Frequenz in der Schwingungsanalyse verstehen
Frequenz ist ein Maß dafür, wie oft ein wiederkehrendes Ereignis in einer bestimmten Zeiteinheit auftritt — in der Schwingungsanalysequantifiziert sie, wie schnell ein Objekt schwingt. Sie ist der einzige wichtigste Parameter für die Diagnose der Grundursache eines Maschinenproblems. Während Amplitude tells you the Schweregrad einer Schwingung gibt die Frequenz an, Quelle. Ein Amplitudenwert zeigt Ihnen, wie schwerwiegend das Problem ist; seine Frequenz zeigt Ihnen, was das Problem ist.
1. Definition: Was ist Schwingungsfrequenz?
Die Frequenz beschreibt die Rate einer periodischen Bewegung — die Anzahl vollständiger Schwingungszyklen, die ein vibrierendes Bauteil pro Zeiteinheit ausführt. Ein Rotor, der mit 1.800 U/min dreht, absolviert dreißig Umdrehungen pro Sekunde; die von ihm erzeugte Kraft wirkt daher dreißig Mal pro Sekunde. Jede periodische Komponente, die im Schwingungssignal einer Maschine verborgen ist, Zeitwellenform besitzt ihre eigene Frequenz, und die Trennung dieser Komponenten ist die Grundlage aller Diagnosearbeiten.
Entscheidend ist, dass die Frequenz unabhängig von der Amplitude ist. Eine Schwingung kann bei exakt derselben Frequenz heftig oder kaum wahrnehmbar sein; was sich beim Fortschreiten eines Fehlers in der Regel ändert, ist die Amplitude, während die Frequenz an den physikalischen Mechanismus gebunden bleibt, der sie erzeugt. Genau diese Stabilität macht die Frequenz zu einem so zuverlässigen Erkennungsmerkmal.
2. Der diagnostische Nutzen der Frequenz
Das Grundprinzip von Schwingungsdiagnostik liegt darin, dass verschiedene mechanische und elektrische Bauteile beim Beginn eines Ausfalls Schwingungen bei spezifischen, vorhersehbaren Frequenzen erzeugen. Durch die Identifizierung, welche Frequenzen im Schwingungsspektrum einer Maschine vorhanden sind — und wie stark jede einzelne ist — kann ein Analytiker das genaue Bauteil ermitteln, das das Problem verursacht. Dies ist eng vergleichbar damit, wie ein Arzt ein Stethoskop einsetzt, um auf die charakteristischen Geräusche zu horchen, die auf verschiedene Erkrankungen hinweisen.
Jede mögliche Fehlerart weist eine charakteristische Frequenzsignatur auf:
- Unwucht: ein Problem mit der gesamten rotierenden Baugruppe, wie z. B. Unwucht, tritt bei der Frequenz der Wellendrehung auf — 1× Betriebsdrehzahl.
- Fehlausrichtung: ein Problem in der Kupplung zwischen zwei Wellen, wie z. B. Fehlausrichtung, tritt typischerweise bei der doppelten Betriebsdrehzahl auf ("2×), häufig mit einem erhöhten 3×.
- Lagerdefekte: ein Fehler an einem Wälzlager erzeugt nicht-ganzzahlige Lagerfehlerfrequenzen festgelegt durch seine Laufbahn- und Kugelgeometrie sowie die Wellendrehzahl.
- Gear problems: kämmende Zähne erzeugen Energie bei der Zahneingriffsfrequenz (GMF) — die Anzahl der Zähne multipliziert mit der Drehzahl des Zahnrads — häufig flankiert von Seitenbänder.
Da sich diese Signaturen selten überlagern, kann ein einzelnes hochauflösendes Spektrum Unwucht, Ausrichtungsfehler und ein defektes Lager voneinander trennen, ohne die Maschine zu öffnen.
3. Die Einheiten der Frequenz
Frequenz wird in verschiedenen Einheiten angegeben, und ein erfahrener Analytiker muss alle davon sicher beherrschen.
