Schwingungsdiagnose von Schiffsausrüstung

1. Grundlagen der technischen Diagnose

Warum die Schwingungsanalyse zum dominierenden Ansatz für die Überwachung rotierender Schiffsmaschinen wurde – und welche Alternativen es gibt.

1.1 Diagnoseprinzipien

Die technische Diagnostik befasst sich mit der Beurteilung des aktuellen Zustands einer Maschine und der Vorhersage ihrer zukünftigen Entwicklung. Für Schiffsausrüstung ist diese Aufgabe besonders wichtig: Ein ungeplanter Ausfall auf See kann Besatzung, Ladung und das Schiff selbst gefährden.

Die Grundidee ist einfach: Jede rotierende Maschine erzeugt messbare physikalische Signale – Vibrationen, Wärme, Schallemissionen, Ölverschmutzung und vieles mehr. Mit dem Verschleiß, der Entstehung von Rissen, Korrosion oder Lockerung interner Bauteile verändern sich diese Signale in der Regel vorhersehbar. Ein systematisches Überwachungsprogramm erkennt diese Veränderungen frühzeitig, klassifiziert sie nach Art und Schweregrad und liefert Empfehlungen für den Wartungsplan.

Schlüsselbegriffe

Der allgemeine Diagnoseablauf

In der Praxis ist die Pipeline iterativ: Wenn ein Muster keinem bekannten Fehler entspricht, geht der Analyst zurück, verfeinert die Verarbeitung, fügt neue Messpunkte hinzu oder korreliert mit anderen Diagnosemethoden (Thermografie, Ölanalyse, Ultraschallprüfung).

Funktionsdiagnostik vs. Testbench-Diagnostik

Funktionsdiagnostik Es erfasst Daten, während die Maschine unter normaler Last läuft. Es spiegelt realistische Betriebsbedingungen wider, schränkt aber die durchführbaren Tests ein – man kann beispielsweise keine künstliche Anregung in eine Pumpe einleiten, die Kühlwasser für den Hauptmotor liefert.

Testbench-Diagnostik Dabei wird eine kontrollierte Anregung – beispielsweise durch einen Impulshammer oder einen Sinusschwinger – üblicherweise während eines Systemstillstands angewendet. Dies ermöglicht die Ermittlung von Eigenfrequenzen, Übertragungsfunktionen und Strukturmerkmalen, die mit herkömmlichen Funktionsdiagnosen nicht zugänglich sind. An Bord eines Schiffes liegt die praktische Schwierigkeit auf der Hand: Systemstillstände sind kostspielig und für lebenswichtige Systeme mitunter unmöglich.

Auswahl der zu überwachenden Elemente

Nicht jede Maschine an Bord eines Schiffes erfordert die gleiche Aufmerksamkeit. Die Auswahl der zu überwachenden Parameter an den jeweiligen Geräten erfordert einen Kompromiss zwischen Diagnoseumfang und Kosten. Typische Auswahlkriterien sind die Empfindlichkeit gegenüber Fehlerentwicklung, die Messwiederholbarkeit, die Kosten für Sensor und Installation sowie die Kritikalität des jeweiligen Geräts.

1.2 Wartungsstrategien

Die Schifffahrtsindustrie hat vier grundlegende Instandhaltungsphilosophien durchlaufen, von denen jede ein anderes Kosten-Risiko-Profil aufweist.

Die meisten modernen Flotten nutzen eine Kombination aus beidem. Kritische Antriebs- und Energieerzeugungsanlagen werden zustandsorientiert oder proaktiv gewartet. Hilfseinrichtungen werden weiterhin zeitbasiert oder sogar bis zum Ausfall betrieben, sofern Ersatzteile günstig und die Folgen gering sind. Die Schwingungsanalyse bildet das Rückgrat der zustandsorientierten Instandhaltung.

1.3 Vibration als primäres Diagnosesignal

Die Schwingungsanalyse dominiert die Zustandsüberwachung in der Schifffahrt aus mehreren miteinander verbundenen Gründen:

• Alle rotierenden Maschinen erzeugen Vibrationen – eine zusätzliche Anregung ist nicht erforderlich.
• Fehler verändern Schwingungsmuster auf gut dokumentierte, fehlerspezifische Weise.
• Die Messungen sind nicht-invasiv und können bei normalem Maschinenbetrieb durchgeführt werden.
• Frühwarnzeiten werden typischerweise in Wochen oder Monaten gemessen, nicht in Stunden.
• Die Methode ist quantitativ – die Ergebnisse lassen sich direkt den Schweregradzonen zuordnen, die durch internationale Standards definiert sind.

Die Methodik durchläuft sechs Phasen: Festlegung der Ausgangswerte, Trendüberwachung, Anomalieerkennung, Fehlerklassifizierung, Schweregradbewertung und Prognose (verbleibende Nutzungsdauer). Jede Phase nutzt unterschiedliche Methoden – von der einfachen RMS-Trendanalyse in der ersten Phase bis hin zu Hüllkurvenanalyse, Cepstrum-Analyse und maschinellen Lernverfahren in den späteren Phasen.

Zustandszustände

Ökonomische Perspektive

Die Rentabilität von Programmen zur Vibrationsdämpfung an Bord von Schiffen variiert, in der Fachliteratur werden jedoch häufig Verhältnisse von 5:1 bis 10:1 genannt. Die Einsparungen resultieren hauptsächlich aus drei Faktoren: Vermeidung katastrophaler Folgeschäden (z. B. eines Lagerschadens, der eine Welle zerstört), Verlängerung der Bauteillebensdauer durch Vermeidung unnötiger Überholungen und Reduzierung der Kosten für Notfallreparaturen im Hafen im Vergleich zu planmäßigen Werftarbeiten.

2. Schwingungsphysik

Auslenkung, Geschwindigkeit, Beschleunigung – die drei Aspekte der Schwingung und wann welcher am wichtigsten ist.

2.1 Kernparameter

Schwingung ist die oszillatorische Bewegung eines mechanischen Systems um seine Gleichgewichtslage. Sie wird durch drei miteinander verbundene kinematische Größen beschrieben, von denen jede in einem anderen Frequenzbereich von Bedeutung ist.

