Top 10 Maschinenausfälle - Der Ultimative Leitfaden zur Schwingungsanalyse

Was Sind Maschinenausfälle?

Maschinenausfälle treten auf, wenn eine Maschine oder ein Gerät aufhört, korrekt zu funktionieren, was zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust seiner Betriebsfähigkeiten führt. Diese Ausfälle können aus verschiedenen Faktoren resultieren, darunter mechanische Probleme, elektrische Probleme, Softwarefehler oder Umweltbedingungen. Das Verständnis der Ursachen von Maschinenausfällen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Effizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Industrieanlagen.

Die Implementierung einer proaktiven Wartungsstrategie wie der vorausschauenden Wartung kann dabei helfen, potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie zu Ausfällen führen. Regelmäßige Inspektionen, ordnungsgemäße Schmierung und zeitnahe Reparaturen sind unerlässlich, um Maschinen in gutem Betriebszustand zu halten. Darüber hinaus kann die Schulung der Bediener und die Aufrechterhaltung einer sauberen Arbeitsumgebung das Risiko von Maschinenausfällen weiter reduzieren.

Lassen Sie uns die 10 häufigsten Maschinenausfälle und deren Erkennung erkunden.

Mechanische Maschinenausfälle

Unwucht

Unwucht tritt auf, wenn eine rotierende Maschine, wie ein Ventilator, Motor oder eine andere rotierende Maschine, ihr Gewicht ungleichmäßig verteilt hat. Stellen Sie sich eine Waschmaschine während des Schleudervorgangs vor, bei der alle Kleidungsstücke auf einer Seite aufgehäuft sind; sie würde stark vibrieren und viel Lärm machen. Dies ähnelt dem, was passiert, wenn eine Maschine eine Unwucht aufweist.

Wenn das Gewicht in einer rotierenden Maschine nicht gleichmäßig verteilt ist, verursacht es ein Schwanken der Maschine beim Drehen. Dieses Schwanken führt zu mehreren Problemen, einschließlich übermäßiger Schwingungen, die zerstörerisch sein können. Die Maschine wird mehr als normal vibrieren, und diese Schwingungen können weitere Probleme verursachen. Eine unwuchtige Maschine erzeugt laute und merkliche Geräusche, die störend sein können und darauf hinweisen, dass etwas nicht stimmt. Darüber hinaus kann die konstante Vibration dazu führen, dass Maschinenteile schneller verschleißen oder sogar brechen, was zu kostspieligen Reparaturen und Ausfallzeiten führt.

Unwucht kann mit Beschleunigungssensoren und spezieller Software wie Digivibe MX® M10 erkannt werden. Mithilfe dieser Werkzeuge können Sie die Schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Signals überprüfen, die einen sehr deutlichen Peak bei der Rotationsgeschwindigkeit der Maschine (1X) zeigt. Der Schweregrad der Unwucht hängt von der Art der rotierenden Maschine ab. Um die erwarteten Werte für verschiedene Maschinen zu ermitteln, können Sie Normen wie ISO 10816 heranziehen.

In einigen Fällen benötigen Sie eine Auswuchtmaschine, um die Auswuchtarbeit durchzuführen. Eine Auswuchtmaschine hilft, indem sie die Unwucht genau identifiziert und präzise Korrekturen ermöglicht. Dieses Gerät ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Maschine reibungslos und effizient arbeitet, Verschleiß reduziert und potenzielle Schäden verhindert.

Sehen Sie sich dieses Video an, um mehr über Unwucht zu erfahren

Kupplungsfehlausrichtung

Kupplungsfehlausrichtung tritt auf, wenn die Wellen von zwei verbundenen Maschinen, wie einem Motor und einer Pumpe, nicht korrekt ausgerichtet sind. Diese Fehlausrichtung kann auf zwei Hauptweisen auftreten: Winkelfehlausrichtung, bei der die Wellen in einem Winkel zueinander stehen, und Parallelfehlausrichtung, bei der die Wellen nicht parallel sind und horizontal oder vertikal versetzt sind.

Kupplungsfehlausrichtung kann zu mehreren Problemen in Maschinen führen, darunter erhöhte Schwingungen, übermäßiger Verschleiß an Lagern und Kupplungen sowie mechanisches Versagen, wenn nicht korrigiert. Diese Fehlausrichtung übt zusätzlichen Stress auf Maschinenkomponenten aus, wodurch diese schneller verschleißen und potenziell zu kostspieligen Reparaturen und Ausfallzeiten führen.

