Deckblatt Baden-Württemberg 080403.indd

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
BADEN-WÜRTTEMBERG
Laservibrationsanalyse
Philipp Dietrich
Johanna Klees
Schule:
Deutschorden-Gymnasium
Kopernikusstr. 11
97980 Bad Mergentheim
Jugend forscht 2008
Jugend Forscht 2008 – Viva la Neugierde
Laservibrationsanalyse
Kann der Zustand von Maschinenlager durch
eine lasergestützte Analyse festgestellt werden?
Philipp Dietrich (18); Johanna Klees (18)
2007/2008
1.
Einleitung ................................................................................................................................................... 2
2.
Entwicklung des Analysesystems .............................................................................................................. 3
3.
Versuchsreihe „Filter“ ............................................................................................................................... 4
4.
Versuchsreihe „Laseranalyse Amplitude“ ................................................................................................. 5
5.
Versuchsreihe „Laseranalyse Frequenz“ ................................................................................................... 8
6.
Versuchsreihe „akustische Analyse Amplitude“...................................................................................... 10
7.
Versuchsreihe „akustische Analyse der Frequenz“ ................................................................................. 12
8.
Ergebnisse................................................................................................................................................ 14
9.
Diskussion ................................................................................................................................................ 14
10.
Ausblick ................................................................................................................................................ 15
11.
Danksagung ......................................................................................................................................... 16
12.
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................. 16
1. Einleitung
1.1.Hintergrund
Auf Grund der voranschreitenden Klimaerwärmung gewinnen regenerative Energiekonzepte und
Technologien immer mehr an Bedeutung. Sowohl im Bereich des Maschinenbaus, als auch auf dem Gebiet
der erneuerbaren Energiegewinnung werden zunehmend nachhaltige Konzepte entwickelt und Maschinen
optimiert. Eine wichtige Stellung haben dabei Windkraftanlagen.
Allerdings bergen diese Innovationen noch einige ungelöste technische Probleme. Vor allem an der
Optimierung der Lebensdauer technischer Anlagen und ihrer Ausfallanfälligkeit wird geforscht.
Jeder von Ihnen kennt zum Beispiel den Anblick stillstehender Windräder. Deren häufiger Ausfall liegt zum
Teil an den stark belasteten Lagern, welche zu Verschleiß neigen. Durch den Ausfall der Anlagen entstehen
erhebliche wirtschaftliche Schäden. Reparaturen sind oft langwierig und kostspielig.
Durch geeignete Früherkennungsmaßnahmen könnten diese Schäden schon im frühen Stadium erkannt
und behoben werden und so die Kosten gesenkt werden.
1.2.Ziel
Ziel ist es, eine Verschleißanalyse von Lagern zu entwickeln, die auf optischen Prinzipien beruht. Diese
sollte drei wesentliche Voraussetzungen erfüllen: Sie muss kostengünstig, leicht zu installieren und
auszuwerten sein.
2
1.3.Ideenfindung
Auf die Idee, sich mit diesem Problem auseinander zu setzen, veranlasste uns ein Vortrag der Firma
Wittenstein AG. Diese Firma entwickelt unter anderem Getriebe, die wie Lager einem Verschleiß
unterworfen sind. Der Referent, Herr Prof. Dr. Gschwendner sprach das Problem an und erklärte, dass die
Wittenstein AG zur Überprüfung ihrer Getriebe Vibrations-Sensoren verwendet. Diese Methode möchten
wir durch eine Laser-gestützte Analyse ergänzen, die besonders bei der Analyse von Windkraftanlagen ihre
Vorteile ausspielen kann. So kann sie aus der Ferne vorgenommen werden und kann sehr hohe
Genauigkeiten erzielen. Weiterhin ist sie einfach zu installieren und nur mit geringem technischem
Aufwand verbunden.
2. Entwicklung des Analysesystems
2.1.Funktionsprinzip
Ein Spiegel wird an einem vibrierenden Gegenstand fixiert. Wird er mit einem
Laserstrahl fokussiert, so lenkt er diesen Strahl aufgrund seiner Vibration aus. Diese
Auslenkung kann detektiert werden. Als Detektor des reflektierten Strahls dient eine
Solarzelle. Auf der Solarzelle befindet sich eine Folie mit graduellem Hell-DunkelVerlauf. Je nachdem, wo die Folie vom Laserstrahl getroffen wird, lässt sie mehr oder
weniger Licht bis zur Solarzelle durch. Für jede Position des Lasers auf der Solarzelle
wird eine Spannung erzeugt. Diese kann mit Hilfe einer Soundkarte aufgenommen
werden. Hierzu wird das einfache Audioprogramm Audacity verwendet, das die
Spannungen in Form eines Diagramms aufnimmt.