Da die Geschwindigkeit linear mit der Frequenz (dem ω-Faktor) und die Beschleunigung mit ω² skaliert, weisen die drei Parameter über das gesamte Spektrum sehr unterschiedliche Empfindlichkeiten auf. Dies ist der praktische Grund, warum Ingenieure den einen dem anderen vorziehen.

Statistische Kennzahlen

Effektivwert Der Effektivwert (RMS) repräsentiert die effektive Amplitude und korreliert mit dem Energiegehalt der Schwingung. Er ist die Standardmessgröße für die ISO-basierte Schweregradbewertung.

Spitzenwert Erfasst die maximale momentane Amplitude – nützlich zur Erkennung von Stößen und kurzzeitigen Ereignissen.

Spitze-Spitze-Wert Gibt die gesamte Auslenkung vom positiven zum negativen Maximalwert an. Sie wird häufig für Wegmessungen und Spielanalysen verwendet.

Crest-Faktor is the ratio of peak to RMS. A healthy rotating machine typically shows a crest factor between 3 and 4. Values above 5–6 suggest impulsive events such as bearing defects or impacts.

2.2 Schwingungsarten in maritimen Systemen

Schiffsmaschinen erzeugen verschiedene Arten von Vibrationen, die jeweils auf einem anderen physikalischen Mechanismus beruhen.

Durch Anregungsquelle

• Freie Schwingung — Das System schwingt nach einer kurzzeitigen Anregung (Anlauf, Abschaltung, Stoß) mit seiner Eigenfrequenz.
• Erzwungene Vibration — kontinuierliche Anregung mit einer Frequenz, die von der Drehzahl, der Schaufelanzahl oder der Stromversorgung abhängt. Der größte Teil der stationären Schwingung ist erzwungen.
• selbsterregte Schwingung — Die Maschine erzeugt ihre eigene Erregung durch einen internen Rückkopplungsmechanismus: Ölwirbel in Gleitlagern, aerodynamisches Flattern, Stick-Slip-Reibung.
• Parametrische Schwingung Die Steifigkeit oder Dämpfung des Systems ändert sich periodisch und führt so der Systemantwort Energie zu. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein gerissener Zahnradzahn, dessen Eingriffssteifigkeit sich einmal pro Umdrehung ändert.

Im Verhältnis zur Geschwindigkeit

• Synchron (auftragsbezogen) Die Frequenz ist ein ganzzahliges oder einfaches rationales Vielfaches der Wellendrehzahl. Unwucht (1×), Fluchtungsfehler (2×) und Spiel (viele Harmonische) gehören hierher.
• Asynchron Die Frequenz ist unabhängig von der Wellendrehzahl. Lagerfehlerfrequenzen, Netzfrequenzharmonische und Riemenschlupfschwingungen fallen in diese Kategorie.

Nach Anweisung

Radial Die Schwingung (senkrecht zur Welle) dominiert bei den meisten rotierenden Maschinen und ist die erste Richtung, die gemessen wird. Axial Vibrationen (parallel zur Welle) weisen auf Probleme mit dem Axiallager, Kupplungsproblemen und aerodynamischen Kräften hin. Torsions Vibrationen (Drehungen um die Wellenachse) erfordern spezielle Sensoren und werden hauptsächlich bei langen Antriebssträngen überwacht, wo Torsionsresonanz destruktiv sein kann.

Eigenfrequenzen und Resonanz

Jedes mechanische System besitzt Eigenfrequenzen, die von seiner Masse, Steifigkeit und Dämpfung abhängen. Nähert sich eine Anregungsfrequenz einer Eigenfrequenz, wird die Reaktion verstärkt – manchmal um den Faktor 10 oder mehr. Bei rotierenden Maschinen werden diese Übereinstimmungen als Schwingungen bezeichnet. kritische Geschwindigkeiten.

Vibrationsquellen

Mechanisch — Unwucht, Fehlausrichtung, Lagerschäden, Spiel, Getriebeprobleme, Wellenverbiegung. Die Frequenzen hängen typischerweise von der Wellendrehzahl und der Bauteilgeometrie ab.

Elektromagnetisch — Rotorstabdefekte, Stator-Exzentrizität, Versorgungsspannungsunsymmetrie. Die Frequenzen konzentrieren sich um das Doppelte der Netzfrequenz (100 Hz bei 50 Hz Versorgungsspannung, 120 Hz bei 60 Hz) und deren Vielfache.

Hydraulisch / aerodynamisch — Schaufelpassage, Kavitation, Turbulenzen, Rezirkulation. Die Schaufelpassagefrequenz entspricht der Schaufelanzahl multipliziert mit der Drehzahl; Kavitation erzeugt breitbandiges, zufälliges Rauschen mit Schwerpunkt oberhalb von 1–2 kHz.

2.3 Einheiten und Standards

Schwingungsmessungen verwenden sowohl lineare als auch logarithmische (Dezibel-)Skalen. Die Dezibel-Darstellung komprimiert große Dynamikbereiche und hebt relative Änderungen hervor:

Die Referenzwerte unterscheiden sich je nach Parameter: 10⁻⁶ m für die Verschiebung, 10⁻⁹ m/s für die Geschwindigkeit (in einigen Normen 1 nm/s), 10⁻⁶ m/s² für die Beschleunigung.

ISO 10816 — Vibration on Non-Rotating Parts

The standard defines four evaluation zones, A through D, based on broadband velocity RMS. Limits depend on machine class (power rating, speed range) and support stiffness (rigid vs. flexible).

Weitere relevante Normen: ISO 7919 (Wellenschwingungen, gemessen mit Näherungssensoren), ISO 14694 (condition monitoring guidance), ISO 8528-9 (Erzeugungsmengen), API 610 (centrifugal pumps). All follow the same four-zone logic but with limits adapted to the equipment type.

