Online Condition Monitoring von Windenergieanlagen … CM von WEA.pdf · RWTH Aachen und Dr....

Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse

Diplomarbeit

Online Condition Monitoring von Windenergieanlagen

mittels Krperschallanalyse

Marc Thomsen, im Juli 2002

Fachhochschule Flensburg

GEO Gesellschaft fr Energie und Oekologie

Verleihexemplar Lager- und Getriebedaten sind unkenntlich gemacht! Rckfragen an: Marc Thomsen, [email protected]

Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 2

Danksagung

Viele freundliche Leute haben mit Ihrem Wissen und Knnen zu dieser Diplomarbeit beigetragen. Ihnen allen danke ich dafr recht herzlich: Prof. Dr. Hans-Jrgen Sponholz vom Institut fr Maschinen und Anlagentechnik an der FH Flensburg fr die Betreuung der gesamten Diplomarbeit Dr. Hermann van Radecke vom Institut fr Physik an der FH Flensburg fr die begleitenden Gesprche und die zahlreichen Hinweise und Erluterungen zu Spektralanalysen Torsten Johnson von der Firma GEO fr die Idee zum Thema dieser Diplomarbeit Klaus Vaehsen von der Firma DMT fr die Kooperation und die Beantwortung zahlreicher Fragen zum Condition-Monitoring-System DMT-ZUMWART online Prof. Dr. Andreas Seeliger vom Institut fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der RWTH Aachen und Dr. Jianfeng Shan von der Firma SKF Deutschland fr ihre Erluterungen zu diagnosetechnischen Besonderheiten bei Planetengetrieben Horst Kindler fr seine Ttigkeit als Lektor Marc Thomsen, im Juli 2002 Titelbild: 3D-Ansicht der Baugruppen im Maschinenhaus einer Windenergieanlage Vestas V66 /1/, Hintergrund: Beispiel eines Krperschallfrequenzspektrums


Inhalt Seite 1. Formelzeichen und Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Grundlagen der Maschinendiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von Krperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. kinematische Zusammenhnge im Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1. Wlzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.2. Zahnradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngren . . . . . . . . . . . 3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

und Anstreifvorgngen 3.6. Detektion von Stoimpulsen an Wlzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7. Hllkurvenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.1. Amplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7.2. Hllkurvenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.8. Wlzlagerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.9. Verzahnungsdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.10. Einfluss variabler Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.11. Einfluss variabler Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66 . . . . . . .

4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 1,65 MW . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1. Daten der zu berwachenden Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und Primrgeneratorlager . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.3. Getriebekinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Signalerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2. Signalverarbeitung und -speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und visualisierung . . . . . . . . . .

5. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1. Drehzahlabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Ermittlung des Verschleizustandes der WEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.1. Spektralanalyse bei konstanter Drehzahl und niedriger Last . . . . . . . . . . . . .5.2.2. Gegenberstellung der manuellen und der automatischen Auswertung . . . .

5.3. Auswirkung von Drehzahlnderungen auf die Spektraldaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Bercksichtigung unterschiedlicher Anlagenbelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.1. Leistungsabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Windgeschwindigkeitsabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . .5.4.3. Vergleich der Klassierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Quellenangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

5

7799

10151517

1820202122252728

292930333435353839

43434444545565676870

73

75

77


1. Formelzeichen und Abkrzungen

Druckwinkel

Kreisfrequenz

M Modulationsfrequenz

T Trgerfrequenz

a Beschleunigung

A-Seite Antriebsseite

B-Seite Nicht-Antriebsseite

CM Condition Monitoring

CMI Condition Monitoring Index

D Teilkreisdurchmesser

d Wlzkrperdurchmesser

DF Datenfernbertragung

DMT Deutsche Montan Technologie GmbH

f Frequenz

fa Auenringberrollfrequenz

fGen Drehfrequenz des Primrgenerators

fH Planetenpassierfrequenz am Hohlrad

fi Innenringberrollfrequenz

fk Kfigrotationsfrequenz

fP Planetendrehfrequenz

fP Planetenradberrollfrequenz

fS Sonnenraddrehfrequenz

fS Planetenpassierfrequenz am Sonnenrad

fT Planetentrgerdrehfrequenz

fTurm Turmdurchgangsfrequenz fw Wlzkrperrotationsfrequenz

fze Zahneingriffsfrequenz

fzew Zahneingriffswiederholfrequenz

g Erdbeschleunigung (g=9,81 m/s2)

i bersetzungsverhltnis

i1 bersetzungsverhltnis

Rotor Primrgenerator

i2 bersetzungsverhltnis

Rotor Sekundrgenerator

k Anzahl von Planetenrdern

in einem Planetengetriebe

KGV kleinstes gemeinsames

Vielfaches

M Drehmoment

n Drehzahl

P Leistung

WEA Windenergieanlage

Z Wlzkrperanzahl

z Zhnezahl

zH Zhnezahl Hohlrad

zP Zhnezahl Planetenrad

zS Zhnezahl Sonnenrad


2. Einleitung

Windenergieanlagen (WEA) sind mittlerweile fr eine Lebensdauer von ber 20 Jahren

ausgelegt. Whrend dieser Life-Cycle-Periode entscheiden unter anderem Verfgbarkeit und

Betriebsfhrungskosten ber die zu erzielende Rendite.