Fehlausrichtung kann mit Schwingungsanalysatoren erkannt werden, um das von den Maschinen erzeugte Signal zu analysieren. Die Symptome unterscheiden sich je nach Art der Fehlausrichtung. Sie können zwei Arten von Fehlausrichtung erleben: Winkelfehlausrichtung und Parallelfehlausrichtung. Sehen wir uns die Unterschiede an:

Winkelfehlausrichtung: Die Wellen treffen sich in einem Winkel statt gerade zu sein. Stellen Sie sich zwei Bleistifte vor, die sich an ihren Spitzen berühren, aber nicht gerade ausgerichtet sind. Die FFT zeigt einen hohen Peak bei Ihrer Rotorgeschwindigkeit (1X), gefolgt von kleineren Peaks bei 2 und 3 Mal Ihrer Rotorgeschwindigkeit (2X und 3X).

Parallelfehlausrichtung: Die Wellen sind parallel, aber versetzt zueinander. Stellen Sie sich zwei Bleistifte vor, die nebeneinanderliegen, sich aber nicht berühren. Die FFT zeigt einen hohen Peak bei Ihrer Rotorgeschwindigkeit, gefolgt von einem noch höheren Peak bei 2X und einem kleineren Peak bei 3X.

Wichtig: Um Fehlausrichtung zu erkennen, benötigen Sie Datensammler, die gleichzeitig Daten von zwei Punkten erfassen, da der Phasenwert für diese Diagnose entscheidend ist.

Verbogene Welle

Eine verbogene Welle tritt auf, wenn der lange, rotierende Teil einer Maschine, wie in einem Motor oder einer Pumpe, aus seiner ursprünglich geraden Form verbogen wurde. Diese Verbiegung kann aus verschiedenen Gründen auftreten, wie z. B. zu viel Kraft auf die Welle, Herunterfallen während der Handhabung oder Probleme aus dem Herstellungsprozess.

Wenn eine Welle verbogen ist, vibriert die Maschine oft mehr als normal, da der verbogene Teil nicht reibungslos rotiert. Diese zusätzliche Schwingung kann dazu führen, dass die Maschine ungewöhnliche Geräusche macht und andere Teile schneller verschleißen. Sie kann auch zu Fehlausrichtungen führen, bei denen verbundene Teile wie Kupplungen und Lager nicht korrekt ausgerichtet sind, was Verschleiß und Ineffizienz weiter erhöht.

Das Erkennen einer verbogenen Welle kann durch Sichtinspektion erfolgen, wobei nach sichtbaren Verbiegungen oder Verformungen gesucht wird. Werkzeuge wie Schwingungsanalysatoren können die durch eine verbogene Welle verursachten unregelmäßigen Schwingungen aufzeichnen. Messwerkzeuge wie Messuhren können prüfen, ob die Welle gerade läuft, und Laserjustierwerkzeuge können sicherstellen, dass die Welle und die verbundenen Teile korrekt ausgerichtet sind.

Resonanz

Resonanz ist ein Phänomen, das auftritt, wenn die Eigenfrequenz eines Systems mit der Frequenz einer auf das System angewandten externen Kraft übereinstimmt. Wenn eine Maschine oder ihre Komponenten in Resonanz geraten, wird die Energie der externen Kraft effizient in das System übertragen, was zu übermäßigen Schwingungen führt. Diese Schwingungen können Belastungen an den Maschinenteilen verstärken und möglicherweise zu Ermüdung, Schäden und Ausfällen führen.

Um Resonanz in Motoren und anderen Maschinen zu identifizieren, sind Schwingungsanalysewerkzeuge wie tragbare Beschleunigungssensoren in Kombination mit leistungsstarker Software wie Digivibe MX® oder WiSER VIBE® sehr nützlich. Eine gängige Methode ist ein Frequenzsweep, bei dem die Maschine schrittweise über einen Frequenzbereich betrieben wird. Durch die Überwachung der Schwingungspegel während dieses Sweeps zeigt ein Peak in der Schwingungsamplitude die Resonanzfrequenz an.

Möchten Sie mehr über Resonanz und Eigenfrequenz erfahren? Lesen Sie diesen Artikel.