Maschinenklassifizierung

Vibration limits are set per machine class. Classification considers power rating (small < 15 kW, medium 15–75 kW, large > 75 kW), speed range, and support stiffness. A machine is rigidly mounted if its first support natural frequency is more than twice the operating frequency; flexibly mounted if below half the operating frequency. The distinction matters because flexible mounts amplify housing vibration and therefore call for more lenient limits.

Messpunkte

Die Normen schreiben Messungen an Lagergehäusen vor, möglichst nahe an der Lastzone, in drei Richtungen: horizontal radial, vertikal radial und axial (üblicherweise nur am antriebsseitigen Lager). Die Messungen sollten unter stabilen Betriebsbedingungen – Nenndrehzahl und mindestens 75 % Nennlast – durchgeführt und über einen ausreichend langen Zeitraum gemittelt werden, um zyklische Schwankungen zu erfassen.

3. Messmethoden und Sensoren

Sensorauswahl, Montage, Signalaufbereitung und die praktischen Gegebenheiten bei der Erfassung aussagekräftiger Vibrationsdaten an Bord eines Schiffes.

3.1 Messprinzipien

Kinematisch vs. Dynamisch

Die meisten Vibrationssensoren messen Bewegung Bei der kinematischen Messung werden lediglich Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung erfasst, ohne die zugrunde liegende Kraft zu quantifizieren. Die dynamische Messung kombiniert Bewegungs- und Kraftdaten, typischerweise mithilfe von gekoppelten Beschleunigungsmessern und Kraftaufnehmern, und wird hauptsächlich in kontrollierten Prüfstandssituationen wie der Modalanalyse oder der Messung von Übertragungsfunktionen eingesetzt.

Absolut vs. Relativ

Absolute Schwingung is the motion of a point relative to a fixed (earth-based) reference. An accelerometer bolted to a bearing housing gives an absolute measurement. Relative Schwingung Die Bewegung zwischen zwei Bauteilen – typischerweise der Welle und dem Lagergehäuse – wird von Näherungssensoren erfasst und ist bei großen Turbomaschinen, bei denen Informationen zur Wellenbahn benötigt werden, Standard.

Kontakt vs. Nicht-Kontakt

Kontaktsensoren (Beschleunigungsmesser, Geschwindigkeitsaufnehmer, Dehnungsmessstreifen) werden direkt an der vibrierenden Oberfläche angebracht. Sie bieten hohe Empfindlichkeit, große Bandbreite und etablierte Messverfahren. Berührungslose Sensoren (Wirbelstromsonden, Laservibrometer) messen aus der Ferne und sind unerlässlich für rotierende Oberflächen, Hochtemperaturzonen und Bereiche, in denen eine Massenbelastung durch einen Kontaktsensor die Messung verfälschen würde.

3.2 Sensortechnologien

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser

Das Arbeitspferd der Schiffsschwingungsmessung. Ein piezoelektrisches Element (Quarz oder Keramik) erzeugt eine elektrische Ladung proportional zur einwirkenden Kraft. Interne Elektronik (IEPE/ICP-Standard) wandelt diese in ein niederohmiges Spannungssignal um, das sich auch in lauten Maschinenräumen zuverlässig über lange Kabel übertragen lässt.

Hochfrequente Modelle (bis zu 50 kHz, geringere Empfindlichkeit) werden zur Früherkennung von Lagerdefekten eingesetzt. Hochempfindliche Modelle (100–1000 mV/g, Bandbreite bis ca. 5 kHz) werden für schwache Vibrationen in Präzisionsmaschinen verwendet.

MEMS-Beschleunigungsmesser

Mikroelektromechanische Beschleunigungsmesser sind kleiner, kostengünstiger und verbrauchen weniger Energie als piezoelektrische Sensoren. Sie eignen sich daher für die permanente Überwachung unkritischer Maschinen und drahtloser Sensornetzwerke. Bandbreite und Dynamikbereich haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert, piezoelektrische Sensoren bieten jedoch weiterhin die beste Leistung bei hohen Frequenzen.

Geschwindigkeitssensoren (Seismische Wandler)

Eine aufgehängte Magnetmasse bewegt sich relativ zu einer Spule und erzeugt dabei eine zur Geschwindigkeit proportionale Spannung. Diese Sensoren benötigen keine externe Stromversorgung, sind robust gebaut und liefern ein direktes Geschwindigkeitssignal – ideal für die Prüfung nach ISO 20816/10816 ohne Integration. Zu den Nachteilen zählen die begrenzte Empfindlichkeit im Niederfrequenzbereich (typischerweise oberhalb von 10 Hz), die Temperaturempfindlichkeit und die relativ große Baugröße.

Näherungssensoren (Wirbelstromsensoren)

Ein Hochfrequenzoszillator erzeugt ein elektromagnetisches Feld an der Sondenspitze. Wirbelströme in der nahegelegenen leitfähigen Wellenoberfläche verändern die Impedanz, und eine Elektronik wandelt diese Änderung in eine Gleichspannung um, die proportional zum Spaltabstand ist. Zwei Sonden, die in einem Winkel von 90° an jedem Lager angebracht sind, liefern XY-Wellenpositionsdaten für die Bahnanalyse. Die Auflösung liegt in der Größenordnung von 0,1 μm, und die Sonde weist ein Gleichstromverhalten auf (sie kann sowohl langsame statische Verschiebungen als auch dynamische Schwingungen erfassen).

3.3 Montage und Kalibrierung

Montagemethoden

Die Art der Sensorbefestigung an der Maschine bestimmt die obere nutzbare Frequenz. Jede Befestigungsmethode führt zu einer Montageresonanz, oberhalb derer die Messung unzuverlässig ist.

Signalaufbereitung

IEPE-Sensoren benötigen eine Konstantstromversorgung (typischerweise 2–4 mA bei 18–28 V DC). Diese wird üblicherweise vom Datenerfassungssystem bereitgestellt. Ladungssensoren benötigen einen separaten Ladungsverstärker. In beiden Fällen sollten für die Signalübertragung geschirmte, rauscharme Kabel verwendet und die Kabellängen so kurz wie möglich gehalten werden, um elektromagnetische Störungen durch die Stromkabel im Maschinenraum zu minimieren.

