Schwingungsanalyse mit Balanset-1A: Ein Leitfaden zur Spektrumdiagnose für Anfänger

Einführung: Vom Auswuchten zur Diagnose – Entfalten Sie das volle Potenzial Ihres Schwingungsanalysators

Das Balanset-1A ist vor allem als effektives Werkzeug für dynamisches Auswuchten bekannt. Seine Fähigkeiten gehen jedoch weit darüber hinaus und machen es zu einem leistungsstarken und leicht zugänglichen Schwingungsanalysator. Ausgestattet mit empfindlichen Sensoren und Software für die Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Spektralanalyse ist das Balanset-1A ein hervorragendes Instrument für umfassende Schwingungsanalysen. Dieser Leitfaden schließt die Lücke, die das offizielle Handbuch hinterlässt, und erklärt, was die Schwingungsdaten über den Maschinenzustand aussagen.

Dieser Leitfaden ist schrittweise aufgebaut, um Sie von den Grundlagen zur praktischen Anwendung zu führen:

• Abschnitt 1 legt die theoretischen Grundlagen und erklärt einfach und klar, was Vibration ist, wie die Spektralanalyse (FFT) funktioniert und welche Spektralparameter für einen Diagnostiker von entscheidender Bedeutung sind.
• Abschnitt 2 enthält schrittweise Anweisungen zum Erhalten hochwertiger und zuverlässiger Schwingungsspektren mit dem Gerät Balanset-1A in verschiedenen Modi, wobei der Schwerpunkt auf praktischen Nuancen liegt, die in der Standardanleitung nicht beschrieben sind.
• Abschnitt 3 stellt den Kern des Artikels dar. Hier werden die „Fingerabdrücke“ – charakteristische Spektralzeichen der häufigsten Fehler: Unwucht, Fehlausrichtung, mechanische Lockerheit und Lagerdefekte – gründlich analysiert.
• Abschnitt 4 integriert das erworbene Wissen in ein einheitliches System und bietet praktische Empfehlungen zur Implementierung eines Monitorings und eines einfachen Entscheidungsalgorithmus.

Durch die Beherrschung des Materials in diesem Artikel können Sie Balanset-1A nicht nur als Auswuchtgerät, sondern auch als vollwertigen Diagnosekomplex der Einstiegsklasse verwenden, mit dem Sie Probleme frühzeitig erkennen, kostspielige Unfälle verhindern und die Zuverlässigkeit Ihrer Betriebsausrüstung deutlich erhöhen können.

Abschnitt 1: Grundlagen der Schwingungs- und Spektralanalyse (FFT)

1.1. Was ist Vibration und warum ist sie wichtig?

Jedes rotierende Gerät, sei es eine Pumpe, ein Lüfter oder ein Elektromotor, erzeugt während des Betriebs Vibrationen. Vibration ist die mechanische Schwingung einer Maschine oder ihrer Einzelteile relativ zu ihrer Gleichgewichtslage. Im idealen, voll funktionsfähigen Zustand erzeugt eine Maschine ein niedriges und stabiles Vibrationsniveau – dies ist ihr normales „Betriebsgeräusch“. Mit dem Auftreten und Fortschreiten von Defekten beginnt sich dieser Vibrationshintergrund jedoch zu verändern.

Vibration ist die Reaktion der Struktur eines Mechanismus auf zyklische Erregerkräfte. Die Quellen dieser Kräfte können sehr vielfältig sein:

• Fliehkraft durch Rotorunwucht: Entsteht durch die ungleichmäßige Verteilung der Masse relativ zur Rotationsachse. Dies ist der sogenannte „schwere Punkt“, der bei der Rotation eine Kraft erzeugt, die auf die Lager und das Maschinengehäuse übertragen wird.
• Kräfte im Zusammenhang mit geometrischen Ungenauigkeiten: Fehlausrichtung gekoppelter Wellen, Wellenbiegung, Fehler in den Zahnprofilen des Getriebes – all dies erzeugt zyklische Kräfte, die Vibrationen verursachen.
• Aerodynamische und hydrodynamische Kräfte: Treten bei der Rotation von Laufrädern in Ventilatoren, Rauchabzügen, Pumpen und Turbinen auf.
• Elektromagnetische Kräfte: Charakteristisch für Elektromotoren und Generatoren und kann beispielsweise durch Wicklungsasymmetrie oder das Vorhandensein von Windungsschlüssen verursacht werden.

Jede dieser Quellen erzeugt Schwingungen mit einzigartigen Eigenschaften. Deshalb ist die Schwingungsanalyse ein so leistungsstarkes Diagnosetool. Durch Messung und Analyse von Schwingungen können wir nicht nur feststellen, dass die Maschine stark vibriert, sondern mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Grundursache ermitteln. Diese erweiterte Diagnosefunktion ist für jedes moderne Wartungsprogramm unerlässlich.

1.2. Vom Zeitsignal zum Spektrum: Eine einfache Erklärung der FFT

Ein am Lagergehäuse angebrachter Schwingungssensor (Beschleunigungssensor) wandelt mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal um. Wird dieses Signal als Funktion der Zeit auf einem Bildschirm dargestellt, entsteht ein Zeitsignal bzw. eine Wellenform. Dieses Diagramm zeigt, wie sich die Schwingungsamplitude zu jedem Zeitpunkt ändert.

In einem einfachen Fall, wie beispielsweise einer reinen Unwucht, sieht das Zeitsignal wie eine glatte Sinuskurve aus. In der Realität wirken jedoch fast immer mehrere Erregerkräfte gleichzeitig auf eine Maschine ein. Infolgedessen ist das Zeitsignal eine komplexe, scheinbar chaotische Kurve, aus der sich praktisch keine nützlichen Diagnoseinformationen gewinnen lassen.

Hier kommt ein mathematisches Werkzeug zur Rettung: die Schnelle Fourier-Transformation (FFT). Man kann sie sich als magisches Prisma für Schwingungssignale vorstellen.