Wie Abbildung 2.1 zeigt, fhren

insbesondere Schden am

Antriebsstrang hufig zu

Ausfllen von WEA. Solche

Schden, die meist erhebliche

Stillstandszeiten nach sich

ziehen, htten mglicherweise

bei Verwendung geeigneter

berwachungssysteme frhzeitig

erkannt werden knnen.

Die zuverlssige berwachung (Condition Monitoring) der wesentlichen mechanischen

Komponenten einer WEA wie Hauptwellen-, Generator- und Getriebelager sowie

Getriebeverzahnungen stellt daher eine wichtige Voraussetzung fr den dauerhaft

wirtschaftlichen Betrieb dar.

Hierzu ist neben dem Erfassen und Bewerten von ltemperaturen die schwingungstechnische

Zustandsberwachung ein geeignetes Mittel, das sich bereits in anderen industriellen

Bereichen bewhrt hat, aber bis heute in der Windenergietechnik kaum verbreitet ist.

Insbesondere geplante Offshore-Windenergieanlagen erfordern aufgrund der eingeschrnkten

Erreichbarkeit auf See bezglich ihrer knftigen technischen Betriebsfhrung den Einsatz von

Condition Monitoring Systemen zur Zustands- und Verschleiberwachung der

mechanischen Komponenten. So knnen Wartungszeitpunkte besser geplant, ungeplante

Anlagenstillstnde und teure Folgeschden weitestgehend ausgeschlossen, und somit eine

optimale Verfgbarkeit der Anlagen sichergestellt werden. Darber hinaus fordern immer

mehr Versicherungen, insbesondere die hochwertigen Komponenten des Antriebsstranges in

den immer grer und komplexer werdenden Anlagen auch onshore technisch noch

umfangreicher und zuverlssiger zu berwachen.

beschdigte Komponenten an WEA im Jahr 2001

Kupplung7%

Getriebe43%

Generator21%

Rotorbltter29%

Abb. 2.1: Von Ausfllen betroffene Komponenten an WEA im Jahre 2001, Daten aus /2/

Von Ausfllen betroffene Komponenten an WEA 2001


Um onshore erste Erfahrung mit der Fernberwachung von Bauteilen in WEA zu sammeln,

ist im Rahmen eines Pilotprojektes in Kooperation zwischen den Firmen GEO-mbH und

DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) das Condition Monitoring System

DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66 eingebaut worden, die von

GEO im Windpark Willenscharen bei Neumnster betreut wird. Dieses berwachungssystem

hat sich bereits in unterschiedlichen industriellen Bereichen wie beispielsweise in der

Bergbau- und Kraftwerkstechnik bewhrt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen und

Anlagenbelastungen auf die bei diesem Projekt ermittelten schwingungstechnischen Daten

ermittelt werden. Zielsetzung ist, mit Hilfe geeigneter Klassierungen der Frequenzspektren

eine zuverlssige Maschinenberwachung bei unterschiedlichen Betriebszustnden zu

realisieren und so die Praxistauglichkeit dieses CM-Systems fr sptere Offshore-

Anwendungen aber auch fr die Nachrstung von Altanlagen zu erproben.

Im Folgenden sollen nach einer Einfhrung in die Grundlagen der schwingungstechnischen

Maschinendiagnose und einer Beschreibung der WEA sowie des berwachungssystems die

aufgenommenen Messdaten zur Ermittlung des Verschleizustandes der WEA ausgewertet

und hinsichtlich der Einflsse unterschiedlicher Drehzahlen und Lasten beurteilt und

diskutiert werden.


3. Grundlagen der Maschinendiagnose Neben der Messung von Temperaturen, Drcken und anderen Prozessgren stellt die

schwingungstechnische Diagnose eine sehr zuverlssige Methode zur Detektion mechanischer

Aufflligkeiten dar. Whrend sich groflchige Bauteilschden in der Regel durch einen

Anstieg der Schmierstofftemperatur und Abfall der Qualitt erkennen lassen, ist die

schwingungstechnische berwachung geeignet, selbst kleinflchige, rtlich eng begrenzte

Schden, aber auch Unwuchten, Ausrichtfehler und Anstreifvorgnge zu erkennen. Zur

Messung von Vibrationen besteht neben der Verwendung von Dehnungsmessstreifen

grundstzlich die Mglichkeit, die physikalischen Gren Weg, Geschwindigkeit und

Beschleunigung mit Hilfe induktiver Sensoren oder aber Krperschallsignale mit

piezoelektrischen Sensoren aufzuzeichnen. Im Folgenden soll schwerpunktmig die

Messung und Auswertung von Krperschallbeschleunigungssignalen betrachtet werden, da

sich dieses Verfahren in der Vergangenheit gegenber den anderen mehr und mehr

durchgesetzt hat. Auf dieser Basis finden auch die Messungen beim Condition Monitoring der

WEA in Willenscharen statt. 3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von Krperschall Die Zustandsberwachung auf der Basis von Krperschall beruht auf dem Prinzip,

nderungen des Geruschverhaltens einer Maschine im Vergleich zum Normalbetrieb zu

messen und daraus Rckschlsse auf eventuell auftretende Schden an

Maschinenkomponenten zu ziehen.

