Was eine Schwingung sagt, und was nicht

Kurz gefasst

• Eine Maschine wiederholt sich bei jeder Umdrehung: Fehlersignaturen liest man in Vielfachen der Drehfrequenz (1x, 2x …).
• Die Signaturtabelle ist eine bewährte Orientierung, kein Urteil und keine normative Anforderung.
• Ohne Phasenreferenz lassen sich Unwucht, Ausrichtfehler, Resonanz und Anstreifen nicht trennen.
• Eine kontinuierliche Messung stellt keine Diagnose: Sie bemerkt, dass sich etwas verändert hat, und sagt Ihnen, wo und wann Sie hinsehen sollten.

Die Maschine wiederholt sich bei jeder Umdrehung

Eine rotierende Maschine wiederholt sich Umdrehung für Umdrehung, Fehler eingeschlossen. Deshalb denkt man in Vielfachen der Drehfrequenz, den sogenannten Ordnungen. Ein Motor mit 1.480 U/min macht etwa 24,7 Umdrehungen pro Sekunde: Seine 1x liegt bei etwa 24,7 Hz, die 2x bei 49,3 Hz. Ändert sich die Drehzahl, verschieben sich die drehzahlgebundenen Linien gemeinsam; die, die stehen bleiben, stammen nicht aus der Rotation, wie die elektrische Komponente bei 100 Hz, auf die wir weiter unten eingehen.

Ohne Drehzahlsignal ist die 1x eine Schätzung. Ohne Tachometer oder Encoder muss die Drehzahl aus dem Signal selbst abgeleitet werden: Das funktioniert bei sauberer 1x und nahezu konstanter Drehzahl, bleibt aber ein Rückschluss. Fällt die 1x, fällt auch das Urteil darüber, was 2x und 3x ist.

Die typischen Signaturen

Das ist die Tabelle, die in der halben Welt an der Wand hängt. Sie dient als Orientierung, nicht als Urteil.

Fehler	Im Signal	In der Halle
Unwucht	Stabile 1x bei konstanter Drehzahl	Nimmt mit der Drehzahl zu, gleichmäßiges Brummen am Lagergehäuse
Wellenausrichtfehler	1x, 2x oder höhere Harmonische, manchmal axial	Heiße Kupplung, verschlissene Einsätze, undichte Dichtungen
Mechanische Lockerung	1x und Harmonische, manchmal Subharmonische, erratische Werte zwischen Anläufen	Lose Verankerungen, wandernde Passscheiben, wechselndes Geräusch
Verschleiß am Wälzlager	Breitbandige Energie im Hochfrequenzbereich, instabile und steigende Werte	Pfeifen oder metallisches Kratzen, Lagergehäuse wird warm
Kavitation an einer Pumpe	Rauschpegel steigt oberhalb 1-2 kHz an, ohne scharfe Linien	Kiesgeräusch im Laufrad, schwankender Durchfluss
Resonanz	Verstärkung in der Nähe einer Eigenfrequenz, starke Phasenänderungen	Explodiert bei einer bestimmten Drehzahl, beruhigt sich darüber und darunter

Diese Zeilen sind bewährte Ingenieurspraxis, keine Anforderungen. Eine ähnliche Tabelle steht in einem informativen Anhang der ISO 13373-1:2002, und ISO 13373-3:2015 verwendet Fehlertabellen als gute Praxis unter Fachleuten und lässt andere Ansätze zu.

Drei Ebenen, die nicht zu verwechseln sind

• Die Norm sagt es: die Breitband-Schwingstärke mit Zonen und Baseline (Reihe ISO 20816) und der strukturierte Diagnosepfad (ISO 13373-3 und ISO 13379-1), der Amplitude und Phase von 1x und 2x, mehrere Messpunkte, Maschinendaten und ein erklärtes Konfidenzniveau verlangt.
• Es ist Ingenieurspraxis: die Zuordnungen von Signatur und Fehler in der Detailtiefe von Schulungen, die halben Harmonischen bei Lockerung, die Kavitation als ansteigender Rauschpegel, die in keiner ISO-Tabelle vorkommt.
• Es ist Ihre eigene Überlegung: die Hypothese, die Sie in Kenntnis dieser Maschine, dieses Prozesses, dieser Ausfallhistorie aufbauen. Legitim, sofern sie als das deklariert wird, was sie ist.

Wie rutschig die zweite Ebene ist, zeigte 1999 ein Prüfstand (IMAC): Kontrollierte Ausrichtfehler, bei denen Kupplung, Ausmaß und Drehzahl variiert wurden, erzeugten kein garantiert charakteristisches Spektrum. Die dominante Harmonische wechselte von Versuch zu Versuch. Also nein: Eine dominante 2x bedeutet nicht Ausrichtfehler.