Kalibrierung

Sensoren und Kanäle sollten mindestens einmal jährlich – in rauen Meeresumgebungen häufiger – anhand einer rückführbaren Referenz überprüft werden. Ein tragbares Kalibriergerät, das eine bekannte Beschleunigung bei bekannter Frequenz (üblicherweise 10 m/s² bei 159,15 Hz) erzeugt, ist das Standardwerkzeug für den Feldeinsatz. Ein direkter Vergleich mit einem Referenz-Beschleunigungsmesser bietet eine höhere Zuverlässigkeit und kann an Bord durchgeführt werden.

4. Signalanalyse

Von der Rohschwingungswellenform bis zu diagnostischen Schlussfolgerungen – die Signalverarbeitungskette, die die Fehleridentifizierung ermöglicht.

4.1 Signalarten

Das Verständnis der Art des Signals, das Ihre Maschine erzeugt, bestimmt, welche Analysetechniken nützliche Informationen liefern.

Periodische und harmonische Signale

Eine reine Sinuswelle mit einer einzigen Frequenz ist der einfachste Fall (in der Praxis selten). Die meisten rotierenden Maschinen erzeugen polyharmonisch Signale – eine Grundfrequenz plus ihre ganzzahligen Vielfachen. Ein Viertakt-Dieselmotor erzeugt Zündfolge-Oberschwingungen; ein Getriebe erzeugt Eingriffsfrequenzen und deren Oberschwingungen.

Modulierte Signale

Amplitudenmodulation (AM) — Die Signalhüllkurve variiert periodisch. Ein Defekt im Außenring des Lagers, der einmal pro Umdrehung die Lastzone durchläuft, erzeugt eine AM der hochfrequenten Stoßantwort bei der Wellendrehzahl. Frequenzmodulation (FM) — die momentane Frequenz variiert. Drehzahlschwankungen eines Hubkolbenkompressors sind eine häufige Ursache.

Impulsive und transiente Signale

Kurzzeitige, hochamplitudige Ereignisse regen mehrere Resonanzen gleichzeitig an. Wälzlagerdefekte, Zahnradabsplitterungen und lose Befestigungselemente erzeugen impulsartige Schwingungen. Charakteristische Merkmale: hoher Scheitelfaktor (> 5), breites Frequenzspektrum, rascher Abfall und periodische Wiederholung bei der Fehlerfrequenz.

Zufallssignale

Turbulente Strömung, Kavitation und fortgeschrittene Oberflächenverschlechterung erzeugen Vibrationen ohne dominante periodische Komponente. Statistisch gesehen werden sie eher durch ihre spektrale Leistungsdichte (PSD) als durch einzelne Frequenzspitzen charakterisiert.

4.2 Zeitbereich und Frequenzbereich

Zeitbereichsanalyse

Die Untersuchung des Rohsignals liefert Informationen, die bei der Spektralanalyse verborgen bleiben können: Impulszeitpunkt, Modulationsmuster, Asymmetrie (Abschneidung, Clipping) und das Auftreten transienter Ereignisse. Statistische Parameter, die aus dem Signal berechnet werden – Effektivwert, Crestfaktor, Kurtosis, Schiefe – quantifizieren die Signalcharakteristik und sind oft die ersten Anzeichen für Lagerverschleiß.

Die Kurtosis ist besonders wertvoll für die Lagerdiagnostik. Ein intaktes Lager erzeugt annähernd eine Gaußsche Schwingung (Kurtosis ≈ 3). Bei sich entwickelnden Defekten steigt die Kurtosis deutlich über 4 – manchmal sogar über 10 –, lange bevor der Effektivwert (RMS) so weit ansteigt, dass ein Alarm ausgelöst wird.

Frequenzbereichsanalyse (FFT)

Die schnelle Fourier-Transformation wandelt eine Zeitaufzeichnung in ein Frequenzspektrum um und zeigt so, welche Frequenzen die meiste Energie tragen. Sie ist das wichtigste Diagnosewerkzeug, da verschiedene Fehlertypen Schwingungen mit unterschiedlichen, vorhersagbaren Frequenzen erzeugen.

Wichtige DSP-Überlegungen

Abtastrate Die Frequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste relevante Frequenz (Nyquist-Kriterium). Anti-Aliasing-Filter dämpfen alle Signale oberhalb der Nyquist-Frequenz vor der Digitalisierung. Eine praktische Regel: Abtastung mit dem 2,56-Fachen der Analysebandbreite (um den Filterabfall zu berücksichtigen).

Frequenzauflösung = 1 / T, wobei T die Aufzeichnungslänge ist. Um zwei nahe beieinander liegende Frequenzen zu trennen, ist eine längere Aufzeichnung erforderlich. Bei Anwendungen im maritimen Bereich, wo die Geschwindigkeit nur geringfügig variiert, gewährleistet die Ordnungsnachführung (Resampling synchronisiert mit einem Tachometerimpuls) eine konstante Auflösung im Ordnungsbereich unabhängig von der Geschwindigkeitsdrift.

Fensterung Unterdrückt spektrale Leckagen aufgrund endlicher Aufzeichnungslänge. Die Hanning-Filterung ist die Standardeinstellung; die Flattop-Filterung liefert die beste Amplitudengenauigkeit (wichtig beim Vergleich mit absoluten Grenzwerten); die Rechteckfilterung eignet sich nur für echte transiente Signale.

4.3 Fortgeschrittene Techniken

Hüllkurvenanalyse (Amplitudendemodulation)

Die Methode der Wahl für die Wälzlagerdiagnostik. Schritte: (1) Bandpassfilterung um eine durch Lagerstöße angeregte Strukturresonanz (typischerweise 2–8 kHz), (2) Extraktion der Amplitudenhüllkurve mittels Hilbert-Transformation oder Gleichrichtung + Tiefpassfilterung, (3) Berechnung der FFT der Hüllkurve. Lagerfehlerfrequenzen (BPFO, BPFI, BSF, FTF) erscheinen dann als deutliche Peaks im Hüllkurvenspektrum, klar getrennt von Wellendrehzahlharmonischen und anderen Quellen.