Stellen Sie sich ein komplexes Zeitsignal als weißen Lichtstrahl vor. Er erscheint uns einheitlich und ununterscheidbar. Doch wenn dieser Strahl durch ein Glasprisma fällt, zerfällt er in seine Grundfarben – Rot, Orange, Gelb usw. – und bildet einen Regenbogen. Die FFT macht dasselbe mit einem Schwingungssignal: Sie nimmt eine komplexe Kurve aus dem Zeitbereich und zerlegt sie in einfache Sinuskomponenten, von denen jede ihre eigene Frequenz und Amplitude hat.

Das Ergebnis dieser Transformation wird in einem Diagramm dargestellt, dem sogenannten Schwingungsspektrum. Das Spektrum ist das wichtigste Arbeitsinstrument für alle, die Schwingungsanalysen durchführen. Es zeigt, was im Zeitsignal verborgen ist: welche „reinen“ Schwingungen das Gesamtgeräusch der Maschine ausmachen.

1.3. Wichtige Spektrumparameter zum Verständnis

Das Schwingungsspektrum, das Sie auf dem Balanset-1A-Bildschirm im Modus „Vibrometer“ oder „Diagramme“ sehen, hat zwei Achsen, deren Verständnis für die Diagnose unbedingt erforderlich ist.

Horizontale Achse (X): Frequenz

Diese Achse zeigt die Häufigkeit von Schwingungen und wird in Hertz (Hz) gemessen. 1 Hz entspricht einer vollständigen Schwingung pro Sekunde. Die Frequenz hängt direkt von der Schwingungsquelle ab. Verschiedene mechanische und elektrische Komponenten einer Maschine erzeugen Schwingungen mit ihren charakteristischen, vorhersehbaren Frequenzen. Kennt man die Frequenz, bei der eine hohe Schwingungsspitze auftritt, kann man den Übeltäter – eine bestimmte Einheit oder einen Defekt – identifizieren.

Rotationsfrequenz (1x): Dies ist die wichtigste Frequenz bei der Schwingungsdiagnose. Sie entspricht der Drehzahl der Maschinenwelle. Wenn sich beispielsweise eine Motorwelle mit 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min) dreht, beträgt ihre Drehzahl: f = 3000 U/min / 60 s/min = 50 Hz. Diese Frequenz wird als 1x bezeichnet. Sie dient als Referenzpunkt für die Identifizierung vieler anderer Defekte.

Vertikale Achse (Y): Amplitude

Diese Achse zeigt die Intensität bzw. Stärke der Vibration bei jeder spezifischen Frequenz. Beim Balanset-1A-Gerät wird die Amplitude in Millimetern pro Sekunde (mm/s) gemessen, was dem quadratischen Mittelwert (RMS) der Vibrationsgeschwindigkeit entspricht. Je höher der Peak im Spektrum, desto mehr Vibrationsenergie ist bei dieser Frequenz konzentriert und desto schwerwiegender ist in der Regel der damit verbundene Defekt.

Obertöne

Harmonische sind Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Am häufigsten ist die Grundfrequenz die Rotationsfrequenz 1x. Ihre Harmonischen lauten daher: 2x (zweite Harmonische) = 2×1x, 3x (dritte Harmonische) = 3×1x, 4x (vierte Harmonische) = 4×1x usw. Das Vorhandensein und die relative Höhe der Harmonischen liefern wichtige diagnostische Informationen. So manifestiert sich beispielsweise eine reine Unwucht hauptsächlich bei 1x mit sehr niedrigen Harmonischen. Mechanischer Spielraum oder eine Wellenfehlstellung erzeugen jedoch einen ganzen „Wald“ hoher Harmonischer (2x, 3x, 4x, ...). Durch Analyse des Amplitudenverhältnisses zwischen 1x und seinen Harmonischen können verschiedene Fehlerarten unterschieden werden.

Abschnitt 2: Erhalten eines Schwingungsspektrums mit Balanset-1A

Die Qualität der Diagnose hängt direkt von der Qualität der Ausgangsdaten ab. Fehlerhafte Messungen können zu falschen Schlussfolgerungen, unnötigen Reparaturen oder umgekehrt zum Übersehen eines sich entwickelnden Defekts führen. Dieser Abschnitt bietet eine praktische Anleitung zum Erfassen genauer und wiederholbarer Daten mit Ihrem Gerät.

2.1. Vorbereitung für Messungen: Der Schlüssel zu genauen Daten

Bevor Sie die Kabel anschließen und das Programm starten, achten Sie sorgfältig auf die korrekte Installation der Sensoren. Dies ist der wichtigste Schritt, der die Zuverlässigkeit aller nachfolgenden Analysen bestimmt.

Montagemethode: Balanset-1A wird mit magnetischen Sensorsockeln geliefert. Dies ist eine bequeme und schnelle Montagemethode, für deren Wirksamkeit jedoch einige Regeln beachtet werden müssen. Die Oberfläche am Messpunkt muss:

• Sauber: Entfernen Sie Schmutz, Rost und abblätternde Farbe.
• Wohnung: Der Sensor muss mit der gesamten Oberfläche des Magneten bündig abschließen. Montieren Sie ihn nicht auf abgerundeten Flächen oder Schraubenköpfen.
• Massiv: Der Messpunkt sollte Teil der tragenden Struktur der Maschine sein (z. B. Lagergehäuse) und nicht eine dünne Schutzabdeckung oder Kühlrippe.

Für die stationäre Überwachung oder um bei hohen Frequenzen höchste Genauigkeit zu erreichen, empfiehlt sich die Verwendung einer Gewindeverbindung (Bolzen), sofern die Maschinenkonstruktion dies zulässt.

Standort: Die beim Rotorbetrieb auftretenden Kräfte werden über die Lager auf das Maschinengehäuse übertragen. Daher eignen sich die Lagergehäuse am besten für die Sensorinstallation. Platzieren Sie den Sensor möglichst nah am Lager, um die Schwingungen möglichst verzerrungsfrei zu messen.

Messrichtung: Vibrationen sind ein dreidimensionaler Prozess. Um ein vollständiges Bild des Maschinenzustands zu erhalten, sollten Messungen in drei Richtungen durchgeführt werden:

• Radial horizontal (H): Senkrecht zur Wellenachse, in der horizontalen Ebene.
• Radial vertikal (V): Senkrecht zur Wellenachse, in der vertikalen Ebene.
• Axial (A): Parallel zur Wellenachse.

