Umfassende Analyse von ISO 20816-3: Messung, Bewertung und instrumentelle Umsetzung über das Balanset-1A-System

Zusammenfassung

In der Industrielandschaft hat sich ein bedeutender Paradigmenwechsel in der Standardisierung der Zustandsüberwachung von Maschinen vollzogen. Die Einführung der Norm ISO 20816-3:2022 stellt eine Konsolidierung und Modernisierung früherer Methoden dar, insbesondere durch die Zusammenführung der Bewertung von Gehäusevibrationen (früher ISO 10816-3) und rotierenden Wellenvibrationen (früher ISO 7919-3) in einem einzigen, einheitlichen Rahmenwerk. Dieser Bericht enthält eine umfassende Analyse der ISO 20816-3, in der ihre Kapitel, normativen Anhänge und physikalischen Grundsätze genauestens untersucht werden. Darüber hinaus enthält er eine detaillierte technische Bewertung des tragbaren Schwingungsanalysators und Auswuchtgeräts Balanset-1A und zeigt, wie dieses spezielle Instrument die Einhaltung der strengen Anforderungen der Norm erleichtert. Durch eine Synthese aus Signalverarbeitungstheorie, Maschinenbauprinzipien und praktischen Betriebsverfahren dient dieses Dokument als maßgeblicher Leitfaden für Zuverlässigkeitsingenieure, die ihre Zustandsüberwachungsstrategien mit globalen Best Practices unter Verwendung zugänglicher, hochpräziser Instrumente in Einklang bringen möchten.

Teil I: Der theoretische Rahmen der ISO 20816-3

1.1 Entwicklung der Schwingungsnormen: Die Annäherung von ISO 10816 und ISO 7919

Die Geschichte der Normung im Bereich Schwingungen ist geprägt von einer allmählichen Entwicklung weg von fragmentierten, komponentenbezogenen Richtlinien hin zu einer ganzheitlichen Maschinenbewertung. Historisch gesehen war die Bewertung von Industriemaschinen zweigeteilt. Die Normenreihe ISO 10816 konzentrierte sich auf die Messung nicht rotierender Teile – insbesondere Lagergehäuse und Sockel – unter Verwendung von Beschleunigungsmessern oder Geschwindigkeitsaufnehmern. Die Normenreihe ISO 7919 befasste sich hingegen mit der Schwingung rotierender Wellen im Verhältnis zu ihren Lagern, wobei hauptsächlich berührungslose Wirbelstromsonden zum Einsatz kamen.

Diese Trennung führte häufig zu diagnostischer Unklarheit. Eine Maschine konnte akzeptable Gehäusevibrationen aufweisen (Zone A gemäß ISO 10816) und gleichzeitig unter gefährlichem Wellenschlag oder Instabilität leiden (Zone C/D gemäß ISO 7919), insbesondere in Szenarien mit schweren Gehäusen oder Flüssigkeitsfilm-Lagern, bei denen der Übertragungsweg der Schwingungsenergie gedämpft ist. ISO 20816-3 löst diese Dichotomie, indem sie sowohl ISO 10816-3:2009 als auch ISO 7919-3:2009 ersetzt.1 Durch die Integration dieser Perspektiven erkennt die neue Norm an, dass sich die durch rotordynamische Kräfte erzeugte Schwingungsenergie je nach Steifigkeit, Masse und Dämpfungsverhältnissen unterschiedlich in der Maschinenstruktur manifestiert. Folglich erfordert eine konforme Bewertung nun eine doppelte Perspektive: die Beurteilung sowohl der absoluten Schwingung der Struktur als auch, falls zutreffend, der relativen Bewegung der Welle.

Das Balanset-1A-System fügt sich in diese Landschaft als ein Werkzeug ein, das diese Messbereiche miteinander verbinden soll. Seine Architektur, die sowohl piezoelektrische Beschleunigungsmesser für Gehäusemessungen als auch Gleichspannungseingänge für lineare Wegsensoren unterstützt, spiegelt die Dualitätsphilosophie der ISO 20816-Reihe wider.3 Diese Konvergenz vereinfacht das Werkzeugset des Technikers, da nun mit einem einzigen Instrument die umfassenden Bewertungen durchgeführt werden können, die nun durch die einheitliche Norm vorgeschrieben sind.

1.2 Umfang und Anwendbarkeit: Definition der Landschaft der Industriemaschinen

Kapitel 1 der ISO 20816-3 definiert genau die Grenzen ihrer Anwendung. Die Norm ist kein Allheilmittel, sondern speziell auf Industriemaschinen mit einer Nennleistung von über 15 kW und Betriebsgeschwindigkeiten zwischen 120 U/min und 30.000 U/min abgestimmt.1 Dieser breite Betriebsbereich deckt die überwiegende Mehrheit der kritischen Anlagen in den Bereichen Fertigung, Energieerzeugung und Petrochemie ab.