Cepstrum-Analyse

Das Cepstrum ist die inverse FFT des Logarithmus-Amplituden-Spektrums. Es erkennt periodische Muster. innerhalb Das Frequenzspektrum – also genau das, was Seitenbänder um die Zahnradeingriffsfrequenz oder Oberwellenfamilien aufgrund von Spiel erzeugen. Die Technik ist weniger intuitiv als die direkte FFT, eignet sich aber hervorragend, wenn sich mehrere Seitenbandfamilien überlappen.

Auftragsverfolgung

Bei Maschinen mit variabler Drehzahl (häufig auf Schiffen mit Frequenzumrichtern oder beim Manövrieren) führt die herkömmliche FFT zu einer Verschmierung der drehzahlabhängigen Peaks. Die Ordnungsanalyse tastet das Zeitsignal mithilfe eines Drehzahlmessers oder einer Drehzahlreferenz neu ab und transformiert die Analyse vom Frequenzbereich in den Ordnungsbereich. Jede Ordnung entspricht einem festen Vielfachen der Wellendrehzahl.

Kohärenzfunktion

Misst den linearen Zusammenhang zwischen zwei Signalen in Abhängigkeit von der Frequenz. Eine Kohärenz nahe 1,0 bei einer gegebenen Frequenz bedeutet, dass die Schwingung am Messpunkt überwiegend durch die Anregung am Referenzpunkt verursacht wird. Nützlich zur Isolierung von Übertragungswegen, zur Überprüfung der Messqualität und zur Beurteilung, inwieweit Maschinenschwingungen auf nahegelegene Strukturen übertragen werden.

5. Zustandsüberwachungsprogramme

Aufbau und Betrieb eines Programms zur Überwachung von Schiffsschwingungen – von der Abnahmeprüfung bis zur Trendanalyse.

5.1 Abnahmeprüfung

Die Schwingungsabnahmeprüfung stellt sicher, dass neu installierte oder überholte Anlagen vor der Inbetriebnahme die Konstruktionsspezifikationen erfüllen. Bei Schiffsanlagen erfolgt dies typischerweise in mehreren Schritten: Werksabnahmeprüfung (FAT) beim Hersteller, Hafenabnahmeprüfung (HAT) nach der Installation an Bord und Seeerprobung unter Volllast.

Was Akzeptanztests aufdecken

• Residual unbalance exceeding the specified ISO 1940 quality grade
• Weicher Fuß – ein oder mehrere Montagefüße haben keinen ordnungsgemäßen Kontakt zum Fundament
• Fehlausrichtung der Kupplung während der Installation
• Rohrleitungsspannungen, die auf die Pumpen- oder Kompressorflansche übertragen werden
• Fundamentresonanzen, die mit der Betriebsgeschwindigkeit übereinstimmen

Die Messungen während der Abnahmeprüfung bilden die Grundlage für die zukünftige Zustandsüberwachung. Sie sollten bei verschiedenen Laststufen (typischerweise 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) durchgeführt und zusammen mit den Betriebsparametern (Drehzahl, Last, Temperaturen, Seegang) dokumentiert werden.

5.2 Überwachungssysteme

Tragbare (routenbasierte) Systeme

Ein Techniker geht eine vorgegebene Route durch den Maschinenraum und erfasst an jedem markierten Messpunkt Daten mit einem Handdatenerfassungsgerät. Eine Software auf einem Land- oder Büro-PC speichert, analysiert und wertet die Daten aus. Dies ist die kostengünstigste Methode für Hilfsmaschinen, bei denen eine kontinuierliche Überwachung nicht gerechtfertigt ist.

Permanente (Online-)Systeme

Sensoren sind fest an kritischen Anlagen installiert und mit einem zentralen Datenerfassungssystem verbunden. Messungen erfolgen automatisch in festgelegten Intervallen oder kontinuierlich. Alarme werden ausgelöst, sobald Schwellenwerte überschritten werden. Typische Anwendungsfälle sind Hauptmaschinen, Generatoren, Antriebsmotoren und Untersetzungsgetriebe.

Hybrider Ansatz

Die meisten modernen Fuhrparks kombinieren beides. Die kontinuierliche Überwachung umfasst die 10–15 wichtigsten Maschinen. Routenbasierte, mobile Messungen erfassen 50–200 Zusatzkomponenten in wöchentlichen bis vierteljährlichen Zyklen. Eine einheitliche Software führt beide Datensätze in einer zentralen Datenbank zusammen.

Datenbank und Hierarchie

Die Überwachungsdatenbank organisiert die Ausrüstung in einer Baumstruktur: Schiff → Abteilung (Maschinen-, Deck-, Elektrotechnik) → System (Antrieb, Hilfskühlung, Feuerlöschanlage) → Maschine → Komponente → Messpunkt. Jeder Punkt verfügt über definierte Sensortypen, Messrichtungen, Einheiten, Alarmstufen und Analyseeinstellungen. Eine durchdachte Hierarchie ermöglicht flottenweite Vergleiche und Berichte.

5.3 Alarmstufen und Trendanalyse

Einstellen von Alarmstufen

Es gibt drei gängige Ansätze, die auch kombiniert werden können.

• Standardsbasiert — Verwenden Sie direkt die Zonengrenzen nach ISO 20816 / 10816 oder API. Simpel, aber universell anwendbar.
• Statistische — Die Alarmschwelle wird auf den Mittelwert der Basislinie + 2–3 Standardabweichungen, die Gefahrenschwelle auf den Mittelwert + 4–6 σ festgelegt. Diese Werte sind auf jedes Gerät individuell anpassbar, erfordern jedoch ausreichend Basisdaten.
• Erfahrungsbasiert — abgeleitet vom Wissen des Analysten über einen bestimmten Maschinentyp. Oft am effektivsten bei ungewöhnlichen oder sehr alten Geräten, die von allgemeinen Standards nicht gut abgedeckt werden.

