Diagnose- und Überwachung an Schraubenverdichtern Luft 20… · VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11...

VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11

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Diagnose- und Überwachung an Schraubenverdichtern Signalplots beschreiben das Betriebsverhalten zur erfolgreichen Diagnose und Überwachung Dipl.-Ing. Dieter Franke VDI, Ingenieurbüro Dieter Franke, Dresden; Mathias Luft, PRÜFTECHNIK Condition Monitoring GmbH, Freiberg

Kurzfassung Wälzgalagerte Schraubenverdichter stellen als Diagnoseobjekte durch die Überlagerung des

Körperschall aus dem Schraubeneingriff, dem Zahneingriff der Getriebestufen und von den

Wälzlagern mit den Axiallagern erhöhte Anforderungen an die Diagnose und Überwachung.

Die VDI 3832 zur Wälzlagerdiagnose liefert hier eine gute Methodik auch für die sich im Kör-

perschall überlagernden Einzellager in den meist kompakten Gehäusen. Schraubeneingriff,

Gleichlaufgetriebe und Getriebestufen sind nach bekannter Methodik der Getriebediagnose

mittels Körperschall diagnostizierbar, setzen aber entsprechende Spezialkenntnisse voraus.

Gleichfalls ist die Diagnose und Überwachung des Maschinezustand in der Schwingstärke

durch die alles dominierende und zum Teil maskierende Ausstoßfrequenz mit besonderen

Anforderungen verbunden. Hier gibt die neue VDI 3836 wichtige Hinweise, die jedoch für die

vielfältigen Verdichtertypen und Einsatzfälle zum Teil erweitert angewendet werden sollte.

An typischen Fallbeispielen einstufiger wälzgelagerter Schraubenverdichter werden diese

Zusammenhänge in diesem Vortrag jeweils anschaulich dargestellt.

1. Beispiele der Diagnose und Überwachung der Schwingstärke Die Messung und Bewertung der Schwingstärke-Kennwerte wird in VDI 3836 nach [1] aus-

führlich beschrieben. In einem Frequenzbereich B ab 2 bzw. 10 Hz erfassen die Kennwerte

die erste und zweite Ordnung der Drehfrequenz. Der Frequenzbereich A erfasst den Bereich

bis zur dritten Ausstoßfrequenz.

Bei Messungen mit mobiler Messtechnik wird danach je nach Baugröße an Haupt- und Ne-

benläufern in den drei Hauptachsen der größte der Messwerte erfasst und in eine der vier

Maschinengruppen bewertet. Für die Dauerüberwachung ist aus Kostengründen meist nur

ein Aufnehmer je Läuferseite einsetzbar, der entsprechend nicht immer die Richtung der ma-

ximale Schwingstärke wie bei einer mobilen Messung erfassen kann, da wie später ausge-

VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 252

führt noch weitere Gesichtspunkte bei der Messstellenwahl hinzukommen die zu Kompro-

missen führen.

Bei Kältemittel-Verdichtern in den ersten Betriebsjahren werden die Grenzwerte dieser VDI

in den meisten Fällen deutlich unterschritten. Bild 1 zeigt im ersten Beispiel Geschwindig-

keitsspektren an vier baugleichen neuen Kältemittelverdichtern (Aufbau nach Bild 2) mit

Rms-werten im Ausstoßfrequenzbereich von 1,1 bis 2,5 mm/s, die jeweils als Maximalwerte

mit einem Onlinesystem gewonnen wurden und den Grenzwert für Langzeitbetrieb von 10,0

mm/s deutlich unterschreiten. Der Kennwert wird hier von der ersten Ordnung der Ausstoß-

frequenz bestimmt.

Bild 1: Geringe Variation der Schwingstärke vier neuer baugleicher Verdichter

Bild 2: Kältemittelverdichter in Seitenansicht für ca. 7 bar Betriebsenddruck

Einmalige oder relativ selten ausgeführte Messungen mit mobiler Messtechnik in der Anlage

sind hierbei allerdings oft nur eingeschränkt repräsentativ, wie in einem ersten Beispiel ge-

Graphen von oben nach unten:

Kältemittel-Verdichter 1




3

2

1






253

zeigt werden soll. Ursache dafür ist ein starker Einfluss des Betriebsdruckes auf alle Kenn-

werte in den meisten Fällen. Die Pegel der Ordnungen der Ausstoßfrequenz, die den Kenn-

wert im Frequenzbereich A bestimmen schwanken selbst dann relativ stark, wenn wie in dem

zweiten Beispiel von dem Onlinesystem nur in einem eingegrenzten Betriebsdruck-bereich

gemessen wurde. Bild 3 und Tabelle 1 zeigen die Schwankung der Ordnungen der Ausstoß-

frequenz an einem Verdichter um bis über Faktor 10.