Die speziell abgedeckten Geräte umfassen:

• Dampfturbinen und Generatoren: Hier werden Anlagen mit einer Leistung von maximal 40 MW behandelt. Größere Anlagen (über 40 MW) fallen in der Regel unter ISO 20816-2, es sei denn, sie arbeiten mit anderen Drehzahlen als den synchronen Netzfrequenzen (1500, 1800, 3000 oder 3600 U/min).6
• Rotationskompressoren: Einschließlich Zentrifugal- und Axialkonstruktionen, die in der Prozessindustrie verwendet werden.
• Industrielle Gasturbinen: Insbesondere solche mit einer Leistung von 3 MW oder weniger. Größere Gasturbinen werden aufgrund ihrer besonderen thermischen und dynamischen Eigenschaften in separate Teile der Norm unterteilt.1
• Pumps: Zentrifugalpumpen, die von Elektromotoren angetrieben werden, sind ein zentraler Bestandteil dieser Gruppe.
• Elektromotoren: Motoren aller Art sind enthalten, sofern sie flexibel gekoppelt sind. Starr gekoppelte Motoren werden häufig als Teil des angetriebenen Maschinensystems oder unter bestimmten Unterklauseln bewertet.
• Ventilatoren und Gebläse: Entscheidend für HLK-Anlagen und industrielle Prozessluftbehandlung.6

Ausschlüsse: Ebenso wichtig ist es zu verstehen, was ausgeschlossen ist. Maschinen mit hin- und hergehenden Massen (wie Kolbenkompressoren) erzeugen Schwingungsprofile, die von Stößen und variierenden Drehmomenten dominiert werden und eine spezielle Analyse gemäß ISO 20816-8 erfordern. Ebenso fallen Windkraftanlagen, die unter stark variierenden aerodynamischen Belastungen betrieben werden, unter ISO 10816-21.7 Die spezifischen Konstruktionsmerkmale des Balanset-1A, wie beispielsweise sein Drehzahlmessbereich von 150 bis 60.000 U/min 8, entsprechen perfekt dem Anwendungsbereich der Norm von 120 bis 30.000 U/min, sodass das Gerät das gesamte Spektrum der entsprechenden Maschinen überwachen kann.

1.3 Maschinenklassifizierungssysteme: Die Physik der Stützsteifigkeit

Eine wichtige Neuerung gegenüber früheren Normen ist die Klassifizierung von Maschinen anhand ihrer Stützsteifigkeit. ISO 20816-3 unterteilt Maschinen nicht nur nach ihrer Größe, sondern auch nach ihrem dynamischen Verhalten in Gruppen.

1.3.1 Gruppeneinteilung nach Leistung und Größe

Die Norm unterteilt Maschinen in zwei Hauptgruppen, um angemessene Schweregradgrenzen anzuwenden:

• Gruppe 1: Große Maschinen mit einer Nennleistung von über 300 kW oder elektrische Maschinen mit einer Wellenhöhe von mehr als 315 mm. Diese Maschinen verfügen in der Regel über massive Rotoren und erzeugen erhebliche dynamische Kräfte.9
• Gruppe 2: Mittlere Maschinen mit einer Nennleistung zwischen 15 kW und 300 kW oder elektrische Maschinen mit einer Wellenhöhe zwischen 160 mm und 315 mm.10

1.3.2 Flexibilität der Unterstützung: starr vs. flexibel

Die Unterscheidung zwischen “starren” und “flexiblen” Stützen ist eine Frage der Physik und nicht nur des Baumaterials. Eine Stütze gilt in einer bestimmten Messrichtung als starr, wenn die erste Eigenfrequenz (Resonanz) des kombinierten Maschinen-Stütz-Systems deutlich höher ist als die Haupterregungsfrequenz (in der Regel die Drehzahl). Konkret sollte die Eigenfrequenz mindestens 25% höher sein als die Betriebsdrehzahl. Im Gegensatz dazu haben flexible Stützen Eigenfrequenzen, die nahe oder unterhalb der Betriebsdrehzahl liegen können, was zu Resonanzverstärkungs- oder Isolationseffekten führt.10

Diese Unterscheidung ist entscheidend, da flexible Stützen bei gleicher innerer Erregungskraft (Unwucht) naturgemäß höhere Schwingungsamplituden zulassen. Daher sind die zulässigen Schwingungsgrenzen für flexible Lager im Allgemeinen höher als für starre Lager. Das Balanset-1A erleichtert die Bestimmung der Lagereigenschaften durch seine Phasenmessfunktionen. Durch die Durchführung eines Hochlauf- oder Auslauf-Tests (unter Verwendung der in den Software-Spezifikationen 11 erwähnten “RunDown”-Diagrammfunktion) kann ein Analyst Resonanzspitzen identifizieren. Tritt ein Peak innerhalb des Betriebsbereichs auf, ist die Lagerung dynamisch flexibel; ist die Reaktion bis zur Betriebsgeschwindigkeit flach und linear, ist sie starr. Diese Diagnosefunktion ermöglicht es dem Benutzer, die richtige Bewertungstabelle in ISO 20816-3 auszuwählen und so Fehlalarme oder übersehene Fehler zu vermeiden.