Der Betrieb von Maschinen ist immer mit der Entstehung

von Schwingungen verbunden, die sich in Form von

Krperschall in der Maschine ausbreiten bzw. als

Luftschall an die Umgebung abgegeben werden. Der

Krperschall setzt sich dabei aus einer Vielzahl einzelner

Schwingungskomponenten zusammen, die sich

unterschiedlichen Maschinenteilen oder -komponenten

zuordnen lassen. Im Falle eines Fehlers oder Schadens

verndern sich die Krperschallschwingungen, so dass sich

mit Hilfe der Schwingungsberwachung Maschinen-

schden frhzeitig und gezielt identifizieren lassen.

Verschlei, fehlerhafte Montage und unzureichende

Wartung knnen erfasst und bewertet werden.

Abb. 3.1: Krperschallmessung und analyse /3/


Zur Messung des Krperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren

verwendet, die ein Spannungssignal erzeugen, welches der Beschleunigung einer seismischen

Masse im Sensor proportional ist. Durch geeignete Filterung, Transformation und

anschlieende Analyse dieses Signals knnen Rckschlsse ber den Zustand einzelner

Maschinenteile gezogen werden. Abbildung 3.1 verdeutlicht schematisch die

Krperschallmessung, Signalverarbeitung und analyse.

Wesentlich fr eine zuverlssige berwachung ist allerdings, dass die Datenbasis fr die

Analyse den Zustand der Maschine exakt widerspiegelt. Hierzu mssen im Vorfeld

Informationen zum Aufbau und zu den einzelnen Baugruppen der Maschine vorhanden sein.

Beschdigungen an Wlz- und Gleitlagern sowie Getriebeverzahnungen, fhren in der Regel

zu periodischen Schwingungen. Wlzlagerschden wie zum Beispiel Pittings auf Laufbahnen

erzeugen beim berrollen eine periodische Folge von Einzelsten, die zu

Beschleunigungsspitzen am Sensor fhren, die im Beschleunigungssignal deutlich

nachweisbar sind.

Die Frequenz dieser Stoimpulse ist spezifisch fr den Wlzlagerschaden und lsst sich bei

Kenntnis der Lagergeometrie sowie der Drehzahl berechnen. Je nach Schadensort

(Auenring, Innenring, Wlzkrper) ergeben sich unterschiedliche Impulsfrequenzen, die als

kinematische Lagerfrequenzen bezeichnet werden. Mgliche Schden lassen sich durch

erhhte Amplituden bei den zugehrigen kinematischen Frequenzen und deren Vielfachen

diagnostizieren. /4/

Bei WEA muss dabei der weite Drehzahlbereich von der langsam drehenden Rotorwelle bis

zur schnell drehenden Generatorwelle im Diagnosesystem ebenso bercksichtigt werden, wie

der aktuelle Lastzustand der Anlage. Die genannten, fr die Krperschallsignale wesentlichen

Einflussgren (Bauteilgeometrie bzw. aufbau, Drehzahl und Last) sollen in den folgenden

Kapiteln nher betrachtet und erlutert werden.


3.2. kinematische Zusammenhnge im Antriebsstrang Die Auswertung der Schwingungssignale setzt die Kenntnis der Geometrie und der Kinematik

der zu berwachenden Lager und Getriebe im Antriebsstrang voraus. Im Folgenden wird

dargestellt, welche Berechnungen zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen im Vorfeld

der Auswertung erforderlich sind.

3.2.1. Wlzlager Wlzlager unterliegen im normalen Betrieb durch wechselnde Beanspruchungen einem

Verschlei, der im Laufe der Zeit zu Ausbrchen (Pittings) an den Lagerringen, Wlzkrpern

oder dem Wlzkrperkfig fhren kann. Wenn solche Pittings in den Wlzlagern von den

Wlzkrpern berrollt werden, werden in den angrenzenden Lagerbauteilen periodisch

auftretende starke Belastungsspitzen erzeugt. Die Frequenzen, mit denen diese Spitzen

auftreten, werden als berrollfrequenzen bezeichnet. Sie hngt von den folgenden in den

Abbildungen 3.2 und 3.3 verdeutlichten geometrischen und kinematischen Gren ab:

Teilkreisdurchmesser D

Wlzkrperdurchmesser d

Druckwinkel

Anzahl der Wlzkrper Z

Drehzahl der Welle n

Abb. 3.2: Geometrie eines Wlzlagers /5/

Abb. 3.3: Definition des Druckwinkels : Der Druckwinkel ist der Winkel, den die Drucklinie der Wlzkrperbelastung mit einer zur Lagerachse senkrechten Ebene bildet. Zum Beispiel ist bei radial belasteten Rillenkugellagern =0. /6/


