Grundlegendes zur Ordnungsanalyse für Maschinen mit variabler Geschwindigkeit

Definition: Was ist Ordnungsanalyse?

Auftragsanalyse ist eine spezielle Schwingungsanalysetechnik für Maschinen mit unterschiedlichen Drehzahlen. Anstatt die Schwingungsamplitude gegen eine feste Frequenzachse (in Hz oder CPM) aufzuzeichnen, wird die Amplitude gegen „Ordnungen“ aufgetragen. Ein Befehl ist ein Vielfaches der primären Drehzahl der Maschine. Beispielsweise ist die 1. Ordnung die Schwingung, die genau bei der Laufgeschwindigkeit (1x) auftritt, die 2. Ordnung bei der doppelten Laufgeschwindigkeit (2x) und so weiter.

Warum ist die Standard-FFT ein Problem für Maschinen mit variabler Geschwindigkeit?

Eine Standardanalyse mittels Fast Fourier Transform (FFT) basiert auf der Erfassung von Daten über einen festen Zeitraum. Dies funktioniert perfekt bei Maschinen mit konstanter Drehzahl. Ändert sich jedoch die Drehzahl der Maschine während der Datenerfassung, wird das resultierende FFT-Spektrum „verschmiert“. Die Energie einer Schwingungskomponente, die direkt mit der Drehzahl zusammenhängt (z. B. eine Unwucht bei 1x), verteilt sich bei Drehzahländerungen über mehrere Frequenzbereiche. Dies führt zu einer breiten Spitze mit geringer Amplitude, die schwer abzulesen und deren Verlauf schwer zu bestimmen ist. Um dieses spezielle Problem zu lösen, wurde die Ordnungsanalyse entwickelt.

Die Lösung: Auftragsverfolgung

Die Ordnungsanalyse basiert auf einer Technik namens Auftragsverfolgung. Dazu ist ein zweiter Sensor erforderlich, ein Drehzahlmesser (oder „Tacho“), der pro Umdrehung einen Impuls von der rotierenden Welle liefert. Der Schwingungsanalysator nutzt dieses Tachosignal als dynamische Zeitbasis. Anstatt Daten basierend auf einem festen internen Takt (z. B. jede Millisekunde) abzutasten, werden Daten basierend auf dem Drehwinkel der Welle (z. B. jedes Grad) abgetastet. Dieser Prozess wird auch als Resampling im Winkelbereich.

Durch die Synchronisierung der Datenerfassung mit der tatsächlichen Bewegung der Welle ergibt sich ein Spektrum in Ordnungen und nicht in Frequenzen. Wenn die Maschine nun beschleunigt oder verlangsamt, bleibt die Spitze der 1x-Unwucht eine scharfe, klare Spitze im Bin der 1. Ordnung, wodurch der Schmiereffekt vollständig eliminiert wird.

Wichtige Anwendungen der Ordnungsanalyse

Die Ordnungsanalyse ist für jede Maschine unerlässlich, die nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit arbeitet. Typische Anwendungen sind:

• Fahrzeug- und Motorprüfung: Analyse der Motor-, Getriebe- und Antriebsstrangvibrationen über den gesamten Drehzahlbereich.
• Windkraftanlagen: Die Rotordrehzahl variiert ständig mit der Windgeschwindigkeit, sodass eine Ordnungsanalyse unerlässlich ist.

– Analyse des Hoch- und Auslaufs der Maschine: Die Analyse von Schwingungsdaten beim Anfahren und Herunterfahren einer Maschine ist eine wirksame Methode, um kritische Drehzahlen und Resonanzen zu identifizieren. Durch die Ordnungsanalyse werden diese Diagramme (wie Bode- und Wasserfalldiagramme) übersichtlich und leicht lesbar.

• Kolbenmaschinen: Analyse von Kompressoren und Motoren, bei denen die Momentangeschwindigkeit schwanken kann.
• Schwere Maschinen: Erdbewegungsmaschinen, Bergbaufahrzeuge und andere Maschinen mit Antrieben mit variabler Drehzahl.

Wie werden Auftragsanalysedaten angezeigt?

Die Ergebnisse der Ordnungsanalyse werden typischerweise auf verschiedene Weise betrachtet:

• Bestellspektrum: Ein Diagramm der Amplitude im Vergleich zu den Ordnungen, ähnlich einer Standard-FFT, aber mit Ordnungen auf der x-Achse.
• Wasserfall- oder Kaskadendiagramm: Ein 3D-Diagramm zeigt eine Reihe übereinander gestapelter Ordnungsspektren bei Drehzahländerungen der Maschine. Dies zeigt deutlich, wie sich die Amplitude jeder Ordnung mit der Drehzahl ändert.
• Bode-Diagramm: Ein Diagramm, das bei Hochlauf-/Auslauftests verwendet wird und die Amplitude und Phase einer bestimmten Ordnung (normalerweise 1x und 2x) als Funktion der Maschinengeschwindigkeit zeigt.
• Campbell-Diagramm: Ein spezielles Diagramm, das die Ordnungslinien über die Eigenfrequenzen des Systems legt, um potenzielle Resonanzpunkte (wo eine Ordnungslinie eine Eigenfrequenzlinie kreuzt) klar zu identifizieren.

Die Ordnungsanalyse ist ein leistungsstarkes und unverzichtbares Werkzeug zur genauen Diagnose des Zustands jeder Maschine, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben wird.

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