Teil II: Messmethodik und Physik

Kapitel 4 der Norm ISO 20816-3 legt strenge Verfahrensanforderungen für die Datenerfassung fest. Die Gültigkeit jeder Bewertung hängt vollständig von der Genauigkeit der Messung ab.

2.1 Instrumentierungsphysik: Auswahl und Ansprechverhalten von Messwandlern

Die Norm schreibt die Verwendung von Messgeräten vor, die in der Lage sind, die breitbandige Effektivwert-Schwinggeschwindigkeit (r.m.s.) zu messen. Der Frequenzgang muss für allgemeine Maschinen über einen Bereich von mindestens 10 Hz bis 1.000 Hz flach sein.12 Bei Maschinen mit niedrigerer Drehzahl (unter 600 U/min) muss die Untergrenze des Frequenzgangs bis auf 2 Hz reichen, um die grundlegenden Drehkomponenten zu erfassen.

Technische Konformität des Balanset-1A:
Der Schwingungsanalysator Balanset-1A wurde unter Berücksichtigung dieser spezifischen Anforderungen entwickelt. Seine Spezifikationen umfassen einen Schwingungsfrequenzbereich von 5 Hz bis 550 Hz für den Standardbetrieb, mit Optionen zur Erweiterung der Messmöglichkeiten.8 Die Untergrenze von 5 Hz ist entscheidend, da sie die Konformität für Maschinen mit einer Drehzahl von nur 300 U/min gewährleistet und damit den Großteil der industriellen Anwendungen abdeckt. Die Obergrenze von 550 Hz deckt die kritischen Oberwellen (1x, 2x, 3x usw.) und Flügelpassfrequenzen für die meisten Standardpumpen und -ventilatoren ab. Darüber hinaus beträgt die Genauigkeit des Geräts 5% des Skalenendwerts und erfüllt damit die messtechnischen Anforderungen der ISO 2954 (Anforderungen an Messgeräte für die Schwingungsstärke).8

Der Standard unterscheidet zwischen zwei primären Messarten, die beide vom Balanset-1A-Ökosystem unterstützt werden:

• Seismische Wandler (Beschleunigungsmesser): Diese messen die absoluten Schwingungen des Gehäuses. Sie reagieren empfindlich auf die Kraftübertragung durch den Lagerständer. Das Balanset-1A-Kit enthält zwei einachsige Beschleunigungsmesser (in der Regel auf Basis der ADXL-Serie oder piezoelektrisch) mit Magnethalterungen.14
• Berührungslose Sensoren (Näherungssensoren): Diese messen die relative Wellenverschiebung. Sie sind unverzichtbar für Maschinen mit Flüssigkeitsfilm-Lagern, bei denen sich die Welle innerhalb des Spiels bewegt.

2.2 Vertiefung: Relative Wellenschwingungen und Sensorintegration

Während sich ISO 20816-3 stark auf Gehäusevibrationen konzentriert, befasst sich Anhang B ausdrücklich mit relativen Wellenvibrationen. Dies erfordert den Einsatz von Wirbelstromsonden (Näherungssonden). Diese Sensoren erzeugen ein Hochfrequenzfeld (HF-Feld), das Wirbelströme in der leitfähigen Wellenoberfläche induziert. Die Impedanz der Sondenspule ändert sich mit dem Spaltabstand und erzeugt eine zur Verschiebung proportionale Ausgangsspannung.15

Integration von Wirbelstromsonden mit Balanset-1A:
Eine Besonderheit des Balanset-1A ist seine Anpassungsfähigkeit an diese Sensoren. Das Gerät wird zwar in erster Linie mit Beschleunigungssensoren geliefert, seine Eingänge können jedoch für den “Linear”-Modus konfiguriert werden, um Spannungssignale von Näherungssensortreibern (Proximitoren) von Drittanbietern zu empfangen.3

• Spannungseingang: Die meisten industriellen Näherungssensoren geben eine negative Gleichspannung aus (z. B. -24 V Versorgung, 200 mV/mil Skala). Mit dem Balanset-1A können Benutzer benutzerdefinierte Empfindlichkeitskoeffizienten (z. B. mV/µm) im Fenster “Einstellungen” (F4-Taste) eingeben.3
• DC-Offset-Entfernung: Näherungssensoren übertragen eine hohe Gleichstrom-Spannung (Vorspannung) mit einem schwachen Wechselstrom-Vibrationssignal. Die Balanset-1A-Software verfügt über eine “Remove DC”-Funktion, die die Gleichstromspannung herausfiltert und das dynamische Vibrationssignal für die Analyse gemäß den Grenzwerten der Norm ISO 20816-3 isoliert.3
• Linearität und Kalibrierung: Die Software ermöglicht es dem Benutzer, Kalibrierungsfaktoren (z. B. Kprl1 = 0,94 mV/µm) zu definieren, um sicherzustellen, dass die Anzeige auf dem Laptop-Bildschirm genau der physikalischen Verschiebung der Welle entspricht.3 Diese Funktion ist unverzichtbar, wenn die Kriterien von Anhang B angewendet werden, die in Mikrometern der Verschiebung statt in Millimetern pro Sekunde der Geschwindigkeit angegeben sind.