Abbildung 1
Schemazeichnung Kugellager
2.2.Modellversuche
Theoretisch ist unsere Methode für alle Arten von Lagern geeignet, insbesondere bei Windkraftanlagen
sollte sie von besonderem Nutzen sein. Da uns keine Windkraftanlage für unsere Experimente zur
Verfügung stand, haben wir das Prinzip zunächst an Modellversuchen untersucht. Wir benutzten dazu die
Kugellager von Fahrrädern.
Die ISO Norm 10816 sieht zu der Bewertung von Maschinenvibrationen Standards vor, welche von
Maschinen von 0-50 MW gelten. Diese werden dabei in drei Leistungsklassen eingeteilt, wobei die Stärke
der Vibration unterschiedlich bewertet wird. Das Prinzip ist jedoch unabhängig von der Leistung der
Maschine das gleiche. Somit lassen sich auch die Ergebnisse der vorgenommenen Laseranalyse am Modell
auf größere Maschinen übertragen.
2.3.Vorgehensweise
Zunächst wurde die Funktionsweise des Detektors validiert. Dann wurde bei der Laseranalyse die
Abhängigkeit der Amplitude von der Drehgeschwindigkeit untersucht und mit einem
Korrelationskoeffizienten überprüft. Hiernach wurde die Vibration von drei unterschiedlich gut erhaltenen
Laufrädern auf die Amplitude hin untersucht.
Weiterhin haben wir die auftretenden Frequenzen bei zwei Laufrädern mit Hilfe einer FFT-Analyse (Fast
Fourier Transformation) untersucht.
Die gleichen Versuchsreihen wurden von uns mit einer Referenzmethode, der akustischen Abhörung,
durchgeführt um die Laseranalyse besser einordnen zu können. Beide Ergebnisse wurden verglichen.
Außerdem konnten wir Feststellungen über die Aussagekraft der Laseranalyse treffen.
3
3. Versuchsreihe „Filter“
3.1.Fragestellung: Welcher Filter ist am besten geeignet um der Position eines
Laserpointers auf einer Solarzelle eine Spannung zuzuordnen?
3.2.Versuchsaufbau
Eine Solarzelle ist an eine Soundkarte angeschlossen, welche mit 44 kHz/16 Bit aufnimmt. Auf der Solarzelle
befindet sich ein Filter mit einem Hell-Dunkel-Verlauf. Nun wird ein Laserpointer (Wellenlänge von 640-660
nm, Leistung max. 1 mW) mit Hilfe einer Stichsäge über die Solarzelle bewegt [Abbildung 3]. Mit der
Soundkarte wird währenddessen aufgenommen.
Es werden zwei verschiedene Arten von Filtern verwendet. Auf Papier gedruckte Filter und bedruckte
Overheadfolien. Beide sind mit Öl eingerieben, um besser auf der Solarzelle zu haften und transparenter zu
sein.
3.3.Beobachtung
Abbildung 2 Overheadfolie: Die 12 Bewegungen der Stichsäge sind unregelmäßig
abgebildet.
Abbildung 4 bedrucktes Papier mit Öl: die 16 Bewegungen der Stichsäge werden gut
abgebildet.
Abbildung 3 Eine Stichsäge bewegt den
Laserpointer über eine definierte Strecke von
1,5cm
Bei den Versuchen fiel auf, dass die Bewegung schnell erfolgen muss, da die Soundkarte jede dauerhafte
Spannung nach ca. 2s als Null definiert. Der Maßstab in Y-Richtung gibt also die relativen Abweichungen
vom Wert Null an. Der Maßstab in X-Richtung ist die Zeitachse.
3.4.Diskussion
Ein bedrucktes Stück Papier mit Öl ist prinzipiell geeignet, einen Spannungswert der Position eines
Laserpointers zuzuordnen. Die Anzahl der Bewegungen der Stichsäge werden eindeutig abgebildet.
Die schlechten Ergebnisse mit der Overheadfolie liegen wahrscheinlich an der unzureichenden Auflösung
des Druckers. Durch die Druckpunkte wird der Laserstrahl oft kurz unterbrochen. Auf den Papierfiltern
macht sich dieser Effekt nicht bemerkbar da das Papier die Tinte aufsaugt und es so zu einer
gleichmäßigeren Farbverteilung kommt.
Die Eigenschaft der Soundkarte jede dauerhafte Spannung als Wert „null“ zu übernehmen wirkt sich nicht
auf die Versuchsreihen aus, da die zu erwartenden Frequenzen wesentlich höher sind.