Trendanalyse

Die grafische Darstellung eines Parameters über die Zeit deckt beginnende Fehler auf, bevor sie Alarmwerte erreichen. Trendanalysen eignen sich für den Gesamteffektivwert (RMS), einzelne Frequenzkomponenten, statistische Parameter (Crest-Faktor, Kurtosis) und aus der Hüllkurve abgeleitete Kennzahlen. Die Steigung der Trendlinie – und insbesondere jede plötzliche Steigungsänderung – ist der wichtigste Entscheidungsgrundlage.

Die Methoden reichen von der einfachen visuellen Auswertung von Zeitreihendiagrammen bis hin zu statistischen Prozesskontrollverfahren (CUSUM, EWMA) und regressionsbasierten Modellen zur Bestimmung der Restnutzungsdauer. Bei kritischen Maschinen liefert die Kombination mehrerer Trendparameter in einem einzigen "Gesundheitsindex" ein umfassenderes Bild als ein einzelner Parameter.

6. Fehlererkennung und -identifizierung

Übersetzung von Spektralspitzen, Wellenformmustern und statistischen Parametern in spezifische Fehlerdiagnosen.

6.1 Wälzlagerdiagnostik

Wälzlager sind die am häufigsten überwachten Komponenten in Programmen zur Untersuchung von Schiffsschwingungen. Jede Fehlerstelle erzeugt eine charakteristische Frequenz, die von der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl abhängt.

Fehlerhäufigkeiten

Phasen der Verwerfungsentwicklung

1. Beginn — subtle increase in the high-frequency noise floor (ultrasonic band, > 20 kHz). No discrete peaks yet. Detectable only with specialised high-frequency techniques (acoustic emission, spike energy).
2. Es treten diskrete Defekthäufigkeiten auf — Peilcharakteristikfrequenzen (BPFO, BPFI usw.) werden im Hüllkurvenspektrum oder im Hochfrequenzband-Beschleunigungsspektrum sichtbar.
3. Harmonische und Seitenbänder entstehen — Die Defektfrequenzharmonischen nehmen zu; Modulationsseitenbänder bei Wellendrehzahl treten um die Lagerfrequenzen herum auf.
4. Erweiterung und Steigerung — Der Rauschpegel steigt im Peilfrequenzband; die Effektivwerte der Gesamtbeschleunigung und -geschwindigkeit beginnen zu steigen; der Scheitelfaktor kann mit zunehmendem Zufallsanteil abnehmen.
5. Erweiterter Schaden — Breitbandige, zufällige Schwingungen dominieren; die Auslenkungen nehmen zu; die Temperaturen steigen; hörbare Geräusche. Ein Ausfall ist unmittelbar bevorstehend.

Hüllkurvenanalyse in der Praxis

Filtern Sie das Rohbeschleunigungssignal im Bereich von 2–8 kHz (oder um die höchste lagerangeregte Resonanz – diese lässt sich durch einen Stoßtest oder anhand des Spektrums ermitteln) bandpass. Berechnen Sie die Hilbert-Transformationshüllkurve. Führen Sie eine FFT der Hüllkurve durch. Treten Peaks bei BPFO, BPFI, BSF oder FTF (und deren Harmonischen) auf, liegt ein Lagerdefekt vor.

6.2 Getriebefehler und Wellenprobleme

Getriebediagnose

Die Grundfrequenz des Zahnradeingriffs (GMF) entspricht der Zähnezahl multipliziert mit der Wellendrehzahl. Ein intaktes Zahnrad erzeugt einen sauberen Eingriffspeak mit geringen Seitenbändern. Zunehmende Probleme äußern sich in einer erhöhten Eingriffsamplitude, wachsenden Seitenbändern im Abstand der Wellenfrequenz des beschädigten Zahnrads und schließlich in der Entstehung höherer Harmonischer der GMF.

Probleme mit Welle und Kupplung

Laufrad- / Strömungsprobleme

Schaufelpassierfrequenz (BPF) = Schaufelanzahl × Wellenfrequenz. Eine erhöhte BPF und ihre Oberschwingungen deuten auf Laufradschäden, Probleme mit dem Diffusor-Laufrad-Spalt oder Strömungsverzerrungen am Einlauf hin. Kavitation erzeugt breitbandiges, hochfrequentes Rauschen – ein knisterndes Geräusch oberhalb von 2 kHz mit hoher Kurtosis. Rezirkulation bei geringer Strömung führt zu niederfrequenten, zufälligen Instabilitäten.

6.3 Schweregradbeurteilung und Prognose

Die Erkennung eines Fehlers ist nur die halbe Miete. Das Wartungsteam muss wissen: wie schnell Die Störung schreitet fort und Wie lange Die Maschine kann weiterhin sicher betrieben werden.

Schweregradmetriken

• Amplitude des Defektfrequenzpeaks relativ zu seinem Basiswert
• Änderungsrate dieser Amplitude (Steigung des Trends)
• Anzahl und Stärke der Obertöne und Seitenbänder
• Crestfaktor und Kurtosis-Progression
• Effektivwert der Gesamtgeschwindigkeit oder -beschleunigung relativ zu den ISO-Zonengrenzen

Prognostische Methoden

Einfache Trendanalysen mit linearer oder exponentieller Extrapolation liefern eine grobe Schätzung der Restlebensdauer. Anspruchsvollere Ansätze umfassen physikbasierte Degradationsmodelle (z. B. die Ausbreitung von Abplatzungen unter Hertzscher Spannung) und datengetriebene Modelle, die anhand von Ausfallreihen trainiert wurden. In beiden Fällen sollten die Vorhersagen explizite Konfidenzintervalle enthalten – eine Punktprognose von "42 Tagen Restlebensdauer" ist deutlich weniger hilfreich als "30–60 Tage mit einer Konfidenz von 90 %".

7. Ausrichtung und Ausbalancierung

Die beiden Korrekturmaßnahmen, die den größten Anteil der Vibrationsprobleme an rotierenden Schiffsmaschinen beseitigen.

7.1 Wellenausrichtung

Fehlausrichtung zwischen gekoppelten Wellen zählt neben Unwucht und Lagerverschleiß zu den drei häufigsten Vibrationsursachen in Schiffsmaschinen. Sie erzeugt übermäßige Kräfte auf Lager, Dichtungen und Kupplungen und führt zu einem charakteristischen Vibrationsmuster, das von der doppelten Wellendrehzahl dominiert wird.