2.3 Die Physik der Montage: Gewährleistung der Datentreue

ISO 20816-3 betont, dass die Art der Sensormontage die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigen darf. Die Resonanzfrequenz des montierten Sensors muss deutlich über dem interessierenden Frequenzbereich liegen.

• Bolzenbefestigung: Der Goldstandard mit dem höchsten Frequenzgang (bis zu 10 kHz+).
• Magnetische Befestigung: Ein praktischer Kompromiss für die mobile Datenerfassung.

Das Balanset-1A verwendet ein magnetisches Befestigungssystem mit einer Haltekraft von 60 kgf (Kilogrammkraft).17 Diese hohe Klemmkraft ist entscheidend. Ein schwacher Magnet führt zu einem “Sprungeffekt” oder einem mechanischen Tiefpassfilter, wodurch hochfrequente Signale stark gedämpft werden. Mit 60 kgf ist die Kontaktsteifigkeit ausreichend, um die montierte Resonanz deutlich über den für ISO 20816-3 relevanten Bereich von 1000 Hz zu verschieben, wodurch sichergestellt wird, dass die gesammelten Daten eine echte Darstellung des Maschinenverhaltens und kein Artefakt der Befestigungsmethode sind.12

2.4 Signalverarbeitung: RMS vs. Spitze

Die Norm legt die Verwendung der Effektivwertgeschwindigkeit (RMS) für nicht rotierende Teile fest. Der Effektivwert ist ein Maß für die im Schwingungssignal enthaltene Gesamtenergie und steht in direktem Zusammenhang mit der Ermüdungsbeanspruchung, der Maschinenkomponenten ausgesetzt sind.

Gleichung für RMS:

V_rms = √((1/T) ∫₀^T v²(t) dt)

Für Wellenvibrationen (Anhang B) verwendet die Norm die Spitze-zu-Spitze-Auslenkung (S_pp), der den gesamten physikalischen Auslenkungsweg der Welle innerhalb des Lagerspiels darstellt.

S_pp = S_max − S_min

Balanset-1A-Verarbeitung:
Der Balanset-1A führt diese mathematischen Umwandlungen intern durch. Der ADC (Analog-Digital-Wandler) tastet das Rohsignal ab, und die Software berechnet die RMS-Geschwindigkeit für Gehäusemessungen und die Spitze-zu-Spitze-Verschiebung für Wellenmessungen. Entscheidend ist, dass er den Breitbandwert (Gesamtwert) berechnet, der die Energie über das gesamte Frequenzspektrum (z. B. 10–1000 Hz) summiert. Dieser “Gesamtwert” ist die primäre Zahl, die zur Einstufung der Maschine in die Zonen A, B, C oder D verwendet wird. Darüber hinaus bietet das Gerät FFT-Funktionen (Fast Fourier Transform), mit denen der Analyst die einzelnen Frequenzkomponenten (1x, 2x, Oberschwingungen) sehen kann, aus denen sich der Gesamt-RMS-Wert zusammensetzt, was bei der Diagnose der Schwingungsquelle hilfreich ist.8

2.5 Hintergrundvibration: Die Herausforderung des Signal-Rausch-Verhältnisses

Ein kritischer, oft übersehener Aspekt der Norm ISO 20816-3 ist der Umgang mit Hintergrundvibrationen – Vibrationen, die von externen Quellen (z. B. benachbarten Maschinen, Bodenvibrationen) auf die Maschine übertragen werden, wenn diese stillsteht.

Die Regel: Wenn die Hintergrundvibration 25% der bei laufender Maschine gemessenen Vibration oder 25% der Grenze zwischen Zone B und C überschreitet, sind erhebliche Korrekturen erforderlich, oder die Messung kann als ungültig angesehen werden.18 Frühere Versionen von Normen verwiesen häufig auf eine “Ein-Drittel-Regel”, aber ISO 20816-3 verschärft diese Logik.

