Schwingungsamplitude: Ein wichtiger Indikator für den Maschinenzustand

Definition: Was ist Schwingungsamplitude?

Schwingungsamplitude ist ein Maß für die Intensität bzw. Schwere von Vibrationen. Es gibt an, wie stark eine Maschine vibriert, und ist einer der grundlegendsten Parameter in der Zustandsüberwachung und Maschinendiagnose. Eine Veränderung der Amplitude im Laufe der Zeit ist oft der erste Hinweis auf ein sich entwickelndes mechanisches Problem. Während die Frequenz hilft, die Art des Fehlers zu diagnostizieren, hilft die Amplitude, dessen Schweregrad zu bestimmen.

Die Bedeutung der Amplitudenmessung

Die Überwachung der Schwingungsamplitude ist für jedes vorausschauende Wartungsprogramm unerlässlich. Eine Zunahme der Amplitude korreliert direkt mit einer Zunahme der dynamischen Kräfte, die auf die Maschinenkomponenten wirken. Die Überwachung dieser Werte hilft dabei:

• Legen Sie eine Basislinie fest: Durch die Messung der Amplitude an einer intakten Maschine wird eine Basis für zukünftige Vergleiche geschaffen.
• Trend Maschinenzustand: Durch die Aufzeichnung der Amplitudenwerte im Zeitverlauf können Ingenieure eine allmähliche Verschlechterung erkennen, lange bevor ein Fehler auftritt.
• Alarme einstellen: Mithilfe von Amplitudenpegeln werden Warn- und Gefahrenalarme eingestellt, die das Personal benachrichtigen, wenn sich der Zustand einer Maschine erheblich verschlechtert hat.
• Schweregrad einschätzen: Die Größe der Amplitude ist ein direkter Indikator für die Schwere eines Problems und hilft bei der Priorisierung von Wartungsmaßnahmen.

Verschiedene Möglichkeiten zur Messung der Amplitude

Vibrationen sind dynamische Signale, deren Amplitude auf verschiedene Weise quantifiziert werden kann. Die Wahl der Messmethode hängt vom Maschinentyp und den gesuchten Informationen ab.

1. Spitzenamplitude (Pk)

Der Spitzenwert ist die maximale Amplitude, die die Schwingungswellenform in eine Richtung (positiv oder negativ) ausgehend von ihrer Null- oder Gleichgewichtsposition erreicht. Spitzenmessungen sind besonders nützlich zur Beurteilung kurzzeitiger, stoßintensiver Ereignisse, wie sie beispielsweise durch einen Zahnbruch oder einen schweren Lagerdefekt verursacht werden. Sie geben die maximale Belastung oder Kraft an, die während eines Schwingungszyklus auf ein Bauteil einwirkt.

2. Spitze-Spitze-Amplitude (Pk-Pk)

Der Peak-to-Peak-Wert ist die Gesamtstrecke, die das vibrierende Bauteil von seinem maximalen positiven Peak bis zu seinem maximalen negativen Peak zurücklegt. Er stellt die Gesamtauslenkung bzw. Gesamtbewegung des Bauteils dar. Peak-to-Peak wird am häufigsten verwendet zur Messung von Verschiebung, da es für die Beurteilung von Abständen von entscheidender Bedeutung ist. Beispielsweise kann damit festgestellt werden, ob sich eine rotierende Welle so stark bewegt, dass die Gefahr besteht, dass sie mit einem stationären Lagergehäuse in Berührung kommt.

3. RMS-Amplitude (quadratischer Mittelwert)

Der RMS-Wert ist das gebräuchlichste und nützlichste Maß zur Beurteilung der Gesamtschwingungsstärke. Er wird berechnet, indem die Quadratwurzel des Durchschnitts der quadrierten Werte der Wellenform über die Zeit gezogen wird. Der Hauptvorteil des RMS-Werts besteht darin, dass er direkt mit der Energiegehalt und die Zerstörungskraft der Vibration. Ein RMS-Wert berücksichtigt das gesamte Vibrationssignal über einen bestimmten Zeitraum, nicht nur die maximalen Spitzenwerte. Dadurch ist er ein wesentlich stabileres und repräsentativeres Maß für den Gesamtzustand einer Maschine. Die meisten internationalen Normen, wie z. B. ISO 10816, verwenden die RMS-Geschwindigkeit zur Festlegung von Vibrationsgrenzwerten.

Beziehung zwischen Pk, Pk-Pk und RMS

Bei einer perfekten Sinuswelle besteht zwischen diesen Werten eine einfache mathematische Beziehung:

• Spitze-Spitze = 2 × Spitze
• RMS = Spitze / √2 ≈ 0,707 × Spitze

Für komplexe, nicht sinusförmige Signale, wie sie in realen Maschinen vorkommen (und die oft Stöße und Oberwellen enthalten), gilt diese Beziehung jedoch nicht. Das Verhältnis von Spitze zu Effektivwert wird als Scheitelfaktor bezeichnet und kann selbst ein nützliches Diagnosewerkzeug sein.

Welche Amplitudeneinheit soll verwendet werden?

Die Amplitude wird in Einheiten der Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung gemessen und die Wahl hängt von der interessierenden Frequenz ab:

• Verschiebung (μm, mils): Am besten geeignet für niederfrequente Vibrationen (<10 Hz), wie z. B. strukturelle Bewegungen oder Unwuchten bei sehr langsamen Maschinen.
• Geschwindigkeit (mm/s, Zoll/s): Der beste Allzweckanzeiger für mittlere Frequenzen (10 Hz bis 1.000 Hz), bei denen die häufigsten Maschinenfehler wie Unwucht und Fehlausrichtung auftreten.
• Beschleunigung (g, m/s²): Am besten geeignet für hochfrequente Vibrationen (> 1.000 Hz), wie z. B. Zahnradeingriffe und Lagerfehler.

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