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EF 2019

Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Messen/Steuern/Regeln

Messen/Steuern/Regeln Drei in eins: Effektive Messung von dreidimensionalen Schwingungen an Maschinen Vibrationen bei Maschinen mit rotierenden Bauteilen werden im Allgemeinen mit mehreren unabhängigen, an unterschiedlichen Stellen positionierten, Beschleunigungssensoren gemessen. Halle 4A, Stand 633 Hansford Sensors GmbH www.hansfordsensors.com Diese Methode kann jedoch zu Fehlinterpretationen führen, da die Datenanalyse kompliziert und anfällig für Fehler ist. Hinzu kommt, dass die Planung, die Konstruktion und die Ausführung der Messpunkte für die unterschiedlichen Sensoren aufwendig sind. Dies gepaart mit der höheren Anzahl an Sensoren und den dafür benötigten Kabelkonfektionen führt zu hohen Kosten. Effektivere Möglichkeit Eine deutlich effektivere Möglichkeit, ist die Verwendung von Triaxial-Beschleunigungssensoren, die Schwingungen in drei orthogonalen Achsen messen können, erklärt der Geschäftsführer von Hansford Sensors Chris Hansford. Erzwungene Produktionsunterbrechnungen können durch die starke Vernetzung von Logistik- und Herstellungsprozessen enorme Kosten verursachen. Um möglichst früh auf einen drohenden Schaden hingewiesen zu werden, haben viele Unternehmen an ihren Anlagen Systeme zur Zustandsüberwachung von sensiblen Bauteilen angeschlossen. Diese ermöglichen es, bereits vor dem Eintreten eines gravierenden Schadens und des damit verbundenen erzwungenen Anlagenstops, die Beschaffung und die Revision des betroffenen Bauteils zu planen. Messung von Schwingungen Neben dem Messen von Temperaturen ist die Messung von Schwingungen die am häufigsten genutzte Methode für die Zustandsüberwachung von Bauteilen, Baugruppen oder ganzer Maschinen. Jede Maschine erzeugt Vibrationen, gleichgültig wie präzise sie konstruiert, montiert oder betrieben wird. Diese Vibrationen sind immer dreidimensional. Eine Pumpe hat zum Beispiel ein vielschichtiges, komplexes Schwingungsmuster. Dieses entsteht durch das Aufeinandertreffen von Schwingungen des Gehäuses, der Rotation von Drehteilen und der hochkomplexen Interaktionen der Hydraulikflüssigkeit mit dem Rotor sowie durch strömungstechnische Phänomene. Um eine genaue Einschätzung der Signale treffen zu können, muss das Schwingungsmuster entlang von aussagekräftigen Achsen erfasst werden. Die Schwingungsmessung basiert auf den Einsatz von empfindlichen Beschleunigungssensoren, die an strategischen Stellen der Maschine 54 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019