Bild 3: Kaskadendiagramm des Geschwindigkeitsspektrums einesneu in Betrieb genom-

menen Kältemittelverdichters mit integrierten Antrieb, (2985 1/min, ca. 175 kW) mit der

Variation der 1. - 4. Ordnung der Ausstoßfrequenz bei einer dargestellten Messung pro Tag

Tabelle 1 Schwankungen der Ordnungen der Ausstoßfrequenz

Frequenz v rms 10-1000Hz Frequenz v rms 10-1000Hz

1. f Aus 0,6 bis 1,3 mm/s 2. f Aus 0,05 bis 0,7 mm/s

3. f Aus 0,15 bis 0,4 mm/s 4. f Aus 0,08 bis 0,6 mm/s

Bild 4: Trendverlauf v rms im Frequenzbereich A von 0,45 bis 2,55 mm/s

Bild 4 zeigt daraus einen beispielhaften Trend des Kennwertes im Frequenzbereich A mit

Schwankung von 0,5 bis 2,6 mm/s über einen Betriebsdruck von 6,2 bis 7,7 bar. Daraus er-

3 4

2

1

1


gibt sich eine einfache Überwachung gegenüber den in VDI 3836 vorgeschlagenen Grenz-

werten.

Bild 5: Trendkurven am vg. Verdichter für p stat in bar und v rms Frequenzbereich oben A unten B

Bild 5 zeigt Trendverläufe des unteren Verdichters im Bild 1 mit einzelnen kurzzeitigen hohen

Schwingstärkewerten im Ausstoß- sowie im Drehfrequenzbereich. Im sonst ereignislosen

Dauerbetrieb liegen die Rms-werte an dieser Maschine bei 1 bis 1,5 mm/s, die kurzzeitigen

Spitzen jedoch bei 7 bis über 20 mm/s. Derartige Ereignisse an Schraubenverdichtern sind

funktionsgemäß nur mit Onlinesystemen feststellbar. Da diese Spitzen nur an einer von vier

Maschinen auftreten, müssen sehr kurzzeitig fehlerhafte Betriebsweisen in der Maschine

vorliegen. Aus der Anlagenanbindung und Betriebsweise ergibt sich für diesen der vier Käl-

temittelverdichter keine Besonderheit. Eine Ursachenermittlung dauerte zum Berichtszeit-

punkt dafür noch an.

Das zweite Beispiel eines sehr ähnlichen Kältemittelverdichtertyps wie nach Bild 2 mit 2990

rpm und 232 kW zeigt im Bild 5 deutlich erhöhte Schwingstärken an einem von zwei Verdich-

tern nach dem ersten Betriebsjahr. Allerdings dominiert hier die vierte Ordnung der Ausstoß-

frequenz die Schwingstärke, die nach o. g. VDI nicht in die Bewertung eingehen würde. Aus

Sicht der Maschinenbelastung wäre dies jedoch nicht repräsentativ, weshalb hier der Rms-

wert auch in Abweichung zur VDI 3836 bis zur vierten Ordnung gebildet wurde. Die Maschi-

ne nach Bild 6 überschreitet nur dann mit 13,7 den Grenzwert von 10,0 mm/s und ist so nur


255

für den Kurzzeitbetrieb zugelassen. Streng nach VDI 3836 wäre diese Maschine in Gruppe 3

weich aufgestellt im Bereich nur bis zur dritten Ordnung mit 8,7 mm/s für Langzeitbetrieb

zulässig. Folgeschäden der hohen Anregung in diesem Fall an der ersten Maschine waren

dann auch Risse im angeschlossenen Rohrleitungssystem. Allerdings ist hier wie in den

meisten Fällen eine Abhilfe an der Maschine vor Ort nicht möglich. Ausnahmen bilden Ver-

dichter mit externem Antrieb mit Riemen oder über Kupplung, wenn dort die Ursache des