In zukünftigen Versuchen wird sich der Laser wesentlich weiter von dem Detektor entfernt befinden. Das
hat zur Folge, dass der Laserstrahl wesentlich gestreuter ist. Dadurch können Unregelmäßigkeiten im Filter
gemittelt werden, sodass sie kaum noch Auswirkungen haben.
4
4. Versuchsreihe „Laseranalyse Amplitude“
4.1.Fragestellung: Kann man mit einem Laser den Zustand eines Lagers durch die
Amplitude bestimmen?
4.2.Versuchsanordnung
Zur Untersuchung verschiedener Räder wurde eine Haltevorrichtung konstruiert. Eine Fahrradgabel ist auf
ein Brett geschraubt [Abbildung 6]. Das Brett steht auf mehreren Füßen. Das Rad wird in diese Vorrichtung
gespannt. Ein Spiegel ist möglichst nah an der Nabe[Abbildung 6] mit Heißkleber fixiert und wird wie in [2.1
und Abbildung 5] beschrieben angeleuchtet.
An der Gabel befindet sich ein Sensor, wie man ihn von Fahrradtachos kennt. Er ist an den gleichen
Mikrophoneingang angeschlossen und soll den Anfang und das Ende einer Umdrehung markieren.
Spiegel
wurde hier
angeklebt
Abbildung 5 Schema des Versuchsaufbaus
Abbildung 6 Der
Versuchsaufbau. Auf dem Bild
nicht zu sehen ist ein Spiegel,
welcher nahe der Nabe am
Gabelschaft fixiert ist.
In die Gabel werden verschiedene Laufräder eingespannt:
a) Ritchey WCS Protocol (hochwertig und neu)
b) Shimano WHR-550 (qualitativ minderwertig und ca. 19000km gefahren)
c) Shimano 105 (ca. 15000km gefahren)
Die Räder werden per Hand angedreht, mit der Aufnahmesoftware „Audacity“ aufgenommen und mit
Adobe Audition 2.0 analysiert. Als Soundkarte wird eine Asus AC97 verwendet. Die Aufnahmelautstärke ist
dabei immer konstant: 0,9. (1 wäre der Maximalwert). Durch die Markierung des Impulses des
Fahrradtachosensors auf der Zeitachse des Aufnahmeprogramms, kann dem drehenden Rad jederzeit eine
Umdrehungsdauer T zugeordnet werden.
Der Abstand vom Spiegel zum Detektor beträgt in dieser Versuchsreihe 18,4m, da der Laser in dieser
Entfernung noch vollständig auf den Detektor trifft.
Weiterhin ist es wichtig, dass der Laserstrahl vollständig auf den Detektor trifft, da der Laserstrahl
quantitativ erfasst wird.
Es soll festgestellt werden ob die Lautstärke sich linear mit der Drehzahl verändert um spätere
Versuchsanordnungen mit unterschiedlich schnellen Drehzahlen vergleichen zu können. Dazu werden die
5
gemittelten Lautstärken von vier unterschiedlich schnellen Umdrehungen verglichen. Die Mittelung der
Lautstärke findet über drei Umdrehungen statt. Um die Linearität zu überprüfen wird der
Korrelationskoeffizient r mit dem Programm „Excel 2007“ bestimmt.
Zur Vergleichbarkeit der einzelnen Räder wird die Umdrehungsdauer T, sofern nicht anders erwähnt, auf
0,9s normiert. Das Fenster ist dementsprechend angepasst. Sofern nicht anders erwähnt sind in y-Richtung
0,4 Einheiten sichtbar. Die Maximalausschläge stammen von dem Fahrradsensor, der bei jeder Umdrehung
ein Signal abgibt.
4.3.Beobachtung
4.3.1.
Nulllinie
Abbildung 7 Aufnahme eines stillstehenden Laufrads. Die Nulllinie ist ruhig.
4.3.2.
Vergleich unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten des Laufrades WHR 550
Abbildung 8 schnelle Periode (T=0,66s); 0,8 Einheiten in Y-Richtung; große Ausschläge
Abbildung 9 langsame Periode (T=1,80s) 0,8 Einheiten in Y-Richtung kleine Ausschläge
Laufrad
Ritchey WCS Protocol
[rms=root mean square]
WHR 550
Shimano 105
b
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T1
0,982
-32,81
-24,43
2,052
-13,91
-9,4
2,455
-16,42
-10,27
T2
1,047
-32,78
-24,28
2,452
-14,3
-9,99
3,029
-17,61
-10,61
T3
1,122
-32,33
-23,86
3,041
-15,83
-10,45
4,179
-19,69
-11,39
T4
1,203
-31,9
-23,73
3,899
-17,49
-11,29
5,189
-21,4
-12,01
r
0,9988
0,9668
0,9752
0,9862
-0,9938
-0,9948
0,9917
-0,9994
-0,9997
Tabelle 1 Lautstärken in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit, gemittelt über drei Umdrehungen. Es wurden zwei Arten
der Mittelung verwendet: einmal die Werte der Peaks (Total) und einmal der Mittelwert durch Integrieren. Bei den stärker
vibrierenden Laufrädern (WHR und Shimano) weicht der Korrelationskoeffizient nur um 0,01 vom Idealwert ab. Beim Laufrad
Ritchey WCS gibt es nur sehr geringe Lautstärken. Die rot Markierten werden nicht kleiner mit abnehmender Drehfrequenz. Die
Werte des intakten WCS Protocol Laufrads sind im Vergleich zu den anderen Rädern sehr klein. Der Korrelationskoeffizient in
der Spalte der Periodendauer T gibt eine lineare Abnahme der Drehgeschwindigkeit an.