Arten von Fehlausrichtungen

Statische vs. dynamische Ausrichtung

Die statische Ausrichtung wird im kalten und stillstehenden Zustand der Maschine gemessen. Die dynamische (betriebene) Ausrichtung kann aufgrund von Wärmeausdehnung, Fundamentverformung unter Last und den mit Temperatur und Druck entstehenden Rohrleitungskräften erheblich abweichen. Ein Dieselgenerator beispielsweise kann sich bei Erreichen der Betriebstemperatur im Bereich der Kupplung um 1–2 mm vertikal ausdehnen.

Laser-Ausrichtungssysteme berechnen Kältekorrekturen, um die zu erwartende Wärmeausdehnung auszugleichen, sodass die Ausrichtung bei Betriebstemperatur und nicht bei Umgebungstemperatur korrekt ist.

Weicher Fuß

Wenn ein oder mehrere Maschinenfüße nicht richtig auf dem Fundament aufliegen, kann das Anziehen der Befestigungsschraube zu Verformungen des Rahmens, einer veränderten Lagerausrichtung und lastabhängigen Schwingungseigenschaften führen. Die Erkennung von weichen Füßen ist der erste Schritt vor jeder Ausrichtung: Lösen Sie jede Schraube nacheinander und messen Sie die Bewegung mit einer Messuhr oder einem Lasersystem. Korrigieren Sie dies gegebenenfalls mit Präzisionsunterlegscheiben.

7.2 Ausgleichstheorie

Die Massenunwucht erzeugt eine Zentrifugalkraft, die sich mit der Welle dreht und Vibrationen mit einer Drehzahl von 1 × U/min verursacht. Die Kraft ist proportional zu ω², daher kann ein Rotor, der bei niedriger Drehzahl mäßig vibriert, bei hoher Drehzahl schädlich sein.

Ungleichgewichtstypen

• Statisch – ein einzelner Schwerpunkt; der Rotor würde sich mit der schweren Seite nach unten auf Messerkanten absenken. Eine Korrekturebene genügt.
• Paar — Zwei gleich große Massen, die in unterschiedlichen axialen Ebenen um 180° versetzt sind. Keine statische Unwucht, aber der Rotor eiert während der Rotation. Zwei Korrekturebenen sind erforderlich.
• Dynamisch — Der allgemeine Fall: Kombination aus statischer und dynamischer Kraft. Erfordert stets eine Korrektur in zwei Ebenen zur vollständigen Eliminierung.

Balancing Quality — ISO 1940

ISO 21940-11 definiert die zulässige Restunwucht als Funktion der Rotormasse und der Betriebsdrehzahl, ausgedrückt als Güteklasse G (mm/s). Das Produkt e × ω = G, wobei e die spezifische Unwucht (Abweichung des Massenschwerpunkts von der Achse) und ω die Winkelgeschwindigkeit ist.

7.3 Feldausgleich

Die Feldwuchtung korrigiert Unwuchten in den Lagern und Stützen der Maschine unter realen Betriebsbedingungen. Dies ist fast immer der Demontage eines Rotors zur Werkstattwuchtung vorzuziehen, wenn die Unwucht auf Ablagerungen, Erosion oder thermische Verformung im Betrieb und nicht auf einen Herstellungsfehler zurückzuführen ist.

Ein-Ebenen-Verfahren (Einflusskoeffizientenmethode)

1. Messen Sie die anfängliche Schwingungsamplitude und -phase bei 1× Drehzahl (Referenzlauf).
2. Bringen Sie eine bekannte Testmasse an einer bekannten Winkelposition am Rotor an.
3. Starten Sie die Maschine und messen Sie die Vibrationen erneut (Probelauf).
4. Berechnen Sie den Einflusskoeffizienten: Wie groß ist die Schwingungsänderung, die eine Masseneinheit bei diesem Radius hervorruft?.
5. Berechnen Sie die Korrekturmasse und den Korrekturwinkel, die die Schwingung auf Null reduzieren (Vektorarithmetik).
6. Die Testmasse entfernen, die Korrekturmasse einsetzen und mit einem abschließenden Lauf überprüfen.

Die Zwei-Ebenen-Auswuchtung folgt der gleichen Logik, löst aber ein 2×2-System von Einflusskoeffizienten und ermöglicht so die gleichzeitige Korrektur von statischen und dynamischen Komponenten.

Marinespezifische Herausforderungen

• Schiffsbewegung Hintergrundvibrationen durch Wellen und Motor können das 1×-Signal überdecken. Abhilfe: Mittelwertbildung der Messwerte über mehrere Umdrehungen, Messung bei ruhigen Bedingungen oder im Hafen.
• Beschränkter Zugang — Korrekturebenen können sich innerhalb von Gehäusen befinden. Eine Vorplanung und individuelle Gewichtsbefestigungsmethoden sind oft erforderlich.
• Thermische Effekte Ein im kalten Zustand ausgewuchteter Turbolader kann aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung bei Betriebstemperatur ein thermisches Ungleichgewicht entwickeln. Idealerweise sollte der Auswuchtvorgang bei Betriebstemperatur erfolgen oder ein thermischer Korrekturfaktor angewendet werden.

7.4 Andere Ansätze zur Schwingungsreduzierung

Wenn sich die Vibrationen durch Auswuchten und Ausrichten nicht auf ein akzeptables Maß reduzieren lassen, stehen verschiedene andere Techniken zur Verfügung.

Quellcode-Modifikation

Die Komponente sollte überarbeitet oder modifiziert werden, um die Erregerkraft zu reduzieren – beispielsweise durch Optimierung des Laufrad-Diffusor-Spalts in einer Pumpe, Verbesserung der Fertigungstoleranzen oder Wahl einer Betriebsdrehzahl, die weiter von der kritischen Drehzahl entfernt ist.

