Beschleunigung in der Schwingungsanalyse verstehen
Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit eines Objekts in Bezug auf die Zeit. In Schwingungsanalyse Es ist einer der drei zentralen Messparameter, der angibt, wie schnell die Geschwindigkeit sich die Schwingung eines Bauteils ändert. Wo Verschiebung Die Weglänge gibt an, wie weit sich ein Teil bewegt, die Geschwindigkeit, wie schnell; die Beschleunigung ist eigentlich ein Maß für die auf das Teil einwirkenden Kräfte – was sie besonders empfindlich gegenüber hochfrequenten Ereignissen wie Stößen und abrupten Bewegungsänderungen macht.
1. Definition: Was ist Schwingbeschleunigung?
Mathematisch gesehen ist die Beschleunigung die erste zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit und die zweite Ableitung des Weges. Für einen Körper, der mit der Frequenz fBei einer festen Auslenkung skaliert die Beschleunigungsamplitude mit dem Quadrat der Frequenz – eine Verdopplung der Frequenz führt zu einer Vervierfachung der Beschleunigung. Diese Tatsache allein erklärt, warum die Beschleunigung die ideale Messgröße für schnelle, abrupte Ereignisse ist: Je höher der Frequenzanteil einer Störung ist, desto deutlicher tritt sie im Beschleunigungssignal hervor. Das ist auch der Grund, warum sich ein Analytiker für die Beschleunigung entscheidet, wenn die zu untersuchenden Phänomene im Kilohertz-Bereich und nicht in der Nähe der Betriebsgeschwindigkeit auftreten.
2. Warum ist die Messung der Beschleunigung wichtig?
Die Messung der Beschleunigung ist von zentraler Bedeutung für eine gründliche Zustandsüberwachung Programm, da es besonders gut darin ist, Fehler zu erkennen, die bei weniger empfindlichen Parametern übersehen werden können. Seine Bedeutung beruht auf einigen entscheidenden Faktoren:
- Hochfrequente Fehlererkennung: Die Beschleunigung reagiert von Natur aus empfindlicher auf hochfrequente Schwingungen und ist daher der ideale Parameter für Schäden an Wälzlagern im Frühstadium, Probleme im Zahnradgetriebe und Erregung durch Rotorblattdurchlauf – allesamt Phänomene, bei denen Energie im hohen Frequenzbereich abgestrahlt wird.
- Direkter Zusammenhang mit der Kraft: Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz (Kraft = Masse × Beschleunigung) ist die Beschleunigung direkt proportional zu den dynamischen Kräften im Inneren einer Maschine. Die Messung der Beschleunigung bietet daher einen direkten Einblick in die Kräfte, die zu Spannungen führen und Ermüdung in Komponenten.
- Großer Dynamikbereich: Die zur Erfassung verwendeten Beschleunigungssensoren decken einen sehr breiten Frequenz- und Amplitudenbereich ab, wodurch sie für viele Maschinentypen und -geschwindigkeiten vielseitig einsetzbar sind.
3. Einheiten und Messung
Gemeinsame Einheiten
Die Schwingbeschleunigung wird in der Regel in einer der beiden folgenden Einheiten angegeben:
- G: eine Einheit, die auf die Erdbeschleunigung bezogen ist, wobei 1 g ≈ 9,81 m/s² gilt. Die g ist beliebt, weil es ein standardisiertes, intuitives Gefühl dafür vermittelt, wie stark ein Teil geschüttelt wird.
- m/s² (oder mm/s²): die SI-Einheit Meter pro Sekunde im Quadrat, die für die formale Berichterstattung und Berechnung bevorzugt wird.
Es lohnt sich, ausdrücklich anzugeben, ob es sich bei einem Wert um einen Spitzenwert, einen True-Peak-Wert oder Effektivwert, da dieselbe Schwingung auf drei verschiedene Arten angegeben werden kann. Die Umrechnung zwischen g, m/s² und den entsprechenden Geschwindigkeits- oder Wegwerten bei einer bestimmten Frequenz ist genau das, was unser Schwingungsbeschleunigungsrechner ist für.
Wie wird das gemessen?
Die Beschleunigung wird fast ausschließlich mit einem Beschleunigungsmesser — ein Wandler, der die mechanische Kraft der Schwingung in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt. Der piezoelektrischer Beschleunigungsmesser ist der in der industriellen Zustandsüberwachung am häufigsten verwendete Typ und wird wegen seiner Robustheit, Genauigkeit und seines breiten, flachen Frequenzgangs geschätzt. Sein Ausgangssignal kann direkt oder über elektronische Integration, stattdessen als Geschwindigkeit oder Weg dargestellt.
4. Praktische Anwendungen in der Diagnostik
In der täglichen Diagnose helfen Beschleunigungsdaten dabei, bestimmte Probleme einzugrenzen:
- Lagerschäden: Mikroskopisch kleine Defekte an Laufringen, Rollen und Kugeln verursachen kleine, hochfrequente Stoßspitzen. Beschleunigungsmessungen – insbesondere in Kombination mit Hüllkurvenanalyse um sie zu demodulieren – sind der wichtigste Weg, um diese Fehler in ihrem frühesten, am besten behebbaren Stadium zu erkennen, oft durch die Verfolgung der Lagerfehlerfrequenzen.
- Getriebeanalyse: Die hochfrequenten Anteile aus dem Zahneingriff sowie die Stöße durch gebrochene oder abgesplitterte Zähne zeigen sich deutlich im Beschleunigungsspektrum, häufig genau an der Zahnrad-Eingriffsfrequenz und ihre Seitenbänder.
- Hochgeschwindigkeitsmaschinen: Bei Turbinen und Hochgeschwindigkeitskompressoren liegen die dominanten Frequenzen in dem Bereich, in dem die Beschleunigung am empfindlichsten ist, weshalb diese Messung oft als Gesamtmessung bevorzugt wird.
Genau diese Vielseitigkeit macht es möglich, dass ein tragbares Zweikanal-Gerät wie das Balanset-1A dient sowohl als Auswucht- als auch als Diagnosewerkzeug: Es erfasst die Beschleunigung über seine Sensoren, integriert diese zur Schwinggeschwindigkeit für Schwingungsintensitätsprüfungen gemäß ISO 20816 (der moderne Nachfolger von ISO 10816) und nutzt dieselben Kanäle zur Messung von 1× Amplitude und Phase für die Feldauswuchtung.
5. Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Weg
Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind durch Integration und Differentiation mathematisch miteinander verknüpft. Bei einer einfachen sinusförmigen Schwingung ist die Geschwindigkeit das Integral der Beschleunigung und der Weg das Integral der Geschwindigkeit; umgekehrt gilt, Differenzierung bewegt sich in die andere Richtung. In der Praxis bedeutet dies, dass bei gleicher Schwingungsenergie die Beschleunigungsamplituden bei hohen Frequenzen naturgemäß am größten sind, während bei niedrigen Frequenzen die Verschiebungsamplituden dominieren – wobei die Geschwindigkeit dazwischen liegt und im mittleren Frequenzbereich relativ gleichbleibend ist. Genau aus diesem Grund wählen Analytiker den Parameter, der am besten zum Frequenzbereich der zu erwartenden Störung passt: Verschiebung für langsame Wellenbewegungen, Geschwindigkeit für den allgemeinen Zustand der Maschine und Beschleunigung für die schnellen, kraftgetriebenen Vorgänge an Lagern und Getrieben.