6
4.3.3.
Analyse der Amplitude des Laufrads Ritchey WCS
Abbildung 10 eine Periode des Laufrads WCS Protocol. Die Periodendauer ist T=0,9s. Es gibt kaum Ausschläge
4.3.4.
Analyse der Amplitude des Laufrads Shimano WHR 550
Abbildung 11 Graph des Laufrads WHR 550 T=0,9s Es gibt starke Ausschläge mit markanten Spitzen.
4.3.5.
Analyse der Amplitude des Laufrads Shimano 105
Abbildung 12 Graph des Laufrads Shimano 105 T=0,9s Es gibt kleine Ausschläge mit runden Spitzen.
4.4.Auswertung Amplitude
Aufgrund der sehr ruhigen Nulllinie sind
wenige Fehlmessungen zu erwarten. Dies
bestätigt die Messung am Laufrad Ritchey
WCS Protocol, die kaum Ausschläge
aufweist [Abbildung 10]. Das ist auch nicht
verwunderlich, da das Laufrad fabrikneu
und nicht beschädigt ist.
Abbildung 13 beschädigter Konus des
Abbildung 14 beschädigte Kugeln des
Das Laufrad WHR 550 wurde schon sehr
Laufrades WHR-550
Laufrades WHR-550
viel gefahren und zeigt schon erhebliche
Mängel im Lager. So sieht man in [Abbildung 13 und Abbildung 14] den stark
fortgeschrittenen Verschleiß der Laufflächen. Durch diese Faktoren kommt es zu starken Vibrationen
[Abbildung 11]. Die geringen Ausschläge des Laufrads Shimano 105 [Abbildung 12] entsprechen auch den
Erwartungen. Es wurde viel gefahren, ist aber noch einsatzfähig.
Der Vergleich der drei Laufräder zeigt also, dass es durchaus möglich ist, Beschädigungen anhand der
Amplitudenanalyse zu identifizieren und deren Progression zu verfolgen. Vergleicht man die Laufräder bei
gleicher Drehgeschwindigkeit, so gilt: Je höher die Amplitude des Graphen, desto stärker ist die
Beschädigung. In der [Tabelle 1] sind die Korrelationskoeffizienten nahe am Ideal. Die Lautstärke ist also
linear abhängig von der Drehgeschwindigkeit. Das ermöglicht eine von der Drehgeschwindigkeit
unabhängige Analyse, was die Methode flexibler macht.
7
5. Versuchsreihe „Laseranalyse Frequenz“
5.1.Fragestellung: Kann man mit einem Laser den Zustand eines Lagers durch die
Frequenz bestimmen?
5.2.Versuchsanordnung
Die Versuchsanordnung ist identisch mit der aus Versuchsreihe [4.2]. Bei der Untersuchung sollen jedoch
Aussagen über den Zusammenhang Drehgeschwindigkeit, Beschädigung und Frequenz gemacht werden.
Um das das Frequenzspektrum sichtbar zu machen, wird eine FFT-Analyse verwendet. Sie zeigt den Anteil
der Frequenzen zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einer Zeitspanne. Um ein gemitteltes Ergebnis zu
erzielen, werden jeweils drei Intervalle von drei Umdrehungen mit fünf Umdrehungen Abstand analysiert.
Da das Laufrad immer langsamer wird, können so drei Frequenzspektren unterschiedlicher
Drehgeschwindigkeit einander gegenüber gestellt werden. Hierbei wird mit Hilfe des
Korrelationskoeffizienten r die Abhängigkeit von drei Frequenzen von der jeweiligen Drehgeschwindigkeit
überprüft. Dies soll mindestens viermal geschehen.
Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Fenster der FFT Analyse auf folgende Werte normiert: 0 Hz-400 Hz in
X-Richtung; FFT Größe ist 16389; die Y-Achse wird an den Graphen angepasst.