Unter Verwendung folgender Gleichungen lassen sich die Rotations- und berrollfrequenzen

fr die einzelnen Bauteile eines Wlzlagers berechnen:

Rotationsfrequenz 60nf = n [min-1] f [s-1] Gl. 3.1 /5/

Innenringberrollfrequenz

+= cos1

21

DdZffi Gl. 3.4 /5/

Auenringberrollfrequenz

= cos1

21

DdZffa Gl. 3.5 /5/

Wlzkrperberrollfrequenz

+= cos11

Dd

dDffw Gl. 3.6 /5/

Kfigrotationsfrequenz

= cos1

21

Ddffk Gl. 3.2 /5/

(bei rotierendem Innen- und stehendem Auenring)

+= cos1

21

Ddffk Gl. 3.3 /5/

(bei stehendem Innen- und rotierendem Auenring)

Die namhaften Lagerhersteller bieten zur Berechnung dieser Frequenzen entsprechende

Software an, die nach Eingabe der Bezeichnung eines Lagers und der Drehzahl alle berroll-

und Rotationsfrequenzen angibt.

Bei Wlzkrperschden in Kugellagern ist zu beachten, dass sich in Bezug auf die Drehachse

einer Lagerkugel eine Schadensstelle whrend der Rotation verlagern kann, so dass ein

Kugelschaden mglicherweise nicht stndig berrollt wird. In diesem Fall ist die

Wlzkrperberrollfrequenz zur Lagerdiagnose nur bedingt aussagekrftig.

3.2.2. Zahnradgetriebe

Die verschiedenen Baugruppen in einem Zahnradgetriebe zeigen unterschiedliche

Anflligkeiten bezglich eines mglichen Defektes. Wellen und Gehuse weisen eine eher

geringe Ausfallquote gegenber Dichtungen und Lagern auf. Zahnradschden treten hingegen

hufiger auf und haben zugleich schwerwiegendere Folgen. /7/

Daher werden nun zuerst die kinematischen Grundlagen fr die Schwingungsanregung an

Verzahnungen von Stirnradgetrieben und darauf aufbauend an komplexeren

Planetengetrieben aufgezeigt.


Stirnradgetriebe:

Abb. 3.4: Zahnradpaar einer einstufigen Stirnrad- verzahnung

Bei einem einstufigen Stirnradgetriebe, wie es in Abbildung 3.4 dargestellt ist, berechnet sich

die bersetzung i aus dem Verhltnis der Zhnezahlen za und zb bzw. den Drehzahlen na und

nb. Bei Vernachlssigung der Verlustleistung kann das bersetzungsverhltnis auch aus den

Drehmomenten Ma und Mb berechnet werden:

a

b

b

a

b

a

a

b

MM

nn

zzi ====

Gl. 3.7 /8/

mit: za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b

na, nb Drehzahlen der Zahnrder a und b

a, b Kreisfrequenzen der Zahnrder a und b

Ma, Mb Drehmomente der Zahnrder a und b

Ein Zahnradgetriebe bildet ein sehr komplexes schwingungsfhiges System, in dem die

Schwingungen in Form von Luft-, Krper- und Flssigkeitsschall auftreten knnen. Die

Anregung der Schwingungen findet in erster Linie durch den Zahneingriff selbst statt, der

eine Ungleichfrmigkeit der Drehbewegung der kmmenden Zahnrder in Form von

Drehbeschleunigungen bewirkt. Dies bedeutet, dass auch in einem vllig intakten Getriebe

periodische Schwingungen erzeugt werden, die jedoch von denen zu unterscheiden sind, die

durch Getriebeschden hervorgerufen werden.


Abbildung 3.5 zeigt die Anregung durch den sog. Eintrittsimpuls an einer Verzahnung:

Abb. 3.5: Infolge der Kraftbertragung verbiegen sich die im Eingriff stehenden belasteten Zhne 2 und 2. Durch die entstehende Verlagerung der Zahnflanken dreht sich das treibende Rad nach links gegenber dem getriebenen Rad. Theoretisch betrachtet kme hierbei der noch unbelastete Zahn 3 in den Flchenbereich A des unbelasteten Gegenzahns 3. In der Realitt stt jedoch der Zahn 3 schon vorher gegen die Kopfkante von 3, wodurch der Eintrittsimpuls- oder sto entsteht. /9/

Auer dem Zahneintrittsimpuls kommt es auch beim Zahnaustritt zu einem weiteren Impuls,

wenn der nachfolgende Zahn pltzlich die Kraftbertragung bernimmt. Die Art der

Verzahnung (gerade oder schrg) hat Einfluss auf die Intensitt der Ste. Eintritts- und

Austrittsimpuls werden mit der sog. Zahneingriffsfrequenz fze angeregt.

bbaaze zfzff == Gl. 3.8 /9/

mit: fa, fb Drehfrequenzen der Zahnrder a und b

za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b

Des Weiteren werden Schwingungen durch nderungen der Zahnfedersteifgkeit angeregt, die

sich im Verlauf des Zahneingriffs ndert, wobei sich diese Vernderung periodisch mit der