Verfahrenstechnische Umsetzung mit Balanset-1A:

1. Der Techniker bringt die Balanset-1A-Sensoren an der Maschine an, während diese stillsteht.
2. Im Modus “Vibrometer” (F5-Taste) wird der RMS-Hintergrundpegel aufgezeichnet.13
3. Die Maschine wird gestartet und unter Last gebracht. Der Betriebs-RMS-Wert wird aufgezeichnet.
4. Es wird ein Vergleich durchgeführt. Wenn die Betriebsgeschwindigkeit 4,0 mm/s beträgt und der Hintergrund 1,5 mm/s (37,5%) war, ist der Hintergrund zu hoch. Die Fähigkeit des Balanset-1A, eine Spektralsubtraktion durchzuführen (Betrachtung des Spektrums des Hintergrunds im Vergleich zur laufenden Maschine), hilft dabei festzustellen, ob der Hintergrund bei einer bestimmten Frequenz liegt (z. B. 50 Hz von einem nahe gelegenen Kompressor), die vom Analysten ignoriert oder mental herausgefiltert werden kann.

Teil III: Bewertungskriterien – Das Herzstück der Norm

Kapitel 6 bildet den Kern von ISO 20816-3 und enthält die Entscheidungslogik für die Maschinenakzeptanz.

3.1 Kriterium I: Schwingungsstärke und Zoneneinteilung

Die Norm bewertet die Schwere der Vibration anhand der maximalen Amplitude, die an den Lagergehäusen beobachtet wird. Um die Entscheidungsfindung zu erleichtern, definiert sie vier Bewertungszonen:

• Zone A: Vibrationen neu in Betrieb genommener Maschinen. Dies ist der “Goldstandard”. Eine Maschine in diesem Bereich befindet sich in einem einwandfreien mechanischen Zustand.
• Zone B: Maschinen, die für einen uneingeschränkten Langzeitbetrieb als geeignet angesehen werden. Dies ist der typische “grüne” Betriebsbereich.
• Zone C: Maschinen, die für den langfristigen Dauerbetrieb als ungeeignet gelten. Im Allgemeinen kann die Maschine für einen begrenzten Zeitraum betrieben werden, bis sich eine geeignete Gelegenheit für Abhilfemaßnahmen (Wartung) ergibt. Dies ist der Status “Gelb” oder “Alarm”.
• Zone D: Die Schwingungswerte in diesem Bereich werden normalerweise als so hoch angesehen, dass sie Schäden an der Maschine verursachen können. Dies ist der “rote” oder “Auslöse”-Zustand.5

Tabelle 1: Vereinfachte ISO 20816-3-Zonengrenzen (Geschwindigkeit RMS, mm/s) für Gruppe 1 und 2

Maschinengruppe	Fundamenttyp	Zone A/B-Grenze	Zone B/C Grenze	Zone C/D Grenze
Gruppe 1 (>300 kW)	Starr	2.3	4.5	7.1
	Flexibel	3.5	7.1	11.0
Gruppe 2 (15–300 kW)	Starr	1.4	2.8	4.5
	Flexibel	2.3	4.5	7.1

Hinweis: Diese Werte sind aus Anhang A der Norm abgeleitet und stellen allgemeine Richtlinien dar. Bestimmte Maschinentypen können andere Grenzwerte haben.

Balanset-1A-Implementierung:
Die Balanset-1A-Software zeigt nicht nur eine Zahl an, sondern unterstützt den Benutzer auch kontextbezogen. Der Benutzer muss zwar die Klasse auswählen, aber die “Berichte”-Funktion der Software ermöglicht die Dokumentation dieser Werte im Vergleich zum Standard. Wenn ein Techniker eine Schwingung von 5,0 mm/s an einer 50-kW-Pumpe (Gruppe 2) auf einem starren Fundament misst, überschreitet der Balanset-1A-Messwert deutlich die Grenze der Zone C/D (4,5 mm/s), was auf eine sofortige Abschaltung und Reparatur hinweist.

3.2 Kriterium II: Änderung der Schwingungsamplitude

Die vielleicht bedeutendste Neuerung der Serie 20816 ist die formalisierte Betonung der Schwingungsänderung, unabhängig von absoluten Grenzwerten.

Die 25%-Regel: ISO 20816-3 besagt, dass eine Änderung der Schwingungsamplitude von mehr als 25% der Grenze zwischen Zone B und C (oder 25% des vorherigen stationären Wertes) als signifikant anzusehen ist, selbst wenn der Absolutwert innerhalb der Zone A oder B bleibt.20

Auswirkungen:
Betrachten wir einen Ventilator, der konstant mit 2,0 mm/s läuft (Zone B). Wenn die Schwingung plötzlich auf 2,8 mm/s ansteigt, befindet sie sich technisch gesehen immer noch in Zone B (für einige Klassen) oder tritt gerade in Zone C ein. Dies ist jedoch eine Steigerung um 40%. Eine solche plötzliche Verschiebung deutet oft auf einen bestimmten Ausfallmodus hin: ein gerissenes Rotorbauteil, ein verschobenes Ausgleichsgewicht oder eine thermische Reibung. Dies zu ignorieren, weil “es immer noch im grünen Bereich ist”, ist ein Rezept für einen katastrophalen Ausfall.

