Rotierende Maschinen – Elektromotoren, Pumpen, Getriebe, Kompressoren, Ventilatoren – erzeugen charakteristische Vibrationsmuster. Im Normalzustand hat dieses Muster eine vorhersagbare Struktur. Wenn ein Lager beginnt zu ermüden, wenn Unwucht entsteht oder eine Kupplung ausschlägt, verändert sich das Spektrum. Die Schwingungsanalyse macht diese Veränderungen messbar und interpretierbar.
Physikalisches Prinzip: Piezoelektrische Beschleunigungssensoren
Der Standard-Schwingungssensor für die industrielle Zustandsüberwachung ist der piezoelektrische Beschleunigungssensor (IEPE). Er misst die Beschleunigung in m/s² und hat typischerweise einen Messbereich von ±50 g bis ±500 g sowie eine Empfindlichkeit von 10–100 mV/g. Günstige MEMS-Beschleunigungssensoren (wie der ADXL345 von Analog Devices) sind für einfache Überwachungsaufgaben geeignet, aber für hochfrequente Lagerdiagnose (> 5 kHz) sind IEPE-Sensoren unverzichtbar.
Montage: Der Sensor wird möglichst nah am Lager montiert, mit Gewindestift fixiert (höchste Qualität) oder mit Klebstoff befestigt. Magnetische Halterungen sind für schnelle Prüfrundgänge geeignet, aber für kontinuierliche Überwachung suboptimal (höhere Übertragungsverluste bei hohen Frequenzen).
Frequenzbereichsanalyse: FFT und Spektrogramm
Das Rohmesssignal (Zeitbereich: Beschleunigung über Zeit) wird durch die Fast Fourier Transformation (FFT) in das Frequenzspektrum umgewandelt. Das Spektrum zeigt, welche Frequenzanteile im Signal wie stark vertreten sind. Charakteristische Frequenzen für Fehlerbilder:
- Unwucht: Dominante Amplitude bei der Rotationsfrequenz (1× RPM) und ihren Harmonischen
- Ausrichtfehler (Misalignment): Erhöhte Amplituden bei 2× und 3× RPM, often mit axialer Komponente
- Lager-Außenring-Defekt (BPFO): f_BPFO = (n/2) × RPM × (1 – d/D × cos φ), wobei n = Rollenzahl, d = Rollendurchmesser, D = Teilkreisdurchmesser, φ = Kontaktwinkel
- Lager-Innenring-Defekt (BPFI): f_BPFI = (n/2) × RPM × (1 + d/D × cos φ)
- Zahnflanken-Schäden: Amplitude bei Zahneingriffsfrequenz (ZEF = RPM × Zähnezahl) und ihren Harmonischen
ISO 10816 / ISO 21372: normierte Grenzwerte
ISO 10816 (Maschinen-Schwingungs-Messnorm) und die Nachfolgenorm ISO 20816 definieren Bewertungszonen für den Schwingungseffektivwert (RMS in mm/s) in Abhängigkeit von Maschinenklasse und Aufstellungsbedingungen:
| Zone | Bewertung | Empfehlung |
|---|---|---|
| A (grün) | Neuzustand / normaler Betrieb | Kein Handlungsbedarf |
| B (gelb) | Erhöhter Verschleiß, akzeptabel für Dauerbetrieb | Engeres Überwachungsintervall |
| C (orange) | Langzeitbetrieb nicht empfohlen | Nächste Gelegenheit für Wartung nutzen |
| D (rot) | Gefahr für die Maschine | Sofortige Abschaltung |
Hüllkurvenanalyse für frühe Lagerdiagnose
Für die Frühdiagnose von Lagerdefekten, bevor sie im Breitband-RMS sichtbar werden, wird die Hüllkurvenanalyse (Envelope Analysis) eingesetzt: Das Rohsignal wird bandpassgefiltert (typisch 2–10 kHz), gleichgerichtet, geglättet, und dann erneut einer FFT unterzogen. Das Hüllkurvenspektrum hebt Impulsfolgen hervor – die charakteristischen Merkmale eines beginnenden Lagerdefekts – und ermöglicht Erkennung bis zu 6 Wochen vor dem Ausfall.