Demodulation verstehen (Hüllkurvenanalyse)

Definition: Was ist Demodulation?

Im Rahmen der Schwingungsanalyse Demodulation ist eine leistungsstarke Signalverarbeitungstechnik zur Erkennung wiederholter, niederfrequenter Stöße, die im hochfrequenten Vibrationssignal einer Maschine „versteckt“ sind. Es ist der Kernprozess hinter dem allgemein bekannteren Begriff: HüllkurvenanalyseDie beiden Begriffe werden oft synonym verwendet.

Die Technik funktioniert, indem ein hochfrequentes Schwingungsband, das als Trägersignal fungiert, isoliert und anschließend die Hüllkurve dieses Signals extrahiert wird. Diese Hüllkurve enthüllt die zugrunde liegenden niederfrequenten Muster sich wiederholender Stöße, wie sie beispielsweise durch mikroskopische Fehler in Lagern oder Zahnrädern entstehen.

Der Prozess der Demodulation

Die Demodulation umfasst einen dreistufigen Prozess:

1. Bandpassfilterung: Zunächst wird das Rohschwingungssignal durch einen Hochfrequenz-Bandpassfilter geleitet. Dadurch werden die starken, niederfrequenten Schwingungen (wie Unwucht und Fehlausrichtung) entfernt und nur der Hochfrequenzbereich fokussiert, in dem die Spannungswellen von Lager- oder Getriebestößen strukturelle Resonanzen anregen.
2. Berichtigung: Das gefilterte Hochfrequenzsignal wird anschließend gleichgerichtet. Dieser Prozess wandelt den negativen Teil der Wellenform in einen positiven um und erzeugt so ein Signal, das die absolute Amplitude darstellt.
3. Tiefpassfilterung (Hüllkurve): Abschließend wird das gleichgerichtete Signal durch einen Tiefpassfilter geleitet. Dadurch wird das hochfrequente resonante Trägersignal geglättet, sodass nur die niederfrequente Hüllkurve übrig bleibt, die die Spitzen des gleichgerichteten Signals nachzeichnet. Dieses resultierende Hüllkurvensignal repräsentiert direkt die Wiederholungsrate der zugrunde liegenden Stöße.

Anschließend wird für dieses endgültige Hüllkurvensignal eine FFT durchgeführt. Das resultierende Spektrum, das sogenannte Hüllkurvenspektrum oder demodulierte Spektrum, zeigt deutliche Spitzen bei den genauen Fehlerfrequenzen der Lager- oder Getriebekomponenten.

Warum ist die Demodulation so effektiv?

Aufgrund der Art und Weise, wie sie Stoßsignale verarbeitet, ist die Demodulation eine der wichtigsten Techniken zur frühzeitigen Fehlererkennung.

• Vorwarnung: Trifft ein Wälzkörper auf einen winzigen Splitter in einem Laufring, entsteht ein kleiner Stoß mit geringer Energie. Dieser Stoß verursacht einen sehr kurzen, hochfrequenten Vibrationsstoß, bei dem die Maschinenstruktur mit ihren Eigenfrequenzen „schwingt“.
• Signal vom Rauschen trennen: In einem normalen FFT-Spektrum wird die geringe Energiemenge dieser frühen Stöße vollständig von der enormen Energie niederfrequenter Schwingungen verdeckt, wie Unwucht.
• Konzentration auf die Wiederholungsrate: Bei der Demodulation werden die starken Niederfrequenzsignale ignoriert. Der Schwerpunkt liegt auf dem hochfrequenten „Klingeln“ und vor allem auf der Wiederholungsrate dieses Klingelns. Diese Wiederholungsrate entspricht direkt den Lager- oder Getriebefehlerfrequenzen (z. B. BPFO, BPFI, BSF, GMF).

Anwendungen

Die Hauptanwendungen der Demodulation sind:

• Wälzlageranalyse: Es handelt sich um die definitive Methode zum Erkennen und Diagnostizieren von Fehlern in Kugel- und Rollenlagern und bietet oft schon Monate vor dem kritischen Auftreten des Fehlers eine Warnung.
• Getriebeanalyse: Es ist äußerst effektiv bei der Erkennung von Problemen wie gerissenen oder gebrochenen Zahnrädern, die im demodulierten Spektrum ein deutliches Aufprallsignal bei der 1-fachen Drehzahl des Zahnrads erzeugen.
• Andere Ereignisse mit Auswirkungen: Es kann auch zum Erkennen anderer sich wiederholender Aufprallphänomene verwendet werden, wie etwa das Öffnen und Schließen von Kondensatableitern oder Probleme mit der Ventilsteuerung von Kolbenmotoren.

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