ISO 2041: Mechanische Schwingungen, Stöße und Zustandsüberwachung – Vokabular

Zusammenfassung

ISO 2041 ist der zentrale Standard für den gesamten Bereich der Schwingungs-, Stoß- und Zustandsüberwachung. Sein Anwendungsbereich ist deutlich breiter als der von Normen wie ISO 1940-2, die sich ausschließlich auf das Auswuchten konzentriert. ISO 2041 dient als umfassendes Wörterbuch und bietet präzise Definitionen für Tausende von Begriffen aus allen relevanten Disziplinen, darunter Messung, Analyse, Prüfung und Diagnose. Ziel ist es, eine gemeinsame, eindeutige Sprache zu etablieren, um eine klare Kommunikation zwischen Fachleuten in diesen eng miteinander verknüpften Bereichen zu gewährleisten.

Inhaltsverzeichnis (Konzeptionelle Struktur)

Der Standard ist als umfangreiches Glossar aufgebaut. Die Begriffe sind in mehrere thematische Abschnitte unterteilt, um das Auffinden und Verstehen verwandter Konzepte zu erleichtern. Die Hauptabschnitte umfassen:

1. 1. Grundlegende Konzepte:

   Dieser Abschnitt legt den Grundstein für das gesamte Gebiet, indem er die grundlegendsten physikalischen Konzepte definiert. Er definiert formal Vibration als die zeitliche Variation der Größe einer Größe, die die Bewegung oder Position eines mechanischen Systems beschreibt, wenn die Größe abwechselnd größer und kleiner als ein Durchschnittswert ist. Dies unterscheidet dies von Schock, was ein vorübergehendes Ereignis ist, und Schwingung, der allgemeine Begriff für jede Größe, die auf diese Weise variiert. Entscheidend ist, dass es auch die grundlegenden physikalischen Eigenschaften definiert, die das Schwingungsverhalten eines Systems bestimmen: Masse (Trägheit), die Eigenschaft, die der Beschleunigung widersteht; Steifigkeit (Feder), die Eigenschaft, Verformungen zu widerstehen; und Dämpfung, die Eigenschaft, Energie aus dem System abzuführen und Schwingungen abklingen zu lassen. Das Konzept der Freiheitsgrade wird ebenfalls eingeführt und definiert die Anzahl der unabhängigen Koordinaten, die zur Beschreibung der Bewegung des Systems erforderlich sind.

2. 2. Parameter für Vibration und Schock:

   In diesem Kapitel werden die wesentlichen Größen zur Messung und Beschreibung von Schwingungsbewegungen definiert. Es bietet formale Definitionen für die wichtigsten Merkmale einer Schwingung. Frequenz ist definiert als die Anzahl der Zyklen einer periodischen Bewegung, die in einer Zeiteinheit auftreten (gemessen in Hertz, Hz). Amplitude ist der Maximalwert der oszillierenden Größe. Die Norm klärt dann die drei primären Bewegungsparameter: Verschiebung (wie weit sich etwas bewegt), Geschwindigkeit (wie schnell es sich bewegt) und Beschleunigung (die Änderungsrate der Geschwindigkeit, die mit den auf das System wirkenden Kräften zusammenhängt). In diesem Abschnitt werden auch die verschiedenen Möglichkeiten zur Quantifizierung der Amplitude eines Signals genau definiert: Spitze-Spitze (die Gesamtabweichung vom maximalen positiven zum maximalen negativen Wert), Gipfel (der Maximalwert von Null) und RMS (quadratischer Mittelwert), das gebräuchlichste Maß für die Gesamtvibration, da es mit dem Energiegehalt des Signals zusammenhängt.

3. 3. Instrumentierung und Messung:

   Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Terminologie der Geräte zur Erfassung von Schwingungssignalen. Er definiert eine Wandler (oder Sensor) als Gerät, das eine mechanische Größe (Vibration) in ein elektrisches Signal umwandelt. Anschließend werden die gängigsten Arten von Wandlern definiert, die in der Maschinenüberwachung verwendet werden: der Beschleunigungsmesser, ein Kontaktsensor zur Messung der Beschleunigung. Er ist der vielseitigste und am weitesten verbreitete Sensortyp; und der Näherungssonde (oder Wirbelstromsonde), ein berührungsloser Sensor, der die relative Verschiebung zwischen der Sonde und einem leitfähigen Ziel, typischerweise einer rotierenden Welle, misst. Der Abschnitt definiert auch die zugehörige Instrumentierung, wie Signalverstärker, Filter sowie die Hard- und Software zur Datenerfassung (Analysatoren) zur Verarbeitung und Anzeige der Signale.

