Demystifying Vibration Monitoring Part 4: Diagnosing Imbalance, Misalignment, Looseness, and Bearing Wear
08.04.2025
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Teil 1: Warum Schwingungsüberwachung so wichtig ist und wie sie funktioniert
Teil 2: Prinzipien der Schwingungsanalyse für rotierende Maschinen
Teil 3: Identifizierung und Interpretation allgemeiner Schwingungs- und Fehlermuster
Teil 4: Diagnose von Unwucht, Fehlausrichtung, Spiel und Lagerverschleiß
Die vier häufigsten Maschinenfehler
Jede Maschinenkomponente erzeugt ein einzigartiges Schwingungssignal. Die im Spektrum dargestellten Signale bilden häufig charakteristische Muster. Die Mustererkennung ist ein wichtiger Teil der Schwingungsanalyse, aber zum Erkennen und Ablesen der Muster sind umfangreiche Schulungen und Erfahrungen erforderlich.
Verschwenden Sie keine Zeit damit, Hunderte seltener Maschinenfehler zu analysieren. Rotierende Maschinen leiden in 90 % der Fälle unter vier häufigen Fehlern: Fehlausrichtung, Unwucht, Spiel und Lagerverschleiß.
Übersichtstabelle der vier häufigsten Fehler
Nachfolgend finden Sie eine vereinfachte Übersicht über die Muster zur Erkennung der vier häufigsten Maschinenfehler.
Unwucht
Eine Unwucht ist eine schwere Stelle an der Welle, die Kräfte in alle radialen Richtungen erzeugt, was zu übermäßigen Schwingungen führt und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöht. Siehe dazu Abbildung 2 unten.
Fehlausrichtung
Von einer Fehlausrichtung spricht man, wenn die Drehachsen zweier Wellen unter normalen Betriebsbedingungen nicht auf einer Linie liegen. Dies führt zu Kräften, die übermäßige Schwingungen verursachen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Einzelheiten entnehmen Sie bitte der nachstehenden Abbildung 3.
Spiel
Von Spiel spricht man, wenn sich die Welle, das Fundament oder ein Bauteil gelockert hat, was Kräfte verursacht, die zu übermäßigen Schwingungen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Siehe dazu Abbildung 4.
Lagerversagen
Lager verschleißen durch übermäßige Belastungen, andere Fehler an der Maschine, mangelhafte Schmierung oder Montage usw. Werden diese Mängel nicht behoben, versagen die Lager schließlich. Abbildung 5 zeigt, wie sich das äußert:
Warum Lagerfrequenzen nicht synchron sind (nicht ganzzahlige Spitzenwerte)
Die Geometrie von Wälzkörpern, Käfig und Laufringen zeigt sich bei unterschiedlichen Drehzahlen – nicht als Vielfaches der Wellendrehzahl. Das bedeutet, dass nicht synchrone Spitzen typischerweise von Wälzlagern stammen. Viele Schwingungsprogramme benötigen vier Lagerfrequenzen zur Diagnose von Lagerfehlern: Innenring, Außenring, Käfig und Kugeldrehung (siehe Abbildung 6). Eine Ausnahme ist das Fluke 810, das mit automatischer Mustererkennung arbeitet.
Abbildung 7 (unten) zeigt einen beispielhaften Lagerfehler.
Beachten Sie, dass die Schwingungsspitze der Welle bei 1× liegt. Wenn die Maschine ein Pumpenlaufrad mit vier Schaufeln hat, zeigt sich eine kleinere Spitze bei 4×.
Aber was ist die große Spitze bei 3,56×? Eine Maschine kann nicht 3,56 Lüfterflügel oder 3,56 Pumpenschaufeln haben. Das Signal ist wahrscheinlich auf ein Rollenlager zurückzuführen.
Verständnis des Schweregrads der vier häufigsten Fehler
Der Schweregrad der vier häufigsten Fehler lässt sich im Zeitverlauf anhand der Datenhistorie von Hunderttausenden von Maschinen nachvollziehen, die über einen Zeitraum von 30 Jahren von zahlreichen Schwingungsexperten analysiert wurden.
