Grundlegendes zur Ordnungsanalyse für drehzahlvariable Maschinen
Auftragsanalyse ist eine spezialisierte Schwingungsanalyse Eine Technik, die für Maschinen entwickelt wurde, die nicht mit einer einzigen, konstanten Drehzahl laufen. Anstatt die Amplitude gegen eine feste Frequenzachse in Hz oder CPM aufzutragen, wird die Amplitude gegen Bestellungen — ein Vielfaches der momentanen Drehzahl der Welle Betriebsdrehzahl. Die erste Ordnung entspricht der Schwingung bei genau dem 1-fachen der Betriebsdrehzahl, die zweite Ordnung dem 2-fachen dieser Drehzahl und so weiter. Da die Analyse nicht an die Uhr, sondern an die Welle selbst gekoppelt ist, bleiben bei der Ordnungsanalyse die drehzahlabhängigen Komponenten unabhängig davon, wie stark die Maschine beschleunigt oder ausrollt, präzise.
1. Definition: Was ist eine Ordnung?
Ein Befehl ist eine Oberschwingung der Grunddrehzahl. Da so viele Maschinenfehler Schwingungen bei ganzzahligen Vielfachen der Wellendrehzahl anregen, lässt sich bei der Darstellung des Spektrums in Ordnungen jeder Peak direkt einer physikalischen Ursache zuordnen. Die 1. Ordnung trägt fast immer Unwucht; die 2. Ordnung ist ein klassischer Indikator für Fehlausrichtung und bestimmten Lockerungsbedingungen; höhere ganzzahlige Ordnungen beziehen sich auf Zahneingriff, Schaufel oder Messerdurchlauf Ereignisse, die von der Anzahl der Elemente auf dem Rotor abhängen. Nicht ganzzahlige (gebrochene) Ordnungen weisen hin auf subsynchron Phänomene wie Ölwirbel oder Riemenschäden. Kurz gesagt: Die Ordnungsachse ist eine Diagnosekarte, die sich mit dem Rotor mitbewegt.
2. Warum die Standard-FFT bei Maschinen mit variabler Drehzahl versagt
Eine konventionelle Schnelle Fourier-Transformation (FFT) misst die Schwingung über ein festes Zeitfenster von Zeit und geht davon aus, dass die Drehzahl in diesem Zeitfenster konstant ist. Bei einer Maschine mit konstanter Drehzahl ist dies ideal. Wenn sich die Welle jedoch während der Datenerfassung beschleunigt oder verlangsamt, driftet jede drehzahlabhängige Komponente während der Erfassung über das Spektrum. Ihre Energie verteilt sich über viele benachbarte Frequenzbänder und erzeugt einen breiten, niedrigen, unscharfen Buckel anstelle einer sauberen Linie. Ein 1×-Unwuchtpeak, der das Spektrum überragen sollte, kann zu Rauschen abflachen – unmöglich, genau abzulesen und nutzlos für Trends. Dieses Verschmieren beruht auf demselben Mechanismus, der auch hinter spektrale Leckage, verstärkt durch eine Änderung der Drehzahl. Die Ordnungsanalyse wurde speziell entwickelt, um dem entgegenzuwirken.
3. Die Lösung: Ordnungstracking
Die zugrunde liegende Technik ist Auftragsverfolgung, und es hängt von einer zweiten Eingabe ab: einer Drehzahlmesser (oder „Tacho“), der pro Umdrehung einen Impuls von der Welle liefert. Der Analysator verwendet diese Impulsfolge – und nicht seinen internen Quarz-Taktgeber – als Zeitbasis. Anstatt in festen Zeitintervallen (etwa jede Millisekunde) zu abtasten, erfolgt die Abtastung in festen eckig Intervalle (zum Beispiel bei jedem Grad der Drehung). Dies wird als Resampling im Winkelbereich.
Es gibt zwei gängige Methoden. Hardware-Abtastung (synchron) steuert den Analog-Digital-Wandler direkt über ein phasenverriegeltes Vielfaches des Tachopulses an, sodass jede Umdrehung stets die gleiche Anzahl von Abtastwerten liefert. Berechnete (Software-)Ordnungsverfolgung die Signale mit einer hohen festen Abtastrate abtastet und die Aufzeichnung anschließend anhand der aufgezeichneten Tacho-Zeitsteuerung digital auf gleichwinklige Schritte reinterpoliert. In beiden Fällen wird die resultierende Transformation in Ordnungen und nicht in Hz ausgedrückt. Ändert die Maschine ihre Drehzahl, verbleibt die 1×-Linie als hoher, schmaler Peak im Bin erster Ordnung – die Unschärfe verschwindet. Der Tacho liefert zudem eine Phase Referenz, anhand derer der Analysator Bode und Nyquist Kurven während des Hochlaufs.