Da die Steifigkeit einer Struktur in horizontaler Richtung in der Regel geringer ist als in vertikaler, ist die Schwingungsamplitude in horizontaler Richtung oft am größten. Aus diesem Grund wird für die erste Beurteilung häufig die horizontale Richtung gewählt. Axiale Schwingungen liefern jedoch einzigartige Informationen, die für die Diagnose von Defekten wie Wellenfehlstellungen von entscheidender Bedeutung sind.

Balanset-1A ist ein Zweikanalgerät, das im Handbuch hauptsächlich aus der Perspektive des Zwei-Ebenen-Auswuchtens betrachtet wird. Für die Diagnose eröffnet es jedoch deutlich erweiterte Möglichkeiten. Anstatt die Schwingung an zwei verschiedenen Lagern zu messen, können beide Sensoren an dieselbe Lagereinheit angeschlossen werden, jedoch in unterschiedlichen Richtungen. Beispielsweise kann Sensorkanal 1 radial (horizontal) und Sensorkanal 2 axial installiert werden. Die gleichzeitige Erfassung von Spektren in zwei Richtungen ermöglicht einen sofortigen Vergleich von axialen und radialen Schwingungen, was in der professionellen Diagnose zur zuverlässigen Erkennung von Fehlausrichtungen ein Standardverfahren ist. Diese Methode erweitert die Diagnosemöglichkeiten des Geräts erheblich und geht über die im Handbuch beschriebenen hinaus.

2.2. Schritt für Schritt: Verwenden des „Vibrometer“-Modus (F5) zur schnellen Beurteilung

Dieser Modus dient der operativen Kontrolle der wichtigsten Schwingungsparameter und eignet sich ideal für eine schnelle Zustandsbewertung vor Ort. Das Verfahren zum Erstellen eines Spektrums in diesem Modus ist wie folgt:

1. Sensoren anschließen: Schwingungssensoren an ausgewählten Stellen montieren und an die Eingänge X1 und X2 der Messeinheit anschließen. Lasertachometer an Eingang X3 anschließen und Reflektor an der Welle anbringen.
2. Starten Sie das Programm: Klicken Sie im Hauptfenster des Programms Balanset-1A auf die Schaltfläche „F5 – Vibrationsmesser“.
3. Es öffnet sich das Arbeitsfenster (Abb. 7.4 im Handbuch). Im oberen Bereich werden die digitalen Werte angezeigt: Gesamtschwingung (V1s), Schwingung bei Rotationsfrequenz (V1o), Phase (F1) und Rotationsgeschwindigkeit (N rev).
4. Messung starten: Klicken Sie auf die Schaltfläche „F9 – Ausführen“. Das Programm beginnt mit der Erfassung und Anzeige von Daten in Echtzeit.
5. Analysieren Sie das Spektrum: Unten im Fenster befindet sich das Diagramm „Vibrationsspektrum – Kanal 1 und 2 (mm/s)“. Dies ist das Vibrationsspektrum. Die horizontale Achse zeigt die Frequenz in Hz und die vertikale Achse die Amplitude in mm/s.

Dieser Modus ermöglicht die erste und wichtigste Diagnoseprüfung, die sogar im Auswuchthandbuch empfohlen wird. Vergleichen Sie die Werte von V1s (Gesamtvibration) und V1o (Vibration bei Rotationsfrequenz 1x).

• Wenn V1s≈V1o, bedeutet dies, dass der Großteil der Schwingungsenergie bei der Rotationsfrequenz konzentriert ist. Die Hauptursache für Schwingungen ist höchstwahrscheinlich eine Unwucht.
• Wenn V1s≫V1o ist, deutet dies darauf hin, dass ein erheblicher Teil der Vibrationen auf andere Ursachen zurückzuführen ist (Fehlausrichtung, Spiel, Lagerdefekte usw.). In diesem Fall löst einfaches Auswuchten das Problem nicht, und eine tiefere Analyse des Spektrums ist erforderlich.

2.3. Schritt für Schritt: Verwenden des „Diagramm“-Modus (F8) für detaillierte Analysen

Für eine gründlichere Diagnostik, die eine detailliertere Untersuchung des Spektrums erfordert, ist der Modus „Diagramme“ deutlich besser geeignet. Er liefert ein umfangreicheres und aussagekräftigeres Diagramm, das die Identifizierung von Peaks und die Analyse ihrer Struktur erleichtert. So erhalten Sie in diesem Modus ein Spektrum:

1. Schließen Sie die Sensoren auf die gleiche Weise an wie im Modus „Vibrometer“.
2. Startmodus: Klicken Sie im Hauptprogrammfenster auf die Schaltfläche „F8 – Diagramme“.
3. Diagrammtyp auswählen: Im geöffneten Fenster (Abb. 7.19 im Handbuch) befindet sich oben eine Reihe von Schaltflächen. Klicken Sie auf „F5-Spektrum (Hz)“.
4. Es öffnet sich das Fenster zur Spektrumanalyse (Abb. 7.23 im Handbuch). Im oberen Bereich wird das Zeitsignal angezeigt, im unteren Hauptbereich das Schwingungsspektrum.
5. Messung starten: Klicken Sie auf die Schaltfläche „F9-Ausführen“. Das Gerät führt eine Messung durch und erstellt detaillierte Diagramme.

Das in diesem Modus erhaltene Spektrum ist wesentlich einfacher zu analysieren. Sie können Spitzen bei verschiedenen Frequenzen deutlicher erkennen, ihre Höhe bewerten und harmonische Reihen identifizieren. Dieser Modus wird zur Diagnose der im nächsten Abschnitt beschriebenen Fehler empfohlen.

Abschnitt 3: Diagnose typischer Fehler anhand von Schwingungsspektren (bis 1000 Hz)

Dieser Abschnitt bildet den praktischen Kern des Leitfadens. Hier lernen wir, Spektren zu lesen und sie mit spezifischen mechanischen Problemen zu korrelieren. Zur Vereinfachung und schnellen Orientierung im Feld sind die wichtigsten Diagnoseindikatoren in einer konsolidierten Tabelle zusammengefasst. Sie dient als schnelle Referenz bei der Analyse realer Daten.