4. 4. Signalverarbeitung und -analyse:

   Dieses Kapitel definiert das Vokabular für die mathematischen Techniken, die zur Umwandlung von Rohschwingungsdaten in diagnostische Informationen verwendet werden. Es definiert die beiden primären Analysebereiche: die Zeitwellenform, eine Darstellung der Amplitude im Vergleich zur Zeit, und die Spektrum (oder Frequenzbereichsdiagramm), das die Amplitude im Verhältnis zur Frequenz zeigt. Der Standard definiert Spektralanalyse als Prozess der Zerlegung eines Zeitsignals in seine einzelnen Frequenzen. Der hierfür verwendete mathematische Algorithmus ist der FFT (Schnelle Fourier-Transformation). Dieser Abschnitt definiert auch wichtige spektrale Merkmale wie Obertöne (ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz) und Seitenbänder (Frequenzen, die um eine Mittenfrequenz herum auftreten). Darüber hinaus definiert es kritische Konzepte für die digitale Signalverarbeitung, wie z. B. Aliasing (eine Form der Verzerrung, die auftritt, wenn die Abtastrate zu niedrig ist) und Fensterung (die Anwendung einer mathematischen Funktion zur Reduzierung eines als spektrale Leckage bekannten Fehlers).

5. 5. Eigenschaften von Systemen (Modalanalyse):

   Dieser Abschnitt definiert die Terminologie zur Beschreibung der inhärenten dynamischen Eigenschaften einer mechanischen Struktur. Er definiert Eigenfrequenz als Frequenz, mit der ein System schwingt, wenn es aus seiner Gleichgewichtslage gestört wird und sich dann frei bewegen kann. Wenn eine externe Antriebsfrequenz mit einer Eigenfrequenz übereinstimmt, tritt das Phänomen der Resonanz tritt auf, was als Zustand maximaler Schwingungsamplitude definiert ist. Dieser Abschnitt definiert auch die in der experimentellen Modalanalyse verwendeten Begriffe, wie z. B. Modusform (das charakteristische Muster der Durchbiegung einer Struktur bei einer bestimmten Eigenfrequenz) und die Frequenzgangfunktion (FRF), eine Messung, die die Input-Output-Beziehung eines Systems charakterisiert und zur Ermittlung seiner Eigenfrequenzen und Dämpfungseigenschaften verwendet wird.

6. 6. Zustandsüberwachung und Diagnose:

   Dieses letzte Kapitel definiert die Begriffe im Zusammenhang mit der praktischen Anwendung der Schwingungsanalyse für die Maschinenwartung. Es definiert Zustandsüberwachung als Prozess der Überwachung eines Zustandsparameters in Maschinen (in diesem Fall Vibration), um eine signifikante Veränderung zu identifizieren, die auf einen sich entwickelnden Fehler hinweist. Darauf aufbauend, Diagnose ist definiert als der Prozess, bei dem die überwachten Daten verwendet werden, um den spezifischen Fehler, seinen Ort und seine Schwere zu identifizieren. Der Standard führt auch das fortgeschrittenere Konzept ein: Prognose, also der Prozess der Vorhersage des zukünftigen Zustands der Maschine und ihrer verbleibenden Nutzungsdauer. Es enthält außerdem Definitionen für wichtige Diagnoseindikatoren, die aus dem Schwingungssignal berechnet werden, wie z. B. Crest-Faktor und Kurtosis, bei denen es sich um statistische Messwerte handelt, die zur Erkennung von Lager- und Getriebefehlern im Frühstadium verwendet werden.

Schlüsselbedeutung

• Interdisziplinäre Kommunikation: Es bietet Maschinenbauingenieuren, Zuverlässigkeitsspezialisten, Technikern und Akademikern eine gemeinsame Sprache für eine effektive Kommunikation.
• Begleitdokument: Es handelt sich um die Hauptreferenz für die Terminologie, die in fast allen anderen ISO-Normen im Zusammenhang mit Schwingungs- und Zustandsüberwachung verwendet wird. Wenn in einer anderen Norm ein Begriff wie „Schwingungsstärke“ verwendet wird, ist dieser in ISO 2041 formal definiert.
• Bildungsstiftung: Für jeden, der sich mit dem Gebiet der Schwingungsanalyse befasst, stellt diese Norm die maßgebliche Quelle für die richtige Terminologie und Definitionen dar.

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