Schwingstärke-Anstiegs zu finden ist.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500f [H z]

0

2

4

6

8

10

12

14

v [mm/ s] D ru c k s e it e v e rt ik a l\ 1 0 0 3 2 2 0 _ 1 k _ V X P M a c h in e S p e c t ru m > 6 0 0 rp m (v e l) 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 3 : 1 3 : 4 4

Bild 6: Beispiel 2 - Geschwindigkeitsspektrum eines Kältemittelverdichters mit integriertem

Antrieb ohne Getriebe (2990 rpm, 232 kW) mit v rms 13,7 mm/s in vertikaler Richtung, 13,0

mm/s horizontal und axial 9,1 mm/s mit Ausstoßfrequenz bei 300 Hz.

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0f [ H z ]

0 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

2 , 5

3 , 0

3 , 5

4 , 0

4 , 5

5 , 0v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 1 0 0 3 2 2 0 _ 1 k _ V X P M a c h i n e S p e c t r u m > 6 0 0 r p m ( v e l ) 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 2 : 0 8 : 3 52 3 4 5 6789DM

Bild 7a:Geschwindigkeitsspektrum eines baugleichen Kältemittelverdichters mit v rms 6,1

mm/s in vertikaler Richtung, 5,4 mm/s horizontal und axial 3,8 mm/s

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0f [ H z ]

0 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

2 , 5

3 , 0

3 , 5

4 , 0

4 , 5

5 , 0v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 1 0 0 3 2 2 0 _ 1 k _ V X P M a c h i n e S p e c t r u m > 6 0 0 r p m ( v e l ) 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 2 : 0 8 : 3 54 3 2 1 1 2 3 DM

Bild 7b: wie 5a, hier Seitenbänder mit (50) 100 Hz beiderseits der Ausstoßfrequenz 300 Hz


0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0t [ m s ]

-6

-4

-2

0

2

4

6v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 2 1 0 V X P M a c h i n e t i m e s i g n a l > 6 0 0 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 2 : 0 8 : 5 9DM

Bild 7c: Impulsfolge von 100 Hz im Zeitsignal für 7b M- zu D-Cursor 10 ms.

Der zweite baugleiche Verdichter im Bild 7a bis 7c zeigt eine für den Langzeitbetrieb zulässi-

ge Schwingstärke im Frequenzbereich A von 6,1 mm/s. Bild 7a zeigt die Vielfache der Aus-

stoßfrequenz wie im Bild 6. Die zwischen den Ordnungen der Ausstoßfrequenz liegenden

Spitzen können leicht als Vielfache der einfachen und doppelten der Drehfrequenz des

Hauptläufers verwechselt werden. Bild 7 b und 7 c zeigt jedoch, dass es sich dabei um Im-

pulsfolgen mit der doppelten Drehfrequenz des Hauptläufers in Bezug zur Ausstoßfrequenz

handelt.

Das dritte Beispiel ist ein Verdichtertyp für Stickstoffförderung von Pulver mit Gleichlauf-

getriebe und einer Antriebs-Getriebestufe mit gekuppeltem Antriebsmotor, dessen Aufbau

und Funktionsweise im Bild 8 dargestellt ist. Die Antriebsdrehzahl 2990 rpm = 49,83 Hz wird

in der Zahnradstufe zum Hauptläufer auf 7831 rpm = 130,52 Hz übersetzt und zum Neben-

läufer im Gleichlaufgetriebe und dem Schraubenverhältnis von 6 zu 4 auf 5221 rpm = 87,01

Hz.

Bild 8: Aufbau und Funktionsweise des Stickstoffverdichters zur Pulverförderung, Draufsicht

mit Übersetzungsstufe, Getriebewelle, Haupt- und Nebenläufer und dem Gleichlaufgetriebe


257

Bild 9a: Aufnehmer B-Seite radial horizontal und axial Bild 9b: Aufnehmer B-Seite vertikal

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000f [Hz]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0v [mm/ s] 801C\ N eue Masc hine\ AR V BAX v t 0 ,02t5s\ DOW BS AV BAX (B) 20.06 .2006 11:40 :142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 DM

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000f [Hz]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0v [mm/ s] T it le2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 DM

Bild 10: Geschwindigkeitsspektrum bis 10 kHz des Stickstoffverdichters – Vielfache der Aus-

stoßfrequenz bei 523 Hz oben am Hauptläufer radial vertikal an der Antriebsseite unten an