Hertz (Hz)
Die internationale (SI-)Einheit. Ein Hertz entspricht einem Zyklus pro Sekunde. Dies ist die Standardeinheit in wissenschaftlichen und den meisten messtechnischen Kontexten und wird auf der Frequenzachse eines FFT-Spektrums verwendet.
Cycles Per Minute (CPM)
In der industriellen Instandhaltung weit verbreitet, da sie einen direkten Bezug zur Drehzahl herstellt, die in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben wird. Da eine Minute 60 Sekunden enthält, lautet die Umrechnung einfach CPM = Hz × 60. Eine Schwingung bei 30 Hz entspricht daher 1.800 CPM — und an einer Maschine, die mit 1.800 U/min läuft, liegt dieser Peak genau bei der Betriebsdrehzahl, was in CPM häufig leichter zu erkennen ist als in Hz.
Bestellungen
Ordnungen sind Vielfache der eigenen Betriebsdrehzahl einer Maschine: Die Betriebsdrehzahl entspricht der 1. Ordnung, die doppelte Betriebsdrehzahl der 2. Ordnung, und so weiter. Der Vorteil besteht darin, dass Ordnungen auch bei wechselnder Maschinendrehzahl konstant bleiben — Unwucht tritt an der 1. Ordnung auf, unabhängig davon, ob die Welle mit 900 oder 3.600 U/min dreht, während sich die entsprechende Frequenz in Hz verschiebt. Dadurch sind Ordnungen für drehzahlvariable Anlagen unverzichtbar und bilden die Grundlage für Auftragsanalyse. A free Harmonischenfrequenzrechner wandelt eine Drehzahl in einem Schritt in ihre 1×- bis 10×-Frequenzen um, und ein Umrechner für Schwingungseinheiten übernimmt die Umrechnung zwischen Hz und CPM.
4. Wie die Frequenz bestimmt wird
Die in einem Schwingungssignal verborgenen Frequenzen werden mit dem Schnelle Fourier-Transformation (FFT). An Beschleunigungsmesser erfasst die rohe Zeitwellenform, und der FFT-Algorithmus zerlegt sie in ein Frequenzspektrum — ein Diagramm, das jede einzelne Frequenz der komplexen Schwingung darstellt, wobei die Höhe jedes Peaks angibt, wie viel Energie dort konzentriert ist. Der Analysator ordnet diese Peaks dann den oben genannten Fehlermerkmalen zu. Im Feldeinsatz führt ein tragbares Zweikanal-Gerät wie das Balanset-1A diese FFT direkt vor Ort durch und misst Spektren von etwa 5 Hz bis 1000 Hz, sodass der Betriebsdrehzahl-Peak und seine Harmonischen direkt an der Maschine abgelesen werden können, wobei der einmal-pro-Umdrehung-Tachometerimpuls genau anzeigt, welcher Peak die 1× ist.
5. Der Zusammenhang zwischen Frequenz, Schwinggeschwindigkeit und Beschleunigung
Bei einem gegebenen Schwingungsenergiepegel hängen die Amplituden von Verschiebung, Geschwindigkeit, Und Beschleunigung stark von der Frequenz ab, weshalb jede Einheit in einem anderen Frequenzbereich dominiert:
- Niederfrequenter Bereich: ist der Schwingweg am größten, weshalb er die natürliche Einheit für langsame Wellenbewegungen ist.
- Mittelfrequenter Bereich: ist die Schwinggeschwindigkeit am größten und gleichmäßigsten, weshalb Schwingungsintensität Standards wie ISO 20816 (der moderne Nachfolger von ISO 10816) den allgemeinen Maschinenzustand in mm/s Schwinggeschwindigkeit bewertet.
- Hochfrequenter Bereich: ist die Schwingbeschleunigung am größten, was sie zur bevorzugten Einheit für Lager- und Zahneingriffsfrequenzen macht.
Die Wahl der falschen Einheit für einen Frequenzbereich kann einen echten Fehler im Rauschen verbergen; die richtige Einheit lässt denselben Fehler deutlich hervortreten. In diesem Sinne ist die Frequenz der Schlüssel, der das diagnostische Potenzial der Schwingungsanalyse erschließt — sie verwandelt ein rohes, unübersichtliches Signal in verwertbare Wartungsinformationen.