Tabelle 3.1: Zusammenfassung der Diagnoseindikatoren

Fehler	Primäre spektrale Signatur	Typische Obertöne	Anmerkungen
Unwucht	Hohe Amplitude bei 1× Rotationsfrequenz	Niedrig	Es dominieren radiale Schwingungen. Die Amplitude steigt quadratisch mit der Geschwindigkeit.
Fehlausrichtung	Hohe Amplitude bei 2× Rotationsfrequenz	1×, 3×, 4×	Oft begleitet von axialen Vibrationen.
Mechanische Lockerheit	Mehrere Harmonische 1× („Wald“ von Harmonischen)	1×, 2×, 3×, 4×, 5×...	Aufgrund von Rissen können Subharmonische (0,5×, 1,5×) bei 1/2x, 3/2x usw. auftreten.
Lagerdefekt	Spitzen bei nicht synchronen Frequenzen (BPFO, BPFI usw.)	Mehrere Harmonische von Defektfrequenzen	Oft als Seitenbänder um Spitzen sichtbar. Klingt wie „Rauschen“ im Hochfrequenzbereich.
Zahneingriffsdefekt	Hohe Frequenz des Zahneingriffs (GMF) und deren Harmonische	Seitenbänder um GMF bei 1x	Zeigt Verschleiß, Zahnschäden oder Exzentrizität an.

Als Nächstes werden wir jeden dieser Mängel im Detail aufschlüsseln.

3.1. Unwucht: Das häufigste Problem

Körperliche Ursache: Eine Unwucht entsteht, wenn der Schwerpunkt eines rotierenden Teils (Rotors) nicht mit seiner geometrischen Rotationsachse übereinstimmt. Dadurch entsteht ein „schwerer Punkt“, der bei der Rotation eine radial wirkende Zentrifugalkraft erzeugt und auf die Lager und das Fundament übertragen wird.

Spektrale Signaturen: Das Hauptmerkmal ist eine hohe Amplitudenspitze genau bei der Rotationsfrequenz (1x). Die Schwingung ist überwiegend radial. Es gibt zwei Hauptarten von Unwucht:

Statische Unwucht (eine Ebene)

Spektrumbeschreibung: Das Spektrum wird vollständig von einem einzigen Peak bei der Grundrotationsfrequenz (1x) dominiert. Die Schwingung ist sinusförmig, mit minimaler Energie bei anderen Frequenzen.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Vorwiegend eine starke 1x-Rotationsfrequenzkomponente. Wenig bis keine höheren Harmonischen (ein reiner 1x-Ton).

Hauptmerkmal: Große 1x-Amplitude in allen radialen Richtungen. Die Schwingung an beiden Lagern ist in Phase (keine Phasendifferenz zwischen den beiden Enden). Zwischen horizontalen und vertikalen Messungen am gleichen Lager wird häufig eine Phasenverschiebung von ca. 90° beobachtet.

Dynamische Unwucht (Zwei-Ebenen / Paar)

Spektrumbeschreibung: Das Spektrum zeigt außerdem eine dominante Frequenzspitze (1x) pro Umdrehung, ähnlich einer statischen Unwucht. Die Vibration tritt bei der Rotationsgeschwindigkeit auf, ohne nennenswerten höherfrequenten Anteil, wenn die Unwucht das einzige Problem ist.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Dominante 1x-RPM-Komponente (oft mit einem „Schwingen“ oder Taumeln des Rotors). Höhere Harmonische sind im Allgemeinen nicht vorhanden, sofern keine anderen Fehler vorliegen.

Hauptmerkmal: 1x Vibration an jedem Lager ist phasenverschoben — Zwischen den Schwingungen an den beiden Rotorenden besteht ein Phasenunterschied von etwa 180° (was auf eine Unwucht des Rotors hindeutet). Der starke 1x-Peak bei dieser Phasenbeziehung ist ein Zeichen für eine dynamische Unwucht.

Was zu tun: Wenn das Spektrum eine Unwucht anzeigt, muss ein Auswuchtvorgang durchgeführt werden. Bei statischer Unwucht ist ein Ein-Ebenen-Auswuchten ausreichend (Handbuch Abschnitt 7.4), bei dynamischer Unwucht ein Zwei-Ebenen-Auswuchten (Handbuch Abschnitt 7.5).

3.2. Wellenfehlausrichtung: Eine versteckte Gefahr

Körperliche Ursache: Eine Fehlausrichtung tritt auf, wenn die Drehachsen zweier gekoppelter Wellen (z. B. Motorwelle und Pumpenwelle) nicht übereinstimmen. Wenn sich fehlausgerichtete Wellen drehen, entstehen zyklische Kräfte in der Kupplung und den Lagern, die Vibrationen verursachen.

Parallelversatz (versetzte Wellen)

Spektrumbeschreibung: Das Schwingungsspektrum weist erhöhte Energie bei der Grundschwingung (1x) und ihren Harmonischen 2x und 3x auf, insbesondere in radialer Richtung. Typischerweise ist die 1x-Komponente bei vorhandener Fehlausrichtung dominant, begleitet von einer bemerkenswerten 2x-Komponente.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Enthält signifikante Spitzen bei 1x, 2x und 3x Wellenrotationsfrequenz. Diese treten vorwiegend bei radialen Schwingungsmessungen (senkrecht zur Welle) auf.

Hauptmerkmal: Hohe 1x- und 2x-Schwingungen in radialer Richtung sind ein Hinweis. Häufig ist ein Phasenunterschied von 180° zwischen radialen Schwingungsmessungen auf gegenüberliegenden Seiten der Kupplung zu beobachten, was diese von einer reinen Unwucht unterscheidet.

Winkelversatz (schräge Wellen)

Spektrumbeschreibung: Das Frequenzspektrum zeigt starke Harmonische der Wellendrehzahl, insbesondere eine ausgeprägte 2x-Laufgeschwindigkeitskomponente zusätzlich zur 1x-Geschwindigkeit. Vibrationen bei 1x, 2x (und oft 3x) treten auf, wobei axiale (entlang der Welle) Vibrationen von Bedeutung sind.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Deutliche Spitzen bei 1-facher und 2-facher (und manchmal 3-facher) Laufgeschwindigkeit. Die 2-fache Komponente ist oft gleich groß oder größer als die 1-fache. Diese Frequenzen sind im axialen Schwingungsspektrum (entlang der Maschinenachse) ausgeprägt.