B-Seite axial, mit mobilen Messsystem erfasst

Für Maschinentest-Zwecke wurde hier temporär ein VIBNODE Onlinesystem installiert, dass

in Bild 9a bis 9c mit den Aufnehmern gezeigt wird. Auch hier liegt neben der 2. Ordnung ein

Leistungsanteil der Schwingstärke bei der 7. Ordnung der Ausstoßfrequenz wie im Bild 10

sichtbar ist, was in diesem Fall in erweiterter Anwendung der o. g. VDI beachtet werden soll-

te. Bild 10 zeigt ein Ergebnis aus einer mobilen Messung mit Magnetankopplung mit Vielfa-

chen der Ausstoßfrequenz radial bis zur 8.Ordnung und im Resonanzbereich bis zur 18.

Ordnung und im unteren Graphen in axialer Richtung linear bis zur 8. und im Resonanzbe-

reich bis zur 13. Ordnung.


09.06.2006 10.06.2006 11.06.2006 12.06.2006 13.06.2006 14.06.2006 15.06.2006 16.06.2006D atum

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

v [mm/ s] H a u p t -& N e b e n lä u f e r R V A S \ 6 0 4 V e lo c i t y S p e c t ru m 1 K H z \ 1 . &2 . D re h f re q u e n z e nM

Bild 11a: Schwingstärke Drehfrequenzbereich B - radial vertikal an Antriebsseite

0 8 .0 6 .2 0 0 6 1 0 .0 6 .2 0 0 6 1 2 .0 6 .2 0 0 6 1 4 .0 6 .2 0 0 6 1 6 .0 6 .2 0 0 6D a tu m

0

2

4

6

8

1 0

v [mm / s] H a u p t - & N e b e n lä u f e r R V A S \ 6 0 5 V e lo c i t y S p e c t r u m 1 0 K H z \ 1 . 2 . 3 A u s s t o ß f r e q u e n zM

Bild 11b: Schwingstärke Ausstoßfrequenzbereich B- radial vertikal an Antriebsseite

Bild 11c: Prozessdaten Leistung und Enddruck

In den Trendverläufen Bild 11 a und 11b zeigt sich ein niedriger Wert für den Frequenz-

bereich B mit 1,0 bis 1,5 mm/s und einen stark schwankenden Verlauf für den Bereich A mit

1,5 bis 7,5 mm/s. Beides wird für die weich aufgestellte Maschine in Gruppe 2 als für den

Langzeitbetrieb zulässig bewertet. Die Ursache der Schwankung ist im Bild 11c sichtbar im

Zyklusbetrieb und den Druckschwankungen von 3,1 min Leerlauf-Druck mit 0,17 bar bei 97 kW

Leistung bis zu 9,1 min bei vollem Förderdruck bei 1,38 bar mit 137 kW sowie 0,6 min Dru-

ckan- stieg und -abfall insgesamt über 60 min im Förderbetrieb. In Abhängigkeit des Druckes

auch im Zusammenhang mit dem Anlagendruck schwankt entsprechend die Schwingstärke

im Ausstoß-frequenzbereich. Eine Drucksteuerung der Messung war hier naturgemäß im

Rahmen der temporären Überwachung nicht möglich.


259

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0f [ H z ]

0 , 0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

1 , 0

v [ m m / s ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X v t 9 , 0 s \ D O W B S A V B A X 4 A ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 2 : 4 3 : 3 02 DM

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0f [ H z ]

0 , 0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

1 , 0

v [ m m / s ] T i t l e 2 DM

Bild 12a: Geschwindigkeitsspektrum bis 170 Hz mit den Drehfrequenzen Antriebs- Getriebe-

welle 49,88 Hz, Hauptläufer 130 Hz und Nebenläufer 87 Hz, an A-Seite des Hauptläufers

oben radial vertikal, unten an B-Seite axial

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t [ms]

-10

-5

0

5

10

s [µm Kanal A] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X s t 2 , 5 s \ D O W B S A V B A X 5 (B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4 5 : 1 4 M

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t [ms]

-10

-5

0

5

10

s [µm Kanal B] T it le M

Bild 12 b: Zeitsignal Schwingweg bis 1000 ms in µm, an A-Seite des Hauptläufers oben radi-

al vertikal, unten axial an B-Seite

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0f [H z]

