Seitenbänder in der Schwingungsanalyse verstehen

Definition: Was sind Seitenbänder?

Seitenbänder sind kleine Frequenzspitzen, die in einem FFT-Spektrum in gleichen Abständen auf beiden Seiten einer größeren Mittenfrequenz erscheinen, die als TrägerfrequenzDas Vorhandensein von Seitenbändern ist ein eindeutiges Zeichen für Modulation– ein Zustand, bei dem eine Frequenz einer anderen „aufgeprägt“ wird. Der Abstand der Seitenbänder entspricht der Frequenz des Modulationssignals. Seitenbänder sind eines der leistungsstärksten und zuverlässigsten Diagnosewerkzeuge in der Schwingungsanalyse, insbesondere zur Erkennung von Getriebe- und Lagerfehlern.

Wie werden Seitenbänder erzeugt?

Seitenbänder entstehen, wenn die Amplitude eines primären Schwingungssignals (des Trägers) durch ein zweites, langsameres Signal (den Modulator) zeitlich verändert wird. Ein klassisches Beispiel ist ein defekter Zahnradzahn:

• Die Zahneingriffsfrequenz (GMF) ist die Trägerfrequenz. Dies ist eine hohe Frequenz, die durch das normale Ineinandergreifen der Zahnräder erzeugt wird.
• Ein einzelner gebrochener Zahn in diesem Zahnrad erzeugt einen Stoß pro Umdrehung. Dieser Stoß moduliert bzw. verändert die Amplitude des GMF-Signals jedes Mal, wenn der fehlerhafte Zahn in Eingriff kommt.
• Die Drehzahl des Getriebes ist die Modulationsfrequenz.

Das Ergebnis im FFT-Spektrum ist eine große Spitze am GMF (dem Träger) mit kleineren Seitenbandspitzen auf beiden Seiten, die im Abstand der Drehzahl des Zahnrads angeordnet sind. Dieses Muster beweist eindeutig, dass ein Fehler vorliegt und dass er sich an diesem speziellen Zahnrad befindet.

Die Formel lautet: Seitenbandfrequenz = Trägerfrequenz ± (n × Modulationsfrequenz), wobei n=1, 2, 3…

Wichtige Anwendungen in der Maschinendiagnose

1. Getriebediagnose

Dies ist die primäre Anwendung der Seitenbandanalyse.

• Seitenbänder um GMF: Wenn Seitenbänder im Abstand der Laufgeschwindigkeit eines Zahnrads um dessen GMF herum auftreten, deutet dies auf einen Fehler an diesem Zahnrad hin (z. B. einen gerissenen Zahn, einen abgenutzten Zahn oder eine Exzentrizität).
• Seitenbänder um Harmonische von GMF: Schwere Fehler erzeugen häufig auch Seitenbänder um die 2x- und 3x-GMF.
• Häufigkeit von Jagdzähnen: In komplexen Zahnradsätzen können bestimmte nicht ganzzahlige Seitenbänder Fehler lokalisieren, die nur auftreten, wenn zwei bestimmte Zähne auf verschiedenen Zahnrädern in Kontakt kommen.

2. Wälzlagerdiagnose

Seitenbänder sind auch für die Bestätigung von Lagerfehlern, insbesondere Innenringdefekten, von entscheidender Bedeutung.

• Ein Defekt an der Innenring rotiert und wenn es sich in die Lastzone des Lagers hinein und aus dieser heraus bewegt, ändert sich die Amplitude der Stöße, die es erzeugt.
• Dies führt zu einer Amplitudenmodulation der inneren Fehlerfrequenz (BPFI).
• Das resultierende Spektrum zeigt einen Peak bei BPFI mit Seitenbänder im Abstand von 1x der Drehzahl der Welle. Das Erkennen dieses Musters ist ein sehr zuverlässiger Indikator für einen Defekt im inneren Laufring.

3. Elektromotordiagnose

Probleme mit den Rotorstäben in einem AC-Induktionsmotor können dazu führen, dass Seitenbänder um die 1x-Drehzahlspitze herum auftreten. Diese Seitenbänder sind im Abstand Poldurchgangsfrequenz, das ist die Schlupffrequenz des Motors multipliziert mit der Anzahl der Motorpole.

Überlegungen zur Analyse

Um die Seitenbandanalyse effektiv nutzen zu können, sind qualitativ hochwertige Daten unerlässlich:

• Hohe Auflösung: Um die Seitenbandspitzen deutlich erkennen und ihren Abstand genau messen zu können, ist eine FFT mit hoher Auflösung (z. B. 3200 oder 6400 Zeilen) erforderlich. Bei niedriger Auflösung werden die Seitenbänder zusammen mit der Trägerspitze „verschmiert“.

– Trend: Die Anzahl und Amplitude der Seitenbänder sind ein guter Indikator für die Schwere des Fehlers. Wenn sich ein Fehler verschlimmert, treten mehr Seitenbänder auf und ihre Amplitude nimmt zu.

• Zoom FFT: Diese Funktion eines Datenanalysators ermöglicht es dem Analysten, mit sehr hoher Auflösung auf einen bestimmten Frequenzbereich „hereinzuzoomen“, um das Vorhandensein und den Abstand von Seitenbändern zu bestätigen.

Wenn ein Analytiker ein klares Seitenbandmuster findet, erhöht dies die Zuverlässigkeit einer Fehlerdiagnose von „möglich“ auf „sehr wahrscheinlich“.

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