Lagerausfall

Lagerausfall ist einer der häufigsten und kritischsten Maschinenausfälle. Lager sind wesentliche Komponenten in rotierenden Maschinen, und ihr Ausfall kann zu erheblichen Betriebsstörungen, kostspieligen Reparaturen und sogar katastrophalen Geräteschäden führen.

Lager sind darauf ausgelegt, rotierende Wellen zu stützen und die Reibung zwischen beweglichen Teilen zu reduzieren. Wenn Lager ausfallen, können sie diese Funktion nicht mehr effektiv ausführen, was zu erhöhter Reibung, Wärme und letztendlich zum Maschinenausfall führt. Häufige Ursachen für Lagerausfall sind:

• Kontamination: Schmutz, Staub und andere Verunreinigungen können in das Lager eindringen und Abrasion und Verschleiß verursachen.
• Schmiermittelprobleme: Unzureichende, falsche oder kontaminierte Schmierung kann zu erhöhter Reibung und Wärme führen.
• Überlastung: Übermäßige Lasten können die Auslegungsgrenzen des Lagers überschreiten und Verformung und Schäden verursachen.
• Fehlausrichtung: Unzureichende Ausrichtung von Lager und Welle kann zu ungleichmäßiger Lastverteilung und vorzeitigem Verschleiß führen.
• Ermüdung: Im Laufe der Zeit können Lager aufgrund von Materialermüdung durch wiederholte Belastungszyklen ausfallen.

Das Verständnis der charakteristischen Fehlerfrequenzen von Lagern ist für eine effektive Diagnose und Behebung von Lagerproblemen unerlässlich.

BPFO (Kugeldurchgangsfrequenz Außenring): Frequenz, mit der ein Rollelement einen Defekt am Außenring passiert.

BPFI (Kugeldurchgangsfrequenz Innenring): Frequenz, mit der ein Rollelement einen Defekt am Innenring passiert.

BSF (Kugelrotationsfrequenz): Frequenz, mit der ein Rollelement um seine eigene Achse rotiert.

FTF (Grundfrequenz des Käfigs): Frequenz, mit der der Käfig oder Separator des Lagers rotiert.

Es gibt Schwingungsanalysesoftware, die Bibliotheken gängiger Lager verschiedener Marken enthält und die Identifizierung dieser kritischen Frequenzen erleichtert. Stellen Sie sicher, dass die von Ihnen verwendete Software über diese Funktion verfügt, da sie die Effizienz Ihrer Analyse erheblich verbessern wird.

Mechanisches Spiel

Mechanisches Spiel tritt auf, wenn Maschinenkomponenten nicht ordnungsgemäß gesichert sind oder wenn in Lagern, Stützen oder Kupplungsbereichen übermäßiges Spiel vorhanden ist. Dieser Zustand kann durch unsachgemäße Installation, verschlissene Befestigungselemente oder strukturelle Ermüdung im Laufe der Zeit entstehen. Genau wie eine unwuchtige Waschmaschine erzeugt eine Maschine mit Spiel höhere Schwingungspegel und kann merkliche Geräusche und erratische Bewegungen erzeugen.

Spiel führt häufig zu:

• Erhöhter Schwingung, die typischerweise in der FFT mit starken Amplituden bei der Grundfrequenz und mehreren Oberwellen erscheint (1X, 2X, 3X…).
• Vorzeitigem Verschleiß anderer Komponenten durch übermäßige Bewegung und Schläge.
• Möglichkeit plötzlicher mechanischer Ausfälle, wenn nicht behoben.

Um mechanisches Spiel zu erkennen, ist ein Schwingungsanalysator entscheidend. Durch die Untersuchung des Spektrums sehen Sie erhöhte Peaks nicht nur bei Ihrer Betriebsdrehzahl, sondern auch bei Vielfachen dieser Frequenz. In einigen Fällen müssen Sie eine Phasenanalyse zwischen verschiedenen Messpunkten durchführen, um die Bewegung oder das Gleiten in der Maschinenstruktur zu bestätigen. Verwenden Sie Software wie Digivibe MX® M10 oder WiSER VIBE®, um Daten im Zeitverlauf zu erfassen und zu vergleichen, was hilft, Spiel zu lokalisieren, bevor es zu einem größeren Betriebsproblem wird.