0

1

2

3

4

s [µ m ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X s t 2 , 5 s \ D O W B S A V B A X 5 ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4 5 : 1 42 3 4 DM

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0f [H z]

0

1

2

3

4

s [µ m ] T i t le 2 3 4 DM

Bild 12c: Schwingwegspektrum bis 170 Hz aus 12b berechnet mit den Drehfrequenzen An-

triebs-Getriebewelle 49,88 Hz, Hauptläufer 130 Hz und Nebenläufer 87 Hz sowie der

Schwebungsfrequenz von 4,80 Hz, oben an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal, unten

axial an B-Seite


Der Drehfrequenzbereich des Verdichters wird in den Bildern 12 a bis 12 c hoch aufgelöst

gezeigt. Die Drehfrequenz des Nebenläufers ist typischerweise nur mit geringem Pegel kaum

erkennbar. Die Graphen 12 a und c zeigen nur geringe drehfrequente Anregungen. Nie-

derfrequente Phänomene werden besser im Schwingweg wie im Bild 12 b und 12 c abgebil-

det, so um z.B. hörbare Schwebung im Verdichtungsprozess- oder Druckleitungs-system

feststellen zu können.

2. Diagnose der Wälzlager, des Schraubeneingriffs- und Getriebe-Zahneingriffs

Die Wälzlagerdiagnose sollte nach VDI 3832 [5] mit einem Signalplot der Schwingbe-

schleunigung aus hochfrequent abgetasteten Zeitsignal, Breitbandspektrum mindestens bis

10 kHz, Grundspektrum und Hüllkurvenspektrum erfolgen. Entsprechend ist dafür eine

hochfrequent auswertbare Messkette von der Aufnehmerankopplung über den Aufnehmertyp

bis zur Abtastrate hin einzusetzen, wofür entsprechende Hinweise auch in VDI 3839 Blatt 1

[3] und Blatt 2 [4] zu finden sind.

Für die Diagnose des Zahneingriffs- und Schraubeneingriffs sind prinzipiell die gleichen Sig-

nale im Plot verwendbar, wobei je nach Zahneingriffs- und Drehfrequenzen die Frequenzbe-

reiche der Signale anzupassen sind. Zusätzlich wird hier ein hochfrequentes Geschwindig-

keitssignal bis zu Vielfachen der Zahneingriffsfrequenz benötigt.

Bild 13a zeigt für das Beispiel 3 einen Stickstoffverdichter das hochfrequent abgetastete

Zeitsignal, wobei oben das Signal auf der A-Seite vom Hauptläufer radial vertikal gezeigt

wird und unten das Signal axial auf der B-Seite. Sichtbar ist hier in axialer Richtung die Mo-

dulation der elften Ordnung der Ausstoßfrequenz mit der Ausstoßfrequenz selbst. Diese rela-

tiv hohe Körperschallanregung mit einer hohen Harmonischen der Ausstoßfrequenz trat in

der Überwachung auch mit dem Onlinesystem auch mit anderen wechselnden höheren Ord-

nungen der Ausstoßfrequenz temporär auf.

Wesentlich für eine Bewertung eines schadensfreien Zustandes ist hier das es keine ausge-

prägten mechanische Resonanzgebiete im hochfrequenten Bereich erkennbar sind. Die Mo-

dulation mit der Ausstoßfrequenz ist in Bild 13 c und die mit der dazu überlagerten Drehzahl

des Hauptläufers im Bild 13 d im Spektrum markiert.


261

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4t [m s ]

-2 0 0

-1 0 0

0

1 0 0

2 0 0a [m / s ² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X a t 0 . 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 3 5 : 3 6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4t [m s ]

-2 0 0

-1 0 0

05 0

1 5 0

a [m / s ² K a n a l B ] T i t l e

Bild 13a: Zeitsignal Schwing-Beschleunigung hochfrequent abgetastet bis 25 ms, an A-Seite

des Hauptläufers oben radial vertikal, unten axial an B-Seite

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f [ H z ]

0

2 0

4 0

6 0

a [ m / s ² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X a f 1 5 k \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 3 7 : 5 22 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 DM

67)

1. E

ing

riff

1. S

tufe

au-

Üb

erro

llf.