Messen/Steuern/Regeln montiert sind, wie zum Beispiel an Lagergehäusen, Pumpengehäusen und Getrieben. Mit diesen Sensoren kann man Schwingungsfrequenzen oder die Amplituden der Schwingungen in einer beliebigen Anzahl von Maschinenachsen messen. Diese Signale werden anschließend analysiert, um eine Abweichung von der Schwingungssignatur im einwandfreien Zustand zu identifizieren. Die unterschiedlichen Charakteristika der Abweichungen können auf unterschiedliche Schadenfälle hinweisen, zum Beispiel einen sich anbahnenden Lagerschaden oder einen Defekt an einem Pumpen laufrad. Installation mehrerer unabhängiger Sensoren Die Installation mehrerer unabhängiger Sensoren für jede Schwingungsachse kann ein kompliziertes Unterfangen sein. Neben den Problemen der Unterbringung und Ausrichtung der Sensoren an komplexen Maschinengehäusen, die dies teilweise unmöglich machen, ist die Aufbereitung der Daten und das synchronisieren der Phasen ebenfalls aufwändig. Allgemein gilt, je komplexer die Datenanalyse, desto größer ist das Fehlerrisiko. Ein weiterer negativer Effekt ist das Gewicht der Sensoren. Drei unabhängige Sensoren samt der notwendigen Ver kabelung können aufgrund ihrer Masse einen Einfluss auf das Schwingverhalten des Systems haben und die Messung somit verfälschen. Eine deutlich effektivere Methode ist die Verwendung von speziellen Triaxial-Beschleunigungssesnsoren, die wesentlich kompakter und leichter sind. Der Sensor misst in einem einzigen Gehäuse Vibrationen in drei Achsen und die integrierte Elektronik ermöglicht es, über einen einzigen Ausgang eine schnelle und genaue Frequenz- und Phasenanalyse durchzuführen. Positionierung genau planen Natürlich ist es wie bei allen anderen Präzisionsmessinstrumenten enorm wichtig, die Positionierung genau zu planen und umzusetzen. sowie die Kalibrierung der Sensoren sorgfältig durchzuführen, um eine möglichst genaue Messung und Datenanalyse durchführen zu können. Aber was genau ist ein Triaxial- Beschleunigungssensor? Hansford Sensors Triaxial- Beschleunigungssensoren vereinen drei voneinander getrennte Sensoreinheiten in einem einzigen Gehäuse, die eine unabhängige dynamische Messung von Beschleunigungen in den drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) ohne Zeitdifferenz ermöglichen. Diese Einheiten sind in einem kompakten Gehäuse aus Edelstahl untergebracht. Auf Anfrage können sogar Gehäuse aus Aluminium oder Titan zum Einsatz kommen. Der Anschluss an Datensammler oder Diagnosegeräte erfolgt über einen einzigen 4 Pin M12 Stecker. Für die Montage des Sensors stehen unterschiedliche Möglichkeiten mit unterschiedlichen Montage gewinden zur Auswahl. Der Hansford Sensors HS-173 Premium Triaxial-Beschleunigungssensor gibt drei unabhängige Signale in einem Frequenzbereich von 2 Hz bis 10 kHz aus. Er kann in einem Temperaturbereich von -55 bis zu +130 °C eingesetzt werden und ist nach Schutzklasse IP67 klassifiziert. Der Sensor ist schockfest für Beschleunigungen von bis zu 5.000 g. Triaxiale Systeme mit nur einem Montagepunkt Um Beschleunigungen in drei unterschiedlichen Achsen zu messen, kann man vergleichbare Ergebnisse mit drei separaten Beschleunigungssensoren, die auf einem Montageblock montiert werden, erzielen. Diese Anordnung bringt jedoch einige wesentliche Nachteile mit sich. Das Gewicht erhöht sich um ein Vielfaches, der Raumbedarf steigt und der Aufwand der Verkabelung verdreifacht sich. Daneben erhöht sich auch die Anzahl an möglichen Fehler- und Störquellen. Während einachsige Beschleunigungssensoren an verschiedenen Orten montiert werden können, um Vibrationen in spezifischen Achsen mit einem minimalen Frequenz- oder Amplitudenunterschied zu erkennen, haben triaxiale Systeme nur einen Montagepunkt. Die Auswahl des optimalen Montagepunktes ist für die Qualität der Messergebnisse von besonderer Bedeutung. Auf Grund der großen Erfahrungen beim Einsatz von Beschleunigungssensoren in den unterschiedlichsten Industrien und der Vielzahl an bereits realisierten Anwendungen von triaxialen Lösungen können der Sensor hersteller oder Systempartner unterstützen. Korrekte Montage Neben der Auswahl des Montagepunktes ist eine korrekte Montage enorm wichtig. Die Kopplung des Sensorgehäuses mit dem zu messenden System bestimmt maßgeblich die Qualität der Messung, insbesondere den Frequenzbereich. In der Regel werden die Sensoren mit kraftvollen Magneten oder mit Cyan acrylat-Klebstoffen und bei einer dauerhaften Installation mit einem Gewindebolzen, der mit einem definierten Drehmoment festgezogen wird, auf eine absolut plane und saubere Fläche montiert. Im Allgemeinen sollte eine möglichst starre Verbindung gewählt werden, um eine optimale Kopplung, ohne das Risiko von Signaldämpfung oder einer harmonischen Verzerrung, sicherzustellen. Keine Beeinflussung durch leichte Sensoren Je leichter das System der Sensoren ist, desto besser. Wenn das Gewicht des Messystems mehr als 10 % des Gewichtes des zu messenden Systems beträgt, beeinflusst es die Schwingeigenschaften signifikant. Dies sollte vermieden werden. Leichte Sensoren ermöglichen darüber hinaus eine zeitweise Montage der Sensoren. Hierfür eignen sich besonders magnetische oder adhäsive Befestigungsverfahren. Solange bei der magnetischen Befestigung das Gewicht des Sensors in Verbindung mit dem Magnetadapter in einem zulässigen Rahmen bleibt und die Oberflächenscherwirkung gering ist, können sehr gute Messergebnisse erzielt werden. Bei der adhäsiven Befestigung mit Cyanacrylat-Klebstoffen beeinflusst die Schichtdicke des Klebstoffs die Genauigkeit der Messung, da es zu einer Dämpfung, besonders im hochfrequenten Bereich, kommen kann. Die Schichtdicke sollte so gering wie möglich ausgeführt werden. Alternativ können Sensoren für den kurzzeitigen Einsatz auch mit Wachs befestigt werden. Hierbei muss jedoch ein Kompromiss zwischen der Menge an verwendeten Wachs, welche die Resonanzfrequenz negativ beeinflusst und einer ausreichenden Haftung, die sich bei hohen Amplituden der Schwingung lösen kann, gefunden werden. Sicherste Montage Die beste und somit sicherste Montagemethode ist eine Befestigung mit einem Gewindebolzen. Diese Methode erlaubt es den Sensor auf einem gut vorbereiteten Montagepunkt mit einer dünnen Ölschicht und einem definierten Anzugsmoment so zu montieren, dass eine starre und zuverlässige Verbindung entsteht. Bei dieser Art der Verbindung bleibt die Resonanzfrequenz der Anlage weit außerhalb des Messbereichs des Sensors. Dies ermöglicht dem Anwender eine zuverlässige und genaue Messung über einen breiten Bereich von Frequenzen und Amplituden. ◄ Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019 55

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