Zahneingriffsfrequenz wiederholt. Bei einer Schrgverzahnung ist die auftretende

Schwankung geringer als bei einer vergleichbaren Geradverzahnung. Als weiterer

Anregungsmechanismus ist der sog. Reibwechselimpuls zu nennen, der in Folge des

Richtungswechsels der Reibkraft im Wlzpunkt Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenz

anregt. Auch hier fhrt die Verwendung einer Schrgverzahnung zu einer geringeren

Intensitt der Anregung als bei einer Geradverzahnung. Zustzlich entstehen an den an der

Kraftbertragung beteiligten Zahnflanken Reibgerusche durch die auftretende Gleit- und

Wlzreibung. Hierbei treten aber keine fr die Schadensdiagnose relevanten Frequenzen auf.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass mit Ausnahme der Reibgerusche, alle

beschriebenen Mechanismen mit der Zahneingriffsfrequenz angeregt werden. Aus Grnden

der Vereinfachung werden bei der Verzahnungsdiagnose die Betrachtungen in der Regel auf

den Zahneingriffssto beschrnkt. /9/

Schden an der Verzahnung knnen beim Zahneingriff zu Intensittsschwankungen der

Zahneingriffsste fhren, was ihr Erkennen bei der Getriebediagnose ermglicht.


In der Realitt wird es bedingt durch Bauungenauigkeiten jedoch auch bei einer intakten

Verzahnung immer leichte Intensittsschwankungen der Zahneingriffsste geben. Eine

gleich groe Intensitt der Ste wird sich immer wieder ergeben, wenn sich gleiche Zhne

beim Kmmen wieder treffen. Die Anzahl der dazu erforderlichen Umdrehungen hngt von

den Zhnezahlen beider Zahnrder ab und lsst sich mit Hilfe der folgenden Gleichungen fr

Stirnradgetriebe berechnen:

a

b

zz ),KGV(z a radungen Zahnder Umdreh Anzahl a= Gl. 3.9 /9/

b

b

zz ),KGV(z b radungen Zahnder Umdreh Anzahl a= Gl. 3.10 /9/

Die entsprechende Zahneingriffswiederholfrequenz fzew berechnet sich folgendermaen:

),KGV(z),KGV(z aa b

bb

b

aazew z

zfz

zff == Gl. 3.11 /9/

mit: KGV (za, zb) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen

der beiden Zhnezahlen za und zb

fa, fb Drehfrequenzen der Zahnrder a und b

za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b

Planetengetriebe:

Im Gegensatz zu einfachen Stirnradgetrieben vollfhren die zahlreichen Maschinenteile eines

Planetengetriebes, also Sonnenrad, Planeten, Planetentrger und Hohlrad, komplexere

kinematischen Bewegungen. Die Komplexitt der Kinematik erschwert eine Diagnose

erheblich. Auch wenn die schwingungsanregenden Mechanismen grundstzlich die gleichen

wie bei Stirnradgetrieben sind, gestaltet sich das Erkennen von Fehlern an der Verzahnung

von Planetengetrieben komplizierter, da sich immer mehrere Planeten im Zahneingriff

befinden und die Planeten sich nicht nur um ihre eigene Achse drehen, sondern zustzlich

auch um den Mittelpunkt des Planetentrgers. Abb. 3.6 zeit die Baugruppen eines

Planetengetriebes.

Abb. 3.6: Baugruppenbersicht eines einstufigen Planetengetriebes: Bei WEA treibt die langsam drehende Hauptwelle den Planetentrger an, entsprechend ist in diesem Fall die Sonnenradwelle die Abtriebswelle.


Bei einstufigen Planetengetrieben mit feststehendem Hohlrad gilt fr das

bersetzungsverhltnis i:

S

HS

T

S

zzz

ffi +== Gl. 3.12 /10/

Fr die Drehfrequenz der Planetenrder gilt:

( ) SHSPHS

P fzzzzzf +

= Gl. 3.13 /10/

Die Zahneingriffsfrequenz fze ergibt sich in diesem Fall aus:

HS

HSSze zz

zzff+

= Gl. 3.14 /10/

Fr die Zahneingriffswiederholfrequenzen von Sonnen- und Planetenrad fzew(S,P) bzw. fr die

Zahneingriffsfrequenz von Planeten- und Hohlrad fzew(P,H) gilt:

( )),(),( PS

STSPSzew zzKGV

zfff = Gl. 3.15 /10/

),(),( HPH

THPzew zzKGVzff = Gl. 3.16 /10/

Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf dem Sonnenrad gilt:

SHS

HS fzz

zkf +

= (Passierfrequenz am Sonnenrad) Gl. 3.17 /10/

Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf dem Hohlrad gilt:

SHS

SH fzz

zkf +

= (Passierfrequenz am Hohlrad) Gl. 3.18 /10/

Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf einem Planetenrad gilt:

( ) SHSPHS

P fzzzzzf +

= 2 Gl. 3.19 /10/

mit: fT Planetentrgerdrehfrequenz

fS Sonnenraddrehfrequenz

k Anzahl der Planetenrder

zS Zhnezahl des Sonnenrades

zH Zhnezahl des Hohlrades

zP Zhnezahl eines Planetenrades

KGV (zS, zP) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen

der beiden Zhnezahlen zS und zP KGV (zP, zH) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen

der beiden Zhnezahlen zP und zH


3.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngren Zur groben Beurteilung des Schwingverhaltens einer Maschine werden hufig verschiedene

breitbandig gemittelte Kenngren angegeben, die eine Reihe mglicher

Schwingungsursachen andeutungsweise erkennen lassen. Hauptschlich wird hier neben dem

Spitzenwert der Effektivwert des Schwingungssignals verwendet im Englischen als root-

mean-square-value (RMS) bezeichnet. Er ist definiert als die Wurzel aus dem Mittelwert der

quadrierten Augenblickswerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnitts und kann mit

speziellen elektrischen Schaltungen ermittelt werden. Der Effektivwert enthlt jedoch keine

Information ber die spektrale Zusammensetzung der Schwingung. Vernderungen der

Schwingfrequenz oder sich anbahnende Schden mit neuen Frequenzkomponenten geringer

Amplituden sind im Effektivwert nicht erkennbar. /11/ Fr eine weitergehende, detailliertere

Untersuchung sind umfangreichere Messungen und Spektralanalysen erforderlich, wie in den

folgenden Abschnitten beschrieben.

3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse Um auf Grundlage der Schwingungsanalyse Rckschlsse auf den Verschleizustand einer

Maschine ziehen zu knnen, wird zunchst mit Hilfe von Krperschall-

beschleunigungssensoren die Vibration der Maschine in ein elektrisches Signal umgewandelt,

verstrkt und gefiltert. Ein Filtern des Signals ist erforderlich, um die normalen

Laufgerusche der Maschine herauszufiltern, die den infolge von lokalen Beschdigungen

auftretenden periodischen Schwingungen berlagert sind. Durch Herausfiltern all dieser

Schwingungsanteile knnen so die kinematisch bedingten Impulse fr die Auswertung

rekonstruiert werden. Bei der anschlieenden Auswertung wird das Schwingungssignal in

Abhngigkeit der zu berwachenden Baugruppe mit unterschiedlichen Analyseverfahren auf

bei Maschinenschden auftretende charakteristische Merkmale untersucht. So kommt neben

der Auswertung des aufgenommenen Zeitsignals der Beschleunigung, dem sog. Rohsignal,

die Analyse des Frequenzspektrums zur Anwendung. Das Frequenzspektrum wird mit Hilfe

geeigneter mathematischer Transformationsverfahren, wie zum Beispiel der Fourier-

Transformation oder der Fast-Fourier-Transformation (FFT) aus dem Rohsignal errechnet.

Mit Hilfe dieser Transformationsverfahren kann ein beliebiges Zeitsignal in eine Summe

reiner Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase zerlegt werden.

Eine genauere Betrachtung dieser Transformationen, die ohnehin von der Auswerteelektronik

durchgefhrt werden, wrde den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen, so dass

diesbezglich auf die Literatur, z.B. /12/ und /13/, verwiesen wird.


Des Weiteren kommt auch die Betrachtung des sog. Hllkurvensignals zur Anwendung,

welches sich besonders fr die berwachung von langsam drehenden Wlzlagern und

Getriebeverzahnungen eignet, da genau die Signalanteile extrahiert sind, die den Lager- bzw.

Verzahnungszustand widerspiegeln. /14/ Siehe hierzu auch Abschnitt 3.7.

Die Art der Darstellung der gemessenen Signale ist entscheidend fr das Erkennen von

Schden und deren Ursachen. Es gibt unterschiedliche Darstellungsmglichkeiten, die je nach

Besonderheit des Schwingungsproblems zum Einsatz kommen. Tabelle 3.1 verdeutlicht die

bei der Maschinendiagnose verwendeten Signaldarstellungen im Zeit- und Frequenzbereich.

Zeitbereich Frequenzbereich Signal

Zeit- oder Rohsignal Frequenzspektrum (Spektrum)

Hllkurve

Hllkurve des Rohsignals

Hllkurvenspektrum

Tabelle 3.1: Das Rohsignal, das Frequenzspektrum, die Hllkurve des Rohsignals sowie das Hllkurvenspektrum werden zur Schwingungsanalyse verwandt.