Steifigkeits- und Dämpfungsänderungen

Durch die Verstärkung eines Fundaments verschiebt sich dessen Eigenfrequenz weg von der Anregungsfrequenz. Das Hinzufügen von Dämpfungselementen (z. B. durch Schichtsysteme mit Dämpfungsschichtung oder viskoelastische Lagerungen) reduziert die Verstärkung bei Resonanz. Beide Verfahren können nachträglich angewendet werden, wobei die Fundamentverstärkung bei Schiffen durch die Tragfähigkeit der Struktur begrenzt ist.

Schwingungsisolierung

Elastische Lager (Gummi, Feder, Luft) entkoppeln die Maschine von der Rumpfstruktur. Sie sind ab etwa √2 × der Eigenfrequenz des Lagers wirksam. Marine Isolatoren müssen zudem seismischen Belastungen durch Schiffsbewegungen standhalten und korrosiven Umgebungen widerstehen.

Abgestimmte Absorber und Dämpfer

Ein Schwingungstilger (TMD) – ein kleines, sekundäres Masse-Feder-System, das auf die Problemfrequenz abgestimmt ist – absorbiert Energie der primären Struktur bei dieser spezifischen Frequenz. Er eignet sich für schmalbandige Probleme wie beispielsweise eine durch einen Generator angeregte Deckresonanz. Der Nachteil besteht darin, dass jeder TMD nur eine Frequenz dämpft.

8. Neue Technologien

Wohin die Reise in der Schiffsschwingungsdiagnostik geht – drahtlose Sensoren, Edge Computing, maschinelles Lernen und der Weg zur autonomen Wartung.

8.1 Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen verlagert den Fokus der Schwingungsdiagnostik von manuell definierten Regelsätzen hin zu datengetriebener Mustererkennung. Die unmittelbarsten Anwendungen sind die automatisierte Fehlerklassifizierung und die Vorhersage der Restlebensdauer.

Einstufung

Auf gelabelten Schwingungsdatensätzen trainierte Convolutional Neural Networks (CNNs) können Lager-, Getriebe-, Unwucht- und Ausrichtungsfehler mit einer Genauigkeit klassifizieren, die mit der erfahrener Analysten vergleichbar ist – vorausgesetzt, die Trainingsdaten decken die tatsächlichen Betriebsbedingungen ab. Transfer Learning und Domänenanpassung begegnen dem häufigen Problem begrenzter gelabelter Schiffsdaten, indem sie mit Modellen beginnen, die auf industriellen Datensätzen trainiert wurden, und diese anschließend mit Schiffsdaten feinabstimmen.

Anomalieerkennung

Autoencoder und Variations-Autoencoder lernen eine komprimierte Repräsentation normaler Schwingungen. Liegt eine neue Messung außerhalb der gelernten Verteilung, kennzeichnet das System sie als Anomalie – ohne dass vorherige Beispiele für jeden möglichen Fehlertyp benötigt werden. Dies ist besonders wertvoll für seltene Fehlermodi.

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist ein physikalisch basiertes oder hybrides Modell einer Maschine, das parallel zur realen Maschine läuft und kontinuierlich mit Sensordaten aktualisiert wird. Abweichungen zwischen Modellvorhersagen und realen Messwerten weisen auf veränderte interne Bedingungen hin. Digitale Zwillinge ermöglichen Szenariosimulationen ("Was passiert, wenn wir die Geschwindigkeit um 5 TP4T erhöhen?") und zuverlässigere Prognosen, da sie physikalische Prinzipien einbeziehen und nicht nur auf statistische Extrapolation beruhen.

8.2 Drahtlose Sensoren und Edge-Computing

Wireless vibration sensors have matured to the point where battery life exceeds five years, communication reliability is sufficient for non-safety-critical monitoring, and on-board processing allows the sensor to compute statistical parameters locally, transmitting only summaries and alarms rather than raw waveforms. This drastically reduces installation cost — no cabling, no conduit, no junction boxes — and makes it economical to monitor hundreds of auxiliary machines that were previously unmonitored.

Edge Computing verlagert die Rechenleistung direkt zum Sensor oder in dessen unmittelbarer Nähe und ermöglicht so die Echtzeit-Alarmgenerierung, lokale FFT-Berechnungen und sogar neuronale Netzwerkinferenz ohne Verbindung zur landseitigen Cloud. Dies ist besonders wichtig für Schiffe, die tagelang oder wochenlang nur über begrenzte Satellitenbandbreite verfügen.

8.3 Autonome Diagnostik und Integration

Die langfristige Entwicklung deutet auf Systeme hin, die mit minimalem menschlichen Eingriff erkennen, diagnostizieren und handeln:

• Selbstkalibrierende Sensoren die ihren eigenen Gesundheitszustand überprüfen und Abweichungen ausgleichen.
• Automatische Fehlerdiagnose Integriert in das geplante Wartungssystem des Schiffes – eine Lagerdefekterkennung generiert automatisch einen Arbeitsauftrag, prüft den Ersatzteilbestand und schlägt ein Wartungsfenster vor.
• Flottenanalyse — Der Vergleich des gleichen Gerätetyps in der gesamten Flotte ermöglicht die Identifizierung systemischer Probleme (z. B. eine fehlerhafte Charge von Lagern, eine konstruktionsbedingte Resonanz), die bei der Überwachung einzelner Schiffe übersehen würden.
• Mehrparameterfusion — Die Kombination von Vibrations-, Ölanalyse-, Thermografie- und Leistungsdaten in einem einzigen Gesundheitsindex ermöglicht eine zuverlässigere Zustandsbewertung als jede einzelne Methode für sich.

Vorbereitung auf die Adoption

Technologie allein genügt nicht. Für eine erfolgreiche Einführung sind die Weiterbildung der Fachkräfte (Schulungen zur Datenkompetenz für Ingenieure, die eher mit Schraubenschlüsseln als mit Algorithmen arbeiten), eine Planung der Cybersicherheit (vernetzte Überwachungssysteme stellen eine Angriffsfläche dar) und ein schrittweises Vorgehen erforderlich – zunächst ein Pilotprojekt auf einigen Schiffen, um den Nutzen nachzuweisen, und dann die Skalierung.