Balanset-1A Trendanalyse:
Das Balanset-1A unterstützt dieses Kriterium durch seine Funktionen “Session Recovery” (Sitzungswiederherstellung) und Archivierung.21 Durch das Speichern von Messsitzungen kann ein Zuverlässigkeitsingenieur aktuelle Daten mit historischen Basiswerten überlagern. Wenn das Diagramm “Overall Vibration” (Gesamtvibration) eine sprunghafte Veränderung anzeigt, wendet der Ingenieur Kriterium II an. Die Funktion “Restore Last Session” (Letzte Sitzung wiederherstellen) ist hier besonders nützlich, da sie es dem Benutzer ermöglicht, den genauen Maschinenzustand des Vormonats abzurufen, um zu überprüfen, ob der Schwellenwert von 25% überschritten wurde.

3.3 Betriebsgrenzen: Einstellen von ALARMEN und AUSLÖSERN

Die Norm enthält Leitlinien für die Einrichtung automatischer Schutzsysteme:

• ALARM: Um eine Warnung auszugeben, dass ein definierter Schwingungswert erreicht wurde oder eine signifikante Änderung eingetreten ist. Die empfohlene Einstellung ist in der Regel der Basiswert + 25% der Grenze zwischen Zone B und C.
• REISE: Um sofortige Maßnahmen (Abschaltung) einzuleiten. Dies wird in der Regel an der Grenze zwischen Zone C und D oder etwas darüber festgelegt, je nach mechanischer Integrität der Maschine.19

Das Balanset-1A ist zwar ein tragbares Gerät und kein permanentes Schutzsystem (wie ein Bently Nevada-Rack), wird jedoch zur Überprüfung und Kalibrierung dieser Auslöseschwellen verwendet. Techniker verwenden das Balanset-1A zur Messung von Schwingungen während eines kontrollierten Hochlaufs oder eines induzierten Unwucht-Tests, um sicherzustellen, dass das permanente Überwachungssystem bei den richtigen physikalischen Schwingungspegeln auslöst, die in ISO 20816-3 vorgeschrieben sind.

Teil IV: Das Balanset-1A-System – Technische Details

Um zu verstehen, wie das Balanset-1A als Compliance-Tool fungiert, muss man seine technische Architektur analysieren.

4.1 Hardware-Architektur

Das Balanset-1A besteht aus einem zentralen USB-Schnittstellenmodul, das analoge Signale von Sensoren verarbeitet, bevor es digitalisierte Daten an einen Host-Laptop sendet.

• ADC-Modul: Das Herzstück des Systems ist ein hochauflösender Analog-Digital-Wandler. Dieses Modul bestimmt die Genauigkeit der Messung. Der Balanset-1A verarbeitet Signale mit einer Genauigkeit von ±5%, was für die Felddiagnose ausreichend ist.8
• Phasenreferenz (Drehzahlmesser): Die Einhaltung der Norm ISO 20816-3 erfordert häufig eine Phasenanalyse, um zwischen Unwucht und Fluchtungsfehler zu unterscheiden. Das Balanset-1A verwendet einen Laserdrehzahlmesser mit einer Reichweite von bis zu 1,5 Metern und einer Drehzahl von bis zu 60.000 U/min.17 Dieser optische Sensor löst die Berechnung des Phasenwinkels mit einer Genauigkeit von ±1 Grad aus.
• Leistung und Tragbarkeit: Das Gerät wird über USB (5 V) mit Strom versorgt und ist somit von Natur aus immun gegen Erdschleifen, die bei netzbetriebenen Analysegeräten häufig auftreten. Das gesamte Kit wiegt etwa 4 kg und ist damit ein echtes “Feldgerät”, das sich zum Klettern auf Gerüste eignet, um Ventilatoren zu erreichen.8

4.2 Softwarefunktionen: Mehr als nur einfache Messungen

Die mit Balanset-1A gelieferte Software wandelt die Rohdaten in verwertbare Informationen um, die den ISO-Normen entsprechen.

• FFT-Spektrumanalyse: Die Norm erwähnt “spezifische Frequenzkomponenten”. Das Balanset-1A zeigt die schnelle Fourier-Transformation an und zerlegt die komplexe Wellenform in ihre konstituierenden Sinuswellen. So kann der Benutzer erkennen, ob der hohe RMS-Wert auf 1x (Unwucht), 100x (Zahnradverzahnung) oder nicht-synchrone Spitzen (Lagerfehler) zurückzuführen ist.21
• Polardiagramme: Für die Auswuchtung und Vektoranalyse zeichnet die Software Schwingungsvektoren auf einem Polardiagramm auf. Diese Visualisierung ist entscheidend, wenn Einflussfaktorverfahren für die Auswuchtung angewendet werden.
• ISO 1940 Toleranzrechner: Während sich ISO 20816-3 mit Schwingungsgrenzwerten befasst, behandelt ISO 1940 die Auswuchtqualität (G-Grade). Die Software Balanset-1A enthält einen Rechner, in den der Benutzer die Rotormasse und -drehzahl eingibt und das System die zulässige Restunwucht in Gramm-Millimetern berechnet. Damit wird die Lücke zwischen “die Schwingung ist zu hoch” (ISO 20816) und “hier ist die Menge an Gewicht, die entfernt werden muss” (ISO 1940) geschlossen.11

4.3 Sensor-Kompatibilität und Eingangskonfiguration

Wie in der Snippet-Recherche erwähnt, ist die Fähigkeit zur Anbindung verschiedener Sensortypen von entscheidender Bedeutung.

