerheit und anderen Problemen an rotierenden Maschinen wie Motoren, Pumpen, industriellen Lüfterflügeln, Getrieben usw. zu erkennen.
Beispielhaft: Schwingungssensor zur Schwingungsanalyse an einer Pumpe
akustische Emission:
Im Gegensatz dazu erkennt die akustische Emissionsprüfung (AET), ebenfalls eine zerstörungsfreie Prüftechnik, hochfrequente Spannungswellen, die von Veränderungen in Materialien oder Strukturen unter Last ausgehen. Darüber hinaus können diese Wellen auch an Strukturen oder Bauteilen nachgewiesen werden, wo eine Leckströmung aufgrund von Druckunterschieden auftritt und akustische Emission erzeugt.
Eine gesunde Maschine (in einer isolierten Umgebung) würde daher keine AE-Signale aussenden. Darüber hinaus basiert AET im Vergleich zur Schwingungsanalyse auf höheren Frequenzen. Dies ermöglicht die Erkennung von Unstetigkeiten und deren Fortschreiten, noch bevor ein Defekt/Störung auftritt. AE-Sensoren werden typischerweise an der Oberfläche der Ausrüstung oder Struktur angebracht und die aufgezeichneten Signale werden analysiert, um wachsende Risse, Lecks und andere Formen anhaltender Defekte, Fehler oder Verschlechterungen zu erkennen. AE-Tests werden häufig, aber nicht beschränkt, zur Überwachung von Druckbehältern, Rohrleitungen, Ventilen, Lagertanks, rotierenden Geräten und anderen kritischen Anlagen in Branchen wie Öl und Gas, Chemie, Pharma, Zellstoff und Papier usw. verwendet.
Beispielhaft: AE-Sensor zur Leckerkennung in Ventilen
Doch welche Methode eignet sich besser für Inspektions- und Wartungsarbeiten? Wie bei jeder Prüfmethode kommt es auf den konkreten Anwendungsfall und die Anforderungen an. Beide Testmethoden haben ihre Stärken und Grenzen und werden daher häufig ergänzend eingesetzt. Vergleichen wir die Hauptmerkmale:
Schwingungsanalyse | Akustische Emissionsanalyse |
Misst mechanische Vibrationen auf der Oberfläche rotierender Maschinen (z. B. Motoren, Pumpen, Getriebe usw.) | Misst Oberflächenspannungswellen, die durch kleinste Veränderungen in der inneren Struktur des Materials entstehen, oder Wellen, die durch Leckströme infolge von Druckunterschieden erzeugt werden (z. B. Pumpen, Ventile, Druckbehälter usw.). |
Frequenzen: abhängig von der Drehzahl, normalerweise unter 20 kHz | Frequenzen: Ultraschallspektrum zwischen 20 kHz und 1 MHz |
Nicht-intrusive Prüfung: Sensoren werden in der Regel ohne Demontage an der Oberfläche des Geräts angebracht. Bei einer dauerhaften Installation kann die Demontage von Teilen erforderlich sein | Nicht-intrusive Prüfung: Sensoren werden normalerweise an der Oberfläche der Ausrüstung angebracht, ohne dass diese demontiert werden muss. |
Begrenzte Empfindlichkeit gegenüber einer frühen Diskontinuität, da sich die Signale möglicherweise nicht wesentlich ändern, bis der Defekt schwerwiegend wird | Hohe Empfindlichkeit gegenüber frühen Diskontinuitäten: Spannungswellen werden bereits bei kleinsten Diskontinuitätsformen ausgesendet. Es kann Veränderungen im beanspruchten Material erkennen, noch bevor sie zu sichtbaren Anzeichen eines Defekts/Fehlers führen. |
Kann Geräteverschleiß erkennen | Kann wachsende Defekte/Fehler erkennen und lokalisieren |
Es wurde viel Forschung betrieben, um die beiden Methoden zu vergleichen, insbesondere für Geräte wie Lager, da diese als entscheidende Komponenten in industriellen Anwendungen gelten. Nachfolgend sind einige Ergebnisse aufgeführt:
Schwingungsanalyse zur Lagerüberwachung | akustische Emissionsprüfung zur Lagerüberwachung |
Wahrscheinlich die etablierteste Methode zur Überwachung des Lagerverschleißes | Wird meist als ergänzende Diagnosemethode zur Schwingungsanalyse zur Lagerüberwachung eingesetzt |
Um abnormale Schwingungsmuster zu erkennen, muss bereits eine Verschlechterung/ein Defekt aufgetreten sein | Kann Lager überwachen, bevor aufgrund hochfrequenter AE-Signaturen visuelle Defekte in Kontaktflächen entstehen |
Kann Fehler in niedrigeren Frequenzbereichen erkennen, wie z. B. Unwucht, Fehlausrichtung und Wellenverbiegung | Niederfrequenzdefekte wie Unwucht, Fehlausrichtung und Wellenverbiegung können nicht erkannt werden |
Es ist in der Lage, Fehler bei mittleren bis hohen Drehzahlen zu überwachen | Es ist in der Lage, Fehler bei mittleren bis hohen Drehzahlen zu überwachen, |
Zeigt seine Grenzen bei niedrigen Drehzahlen aufgrund des schwächeren Schwingungssignals, das bei niedrigerer Drehzahl erzeugt wird | Kann Stöße in Lagern auch bei langsamer Drehzahl erkennen |
Quellen
- Condition monitoring of slow-speed rolling element bearings using stress waves
- The use of Acoustic Emission for bearing defect identification and estimation of defect size
- Acoustic emission analysis for bearing condition monitoring
- Combination of vibration analysis and Acoustic Emission measurements to better characterize damage and mechanical behaviour of aerospace high speed rolling bearing
Wie wir oben gesehen haben, zeigen beide Methoden ihre Stärken und Schwächen und werden daher häufig als ergänzende Diagnoseinstrumente eingesetzt. Beides kann zur vorausschauenden Wartungsstrategie von Max beitragen. Schwingungsanalyse und akustische Emission können verwendet werden, um den Beginn des Geräteverschleißes (VA) oder frühe Defektstadien (AE) zu identifizieren. Das ist das Rückgrat der vorausschauenden Wartung.
Durch die kontinuierliche Überwachung von Schwingungsdaten und akustischer Emission kann Max entstehende Defekte früher erkennen. Das unterstützt zustandsbasierte Instandhaltung mit konkreten Vorteilen:
- Weniger ungeplante Stillstände.
- Höhere Anlagenverfügbarkeit und Zuverlässigkeit.
- Planbarere Wartung mit weniger reaktiven Einsätzen.
- Geringere Verluste durch ineffizienten Betrieb, Leckagen oder vermeidbaren Ausschuss.
- Weniger Wartungsaufwand und niedrigere Instandhaltungskosten.
Zur Lecksuche in Ventilen nutzt Max das intelligente und mobile Inspektionssystem von Senseven, das auf akustische Emission basiert. Das System hilft ihm, seine Messungen der akustischen Emission einfach zu erfassen, zu interpretieren und zu speichern und unterstützt ihn dabei, undichte Ventile zu erkennen, bevor diese Schäden an seiner Anlage verursachen können.
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