Hauptmerkmal: Relativ hohe Amplitude der zweiten Harmonischen (2x) im Vergleich zu 1x, kombiniert mit starker axialer Vibration. Axiale Messungen auf beiden Seiten der Kupplung sind um 180° phasenverschoben, ein Kennzeichen für Winkelfehlausrichtung.

Was zu tun: Auswuchten hilft hier nicht. Stoppen Sie die Einheit und führen Sie mit Spezialwerkzeugen eine Wellenausrichtung durch.

3.3 Mechanische Lockerheit: „Klappern“ in der Maschine

Körperliche Ursache: Dieser Defekt ist mit einem Verlust der Steifigkeit in strukturellen Verbindungen verbunden: lose Schrauben, Risse im Fundament, vergrößerte Abstände in Lagersitzen. Aufgrund der Abstände kommt es zu Stößen, die ein charakteristisches Schwingungsmuster bilden.

Mechanische Lockerheit (Bauteillockerheit)

Beschreibung: Das Spektrum ist reich an Frequenzkomponenten der Drehzahl. Es erscheint ein breiter Bereich ganzzahliger Vielfacher von 1x (von 1x bis zu höheren Ordnungen wie ~10x) mit signifikanten Amplituden. In einigen Fällen können auch subharmonische Frequenzen (z. B. 0,5x) auftreten.

Spektrale Komponenten: Dominant sind mehrere Frequenzanteile der Drehzahl (1x, 2x, 3x ... bis ~10x). Manchmal können aufgrund wiederholter Stöße auch gebrochene (halbzahlige) Frequenzanteile bei 1/2x, 3/2x usw. vorhanden sein.

Hauptmerkmal: Die charakteristische „Spitzenreihe“ im Spektrum – zahlreiche gleichmäßig verteilte Spitzen bei Frequenzen, die ein Vielfaches der Drehzahl betragen. Dies deutet auf einen Verlust der Steifigkeit oder eine unsachgemäße Montage der Teile hin, die wiederholte Stöße verursacht. Das Vorhandensein vieler Harmonischer (und möglicherweise halbzahliger Subharmonischer) ist ein wichtiger Indikator.

Strukturelle Lockerheit (Basis-/Montagelockerheit)

Beschreibung: Im Schwingungsspektrum dominieren häufig Schwingungen bei der Grundfrequenz oder der doppelten Rotationsfrequenz. Normalerweise tritt ein Peak bei 1x und/oder 2x auf. Höhere Harmonische (über 2x) haben im Vergleich zu diesen Hauptschwingungen in der Regel deutlich kleinere Amplituden.

Spektrale Komponenten: Zeigt vorwiegend Frequenzkomponenten bei 1x und 2x der Wellendrehzahl. Andere Harmonische (3x, 4x usw.) fehlen normalerweise oder sind unbedeutend. Je nach Art des Spielraums (z. B. ein Schlag pro Umdrehung oder zwei Schläge pro Umdrehung) kann die Komponente 1x oder 2x dominieren.

Hauptmerkmal: Auffällig hohe Spitzen bei 1x oder 2x (oder beiden) im Vergleich zum Rest des Spektrums weisen auf lockere Lager oder eine lockere Struktur hin. Bei lockerer Lagerung der Maschine ist die Vibration in vertikaler Richtung stärker. Ein oder zwei dominante Spitzen niedriger Ordnung mit einer geringen Anzahl von Harmonischen höherer Ordnung sind charakteristisch für eine lockere Struktur oder ein lockeres Fundament.

Was zu tun: Eine gründliche Inspektion des Aggregats ist notwendig. Überprüfen Sie alle zugänglichen Befestigungsschrauben (Lager, Gehäuse). Untersuchen Sie Rahmen und Fundament auf Risse. Bei inneren Lockerheiten (z. B. Lagersitz) kann eine Demontage des Aggregats erforderlich sein.

3.4. Wälzlagerdefekte: Frühwarnung

Körperliche Ursache: Das Auftreten von Defekten (Grübchen, Abplatzungen, Verschleiß) an den Wälzflächen (Innenring, Außenring, Wälzkörper) oder am Käfig. Jedes Mal, wenn ein Wälzkörper über einen Defekt rollt, entsteht ein kurzer Stoßimpuls. Diese Impulse wiederholen sich mit einer für jedes Lagerelement charakteristischen Frequenz.

Spektrale Signaturen: Lagerdefekte treten als Spitzen bei asynchronen Frequenzen auf, d. h. bei Frequenzen, die kein ganzzahliges Vielfaches der Rotationsfrequenz (1x) sind. Diese Frequenzen (BPFO – Außenringdefektfrequenz, BPFI – Innenring, BSF – Wälzkörper, FTF – Käfig) hängen von der Lagergeometrie und der Rotationsgeschwindigkeit ab. Für einen Anfänger in der Diagnostik ist es nicht notwendig, ihre genauen Werte zu berechnen. Hauptsache, man lernt, ihre Präsenz im Spektrum zu erkennen.

Defekt am Außenring

Spektrumbeschreibung: Das Schwingungsspektrum weist eine Reihe von Spitzen auf, die der Frequenz des Außenringdefekts und seinen Harmonischen entsprechen. Diese Spitzen liegen in der Regel bei höheren Frequenzen (keine ganzzahligen Vielfachen der Wellenumdrehung) und zeigen an, wann ein Wälzkörper über den Außenringdefekt läuft.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Es sind mehrere Harmonische der Außenring-Kugeldurchgangsfrequenz (BPFO) vorhanden. Typischerweise sind bei einem ausgeprägten Außenringfehler 8–10 Harmonische der BPFO im Spektrum zu beobachten. Der Abstand zwischen diesen Spitzen entspricht der BPFO (einer charakteristischen Frequenz, die durch Lagergeometrie und Drehzahl bestimmt wird).

Hauptmerkmal: Eine deutliche Abfolge von Spitzen bei der BPFO und ihren aufeinanderfolgenden Harmonischen ist das Kennzeichen. Das Vorhandensein zahlreicher gleichmäßig verteilter Hochfrequenzspitzen (BPFO, 2xBPFO, 3xBPFO, ...) weist eindeutig auf einen Defekt am Außenring des Lagers hin.