Die Amplituden der einzelnen spektralen Komponenten knnen linear oder logarithmisch

dargestellt werden. Bei der linearen Darstellung sind in der Regel nur die greren

Komponenten im Spektrum sichtbar, whrend bei der logarithmischen Darstellung mehr

Details hervortreten. An der Ordinate werden bei linearer Darstellung als Einheit entweder

Vielfache der Erdbeschleunigung g (g=9,81 m/s2) oder unmittelbar das Spannungssignal in

mV angegeben. Bei logarithmischer Darstellung der Beschleunigungsamplituden erfolgt die

Skalierung dimensionslos in dB (Dezibel), wobei als Bezugsbeschleunigung bei der Firma

DMT der Wert a0 = g10-6 = 9,8110-6m/s2 verwendet wird, um gut zu handhabende

Zahlenwerte zu erhalten. Bei anderen Anbietern von CM-Systemen kann diese

Bezugsbeschleunigung durchaus einen anderen Wert haben, so dass bei logarithmischer

Darstellung die Absolutwerte der Amplituden nur bedingt vergleichbar sind.


Da jedoch in der Regel nur eine Relativbetrachtung durchgefhrt wird, bei der Momentan-

und Referenzwerte mit dem gleichen System erfasst werden, spielt die Amplitudeneinheit

letztlich nur eine untergeordnete Rolle.

Fr den dimensionslosen Wert der Beschleunigung a gilt:

0

2

0

log20log10_aa

aaadB =

= Gl. 3.20 /15/

mit: dB_a dimensionsloser, logarithmischer Wert der gemessenen Beschleunigung

a gemessen Beschleunigung

a0 Bezugsbeschleunigung a0 = 9,8110-6m/s2

3.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern und Anstreifvorgngen

Die schwingungstechnische Lager- und Getriebeberwachung ermglicht neben der

Verschleidiagnose an Lagern und Getrieben auch ein Erkennen von Unwuchten, Ausricht-

oder Kupplungsfehlern sowie Anstreifvorgngen in Wellenstrngen. Gem /16/ und /19/

werden die folgenden charakteristischen Merkmale solcher Fehler unterschieden.

Unwuchten

Bei Maschinen mit groen rotierenden Massen sind Unwuchten eine hufige Quelle fr

Schwingungen. Unwuchten treten auf, wenn die Masseverteilung in Rotoren nicht

symmetrisch zur Drehachse ist. Sie erzeugen umlaufende Krfte und Momente, die von der

Lagerung des Rotors aufgenommen werden mssen, damit dieser in seiner Drehachse

festgehalten wird. Diese Krfte und Momente erreichen einmal pro Umdrehung ein Maximum

und ein Minimum und regen daher die Lagerung zu drehfrequenten Schwingungen an.

Durch Unwucht erregte Schwingungen zeigen sich im Frequenzspektrum durch erhhte

Amplituden bei der Rotationsfrequenz und sind unabhngig vom bertragenen Drehmoment.

Ausricht- oder Kupplungsfehler

Fehlerhafte Ausrichtung von Wellenstrngen und Fertigungsmngel oder Verschlei an

Kupplungselementen knnen ebenfalls Ursache von verstrkten Wellen- und

Lagerschwingungen sein. Ausrichtfehler sind hufig die Ursache von mangelnder

Genauigkeit bei der Montage, von thermischen Einflssen oder aber von

Setzungserscheinungen des Fundaments. Von Kupplungsfehlern spricht man, wenn die

kraftbertragenden Elemente einer Kupplung die Momente bei jeder Umdrehung

ungleichmig weiterleiten.


Bei Ausricht- oder Kupplungsfehlern treten daher zustzliche Krfte in den Lagerstellen auf,

die hufig 1, 2, 3 oder 4 mal pro Umdrehung ein Maximum und ein Minimum erreichen. Im

Frequenzspektrum sind erhhte Amplituden bei der Wellendrehfrequenz und den ersten drei

bis vier Vielfachen, im Folgenden auch Harmonische genannt, zu erkennen.

Anstreifvorgnge

Bei einem periodischen Anstreifen einer rotierenden Welle an ein umgebendes Bauteil wie

zum Beispiel dem Gehuse oder einer Abdeckung knnen im Frequenzspektrum

Amplitudenerhhungen bei der Wellendrehfrequenz mit bis zu zehn Harmonischen auftreten.

3.6. Detektion von Stoimpulsen an Wlzlagern

Wenn die Wlzkrper eines Wlzlagers mit ausreichender Belastung periodisch ber einen

Defekt in der Laufflche rollen, so lassen sich im Zeitsignal der Schwingbeschleunigung

meist periodische Ste nachweisen. Das Frequenzspektrum eines solchen

Schwingungssignals besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen, die alle Vielfache der

Stoimpulsfolgefrequenz sind. Die hchsten Amplituden treten im Bereich der

Resonanzfrequenzen auf. Die Abbildungen 3.7 und 3.8 zeigen beispielhaft die Simulation der

Anregung einer Maschinenresonanz durch eine periodische Stofolge im Zeit- und

Frequenzbereich.

Abb. 3.7: Zeitsignal einer periodischen Stofolge /16/

Abb. 3.8: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stofolge ohne Be-rcksichtigung des real auftretenden Strpegels /16/

Grundstzlich sind periodische Stoimpulse dadurch zu erkennen, dass die Amplituden der

Stoimpulsfolgefrequenz und der Vielfachen empirisch festgelegte Grenzwerte berschreiten.