Zahnradausfall

Zahnradausfall ist ein häufiges und potenziell teures Problem in Systemen, die auf zahnradangetriebene Komponenten angewiesen sind, wie Getriebe und Drehzahlminderer. Zahnräder übertragen Drehmoment und Bewegung durch das Eingreifen ihrer Zähne, aber wenn diese Zähne beschädigt, fehlausgerichtet oder verschlissen werden, kann die Gesamtmaschinenleistung erheblich sinken. Symptome von Zahnradausfall umfassen ungewöhnliche Geräusche (wie Pfeifen oder Schleifen), Überhitzung und erhöhte Schwingungspegel.

Häufige Ursachen für Zahnradausfall sind:

• Abrasiver oder erosiver Verschleiß, oft aufgrund schlechter Schmierung oder Kontamination.
• Grübchen oder Risse auf Zahnradoberflächen durch übermäßige Last oder Ermüdung.
• Falsche Flankenspieleinstellungen, die zu wiederholten Stoßbelastungen auf die Zahnradzähne führen.

Bei der Schwingungsanalyse zeigen Zahnradausfälle typischerweise charakteristische Peaks bei der Zahneingrifffrequenz (GMF) und ihren Oberwellen. Sie können auch Seitenbänder um diese Frequenzen beobachten, die auf Modulation durch Zahnradschäden oder Fehlausrichtung hinweisen. Werkzeuge wie Digivibe MX® oder WiSER VIBE® können helfen, diese Muster zu identifizieren; viele dieser Plattformen haben auch Zahnradbibliotheken, die die Fehlerfrequenzerkennung automatisieren. Durch regelmäßige Überwachung der Zahneingrifffrequenzen und ihrer Oberwellen können Sie unerwartete Ausfallzeiten und kostspielige Schäden an Ihren Maschinen verhindern.

Nicht-Mechanische Ausfälle

Elektrische Ausfälle

Elektrische Ausfälle in rotierenden Anlagen werden häufig mit Phasenunsymmetrien, Wicklungskurzschlüssen, losen Verbindungen oder degradierter Isolierung in Verbindung gebracht. Diese Probleme führen oft zu übermäßiger Wärme, reduziertem Drehmoment und, wenn nicht behoben, katastrophalen Motorschäden.

Eines der deutlichsten Anzeichen für elektrische Probleme ist eine erhöhte Schwingung bei bestimmten Frequenzen — typischerweise Oberwellen der Netzfrequenz (60 Hz oder 50 Hz). Zum Beispiel kann ein in Nordamerika betriebener Motor, der im FFT-Spektrum einen starken Schwingungspeak bei 120 Hz (2-fache Netzfrequenz) zeigt, an einem elektrischen Fehler leiden. Im Gegensatz zu mechanischen Problemen korrelieren diese Muster direkt mit der Stromversorgung, nicht mit der Rotationsgeschwindigkeit.

Für eine genauere Erkennung können Stromsensoren — wie die von Systemen wie DEFIANT™ unterstützten — verwendet werden, um den Echtzeit-Stromverbrauch mit dem typischen Motorverhalten zu vergleichen. Anomalien wie unerwartete Stromspitzen, unregelmäßige Oberwellen oder instabile Wellenformen können auf Wicklungsfehler, Rotorstabredefekte oder Phasenunsymmetrien hinweisen. Durch die Korrelation von Schwingungsdaten mit elektrischen Stromsignalen in einer einheitlichen Überwachungsplattform wird es einfacher, die Grundursache eines Fehlers zu identifizieren und frühzeitig Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.

Elektromagnetische Interferenz (EMI)

Elektromagnetische Interferenz (EMI) tritt auf, wenn externe elektrische Signale Überwachungs- oder Kommunikationssysteme stören. Dies ist besonders häufig in industriellen Umgebungen mit Frequenzumrichtern (VFDs), Induktionsheizungen, Schweißgeräten oder Hochleistungsanlagen. Obwohl EMI Maschinen nicht direkt beschädigt, kann sie die Datenqualität erheblich beeinträchtigen, was zu falschen Diagnosen oder Kommunikationsverlusten führt.

Ein häufiges Anzeichen für EMI sind erratische oder intermittierende Schwingungsmesswerte, insbesondere bei drahtlosen Sensoren. Im FFT-Spektrum kann EMI als hoher Hintergrundrausch oder ungewöhnliche Peaks erscheinen, die nicht mit der Betriebsdrehzahl oder Oberwellen übereinstimmen. Wenn spektrale Muster inkonsistent mit dem normalen Maschinenverhalten erscheinen, sollte EMI als potenzielle Ursache in Betracht gezogen werden.

