Ordnungsanalyse
In der Welt der rotierenden Maschinen erzählen Schwingungen eine leise, aber mächtige Geschichte – speziell mit Hilfe der Ordnungsanalyse. Sie bietet IngenieurenInnen auf der Grundlage von Vibrations- und Rotationsmessungen eine Vielzahl von Einblicken in das untersuchte System. Werfen wir einen Blick auf die Grundlagen der Ordnungsanalyse und entdecken ihre zentrale Rolle für die Wartung und Instandhaltung von Maschinen.
Was ist eine Ordnungsanalyse?
Im Kontext der Rotordynamik ist die Ordnungsanalyse die Analyse der Geräusche oder Schwingungen von rotierenden Maschinen oder schwingenden Komponenten. Sie basiert auf Vibrations- und Geschwindigkeitsmessungen, die mindestens einen Beschleunigungssensor erfordern, um die Vibration des Prüflings zu bewerten. Zusätzlich wird die ermittelte oder geschätzte Drehzahl und Winkelposition des Rotors benötigt. Dies geschieht in der Regel mit Encodern oder Tachometern.
Im Gegensatz zur Frequenzanalyse wird der Energiegehalt der Geräusche oder Schwingungen nicht gegen die Frequenz, sondern gegen die Ordnung aufgetragen. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Ordnung auf die harmonischen Komponenten von Schwingungssignalen. Jede Ordnung entspricht einem Vielfachen der Grunddrehzahl des Rotors. Das bedeutet, dass die erste Ordnung der Drehzahl des Rotors selbst entspricht, die zweite Ordnung der doppelten Drehzahl und so weiter. Jede Ordnung steht für eine harmonische Komponente im Vibrationssignal.
Abb 1: Ordnungsanalyse Schritt-für-Schritt Anleitung
Wie funktioniert es?
Zunächst starten wir mit der Vibrationsmessung unseres Prüflings, z. B. einem Motor. Die geschieht mit einem Beschleunigungsaufnehmer. Im Regelfall entfernen wir im nächsten Schritt alle irrelevanten Daten (Rauschen) aus dem Rohschwingungssignal, um nur den relevanten Frequenzbereich zu erfassen. Außerdem benötigen wir ein Signal, das Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit des Prüflingsrotors liefert. Dies kann z. B. mit einem Tachometer erfasst werden.
Bevor wir mit der Ordnungsanalyse beginnen, müssen wir sicherstellen, dass unsere Schwingungsdaten mit der Drehung bzw. der Winkelposition des Rotors synchronisiert sind. Dies kann zum Beispiel durch die gleichzeitige Aufzeichnung von Drehzahlimpulsen erreicht werden.
Sobald wir eine einzelne Umdrehung (entsprechend der ersten Ordnung) identifiziert haben, starten wir den Tracking-Algorithmus. Ziel ist es, die Frequenzänderungen jeder Ordnung über die Zeit zu bestimmen. Dazu unterteilen wir das Vibrationssignal in Signalblöcke pro Umdrehung, wobei ein Block eine Umdrehung darstellt (Abb. 2).
Abb. 2: Trennung des Vibrationssignals (blau) in einzelne Blöcke anhand des Winkelsignals (grün).
Um das Endergebnis zu verbessern und fehlerhafte Resultate zu vermeiden, wenden wir weitere Filter (z. B. Anti-Aliasing-Filter), Glättungs- und Resampling-Verfahren an. Schließlich wird jeder einzelne Block mit Hilfe einer Fast Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich transformiert. Das Ergebnis ist ein Leistungsspektrum für jede Winkelgeschwindigkeit [rpm].
Die Ergebnisse können dann in Form von diversen Diagrammen visualisiert werden (siehe Abb. 4). Bei der Ordnungsanalyse verwenden wir jedoch in der Regel ein 2D-Farbdiagramm, das die Vibrationsintensität als Farbe im Spektrum gegenüber der Drehzahl darstellt. Dieses kann als Frequenz- oder als Ordnungsspektrum dargestellt werden. Das Ordnungsspektrum verknüpft die Frequenzkomponenten im Beschleunigungssignal mit den Ordnungen der mechanischen Drehzahl. Dies ermöglicht die visuelle Verfolgung der Ordnung bei verschiedenen Drehzahlen in der Ordnungsspektrum-Darstellung und die Verfolgung der Frequenzkomponenten in der Frequenzspektrum-Darstellung (Abb. 3).
Abb. 3: Links: Frequenzspektrum vs. Drehzahl; rechts: Ordnungsspektrum vs. Drehzahl.
Warum ist die Ordnungsanalyse von Bedeutung?