• Beschleunigungsmesser: Die Standardsensoren. Das System integriert das Beschleunigungssignal (g) in Geschwindigkeit (mm/s) oder doppelt integriert es in Verschiebung (µm), je nach ausgewählter Ansicht. Diese Integration wird digital durchgeführt, um Rauschdrift zu minimieren.
• Wirbelstromsonden: Das System akzeptiert analoge Eingänge von 0–10 V oder ähnliche Werte. Der Benutzer muss den Umrechnungsfaktor in den Einstellungen konfigurieren. Eine Standard-Sonde von Bently Nevada hat beispielsweise einen Skalierungsfaktor von 200 mV/mil (7,87 V/mm). Der Benutzer gibt diese Empfindlichkeit ein, und die Balanset-1A-Software skaliert die eingehende Spannung, um die Verschiebung in Mikrometern anzuzeigen, was einen direkten Vergleich mit Anhang B der Norm ISO 20816-3.3 ermöglicht.

Teil V: Operative Umsetzung: Von der Diagnose zum dynamischen Ausgleich

Dieser Abschnitt beschreibt eine Standardarbeitsanweisung (SOP) für Techniker, die Balanset-1A verwenden, um die Einhaltung der Norm ISO 20816-3 sicherzustellen.

5.1 Schritt 1: Basis-Messung und Klassifizierung

Der Techniker nähert sich einem 45-kW-Radialventilator.

• Einstufung: Leistung > 15 kW, < 300 kW. Es handelt sich um Gruppe 2. Das Fundament ist mit Beton verschraubt (starr).
• Limitbestimmung: Gemäß ISO 20816-3 Anhang A (Gruppe 2, starr) beträgt die Grenze zwischen Zone B und Zone C 2,8 mm/s.
• Messung: Die Sensoren werden mit Magnetfüßen befestigt. Der Modus “Vibrometer” des Balanset-1A ist aktiviert.
• Ergebnis: Der Messwert beträgt 6,5 mm/s. Dies entspricht Zone C/D. Es sind Maßnahmen erforderlich.

5.2 Schritt 2: Diagnostische Analyse

Verwendung der Balanset-1A-FFT-Funktion:

• Das Spektrum zeigt einen dominanten Peak bei der Laufgeschwindigkeit (1x U/min).
• Die Phasenanalyse zeigt einen stabilen Phasenwinkel.
• Diagnose: Statische Unwucht. (Bei einer instabilen Phase oder hohen Oberschwingungen wäre eine Fehlausrichtung oder Lockerung zu vermuten).

5.3 Schritt 3: Der Ausgleichsvorgang (vor Ort)

Da die Diagnose ein Ungleichgewicht lautet, nutzt der Techniker den Ausgleichsmodus des Balanset-1A. Die Norm verlangt eine Reduzierung der Vibrationen auf die Werte der Zone A oder B.

5.3.1 Die Drei-Durchlauf-Methode (Einflusskoeffizienten)

Der Balanset-1A automatisiert die für den Ausgleich erforderliche Vektormathematik.

• Lauf 0 (Anfang): Amplitude A messen₀ und Phase φ₀ der ursprünglichen Schwingung.
• Lauf 1 (Probegewicht): Eine bekannte Masse M_Prozess wird in einem beliebigen Winkel hinzugefügt. Das System misst den neuen Schwingungsvektor (A₁, φ₁).

Berechnung: Die Software berechnet den Einfluss-Koeffizienten α, der die Empfindlichkeit des Rotors gegenüber Massenänderungen angibt.

α = (V₁ − V₀) / M_Prozess

Korrektur: Das System berechnet die erforderliche Korrekturmasse M._Korrektur um die anfängliche Schwingung aufzuheben.

M_Korrektur = − V₀ / α

Durchlauf 2 (Überprüfung): Das Prüfgewicht wird entfernt und das berechnete Korrekturgewicht hinzugefügt. Die Restvibration wird gemessen.

.11

5.4 Schritt 4: Überprüfung und Berichterstattung

Nach dem Auswuchten sinkt die Schwingung auf 1,2 mm/s.
Überprüfen Sie: 1,2 mm/s ist < 1,4 mm/s. Die Maschine befindet sich nun in Zone A.