Bei der Überwachung von Stromsignalen kann EMI sich als Wellenformverzerrung oder unregelmäßige Oberwellen manifestieren, die mit Leistungsqualitätsanalysatoren oder Oszilloskopen erkannt werden können. Das Vergleichen von Daten über verschiedene Zeitintervalle oder das Ausschalten vermuteter EMI-Quellen kann helfen, die Interferenz zu bestätigen. Um EMI zu mindern, ist es entscheidend, ordnungsgemäß abgeschirmte Kabel, EMI-resistente Sensoren und Erdungspraktiken zu verwenden. Phasenanalyse und der Vergleich von Messwerten aus mehreren Punkten können auch helfen, echte mechanische Probleme von Interferenzartefakten zu unterscheiden.

Thermische Überlastung

Thermische Überlastung tritt auf, wenn Anlagen über längere Zeiträume bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, die über ihrer Nennwärmeleistung liegen. Dies kann auf schlechte Belüftung, übermäßige Umgebungswärme, Überlastung oder interne Ineffizienzen wie schlechte Schmierung oder elektrischen Widerstand zurückzuführen sein.

Während die Temperatur typischerweise mit Thermoelementen oder RTDs überwacht wird, kann thermischer Stress auch Schwingungsmuster beeinflussen. Da sich Komponenten mit der Wärme ausdehnen, ändern sich die Toleranzen — insbesondere in Lagern — was möglicherweise Reibungs-, Spiel- oder Fehlausrichtungssymptome im Schwingungsspektrum verursacht.

In Systemen wie PHANTOM® können Temperatursensoren neben Schwingungskanälen integriert werden, um thermische Überlastung in Echtzeit zu erkennen. Allmähliche Temperaturanstiege, die mit steigenden Schwingungspegeln korrelieren (insbesondere in axialer oder radialer Richtung), weisen oft auf einen wärmeinduzierten Zustand hin. Die Überwachung von Wärmetrends im Zeitverlauf ist unerlässlich, um ungeplante Abschaltungen aufgrund von Überhitzung zu vermeiden.

Früherkennung für bessere Leistung

Die Aufrechterhaltung einer optimalen Maschinenleistung erfordert einen proaktiven Ansatz zur Identifizierung und Behebung der häufigsten Ausfälle, bevor sie eskalieren. Durch Schwingungsanalyse und ergänzende Techniken können wir Unwucht, Fehlausrichtung, verbogene Wellen, Resonanz, Lagerschäden, mechanisches Spiel und Zahnradausfälle in frühen Stadien erkennen. Jedes dieser Probleme, wenn nicht korrigiert, belastet verschiedene Komponenten, was zu verstärktem Verschleiß, höherem Energieverbrauch und letztendlichen Ausfällen führt. Durch den Einsatz geeigneter Diagnoseanlagen und zuverlässiger Software wie Digivibe MX® M10 oder WiSER VIBE® können Einrichtungen charakteristische Fehlerfrequenzen überwachen, Änderungen bei Schlüsselkennzahlen verfolgen und rechtzeitige Eingriffe planen.

Wenn diese Herausforderungen umgehend angegangen werden, gehen die Vorteile über die Minimierung von Ausfallzeiten hinaus. Eine gute Maschinengesundheit führt zu verbesserter Sicherheit für Bediener, geringeren Betriebskosten und längeren Gerätelebensdauern. Darüber hinaus unterstützt gut gewartete Maschinerie stabile Produktionszyklen und konsistente Produktqualität. Systematische Datenerfassung, gründliche Inspektionen und die Einhaltung empfohlener Wartungspraktiken sind allesamt kritische Schritte zur Verbesserung der Gesamtzuverlässigkeit. Ein starker Fokus auf Schulung und Teamzusammenarbeit stellt sicher, dass Anomalien frühzeitig erkannt und Korrekturmaßnahmen schnell ergriffen werden. Letztendlich ermöglicht die Verhinderung oder Minderung dieser sieben zentralen Ausfälle den Einrichtungen, die Produktivität zu steigern und in den anspruchsvollen industriellen Umgebungen von heute wettbewerbsfähig zu bleiben. Das ist Sorgfalt in Aktion.