5.3.Beobachtung
5.3.1.
FFT Analyse des Laufrads Ritchey WCS Protocol
Abbildung 15 Mit abnehmender Drehgeschwindigkeit sinkt die Frequenz. Die Maxima der langsamen Umdrehungen befinden
sich im niederfrequenteren Bereich (weiter links) als die der schnellen Umdrehungen. Die Frequenzen werden an den Maxima
der wellenförmigen Graphen gemessen.
8
5.3.2.
FFT Analyse des Laufrads WHR 550
Abbildung 16 Auch beim Laufrad WHR 550 nehmen die Frequenzen mit der Drehgeschwindigkeit ab. Hinzu kommt eine von der
Drehgeschwindigkeit unabhängiges Maximum bei 80 Hz
5.3.3.
FFT Analyse des Laufrads Shimano 105
Abbildung 17 Auch bei diesen Laufrad zeigt sich eine Abhängigkeit der Frequenzen von der Drehgeschwindigkeit. Das
drehzahlunabhängige Maximum bei 80 Hz tritt erst bei einer FFT-Größe von 65536 auf (blau). Durch die bessere Regression
werden mehr Details gezeigt.
9
5.4.Auswertung
Wegen der ruhigen Nulllinie sind keine Fehlmessungen zu erwarten [Abbildung 7].
Die beiden Peaks bei 80 HZ sind Eigenresonanzen des Versuchsaufbaus, da sie sich nicht mit der
Drehgeschwindigkeit verändern [Abbildung 16; Abbildung 17]. In [Abbildung 15] werden die Resonanzen
nicht ausreichend angeregt um sichtbar zu werden.
Die übrige Verschiebung der Frequenzen ist linear mit der Drehgeschwindigkeit. Der Korrelationskoeffizient
ist immer im Bereich -0,97 bis -1 und spricht somit für einen linearen Zusammenhang. In [Abbildung 16]
befindet der Korrelationskoeffizient zwischen -0,99 und -1. Die Frequenzanalyse ist also grundsätzlich
hilfreich bei der Lagerüberwachung. Die FFT-Analyse macht es möglich, die Schwingungsfrequenzen eines
Lagers von denen benachbarter Komponenten zu unterscheiden. So besteht beispielsweise ein Windrad
aus einem Getriebe und einem Lager. Mit Hilfe der FFT-Analyse und der bekannten Drehgeschwindigkeit
können überlagerte Schwingungen diesen Bauteilen zugeordnet werden (siehe Parametrierung und
Inbetriebnahme eines Wälzlagerwächters).
6. Versuchsreihe „akustische Analyse Amplitude“
6.1.Fragestellung: Decken sich die Ergebnisse einer Mikrophonanalyse der
Amplitude mit der Laseranalyse?
6.2.Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau ähnelt dem in [4.2]. Ein Unterschied ist, dass ein als Mikrophon umfunktionierter
Lautsprecher als Detektor zum Einsatz kommt [Abbildung 6].
Sofern nicht anders erwähnt, dauert eine Umdrehung 0,45s. Das Fenster ist in t-Richtung entsprechend
angepasst. In y-Richtung sind 0,4 Einheiten sichtbar.
6.3.Beobachtung
6.3.1.
Nulllinie:
Abbildung 18 Aufnahme eines stillstehenden Laufrads. Es gibt kaum Störungen, die die Messung beeinflussen könnten.
6.3.2.
Vergleich unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten des Laufrades WHR 550
Abbildung 19 Amplitude bei Periodendauer
=0,35s Die Amplitude ist relativ groß.
10
Abbildung 20 Amplitude bei Periodendauer
0,35s.
Laufrad
Ritchey WCS Protocol
WHR 550
Shimano 105
=0,53s Die Amplitude ist wesentlich kleiner als in bei einer Periodendauer von
b
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T [s]
Ø rms [dB]
Total rms [dB]
T1
0,975
-32,65
-24,36
1,098
-25,83
-25,67
1,3
-29,36
-23,64
T2
1,033
-31,09
-25,38
1,185
-26,55
-25,98
1,398
-30,14
-24,42
T3
1,112
-30,47
-23,87
1,289
-26,73
-25,96
1,522
-29,84
-23,89
T4
1,19
-30,45
-24,02
1,414
-26,2
-25,14
1,665
-29,95
-23,65
r
0,9976
0,8719
0,5261
0,9967
-0,3439
0,5968
0,9966
-0,518
0,2456
Tabelle 2 Bei der akustischen Analyse zeigt sich kein Zusammenhang zwischen Lautstärke und Umdrehungsgeschwindigkeit,
zumindest nicht bei einem kleinen Drehgeschwindigkeitsunterschied.
6.3.3.