1. S

tufe

89)

1. E

ing

riff

2. S

tufe

au-

Übe

rrol

lf. 2

. Stu

fe

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f [ H z ]

0

2 0

4 0

6 0

a [ m / s ² K a n a l B ] T i t l e2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 DM

Bild 13b: Geschwindigkeitsspektrum bis 15 kHz aus 14a berechnet mit Vielfachen f Aus

1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0f [H z]

0

2 0

4 0

6 0

a [m / s²] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X a t 0 . 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 3 5 : 3 68 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM

1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0f [H z]

0

2 0

4 0

6 0

a [m / s²] T i t l e 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM

Bild 13c: Zoom im Bild 14b, axial bei der 11.Ordnung der Ausstoßfrequenz = 5742,19 Hz mit

Seitenbändern f Aus = 522,46 Hz


3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 7 5 0 0f [ H z ]

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0a [ m / s ² ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X a t 0 . 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 3 5 : 3 68 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM

3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 7 5 0 0f [ H z ]

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0a [ m / s ² ] T i t l e 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM

Bild 13d: Zoom im Bild 14b, axial bei 11.O.= 5742,19 Hz mit Seitenbändern f n HL =131,38 Hz

Bild 14 zeigt den bei der Schwingstärke bereits ausgeführten Einfluss der Druckschwankung

im Beispiel 3 auch hier in der Beschleunigung im Bereich 3 bis 10 kHz, was mit dem Druck-

verlauf im Bild 11c gut korreliert. Um hier einen typischen Körperschallkennwert überwachen

zu können, muss der Enddruck mit erfasst werden.

Bild 14: Schwankung der Schwingbeschleunigung im Bereich zwischen 3 und 10 kHz durch

Druckschwankung zwischen Förderdruck 1,4 bar und Leelaufdruck 0,2 bar im Zyklus nach

Bild 11c an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal

Bild 15: Verdichter an A-Seite HL radial vertikal, a(f) 1.-13.f Aus , 5. bei 6 m/s² 7. bei 17 m/s²

Bild 16: Verdichter an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal, Hüllkurvenspektrum bis 1,2

kHz a HKD (f) 1.-2. f Aus; 1. bei 3,3 m/s² 2. bei 1,3 m/s²


263

0 2 0 0 4 00 60 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 00 1 60 0 18 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 00 3 00 0f [H z]

0

5

10

15

20

a [m/ s² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X a h f 3 k \ D O W B S A V B A X 1 5 ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 3 : 1 0 : 1 42 3 4 DM

0 2 0 0 4 00 60 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 00 1 60 0 18 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 00 3 00 0f [H z]

0

5

10

15

20

a [m/ s² K a n a l B ] T i t le 2 3 4 DM

Bild 17: Grundspektrum bis 3,2 kHz, Verdichter des Hauptläufers, oben an A-Seite radial

vertikal, unten axial an B-Seite, a (f) 1.-5. f Aus; 1. bei 13,3 m/s² 2. bei 2,0 m/s²

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24t [ms]

-10

-5

0

5

10v [mm/ s Kana l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X v t 0 , 0 2 t 5 s \ D O W B S A V B A X (B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4 0 : 1 4M

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24t [ms]

-10

-5

0

5

10v [mm/ s Kana l B ] T i t leM

Bild 18a: Zeitsignal Schwing-Geschwindigkeit hochfrequent abgetastet bis 25 ms, an A-Seite

des Hauptläufers oben radial vertikal, unten axial an B-Seite

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f [H z]

0 ,0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

2 ,0v [m m / s] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X v t 0 , 0 2 t 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4 0 : 1 42 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 DM

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f [H z]

0 ,0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

2 ,0v [m m / s] T i t l e2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 DM

Bild 18b: Geschwindigkeitsspektrum bis 15 kHz aus 18a berechnet mit Vielfachen f Aus

Bild 15 und 17 des Grundspektrums und Bild 16 mit dem Hüllkurvenspektrum zeigen im


wesentlichen die Schadensfreiheit der Wälzlager, da die typischen Überrollfrequenzen der

Wälzlager hier nicht detektierbar sind. Die hochfrequenten Stoßanregungen mit der Ausstoß-

frequenz sind auch im Hüllkurvenspektrum als Demodulationen sichtbar.

Die Zahneingriffsfrequenzen sind ebenso nur mit sehr niedrigen Pegel in den vorherigen

Signalen wie auch in den Geschwindigkeitsspektren 18 a und 18b vertreten, was ein Merk-

male für eine Schadens- und Fehlerfreiheit der Zahneingriffe darstellt.