Defekt im Innenring

Spektrumbeschreibung: Das Spektrum eines Innenringfehlers weist mehrere markante Spitzen bei der Innenringfehlerfrequenz und deren Harmonischen auf. Darüber hinaus wird jede dieser Fehlerfrequenzspitzen typischerweise von Seitenbandspitzen begleitet, die im Abstand der Laufgeschwindigkeitsfrequenz (1x) liegen.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Enthält mehrere Harmonische der Kugeldurchgangsfrequenz des Innenrings (BPFI), oft in der Größenordnung von 8–10 Harmonischen. Typischerweise werden diese BPFI-Spitzen durch Seitenbänder bei ±1x U/min moduliert. Das bedeutet, dass neben jeder BPFI-Harmonischen kleinere Nebenspitzen erscheinen, die vom Hauptpeak um einen Betrag getrennt sind, der der Wellenrotationsfrequenz entspricht.

Hauptmerkmal: Das verräterische Zeichen ist das Vorhandensein von Harmonischen der Innenringdefektfrequenz (BPFI) mit einem Seitenbandmuster. Die im Abstand der Wellendrehzahl um die BPFI-Harmonischen angeordneten Seitenbänder deuten darauf hin, dass der Innenringdefekt einmal pro Umdrehung belastet wird. Dies bestätigt ein Problem mit dem Innenring und nicht mit dem Außenring.

Wälzkörperdefekt (Kugel/Rolle)

Spektrumbeschreibung: Ein Defekt am Wälzkörper (Kugel oder Rolle) erzeugt Vibrationen mit der Wälzkörper-Drehfrequenz und deren Harmonischen. Das Spektrum zeigt eine Reihe von Spitzen, die kein Vielfaches der Wellendrehzahl, sondern ein Vielfaches der Kugel-/Rollen-Drehfrequenz (BSF) sind. Eine dieser harmonischen Spitzen ist oft deutlich größer als die anderen und spiegelt die Anzahl der beschädigten Wälzkörper wider.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Spitzen bei der Grundfrequenz des Wälzkörperdefekts (BSF) und ihren Harmonischen. Es treten beispielsweise BSF, 2xBSF, 3xBSF usw. auf. Das Amplitudenmuster dieser Spitzen kann insbesondere die Anzahl der beschädigten Elemente anzeigen – ist beispielsweise die zweite Harmonische am größten, könnte dies darauf hindeuten, dass zwei Kugeln/Rollen Absplitterungen aufweisen. Häufig treten damit Vibrationen bei den Laufbahnfehlerfrequenzen auf, da Wälzkörperschäden häufig auch zu Laufbahnschäden führen.

Hauptmerkmal: Das Vorhandensein einer Reihe von Spitzen, deren Abstand eher der BSF (Lagerelement-Drehfrequenz) als der Wellenrotationsfrequenz entspricht, weist auf einen Wälzkörperdefekt hin. Eine besonders hohe Amplitude der N-ten Harmonischen der BSF bedeutet oft, dass N Elemente beschädigt sind (z. B. kann eine sehr hohe 2xBSF-Spitze auf zwei defekte Kugeln hinweisen).

Käfigdefekt (Lagerkäfig / FTF)

Spektrumbeschreibung: Ein Käfigdefekt (Separator) in einem Wälzlager führt zu Schwingungen mit der Käfigrotationsfrequenz – der Grundfrequenz (FTF) – und deren Harmonischen. Diese Frequenzen liegen in der Regel subsynchron (unterhalb der Wellendrehzahl). Das Spektrum zeigt Spitzen bei FTF, 2xFTF, 3xFTF usw. und häufig eine gewisse Wechselwirkung mit anderen Lagerfrequenzen aufgrund von Modulation.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Niederfrequente Spitzen, die der Rotationsfrequenz des Käfigs (FTF) und ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen. Wenn beispielsweise die FTF ≈ 0,4x Wellendrehzahl ist, können Spitzen bei ~0,4x, ~0,8x, ~1,2x usw. auftreten. In vielen Fällen treten gleichzeitig ein Käfigdefekt und Laufringdefekte auf, sodass die FTF die Laufringdefektsignale modulieren und Summen-/Differenzfrequenzen (Seitenbänder um die Laufringfrequenzen) erzeugen kann.

Hauptmerkmal: Ein oder mehrere subharmonische Spitzen (unter 1x), die mit der Rotationsrate des Lagerkäfigs (FTF) übereinstimmen, deuten auf ein Käfigproblem hin. Dies tritt häufig zusammen mit anderen Lagerfehlern auf. Das wichtigste Merkmal ist das Vorhandensein der FTF und ihrer Harmonischen im Spektrum, was ansonsten nur bei einem Käfigausfall ungewöhnlich ist.

Was zu tun: Das Auftreten von Lagerfrequenzen ist ein Handlungsaufforderung. Es ist notwendig, die Überwachung dieser Einheit zu intensivieren, den Schmierzustand zu überprüfen und so bald wie möglich mit der Planung des Lageraustauschs zu beginnen.

3.5. Getriebefehler

Zahnradexzentrizität / Gebogene Welle

Spektrumbeschreibung: Dieser Fehler führt zu einer Modulation der Zahneingriffsschwingung. Im Spektrum ist die Spitze der Zahneingriffsfrequenz (GMF) von Seitenbandspitzen umgeben, die im Abstand der Wellendrehzahl des Zahnrads (1x Zahnraddrehzahl) liegen. Oftmals ist auch die Eigenschwingung des Zahnrads bei 1x Laufgeschwindigkeit aufgrund des unwuchtähnlichen Effekts der Exzentrizität erhöht.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Deutliche Amplitudenerhöhung bei der Zahneingriffsfrequenz und ihren unteren Harmonischen (z. B. 1x, 2x, 3x GMF). Deutliche Seitenbänder erscheinen um die GMF (und manchmal um ihre Harmonischen) in Abständen, die der einfachen Drehzahl des betroffenen Zahnrads entsprechen. Das Vorhandensein dieser Seitenbänder weist auf eine Amplitudenmodulation der Eingriffsfrequenz durch die Drehung des Zahnrads hin.