Kernpunkt: Die Ordnungsanalyse bindet die Datenerfassung an die Welle Winkel anstelle von Zeit, sodass die drehzahlsynchrone Schwingung bei jeder Drehzahl präzise bleibt.
4. Wichtigste Anwendungsbereiche
Die Ordnungsanalyse ist überall dort unverzichtbar, wo die Drehzahl nicht konstant ist:
- Fahrzeug- und Motorprüfungen: Analyse von Schwingungserscheinungen an Motor, Getriebe und Antriebsstrang über den gesamten Drehzahlbereich.
- Windkraftanlagen: Da die Rotordrehzahl sich ständig an den Wind anpasst, ist eine Betrachtung bei konstanter Frequenz sinnlos – eine Ordnungsanalyse ist unerlässlich.
- Anlauf- und Auslaufanalyse: Das Erfassen von Schwingungen beim Anlaufen oder Abschalten einer Maschine ist eine effektive Methode, um kritische Geschwindigkeiten und Resonanzen; die Ordnungsverfolgung sorgt dafür, dass die daraus resultierenden Auslaufen Die Diagramme sind übersichtlich und gut lesbar.
- Hubkolbenmaschinen: Kompressoren und Motoren, deren momentane Drehzahl innerhalb jedes Zyklus schwankt.
- Schwere und mobile Maschinen: Erdbewegungsmaschinen, Bergbaufahrzeuge und andere Antriebe mit variabler Drehzahl.
5. Wie Ordnungsanalysedaten angezeigt werden
Die Ergebnisse werden in verschiedenen, sich ergänzenden Formaten angezeigt:
- Ordnungsspektrum: Amplitude gegen Ordnung – wie bei einer Standard-FFT, jedoch mit der Ordnung auf der x-Achse.
- Wasserfall oder Kaskade Handlung: Eine übereinander angeordnete 3D-Darstellung von Ordnungsspektren, die zeigt, wie sich die Amplitude der einzelnen Ordnungen bei Änderungen der Geschwindigkeit entwickelt.
- Bode-Plot: Amplitude und Phase einer erfassten Schwingung (in der Regel 1× oder 2×) im Verhältnis zur Maschinendrehzahl – das Rückgrat von Hochlauf- und Auslaufprüfungen.
- Campbell-Diagramm: Ordnungslinien, die über die Eigenfrequenzen des Systems gelegt werden, sodass überall dort, wo eine Ordnungslinie eine Eigenfrequenzlinie schneidet, eine Resonanz auftritt.
A Nachlauffilter kann eine einzelne Ordnung in Echtzeit für Feinauswuchtarbeiten herausfiltern, und ein Campbell-Diagrammrechner hilft dabei, bereits vor dem Test vorherzusagen, wo diese Überschneidungen auftreten werden.
6. Ordnungsanalyse in der praktischen Arbeit vor Ort
In der Fertigung bildet die Ordnungsanalyse die Grundlage für den Auswuchtvorgang an Maschinen, die keine konstante Drehzahl halten können. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A nutzt seinen optischen Laserdrehzahlmesser, um die Schwingungsdaten mit dem Drehwinkel der Welle zu verknüpfen, sodass die 1×-Unwuchtkomponente, die es misst, für Feldauswuchten bleibt auch bei einem Lüfter oder einer Pumpe sauber, deren Drehzahl unter Last schwankt. Dank desselben tachometerbasierten Ansatzes kann der Analysator den drehzahlsynchronen 1×-Spitzenwert von Rauschen mit fester Frequenz trennen, wie zum Beispiel Lagerfehlerfrequenzenund liefert so eine zuverlässige Messung der Unwuchtlage. Im Grunde genommen ist es die Ordnungsanalyse, die die Schwingungsdaten einer Maschine mit variabler Drehzahl in Informationen umwandelt, auf die ein Ingenieur reagieren kann – und damit den Zustand jedes Rotors, der über einen breiten Drehzahlbereich läuft, präzise diagnostiziert.
