Instandhaltung Wie Schwingungsmessung dabei hilft, Maschinen und Anlagen instand zu halten

Schwingungen an mechanischen Anlagenteilen signalisieren in einigen Fällen Probleme oder beginnenden Verschleiß. Werden die Ursachen nicht gefunden und beseitigt, kann dadurch zusätzlicher Schaden entstehen. Messungen, die die Gründe und den Schweregrad der Schwingungen ermitteln, helfen deshalb dabei, Anlagen instand zu halten.

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Schwingungen bei motorbetriebenen Geräten bedeuten – einfach ausgedrückt – dass sich Maschinen und Komponenten wie Antriebsmotoren, angetriebene Geräte (Pumpen, Kompressoren usw.) sowie Lager, Wellen, Getriebe oder Riemen hin- und herbewegen oder dass sie oszillieren. Schwingungen, die in Komponenten oder ganzen Systemen von Industrieanlagen auftreten, können im Zusammenhang mit dem Maschinenbetrieb vollkommen normal sein, sie können jedoch auch ein Anzeichen oder die Ursache von Problemen sein.

Teure Maschinen und Antriebe – wie z. B. Turbinen in Kraftwerken – werden mittels Condition Monitoring kontinuierlich rechnergestützt überwacht, um Veränderungen vom Sollzustand sofort zu erkennen und damit teure und sicherheitskritische Folgeschäden zu vermeiden. Die meisten industriellen Anlagen bestehen allerdings aus vielen einzelnen Komponenten, die nicht alle fernüberwacht sondern in Instandhaltungsprogrammen regelmäßig vor Ort inspiziert werden.

Um den Unterschied zwischen zulässigen, normalen Schwingungen und solchen, die einen unmittelbaren Eingriff durch Fehlersuche, Reparatur oder den Austausch der problematischen Komponenten erfordern, benötigt der Instandhaltungstechniker grundlegendes Wissen über Schwingungen und ihre Ursachen, und er muss die Anlagen und ihre Komponenten gut kennen.

Die häufigsten Ursachen unerwünschter Schwingungen

Bei manchen Vorgängen sind Schwingungen notwendig bzw. hängen mit der Konstruktion der Maschine zusammen. So lässt sich z.B. beim Betrieb von Kolbenpumpen und -kompressoren, Verbrennungsmotoren und Zahnradantrieben ein gewisses Maß an Schwingung kaum vermeiden. Die meisten industriellen Geräte sind aber so konzipiert, dass sie mit minimaler Reibung arbeiten und durch Massenausgleich und Auswuchtung Schwingungen vermeiden. Daher kann das Auftreten von Schwingungen ein Anzeichen für Probleme oder einen Verschleiß der Anlage sein. Wenn die zugrunde liegenden Ursachen nicht beseitigt werden, verursachen die unerwünschten Schwingungen möglicherweise selbst zusätzlichen Schaden.

Schwingungen können die Folge einer Vielzahl von Bedingungen sein, die entweder einzeln oder in Kombination auftreten. Einige der Hauptursachen sind:

• Unwucht: Eine Unwucht tritt bei rotierenden Körpern auf, deren Masse nicht rotationssymmetrisch verteilt ist. Die Unwucht eines drehenden Teils löst Schwingungen aus, wenn die ungleichmäßig verteilte Masse sich um eine Rotationsachse, z. B. die Antriebswelle einer Maschine, dreht und so eine störende Zentrifugalkraft verursacht. Unwuchten werden durch Gegengewichte ausgewuchtet, damit keine unerwünschten Schwingungen auftreten. Unwucht kann durch Fabrikationsfehler (Maschinenfehler, fehlerhafter Guss) oder durch Probleme bei der Instandhaltung, wie Verschleiß, verformte oder verschmutzte Ventilatorblätter oder fehlende Ausgleichsgewichte, entstehen. Mit zunehmender Maschinendrehzahl steigen die Kräfte durch die Auswirkungen der Unwucht quadratisch an. Unwucht kann die Lebensdauer der Lager erheblich verkürzen sowie übermäßige Maschinenschwingungen verursachen.

• Falsche Ausrichtung von Wellen: Schwingungen können als Folge von falsch ausgerichteten Wellen entstehen. Winkelversatz entsteht, wenn z. B. die Achsen eines Motors und einer Pumpe nicht parallel sind. Sind die Achsen parallel, aber nicht exakt ausgerichtet, spricht man von Parallelversatz. Eine falsche Ausrichtung kann während der Montage oder im Lauf der Zeit aufgrund von wärmebedingter Ausdehnung, sich verschiebenden Teilen oder nicht ordnungsgemäßem Zusammenbau nach der Instandhaltung entstehen. Die dadurch entstehenden Schwingungen können radial, axial (parallel zur Achse der Maschine) oder beides sein.

• Verschleiß: Teile wie Kugel- oder Rollenlager, Antriebsriemen oder Getriebe können mit zunehmendem Verschleiß eine Ursache für Schwingung sein. Wenn beispielsweise ein Rollenlager brüchig wird, verursachen die Lagerrollen jedes Mal Schwingungen, wenn sie sich über den beschädigten Bereich bewegen. Ein stark beschädigter oder verschlissener Getriebezahn, eine gelängte Antriebskette oder ein verschlissener Antriebsriemen können ebenfalls Schwingungen verursachen.

• Lockerung: Schwingungen können Schäden verursachen, wenn das Lager des schwingenden Teils nicht mehr einwandfrei fixiert oder zu locker befestigt ist. Lockerungen können durch Schwingungen entstehen, umgekehrt aber auch erst die Schwingungen verursachen. Unabhängig von ihrer Ursache kann eine Lockerung dazu führen, dass Schwingungen Schäden wie weiteren Lagerverschleiß sowie Verschleiß und Materialermüdung bei Befestigungen und anderen Teilen nach sich ziehen.

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