Hauptmerkmal: Die Zahneingriffsfrequenz mit ausgeprägten Seitenbändern bei der 1-fachen Zahnradfrequenz ist das charakteristische Merkmal. Dieses Seitenbandmuster (Spitzen, die durch die Laufgeschwindigkeit gleichmäßig um die GMF verteilt sind) weist stark auf eine Exzentrizität des Zahnrads oder eine verbogene Zahnradwelle hin. Darüber hinaus kann die Grundschwingung des Zahnrads (1-fach) höher als normal sein.

Verschleiß oder Beschädigung der Zahnräder

Spektrumbeschreibung: Zahnradfehler (z. B. abgenutzte oder gebrochene Zähne) führen zu einer erhöhten Vibration bei der Zahneingriffsfrequenz und ihren Harmonischen. Das Spektrum zeigt häufig mehrere GMF-Spitzen (1xGMF, 2xGMF usw.) mit hoher Amplitude. Zusätzlich treten um diese GMF-Spitzen herum zahlreiche Seitenbandfrequenzen auf, die durch die Wellendrehzahl voneinander getrennt sind. In einigen Fällen kann auch die Anregung von Zahnrad-Eigenfrequenzen (Resonanzen) mit Seitenbändern beobachtet werden.

Kurze Beschreibung der Spektralkomponenten: Erhöhte Spitzen bei der Zahneingriffsfrequenz (Zahneingriffsfrequenz) und ihren Harmonischen (z. B. 2xGMF). Um jede Hauptharmonische der GMF herum gibt es Seitenbandspitzen, die durch die einfache Laufgeschwindigkeit getrennt sind. Anzahl und Größe der Seitenbänder um die 1x-, 2x- und 3x-GMF-Komponenten nehmen tendenziell mit der Schwere des Zahnschadens zu. In schweren Fällen können zusätzliche Spitzen auftreten, die den Resonanzfrequenzen des Zahnrads entsprechen (mit eigenen Seitenbändern).

Hauptmerkmal: Kennzeichen sind mehrere Harmonische mit hoher Amplitude der Zahneingriffsfrequenz, begleitet von dichten Seitenbandmustern. Dies deutet auf einen unregelmäßigen Zahndurchgang aufgrund von Verschleiß oder einem Zahnbruch hin. Ein stark verschlissenes oder beschädigtes Zahnrad weist ausgeprägte Seitenbänder (in Intervallen von 1x der Zahnradgeschwindigkeit) um die Eingriffsfrequenzspitzen auf und unterscheidet sich dadurch von einem intakten Zahnrad (dessen Spektrum bei GMF sauberer ist).

Was zu tun: Das Auftreten von Frequenzen im Zusammenhang mit Getrieben erfordert besondere Aufmerksamkeit. Es wird empfohlen, den Ölzustand im Getriebe auf metallische Partikel zu überprüfen und eine Inspektion des Getriebes zu planen, um Zahnverschleiß oder -schäden festzustellen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Maschinen unter realen Bedingungen selten nur unter einem einzigen Fehler leiden. Sehr oft ist das Spektrum eine Kombination aus Anzeichen mehrerer Fehler, wie Unwucht und Fehlausrichtung. Dies kann für einen Anfänger in der Diagnostik verwirrend sein. In solchen Fällen gilt eine einfache Regel: Beheben Sie zuerst das Problem, das dem Peak mit der größten Amplitude entspricht. Oftmals verursacht ein schwerwiegender Fehler (z. B. eine starke Fehlausrichtung) Folgeprobleme wie erhöhten Lagerverschleiß oder das Lösen von Befestigungselementen. Durch die Beseitigung der Grundursache können Sie das Auftreten von Folgefehlern deutlich reduzieren.

Abschnitt 4: Praktische Empfehlungen und nächste Schritte

Mit den Grundlagen der Spektruminterpretation haben Sie den ersten und wichtigsten Schritt getan. Nun gilt es, dieses Wissen in Ihre tägliche Wartungspraxis zu integrieren. Dieser Abschnitt beschreibt, wie Sie von einmaligen Messungen zu einem systematischen Ansatz übergehen und die gewonnenen Daten für fundierte Entscheidungen nutzen.

4.1. Von der Einzelmessung zum Monitoring: Die Macht der Trends

Ein einzelnes Spektrum ist lediglich eine Momentaufnahme des Maschinenzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt. Es kann sehr aufschlussreich sein, doch erst der Vergleich mit früheren Messungen offenbart seinen wahren Wert. Dieser Prozess wird als Zustandsüberwachung oder Trendanalyse bezeichnet.

Die Idee ist ganz einfach: Anstatt den Zustand der Maschine anhand absoluter Schwingungswerte („gut“ oder „schlecht“) zu beurteilen, verfolgt man, wie sich diese Werte im Laufe der Zeit verändern. Ein langsamer, allmählicher Anstieg der Amplitude bei einer bestimmten Frequenz deutet auf systematischen Verschleiß hin, während ein plötzlicher Sprung ein Alarmsignal für die schnelle Entwicklung eines Defekts ist.

Praxistipp:

• Erstellen Sie ein Basislinienspektrum: Führen Sie eine gründliche Messung an neuen, frisch reparierten oder nachweislich einwandfreien Geräten durch. Speichern Sie diese Daten (Spektren und numerische Werte) im Programmarchiv von Balanset-1A. Dies ist Ihr „Gesundheits-Benchmark“ für diese Maschine.
• Periodizität festlegen: Legen Sie fest, wie oft Sie Kontrollmessungen durchführen möchten. Bei kritischen Geräten kann dies alle zwei Wochen, bei Zusatzgeräten monatlich oder vierteljährlich sein.
• Wiederholbarkeit sicherstellen: Führen Sie die Messungen jedes Mal an den gleichen Punkten, in den gleichen Richtungen und, wenn möglich, unter den gleichen Betriebsbedingungen der Maschine (Belastung, Temperatur) durch.
• Vergleichen und analysieren: Vergleichen Sie nach jeder neuen Messung das erhaltene Spektrum mit dem Basiswert und den vorherigen. Achten Sie nicht nur auf das Auftreten neuer Peaks, sondern auch auf die Zunahme der Amplitude bestehender Peaks. Ein starker Anstieg der Amplitude eines Peaks (z. B. doppelt so hoch wie bei der vorherigen Messung) ist ein sicheres Signal für einen sich entwickelnden Defekt, auch wenn der absolute Schwingungswert noch innerhalb der zulässigen Grenzen gemäß ISO-Normen liegt.