Analyse der Amplitude des Laufrads Ritchey WCS Protocol
Abbildung 21: zwei Perioden des Laufrads WCS Protocol. Es sind kaum Vibrationen im Verlauf einer Umdrehung sichtbar.
6.3.4.
Analyse der Amplitude des Laufrads Shimano WHR 550
Abbildung 22 vier Perioden von Laufrad WHR 550. Es sind starke Vibrationen im Verlauf einer Umdrehung sichtbar.
6.3.5.
Analyse der Amplitude des Laufrads Shimano 105
Abbildung 23 1,2s des Laufrads Shimano 105. Es sind schwache Vibrationen im Verlauf einer Umdrehung sichtbar.
6.4.Auswertung
Wegen der ruhigen Nulllinie sind keine Fehlmessungen zu erwarten.
Die Abhörung von Maschinen und insbesondere ihren Lagern ist ein etabliertes, industriell erprobtes
Verfahren. Dies zeigt sich auch in dieser Versuchsreihe: ein Mikrophon oder Stethoskop kann eindeutig an
Hand der Amplitude ein defektes von einem neuen Lager unterscheiden. So sieht die gemessene Amplitude
11
in [Abbildung 21]fast wie die Nulllinie aus, während sie in [Abbildung 22] viele Ausschläge hat. Dies stimmt
mit der Verwendungsdauer der Laufräder überein. Bei der Amplitudenanalyse gilt hier also: Je höher die
Amplitude, desto größer der Lagerschaden.
Anders als bei der Laseranalyse besteht kein unmittelbarer Zusammenhang der Drehgeschwindigkeit und
der Lautstärke. Dafür sprechen die stark abweichen Korrelationskoeffizienten in [Tabelle 2]. Erst bei großen
Unterschieden der Drehgeschwindigkeit lässt sich eine Abweichung der Amplitude beobachten [Abbildung
19; Abbildung 20].
Da die Ergebnisse dieser Versuchsreihe bezüglich des Zusammenhangs von Amplitude und Zustand des
Laufrads identisch mit denen der Laseranalyse sind, bestätigen sie diese. Auch diese Ergebnisse lassen sich
im Sinne der ISO Norm 10816 auf größere Maschinen übertragen.
7. Versuchsreihe „akustische Analyse der Frequenz“
7.1.Fragestellung: Decken sich die Ergebnisse einer Mikrophonanalyse der
Frequenz mit der Laseranalyse?
7.2.Versuchsanordnung
Die Versuchsanordnung wird analog zu [5.2] mit einem Mikrophon als Detektordurchgeführt. Die Kriterien
zur Bestimmung einer drehzahlabhängigen Frequenz bleiben die gleichen.
7.3.Beobachtung
7.3.1.
FFT Analyse des Laufrads Ritchey WCS Protocol
Abbildung 24 Bei diesem Laufrad sieht man die Linksverschiebung der Frequenzen mit sinkender Drehzahl
12
7.3.2.
FFT-Frequenzanalyse des Laufrads WHR 550 über 3s
Abbildung 25 Im Gegensatz zu den anderen Laufrädern lassen sich hier keine Frequenzmaxima erkennen.
7.3.3.
FFT-Analyse des Laufrades Shimano 105 über 3s
Abbildung 26 Hier lassen sich die Verschiebungen der Frequenzen mit abnehmender Drehzahl erkennen.
13
7.4.Auswertung
Wegen der ruhigen Nulllinie sind keine Fehlmessungen zu erwarten [Abbildung 18].
Grundsätzlich stimmen die Ergebnisse der Frequenzanalyse durch Laser und Mikrophon überein.
Auch bei der Mikrophonanalyse ist eine Linearität von Drehgeschwindigkeit und Frequenzen zu
beobachten: [Abbildung 24; Abbildung 26] zeigen beide geringe Abweichungen. In [Abbildung 24] sind alle
Korrelationskoeffizienten unter -0,99, was die Linearität weiter untermauert.
Es gibt keine erkennbaren Resonanzen. Allerdings treten in [Abbildung 26]Überlagerungen im Bereich 100200 Hz auf. Der Graph aus Abbildung [Abbildung 25] lässt sich statistisch nicht auswerten.
Die akustische Analyse ist also im Gegensatz zur Laseranalyse nur begrenzt zur Identifikation von sich
drehenden Bauteilen einsatzfähig: Bei 3 Testobjekten versagte sie einmal.