Diese Kenntnisse und Erfahrungen sind in regelbasierte Algorithmen und eine Referenzdatenbank eingeflossen, die sich bei gängigen rotierenden Maschinen – Motoren, Pumpen, Lüftern, Kompressoren, Gebläsen und einwelligen Spindeln – als wirksam erwiesen haben.
Der Verlauf von Maschinenfehlern wurde für jede Maschinenklasse und jeden Fehler analysiert, und es sind Muster entstanden, die es dem Diagnoseprogramm in einem Schwingungsmessgerät ermöglichen, den Schweregrad jedes Fehlers genau zu diagnostizieren. Im Folgenden wird beschrieben, wie ein erfahrener Analyst die Daten manuell analysiert. Beachten Sie jedoch, dass ein Testgerät wie das Fluke 810 alle diese Schritte automatisch durchführt.
Fortschreitende Unwucht: Beobachten Sie, wie sich der Zustand weiter verschlechtert
Eine schwere Stelle an der Welle verursacht Kräfte in alle radialen Richtungen, die zu übermäßigen Schwingungen führen und den Verschleiß von Lagern, Dichtungen usw. erhöhen. Anzeichen für eine Unwucht sind eindeutig: überdurchschnittlich hohe 1×-(Wellen-)Schwingungen in radialer und tangentialer Richtung.
Da 1× am besten im niedrigen Bereich zu erkennen ist, suchen Sie nach einer Unwucht, indem Sie die 1×-Spitzen im niedrigen Bereich vergleichen. Wenn die 1×-Spitzen im Laufe der Zeit in radialer und/oder tangentialer Richtung, jedoch nicht in axialer Richtung, ansteigen, liegt eine Unwucht vor.
Der Schweregrad wird durch die Amplitude der 1×-Spitze über der Basislinie bestimmt.
Beobachten Sie den Verlauf des Fehlergrads in jeder Phase der Unwucht, und beachten Sie die in Abbildung 8 unten vorgeschlagenen Reparaturmaßnahmen.
Fortschreitende Fehlausrichtung: Beobachten Sie, wie sich der Zustand weiter verschlechtert
Die Drehachsen zweier Wellen liegen nicht auf einer Linie, während die Maschine unter normalen Betriebsbedingungen läuft. Das führt zu übermäßigen Schwingungen und erhöht den Verschleiß an Lagern, Dichtungen usw.
Die Anzeichen für eine Fehlausrichtung sind klar erkennbar. Dazu gehören überdurchschnittlich hohe 1×-(Wellen-)Schwingungen in axialer Richtung und 2×-Schwingungen in radialer/tangentialer Richtung.
Die erhöhten Spitzen sind auf der Motor- und Pumpenseite zu beobachten, da die Fehlausrichtung zwischen den beiden Wellen besteht.
Da die 1×- und 2×-Spitzen im niedrigen Bereich am besten zu erkennen sind, sollten Sie beim Prüfen auf Fehlausrichtung die 1×- und 2×-Spitzen im niedrigen Bereich vergleichen. Wenn die Spitzen im Laufe der Zeit zunehmen, liegt der Fehler in einer Fehlausrichtung.
Der Schweregrad wird durch das Ausmaß der Amplitudenerhöhung über der Basislinie bestimmt.
Beobachten Sie den Verlauf des Fehlerschweregrads in jeder Phase der Fehlausrichtung, und beachten Sie die in Abbildung 9 vorgeschlagenen Reparaturmaßnahmen.
Fortschreitendes Spiel: Beobachten Sie, wie sich der Zustand weiter verschlechtert
Die Welle, das Fundament oder eine Komponente hat sich gelockert. Dadurch entstehen Kräfte, die zu übermäßigen Schwingungen führen und den Verschleiß an Lagern, Dichtungen usw. erhöhen.
Anzeichen für Spiel sind klar erkennbar. Dazu gehören überdurchschnittlich hohe 1×-Oberschwingungen in jeder Richtung. Da diese Oberschwingungen im niedrigen Frequenzbereich am besten erkennbar sind, suchen Sie nach Spiel, indem Sie die 1×-Oberschwingungen im niedrigen Frequenzbereich vergleichen.