Die Ordnungsanalyse ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das in der Maschinendiagnose zur Analyse von Geräuschen und Schwingungen rotierender Maschinen eingesetzt wird. Sie liefert wichtige Erkenntnisse über den Zustand, die Stabilität und mögliche Probleme innerhalb eines rotierenden Systems. Im Folgenden führen wir mehrere spezifische Gründe auf, warum die Ordnungsanalyse nützlich sein kann:
- Erkennung von Fluchtungs- und Lagerfehlern:
Fehlausrichtungen und Lagerfehler können sich als spezifische Muster im Ordnungsspektrum zeigen. Die Analyse dieser Muster hilft, das Problem zu erkennen und zu lösen. - Bestimmung der Unwucht:
Unwucht in rotierenden Maschinen kann zu unerwünschten Schwingungen führen. In einem solchen Fall ermöglicht die Ordnungsanalyse die Quantifizierung von Betrag und Phase der Unwucht bei bestimmten Ordnungen. Dadurch können Korrekturmaßnahmen (z. B. Auswuchten des Rotors) ergriffen werden. - Erkennung von Resonanz:
Resonanz ist ein Phänomen, bei dem die Eigenfrequenzen des Rotors mit bestimmten Ordnungen zusammenfallen. Die Ordnungsanalyse hilft bei der Erkennung und Minderung von Resonanzen. - Optimierung von Wartungsstrategien:
Die Ordnungsanalyse erleichtert die vorausschauende Instandhaltung, indem sie frühzeitig Anzeichen für potenzielle Probleme erkennt. Veränderungen im Ordnungsspektrum im Laufe der Zeit geben Aufschluss darüber, wann Instandhaltungsmaßnahmen, wie z. B. Auswuchten oder Ausrichten, wahrscheinlich notwendig werden. - Überwachung in Echtzeit:
Wenn die Ordnungsanalyse in Zustandsüberwachungssysteme integriert ist, liefert sie Echtzeit-Feedback. Dies ermöglicht eine sofortige Reaktion auf auftretende Probleme.
Zusammenfassend bietet die Ordnungsanalyse also ein umfassendes Verständnis des gesamten rotierenden Systems. Sie hilft dabei, Schwingungen zu interpretieren, potenzielle Probleme zu diagnostizieren, die Leistung zu optimieren und letztlich die Zuverlässigkeit und Effizienz rotierender Maschinen zu gewährleisten.
Wo wird sie eingesetzt?
Sobald es ein rotierendes System gibt, wird die Ordnungsanalyse zu einem
nützlichen und vorteilhaften Instrument. Daher wird die Ordnungsanalyse in verschiedenen Branchen eingesetzt. Hier sind einige Anwendungsbeispiele:
- Luft- und Raumfahrtindustrie:
Bei Flugzeugtriebwerken wird die Ordnungsanalyse zur Überwachung des Zustands und der Leistung von rotierenden Komponenten wie Turbinen und Kompressoren eingesetzt. - Autoindustrie:
In der Automobilindustrie wird sie zur Bewertung der Dynamik von rotierenden Komponenten in Motoren und Antriebssystemen eingesetzt. - Fertigung:
In Produktionsumgebungen wird es zur Bewertung des Zustands rotierender Maschinen wie Pumpen oder Motoren eingesetzt. - Erneuerbare Energien:
Windturbinen und Wasserkraftgeneratoren nutzen die Ordnungsanalyse, um den Zustand rotierender Komponenten zu bewerten. - Stromerzeugung:
Die Ordnungsanalyse ist von entscheidender Bedeutung in Kraftwerken, wo Turbinen und Generatoren für die Stromerzeugung eine wichtige Rolle spielen. - Öl- und Gasindustrie, Bergbau, Schienenverkehr usw.
Ordnungsanalyse mit OXYGEN
OXYGEN ist unsere umfassende, aber einfach zu bedienende Messsoftware. Die Software ist nicht nur für die Datenmessung konzipiert, sondern bietet auch unzählige Analyse- und Visualisierungswerkzeuge. Dazu gehört auch ein Ordnungsanalyseinstrument zur Berechnung und Visualisierung von Frequenz- und Ordnungsspektren. Neben Spektrogrammen und Intensitätsdiagrammen stehen viele weitere Funktionen zur Verfügung, wie z. B. die Extraktion gewünschter Ordnungen für eine detailliertere Analyse.
Hinweis: Die Ordnungsanalyse-Funktion von OXYGEN ist eine zusätzliche Software-Option und ist nicht in der Basisversion von OXYGEN enthalten.
Abb. 4: Beispiel für die Visualisierung der Ordnungsanalyse mittels OXYGEN.
DEWETRONs Ordnungsanalyse in Aktion
In den folgenden Videos zeigen wir ein vollständiges Anwendungsszenario, um die Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität dieser Funktion zu demonstrieren. Um ein reales Szenario darzustellen, zeigt das erste Video die Messung und Untersuchung von Rotationsschwingungen. Das zweite Video demonstriert dann die Ordnungsanalyse des erfassten Signals.
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Zusammengefasst:
Die Ordnungsanalyse ist ein leistungsstarkes Analysewerkzeug für rotierende und vibrierende Maschinen und Systemkomponenten. Sie untersucht bestimmte Frequenzkomponenten, die als „Ordnungen“ bezeichnet werden und Oberschwingungen in Bezug auf die Drehzahl der Maschine darstellen. Der grundlegende Prozess beinhaltet die FFT der Schwingungsdaten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Dies ermöglicht die Identifizierung und Visualisierung der jeweiligen Ordnungen und hilft bei der Diagnose von Problemen wie Fehlausrichtung, Unwucht und vielem mehr. Als solches ist sie ein unverzichtbares Werkzeug, um die Zuverlässigkeit und Effizienz von rotierenden Maschinen in verschiedenen Industriezweigen sicherzustellen.