8. Ergebnisse
Die verschiedenen Versuchsreihen haben gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen dem Zustand eines
Radlagers und seinem Graphen besteht. Im Einzelnen konnten folgende Aussagen gemacht werden:
a) Je schlechter der Zustand des Lagers, desto größer ist die Amplitude.
b) Die akustische Analyse stimmt mit der Laseranalyse bezüglich des Zusammenhangs von Amplitude
und Beschädigung überein.
c) Resonanzen des Versuchsaufbaus müssen beachtet bzw. in dem zu analysierenden Bereich
vermieden werden.
d) Die gemessenen Frequenzen hängen auch von der Drehgeschwindigkeit ab. Daher können Bauteile
mit bekannter Drehgeschwindigkeit anhand ihrer Frequenz identifiziert werden.
e) Bei zwei von drei Laufrädern hängt die Lautstärke linear von der Drehgeschwindigkeit ab.
f) Die Laseranalyse ist sensibler als die akustische Methode. Sie ist somit geeigneter zur
Vibrationsanalyse.
9. Diskussion
Grundsätzlich sind nur die gemessenen Frequenzen absolute werde. Bei den Amplituden wurden immer
nur unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten oder Objekte verglichen.
In der Filterversuchsreihe [3] zeigt sich zwar ein Zusammenhang zwischen
Bewegung der Stichsäge und Graphen. Es ist allerdings nicht möglich einer
Position eine eindeutige Amplitude zuzuordnen. Das hat keinen Einfluss auf die
Versuchsreihen, da wir Schwingungen vergleichen und daher absolute Werte
Großes
nicht nötig sind.
Lager
Den Zusammenhang zwischen Lautstärke und Drehgeschwindigkeit [4]konnten
wir durch den Korrellationskoeffizienten genau bestimmen. Bei der Analyse des
Zusammenhangs von Amplitude und Lagerschaden wäre es von Vorteil gewesen,
die Progression des Schadens eines Laufrades zu verfolgen. Da diese aber erst im
Lauf von 20000km und mehr sichtbar wird, war dies nicht durchführbar.
Das Laufrad per Hand anzudrehen war in unserem Fall von Vorteil, da so
eventuelle Vibrationen eines Antriebssystems nicht vorhanden waren.
Am Modell funktioniert die Laseranalyse also sehr gut. Laut der schon zitierten
Norm ISO 10816 ist auch eine Übertragung der Methode auf größere Maschinen
Mögliche
Positionierung
des Spiegels
14
möglich. Dies muss allerdings in weiteren Versuchsreihen an größeren Objekten überprüft werden. Zum
Beispiel muss eine geeignete Befestigung für den Spiegel definiert werden.
Versucht man die Methode Laseranalyse einzuordnen, so gilt für sie zunächst einmal Gleiches wie für alle
anderen Vibrationsmessungen: Es sind Referenzmessungen zur Überwachung der Schadensprogression
notwendig. So muss eine Maschine im intakten Zustand untersucht werden, um Vergleichswerte zu haben,
mit deren Hilfe ein Schaden identifiziert werden kann. Sinnvoll ist dies bei Bauteilen, deren Ausfall großen
Schaden verursacht wie Lager von Windrädern oder Kraftwerksturbinen.
Neben diesen Merkmalen die für alle Vibrationsanalysen gelten, gibt es bei der Laser-gestützten Analyse
noch weitere Faktoren zu beachten. So ist die Nulllinie sehr wichtig, um störende Lichteinflüsse zu
berücksichtigen. Diese waren bei unseren Versuchsreihen das 60 Hz Flimmern des Computerbildschirms.
Weiterhin muss die Entfernung von Detektor und Spiegel beachtet werden. Auch kann es unter Umständen
schwer sein die Ausrichtung des Spiegels so zu wählen, dass er auf den Detektor trifft.
Vorteile der Laseranalyse sind die Genauigkeit, welche durch die Entfernung vom zu messenden Objekt
beliebig gesteigert werden kann und die Unabhängigkeit von Umgebungslärm.
Außerdem vereint die Laservibrationsanalyse zwei erprobte Verfahren: das Lasermikrophon als
Abhöreinrichtung (Williamson Labs, 1999) und die Maschinenvibrationsanalyse. Dabei benötigt man nur
einen Computer, einen handelsüblichen Laser, einen Spiegel und eine Solarzelle. Das macht sie gerade
unter wirtschaftlichen Aspekten sehr interessant, da besagtes Material meist schon vorhanden ist.
Auch die Kompatibilität der gewonnenen Daten ist sehr hoch: Es handelt sich um ganz normale
Sounddateien, welche sogar über Telefonleitungen übertragen werden können. Somit können die Daten
einfach mobil gemacht werden, was das Einsatzspektrum weiter vergrößert.
Zudem ist sie berührungslos, was in vielen Fällen von Vorteil ist: sie beeinflusst das zu analysierende Teil
nicht, und muss nicht montiert werden. Auch kann sie an extrem heißen Stellen eingesetzt werden, wie
Turbinen oder Motoren.