4.2. Wann sollte man ausgleichen und wann nach einer anderen Ursache suchen?

Das ultimative Ziel der Diagnose besteht nicht nur darin, einen Defekt zu finden, sondern die richtigen Entscheidungen über die notwendigen Maßnahmen zu treffen. Basierend auf der Spektrumanalyse kann ein einfacher und effektiver Entscheidungsalgorithmus erstellt werden.

Aktionsalgorithmus basierend auf der Spektrumanalyse:

1. Erhalten Sie mit Balanset-1A ein qualitativ hochwertiges Spektrum, vorzugsweise im Modus „Diagramme“ (F8), indem Sie Messungen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung durchführen.
2. Identifizieren Sie den Peak mit der größten Amplitude. Er zeigt das dominante Problem an, das zuerst angegangen werden sollte.
3. Bestimmen Sie die Art des Fehlers anhand der Häufigkeit dieses Peaks:
   • Wenn der 1x-Peak dominiert: Die wahrscheinlichste Ursache ist eine Unwucht.
     Aktion: Führen Sie mithilfe der Funktionalität des Geräts Balanset-1A einen dynamischen Ausgleichsvorgang durch.
   • Wenn der 2x-Peak dominiert (insbesondere wenn er in axialer Richtung hoch ist): Die wahrscheinlichste Ursache ist eine Fehlausrichtung der Welle.
     Aktion: Das Auswuchten ist wirkungslos. Es ist notwendig, die Einheit anzuhalten und eine Wellenausrichtung durchzuführen.
   • Wenn ein „Wald“ aus vielen Harmonischen (1x, 2x, 3x, ...) beobachtet wird: Die wahrscheinlichste Ursache ist mechanische Lockerung.
     Aktion: Führen Sie eine Sichtprüfung durch. Überprüfen Sie alle Befestigungsschrauben und ziehen Sie sie fest. Untersuchen Sie Rahmen und Fundament auf Risse.
   • Wenn im mittleren oder hohen Frequenzbereich nicht synchrone Spitzen dominieren: Die wahrscheinlichste Ursache ist ein Wälzlagerdefekt.
     Aktion: Überprüfen Sie die Schmierung der Lagereinheit. Planen Sie den Lageraustausch. Erhöhen Sie die Überwachungsintervalle, um die Fehlerrate zu verfolgen.
   • Wenn die Zahneingriffsfrequenz (GMF) mit Seitenbändern dominiert: Die wahrscheinlichste Ursache ist ein Getriebedefekt.
     Aktion: Überprüfen Sie den Ölzustand im Getriebe. Planen Sie eine Getriebeinspektion ein, um Zahnverschleiß oder -schäden festzustellen.

Dieser einfache Algorithmus ermöglicht den Übergang von der abstrakten Analyse zu konkreten, gezielten Wartungsmaßnahmen, was das ultimative Ziel aller Diagnosearbeiten ist.

Schlussfolgerung

Das ursprünglich als Spezialwerkzeug zum Auswuchten konzipierte Balanset-1A-Gerät bietet deutlich mehr Potenzial. Die Möglichkeit, Schwingungsspektren zu erfassen und anzuzeigen, macht es zu einem leistungsstarken Schwingungsanalysator der Einstiegsklasse. Dieser Artikel soll eine Brücke zwischen den im Handbuch beschriebenen Funktionen des Geräts und den grundlegenden Kenntnissen zur Interpretation der gewonnenen Daten aus Ihren Schwingungsanalysesitzungen schlagen.

Die Beherrschung grundlegender Fähigkeiten der Spektrumanalyse beschränkt sich nicht nur auf das Studium der Theorie, sondern auch auf den Erwerb eines praktischen Werkzeugs zur Steigerung Ihrer Arbeitseffizienz. Wenn Sie verstehen, wie sich verschiedene Fehler – Unwucht, Fehlausrichtung, Spiel und Lagerdefekte – als einzigartige „Fingerabdrücke“ im Schwingungsspektrum manifestieren, können Sie einen Blick ins Innere einer laufenden Maschine werfen, ohne sie auseinanderzunehmen.

Wichtige Erkenntnisse aus diesem Leitfaden:

• Vibration ist Information. Jeder Peak im Spektrum enthält Informationen über einen bestimmten Prozess, der im Mechanismus stattfindet.
• FFT ist Ihr Übersetzer. Die schnelle Fourier-Transformation übersetzt die komplexe und chaotische Sprache der Schwingung in die einfache und verständliche Sprache der Frequenzen und Amplituden.
• Diagnostik ist Mustererkennung. Indem Sie lernen, charakteristische Spektralmuster für größere Defekte zu erkennen, können Sie die Grundursache erhöhter Vibrationen schnell und genau bestimmen.
• Trends sind wichtiger als absolute Werte. Regelmäßige Überwachung und Vergleich der aktuellen Daten mit den Basisdaten sind die Grundlage eines prädiktiven Ansatzes, der es ermöglicht, Probleme im frühesten Stadium zu erkennen.

Der Weg zum sicheren und kompetenten Schwingungsanalytiker erfordert Zeit und Übung. Scheuen Sie sich nicht, zu experimentieren, Daten von verschiedenen Geräten zu sammeln und Ihre eigene Bibliothek mit „Gesundheitsspektren“ und „Krankheitsspektren“ zu erstellen. Dieser Leitfaden bietet Ihnen Karte und Kompass. Verwenden Sie Balanset-1A nicht nur zur Behandlung von Symptomen durch Auswuchten, sondern auch zur Erstellung einer präzisen „Diagnose“. Mit diesem Ansatz können Sie die Zuverlässigkeit Ihrer Geräte deutlich erhöhen, die Anzahl von Notabschaltungen reduzieren und die Wartung qualitativ verbessern.