Ohne Phase lassen sich viele Diagnosen nicht trennen

Die Phase ist die Winkellage der Schwingung gegenüber einer Referenz, die sich mit der Welle dreht: Dafür braucht es eine Markierung, einen Encoder oder eine Sonde. Ohne sie ist die Phase nicht ungenauer: Sie ist schlicht nicht da.

ISO 13373-3 nennt sie als Werkzeug, um Ausrichtfehler, Resonanz, Anstreifen und Unwucht zu unterscheiden: die vier Ursachen, die ohne Phasenreferenz zu einer einzigen zusammenfallen, weil sie alle Energie bei 1x oder deren Vielfachen erzeugen.

Die elektrische Falle. Im 50-Hz-Netz erzeugt die elektromagnetische Kraft eine exakte Komponente bei 100 Hz. Ein zweipoliger Motor dreht unter Volllast mit 2.900 bis 2.950 U/min: Seine mechanische 2x fällt zwischen 96,7 und 98,3 Hz, wenige Hertz von den elektrischen 100 Hz entfernt. Ohne Drehzahlreferenz und ausreichende Auflösung werden die beiden verwechselt.

Das ist keine Schwäche billiger Geräte, sondern ein kodifizierter Sachverhalt: ISO 13379-1 verlangt, jeder Fehlerart Bewertungen für Erkennbarkeit und Konfidenz zuzuordnen, und niedrige Bewertungen kennzeichnen genau die Symptome, die sich nicht von denen anderer Fehlerarten unterscheiden lassen.

Die Lager: was man berechnet und was man nur sieht

Die charakteristischen Frequenzen eines Lagers (Außenring, Innenring, Wälzkörper, Käfig) sind reine Kinematik: Sie hängen von der Geometrie ab und skalieren mit der Drehzahl. Ohne Geometrie und ohne Drehzahl lassen sie sich nicht berechnen. Wer einen Außenringschaden ohne diese beiden Angaben deklariert, überspringt einen Schritt.

Auch berechnet sind sie nicht exakt: Der Druckwinkel ändert sich mit der Last, und die Wälzkörper rutschen, die realen Werte weichen um einige Prozent ab. Genau das unterscheidet sie von den mechanischen Harmonischen: Sie sind keine ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz.

Zur Hüllkurvenanalyse: Die klassische Technik demoduliert ein Resonanzband im Hochfrequenzbereich, oft um 8-10 kHz. Mit einem nutzbaren Band von wenigen Kilohertz arbeitet man auf tieferen Resonanzen, von Maschine und Aufstellung: andere Technik, andere Empfindlichkeit. Fragen Sie immer, auf welchem Band sie durchgeführt wird.

Was auch ohne Lagerdaten sichtbar bleibt:

• Pegel und zeitlicher Verlauf der Energie im Hochfrequenzbereich;
• die Impulsivitätsindikatoren wie Crest-Faktor und Kurtosis;
• eine nicht ganzzahlige Periodizität im Hüllkurvenspektrum, die erst benannt werden sollte, nachdem die Lagerdaten eingegeben wurden.

Was es braucht, um eine Diagnose abzuschließen

Schwingstärkeskala und Diagnostik sind zwei verschiedene Welten. ISO 20816-3 bewertet die Breitbandschwingung, ohne Frequenzkomponenten und ohne Phase, und schließt die Bewertung von Lagern und Getrieben aus: Eine Zone A, B, C oder D ist keine Lagerdiagnose.

Der ehrliche Punkt, und er ist nicht entmutigend: Eine kontinuierliche Messung stellt keine Diagnose. Sie bemerkt, dass sich etwas verändert hat, wann und wie schnell, und sagt Ihnen, wo Sie hinsehen und wann es sich lohnt, hinzugehen. Die Diagnose kommt danach, mit:

1. mehreren Messpunkten, an jedem Lager;
2. den drei Richtungen: radial horizontal, radial vertikal, axial;
3. einer Phasenreferenz und einem Drehzahlsignal der Welle;
4. den Maschinendaten: Lagergeometrie, Übersetzungsverhältnisse, Anzahl der Schaufeln oder Rotorstäbe;
5. den Betriebsbedingungen im Moment der Messung: Eine Messung im Übergangszustand ist nicht vergleichbar;
6. jemandem, der diese Maschine kennt, und, für die Feinauswertung, zertifizierter Kompetenz.

Und keine Messung sagt das Datum eines Ausfalls voraus: Wer Ihnen das verspricht, verkauft, statt zu messen.