Bild 19: Beispiel 3, Stickstoffverdichter, Breitbandspektrum der Beschleunigung mit Effektiv-

werten a rms 16 bis 23 m/s² - B-Seite Hauptläufer radial vertikal – hier ein Signal pro Tag

Die Körperschallspektren des Stickstoffverdichters aus Beispiel 3 mit einem dargestellten

Breitbandspektrum pro Tag von der B-Seite mit den Zahnradantrieben zeigen im Bild 19 eine

deutlich höhere Variation in den Pegeln der Ordnungen der Ausstoßfrequenz als oben ge-

zeigt in der Maschinenschwingung, wie es aber bei hochfrequenten Signalen typisch ist. Die-

se starke Variation schränkt die Aussagefähigkeit von mobilen Einmal- Messungen deutlich

ein und muss ebenso in der Projektierung von Online- Überwachungen beachtet werden, in

denen diese Variation erfasst werden kann.


265

3. Diagnose mit zusätzlichen Messungen

Weitere Diagnosemöglichkeiten an Schraubenverdichtern stellen Luftschallmessungen mit

Messmikrofon, Motorstromanalysen mit Stromzange an den Stromphasen des Antriebs-

motors und Signalmessungen des dynamischen Drucks mit Druckaufnehmern an der Druck-

leitung dar, die vorzugsweise parallel zu Körperschallmessungen ausgeführt werden.

Bild 20: Schallschutzgehäuse mit Onlinesystem und Messmikrofon zur mobilen Messung

Bild 21a: Oben Schallpegelmessung, dominant Vielfache 4. Ordnung der Ausstoßfrequenz

Bild 21b: synchron zu 21 a gemessene Beschleunigung an A-Seite des Hauptläufers vertikal

Bild 20 a zeigt die Befestigung des Messmikrofons zur Luftschallmessung zur mobilen Diag-

nosemessung und das VIBNODE- Onlinesystem für das Beispiel 2. Bild 21a zeigt oben die

Luftschallpegelmessung mit den dominierenden Vielfachen der Ausstoßfrequenz, insbeson-

dere der 4. Ordnung, die auch audio-akustisch dominierend wahrgenommen wird und die bis

auf die 7. und 8. Ordnung etwas unterschiedlich zum unten abgebildeten Körperschallspekt-


rum sind. Die Unterschiede begründen sich in den in den Schall-Abstrahlungsphänomenen

der Gehäuseflächen und in Auswirkungen der Schallschutz-kabine. Im Bild 21b werden in

den Spektren aus 21a die dominante vierte Ausstoßfrequenz mit Seitenbändern der Aus-

stoßfrequenz selbst gezeigt.

Bild 21c: Oben Schallpegelmessung, dominant 4. Ordnung der Ausstoßfrequenz – unten

Beschleunigung an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal

Bild 22a und 22b zeigt für Beispiel 1 ebenso das Breitbandbeschleunigungsspektrum im

Vergleich zum Luftschallspektrum. Die oben genannten Phänomene sind hier trotz deutlich

unterschiedlicher Verdichtertypen hier vergleichbar anzutreffen.

Insgesamt hat die Luftschallmessung einen integrierenden Charakter, womit gute Über-

sichtsbewertungen durchgeführt werden können und womit vor Ort beobachtete audio-

akustische Phänomene nachgewiesen und diagnostiziert werden können.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000f [Hz]

0,00,5

1,0

1,5

2,02,5

3,0

3,5

4,0

a [m/ s²] S c h ra u b e n v e rd ic h t e r H a u p t lä u f e r N D E \ K ö rp e rs c h a l l 6 0 2 1 0 k H z 3 1 . 0 5 . 2 0 0 6 0 0 : 0 0 : 5 9M

(49,

83)

1.R

es. R

PM

(99,

67)

2.R

es. R

PM

(149

,50)

3.R

es. R

PM

(199

,33)

4.R

es. R

PM

(299

,00)

1.A

usst

oß 4

/6

(598

,00)

2.A

usst

oß 4

/6

(897

,00)

3.A

usst

oß 4

/6

(119

6,00

) 4.

Aus

stoß

4/6

(149

5,00

) 5.