10.
Ausblick
Im Verlauf der Versuchsreihen sind wir auf diverse Probleme gestoßen, welche vor allem auf das
verwendete Material zurückzuführen sind. Somit waren absolute Aussagen bisher nur über die Frequenz
möglich.
Das liegt zum einem an der Soundkarte. Oft ist die Empfindlichkeit nicht für alle Frequenzen gleich hoch,
besonders niedrige Frequenzen werden schlechter aufgenommen. Zwar kann dieses Problem durch das
Bestimmen einer Kennlinie behoben werden, der Aufwand einer Messung würde jedoch erhöht werden.
Alternativ können auch statt 44 kHz niedrigere Samplingraten (Aufnahmen pro Sekunde) benutzt werden,
was im Allgemeinen die Aufnahmeempfindlichkeit im niederfrequenten Bereich erhöht. Die verwendete
Soundkarte bot diese Möglichkeit nicht. Ein weiteres Problem ist der Klirrfaktor: er gibt die Tendenz von
Audiogeräten an, Obertöne zu messen, die es nicht gibt. Dieses Phänomen tritt vor allem bei
Übersteuerung auf. Daher werden wir zukünftige Messungen mit einer besseren Soundkarte durchführen.
Ein solches Aufnahmegerät zeichnet sich durch einen geringeren Klirrfaktor und eine konstante
Empfindlichkeit aus.
Alternativ können Informationen über die Amplitude auch in Frequenzen moduliert werden. So bedeutet
beispielsweise eine niedrige Frequenz eine kleine Amplitude und eine hohe Frequenz eine große
Amplitude. Dabei gehen allerdings die Frequenzinformationen des ursprünglichen Signals verloren. Diese
müssten also in einem anderen Kanal aufgenommen werden, was bei Stereoaufnahme kein Problem ist.
15
Weitere Messungen an schnell drehenden Objekten haben auch den Verdacht nahegelegt, dass eine
Solarzelle kein idealer Detektor ist: Bei der Analyse eines Ventilators ist beispielsweise aufgefallen, dass ab
1200Hz nur noch wenige Peaks gemessen wurden. Ein Test mit einem Sinusgenerator bestätigte diesen
Verdacht: Die Soundkarte kann einen durch eine Diode erzeugtes Sinussignal ab 1200 Hz nicht mehr klar
darstellen. Gelöst haben wir das Problem durch die Verwendung einer Fotodiode, welche Frequenzen bis in
den Megahertz Bereich messen kann. Da in den beschriebenen Versuchen nur Frequenzen in Bereich bis
500 Hz verwendet wurden, beeinflusst die Trägheit die Versuchsergebnisse nicht.
Ein weiteres Problem ist auch die in der ISO Norm 10816 verwendete effektive Schwinggeschwindigkeit.
Um ein Verhältnis zwischen ihr und unseren Graphen herzustellen brauchen wir ein definiert schwingendes
Objekt. Dies ist allerdings kein spezielles Problem der Laseranalyse, da jedes Messinstrument zuerst geeicht
werden muss. Wir beabsichtigen diese Schwingung mit einem Lautsprecher zu erzeugen, dessen Vibration
einen Laser auslenkt. Die Eigenschaften der Auslenkung sind durch die Frequenz und die Amplitude
festgelegt. Die maximale Amplitude kann durch Langzeitaufnahmen mit einer Kamera feststellt werden.
Somit hat man eine durch Frequenz und Amplitude definierte Schwingung, mit deren Hilfe man den
Detektor eichen kann. Auch sind wir mit der Firma EBM-Papst sowie der Würth Universität in Kontakt, um
Zugang zu einem Testgerät zu bekommen, welches eine definierte Schwingung erzeugen kann. Mit Hilfe
solch einer Eichung könnten auch Aussagen bezüglich der ISO konformen Schwinggeschwindigkeit- und
Beschleunigung getroffen werden.
11.
Danksagung
Herrn Appel für die Erklärung der notwendigen mathematischen Prinzipien.
Frau Beckhaus-Kropp für das Korrekturlesen.
Herrn Knab für die Hilfe bei der Patentanmeldung.
12.
Literaturverzeichnis
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von http://www.pruftechnik.com/cm/deutsch/whatcm/iso.htm
Logothetis, M. (20. 03 04). Parametrierung und Inbetriebnahme eines Wälzlagerwächters. Abgerufen am
29. 12 2007 von „Parametrierung und Inbetriebnahme eines Wälzlagerwächters“, Michael Logothetis u.a.,
Technikerschule Hannover, http://www.tsh.ipactive.de/labore/neu_19_07_04/Schwingung.htm
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