Wenn die 1×-Oberschwingungen über die Zeit in einer Richtung oder allen Richtungen zunehmen, ist Spiel vorhanden. Der Schweregrad wird durch die Amplitude der 1×-Oberschwingungen über der Basislinie bestimmt.
Beobachten Sie den Verlauf der Schwere des Fehlers in jeder Abstufung des Spiels, und beachten Sie die unten in Abbildung 10 vorgeschlagenen Reparaturmaßnahmen.
Fortschreitender Lagerverschleiß: Beobachten Sie, wie sich der Zustand weiter verschlechtert
Anzeichen für Lagerschäden können kommen und gehen. In einem Monat sind sie vorhanden und im nächsten nicht. Wir alle wissen, dass Lager mit der Zeit nicht besser werden.
Beachten Sie dies bei der Diagnose von Lagerfehlern. Achten Sie auf nicht ganzzahlige Spitzenwerte in beliebigen Richtungen. Beobachten Sie den Verlauf der Schwere des Lagerfehlers in jeder Phase des Lagerverschleißes, und beachten Sie die empfohlenen Reparaturmaßnahmen (siehe Abbildung 11). Hinweis: Die Motordaten sind normal.
In der Regel wird der Lagerverschleiß durch andere Faktoren verursacht, die auf die Lager wirken. Wenn Ihre Lager frühzeitig versagen, suchen Sie nach anderen kleineren Fehlern an der Maschine wie Unwucht, Fehlausrichtung oder Spiel. Beispielsweise kann sich eine geringe Fehlausrichtung im Laufe der Zeit verschlimmern. Die Auswirkungen dieser Fehlausrichtung erhöhen mit der Zeit die Belastung für Lager und Dichtungen.
Achten Sie darauf, dass das verwendete Prüfgerät alle in der Maschine festgestellten Fehler anzeigt, damit Sie potenzielle Ursachen für den Ausfall erkennen können. Selbst wenn die Fehlausrichtung nicht übermäßig stark ist, sollte sie dennoch diagnostiziert und korrigiert werden, um Folgeschäden an den Lagern und Dichtungen zu vermeiden.
Fazit: Von Schwingungssignalen zu intelligenter Wartung
In dieser Reihe haben wir erläutert, wie Schwingungen entstehen, welche Informationen sie liefern und in welchem direkten Zusammenhang sie mit den häufigsten Störungen an rotierenden Maschinen stehen. Aber das Wichtigste ist:
Durch die Schwingungsüberwachung erhalten Wartungsteams das richtige Signal zur richtigen Zeit.
Sie ermöglicht frühzeitiges Planen und Handeln, ist aber gleichzeitig präzise genug, um Störsignale und Fehlalarme zu vermeiden. Sie reicht von einfachen Screening-Tools bis hin zu fortschrittlichen Diagnosesystemen und holt die Techniker dort ab, wo sie gerade stehen – ganz gleich, ob sie Probleme identifizieren oder Ursachen ermitteln.
Da die Teams immer mehr Anlagen mit immer weniger Ressourcen warten müssen, ist die Schwingungsmessung mehr als nur reines Messen. Es wird zu einer Strategie.
Mit den richtigen Werkzeugen und einem klaren Verständnis dafür, was die Schwingungen bedeuten, können Sie auf reaktive Reparaturen verzichten und stattdessen zustandsorientiert planen. So halten Sie Ihre Maschinen länger am Laufen und erleben weniger Überraschungen.
Biografie des Autors: John Bernet ist Spezialist für mechanische Anwendungen und Produkt bei Fluke Corporation. Mit über 30 Jahren Erfahrung in der Instandhaltung und dem Betrieb von Kernkraftwerken und Maschinen in kommerziellen Anlagen hat John mit Kunden aus allen Branchen zusammengearbeitet und Zuverlässigkeitsprogramme implementiert. Er ist zertifizierter Schwingungsanalytiker der Kategorie II und zertifizierter Wartungszuverlässigkeitsexperte (CMRP) mit über 20 Jahren Erfahrung in der Diagnose von Maschinenfehlern.