Aus

stoß

4/6

Bild 22a: Beispiel 1 Beschleunigungs- Breitbandspektrum mit Vielfachen der Ausstoß-

frequenz und der Drehfrequenz Hauptläufer radial vertikal B-Seite


267

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0f [H z ]

0 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

2 , 5

3 , 0 [ P A ] L u f t s c h a l l A K M 1 H A E H 4 D B ( B ) \ A K M 1 H A E H 4 D B 3 k 0 1 . 0 2 . 2 0 0 6 1 4 : 2 3 : 2 22 3 4 5 6 7 9 1 0DM

Bild 22b: Beispiel 1 Luftschallspektrum mit Vielfachen f Aus und Drehfrequenz Hauptläufer

Bild 22 c und d zeigen einen Vergleich des Beschleunigung- Grundspektrums mit dem vom

Druckaufnehmer aufgenommenen Spektrum an der Druckleitung des Verdichters aus Bei-

spiel 1.

Der Druckaufnehmer liefert im wesentlichen nur die erste Ordnung der Ausstoßfrequenz,

wobei aber hier direkt die Pulsation der Drucksäule des Verdichters überwacht werden kann.

0 1 00 2 0 0 3 0 0 4 0 0 50 0 6 0 0 7 0 0 8 00 9 0 0 1 0 0 0 11 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 40 0 1 5 0 0f [H z]

0 ,0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

2 ,0

2 ,5

a [m/ s²] S c h ra u b e n v e rd i c h t e r H a u p t lä u f e r N D E \ S c h r a u b e n e in g r i f f 6 0 1 1 k H z 1 7 . 0 6 . 2 0 0 6 0 0 : 0 1 : 0 6 M

(49,

67)

1.R

es. R

PM

(99,

33)

2.R

es. R

PM

(149

,00)

3.R

es. R

PM

(198

,67)

4.R

es. R

PM

(298

,00)

1.A

usst

oß 4

/6

(596

,00)

2.A

usst

oß 4

/6

(894

,00)

3.A

usst

oß 4

/6

(119

2,00

) 4.

Aus

stoß

4/6

(149

0,00

) 5.

Aus

stoß

4/6

Bild 22c: Beispiel 1 Beschleunigungs- Grundspektrum mit Vielfache Ausstoßfrequenz und

Drehfrequenz Hauptläufer radial vertikal B-Seite

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500f [H z]

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10a [m/ s²] D ru c k d y n a m is c h \ P u ls a t io n s s p e k t ru m in b a r 6 0 1 1 k H z 1 9 . 0 6 . 2 0 0 6 0 0 : 0 0 : 3 1M

(49,

83)

1.R

es. R

PM

(99,

67)

2.R

es. R

PM

(149

,50)

3.R

es. R

PM

(199

,33)

4.R

es. R

PM

(299

,00)

1.A

usst

oß 4

/6

(598

,00)

2.A

usst

oß 4

/6

(897

,00)

3.A

usst

oß 4

/6

(119

6,00

) 4.

Aus

stoß

4/6

(149

5,00

) 5.

Aus

stoß

4/6

Bild 22d: Beispiel 1 Spektrum des dynamischen Drucks in Druckleitung mit Ausstoßfrequenz

p dyn


4. Literatur

[1] VDI 3836 Entwurf Messung und Beurteilung mechanischer Schwingung von Schrau-

benverdichtern und Rootsgebläsen - Ergänzung von DIN ISO 10816-3; Ausgabe 2005-

03

[2] DIN ISO 10816-3: " Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 3: Industrielle Maschi-

nen mit Nennleistungen über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 min-1 und

15000 min-1 bei Messungen am Aufstellungsort”, Ausgabe 1998-12

[3] VDI 3839 Blatt 1: Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von

Maschinen - Allgemeine Grundlagen, Ausgabe 2001-03

[4] VDI 3839 Blatt 2: Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von

Maschinen - Schwingungsbilder für Anregungen aus Unwuchten, Montagefehlern, La-

gerungsstörungen und Schäden an rotierenden Bauteilen , Ausgabe 2001-06

[5] VDI 3832 Entwurf: “ Schwingungs- und Körperschallmessung zur Zustandsbeurteilung

von Wälzlagern in Maschinen und Anlagen”, Ausgabe 2005-01

Diagnose- und Überwachung an Schraubenverdichtern Luft 20… · VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11...

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