Dokumentation: Der Techniker speichert die Sitzung in Balanset-1A. Es wird ein Bericht erstellt, der das “Vorher”-Spektrum (6,5 mm/s) und das “Nachher”-Spektrum (1,2 mm/s) zeigt und ausdrücklich auf die Grenzwerte der ISO 20816-3 verweist. Dieser Bericht dient als Konformitätsbescheinigung.

Teil VI: Spezielle Überlegungen

6.1 Langsam laufende Maschinen

ISO 20816-3 enthält spezielle Hinweise für Maschinen, die mit weniger als 600 U/min laufen. Bei niedrigen Drehzahlen werden die Geschwindigkeitssignale schwach, und die Verschiebung wird zum dominierenden Indikator für die Belastung. Das Balanset-1A löst dieses Problem, indem es dem Benutzer die Möglichkeit bietet, die Anzeigewertung auf Verschiebung (µm) umzuschalten, oder indem es sicherstellt, dass die untere Frequenzgrenze auf 5 Hz oder weniger (idealerweise 2 Hz) eingestellt ist, um die Primärenergie zu erfassen. Die “Vorsichtsmaßnahmen” in Anhang D der Norm warnen davor, sich bei niedrigen Drehzahlen ausschließlich auf die Geschwindigkeit zu verlassen 23, eine Nuance, die der Benutzer des Balanset-1A beachten muss, indem er die “Linear”-Einstellungen oder Niederfrequenzfilter überprüft.

6.2 Übergangsbedingungen: Hochlauf und Auslaufen

Vibrationen während des Anlaufs (transienter Betrieb) können aufgrund des Durchlaufens kritischer Drehzahlen (Resonanz) die Grenzwerte für den stationären Betrieb überschreiten. Die Norm ISO 20816-3 lässt während dieser transienten Phasen höhere Grenzwerte zu.23

Das Balanset-1A verfügt über eine experimentelle “RunDown”-Diagrammfunktion.11 Damit kann der Techniker die Schwingungsamplitude im Verhältnis zur Drehzahl während eines Auslaufvorgangs aufzeichnen. Diese Daten sind von entscheidender Bedeutung für:

• Identifizierung kritischer Drehzahlen (Resonanz).
• Überprüfen, ob die Maschine schnell genug durch die Resonanzphase läuft, um Schäden zu vermeiden.
• Sicherstellen, dass die “hohe” Schwingung tatsächlich vorübergehend ist und keinen dauerhaften Zustand darstellt.

6.3 Anhang A vs. Anhang B: Die doppelte Bewertung

Eine gründliche Compliance-Prüfung erfordert oft beides.

• Anhang A (Wohnraum): Maßnahmen zur Kraftübertragung auf die Struktur. Gut bei Unwucht und Lockerheit.
• Anhang B (Welle): Misst die Rotordynamik. Gut geeignet für Instabilitäten, Ölwirbel und Wischerkennung.

Ein Techniker, der Balanset-1A verwendet, kann Beschleunigungsmesser einsetzen, um die Anforderungen von Anhang A zu erfüllen, und dann die Eingänge auf vorhandene Bently Nevada-Sonden umschalten, um die Einhaltung von Anhang B bei einer großen Turbine zu überprüfen. Die Fähigkeit von Balanset-1A, als “zweite Meinung” oder “Feldprüfer” für permanente rackbasierte Monitore zu dienen, ist eine wichtige Anwendung, um beide Anhänge zu erfüllen.

Schlussfolgerung

Der Übergang zu ISO 20816-3 bedeutet eine Weiterentwicklung im Bereich der Schwingungsanalyse und erfordert einen differenzierteren, physikalisch fundierten Ansatz für die Maschinenbewertung. Er geht über einfache “Bestanden/Nicht bestanden”-Werte hinaus und umfasst nun die Analyse der Stützsteifigkeit, Änderungsvektoren und Messungen in zwei Bereichen (Gehäuse/Welle).

Das Balanset-1A-System entspricht in hohem Maße diesen modernen Anforderungen. Seine technischen Spezifikationen – Frequenzbereich, Genauigkeit und Sensorflexibilität – machen es zu einer leistungsfähigen Hardwareplattform. Sein wahrer Wert liegt jedoch in seinem Software-Workflow, der den Benutzer durch die komplexe Logik der Norm führt: von der Korrektur von Hintergrundvibrationen und der Zonenklassifizierung bis hin zur mathematischen Genauigkeit des Ausgleichs von Einflusskoeffizienten. Durch die effektive Kombination der Diagnosefunktionen eines Spektrumanalysators mit der Korrekturkraft eines dynamischen Auswuchters ermöglicht das Balanset-1A den Wartungsteams nicht nur die Identifizierung von Verstößen gegen ISO 20816-3, sondern auch deren aktive Behebung, wodurch die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der industriellen Anlagenbasis gewährleistet wird.