In der Regel ist die Amplitude der Stoimpulsfolgefrequenz jedoch so niedrig, dass sie durch

einen maschinengeruschbedingten Strpegel berschattet wird, wie Abb. 3.9 verdeutlicht.

Die Amplitude der Stoimpulsfolgefrequenz geht vollstndig im Strpegel unter. Dadurch ist

es schwierig, Stoimpulsfolgen zuverlssig zu detektieren.

Abb.3.9: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stofolge mit Be-rcksichtigung des real auftretenden Strpegels /16/

In Abbildung 3.10 sind zum Vergleich die realen Frequenzspektren zweier Wlzlager

gleichen Typs gegenbergestellt, wobei das eine einen starken, das andere einen schwachen

Auenringschaden aufweist. In beiden Fllen liegt die Stoimpulsfolgefrequenz hier mit fa

bezeichnet bei ca. 105 Hz. Beim stark

geschdigten Lager ist sie deutlich zu

erkennen, nicht aber beim schwach

geschdigten. Die Stoimpulsfolge zeigt

sich hier nur bei hheren Vielfachen der

Stoimpulsfolgefrequenz im Maschinen-

resonanzbereich.

Zu beachten sind die unterschiedlichen

Skalierungen der Ordinaten der beiden

Spektren.

Eine przisere Aussage kann hier mit

Hilfe der Hllkurvenanalyse getroffen

werden.

Abb. 3.10: Frequenzspektren baugleicherWlzlager: oben mit starkem, unten mitschwachem Auenringschaden /16/


3.7. Hllkurvenanalyse

Die Hllkurvenanalyse ermglicht es, versteckte Stoimpulsfolgen in einem

Schwingungssignal sehr genau zu detektieren und zu untersuchen. Die Bildung der Hllkurve

wird eigentlich in der Nachrichtentechnik zur Demodulation amplitudenmodulierter Signale

verwendet, lsst sich aber ebenso auf Krperschallsignale anwenden.

3.7.1. Amplitudenmodulation

Da die periodische Stoanregung von Maschinenresonanzen hnliche Auswirkung auf das

Spektrum hat wie die Amplitudenmodulation /17/ wird im Folgenden das Prinzip der

Amplitudenmodulation und Demodulation erlutert.

Ein amplitudenmoduliertes Signal besteht aus einem hochfrequenten Trgersignal und einem

niederfrequenten Nutzsignal, wobei sich die Amplitude des Trgersignals in Abhngigkeit

vom Nutzsignals ndert. Dies verdeutlicht Abbildung 3.11.

Abb. 3.11: Amplituden-modulierte Schwingung, in Anlehnung an /18/

T - Trgerfrequenz

M - Modulationsfrequenz

Das Nutzsignal kann so mit dem Trgersignal mitbertragen werden. Beim Empfnger wird

durch die Hllkurvenbildung das Nutzsignal wieder vom Trgersignal getrennt. Dieser

Vorgang wird als Demodulation bezeichnet.

Eine trigonometrische Umformung gem. /18/ zeigt, dass eine einfache amplitudenmodulierte

Schwingung aus der Trgerfrequenz T und zwei Seitenschwingungen mit den Frequenzen

TM besteht. Im zugehrigen Frequenzspektrum sind daher neben der Trgerfrequenz auch

die sog. Seitenbnder zu erkennen, wie Abbildung 3.12 zeigt:

Abb. 3.12: Frequenzspektrum einer amplitudenmodulierten Schwingung, in Anlehnung an /18/


Im Gegensatz dazu weist das zugehrige Frequenzspektrum der Hllkurve (Nutz- oder

Modulationssignal) dann nur noch eine Linie bei der Modulationsfrequenz M auf. Die

Hllkurvenanalyse bietet sich insbesondere zur Ermittlung niederfrequenter

Modulationserscheinungen und Schwingungen an.

3.7.2. Hllkurvenbildung

Die Vorgehensweise der Hllkurventransformation zeigt Abbildung 3.13:

Abb. 3.13: Prinzip der Hllkurventransformation, in Anlehnung an /16/

Durch das Hochpassfilter vor der Gleichrichtung wird sichergestellt, dass nur die fr die

Schwingungsdiagnose relevanten Trgerfrequenzen demoduliert werden. Tieffrequente

Anteile des Schwingungssignals knnen so unterdrckt werden. Durch das Tiefpassfilter kann

der Signalanteil des hochfrequenten Trgersignals unterdrckt werden. Das verbleibende

Signal besteht dann nur noch aus dem Modulations- oder Nutzsignal der sog. Hllkurve.

Aus dieser kann z.B. mit Hilfe der Fourier-Transformation das zughrige

Hllkurvenfrequenzspektrum ermittelt werden.

Die Hllkurvenanalyse kann immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn periodische

Stofolgen zu erkennen oder Modulationserscheinungen zu untersuchen sind. Treten bei

Modulationserscheinungen Seitenbnder im Frequenzspektrum auf, so zeigt das

Hllkurvenspektrum nur noch eine Amplitudenerhhung bei der Modulationsfrequenz.


3.8. Wlzlagerdiagnose

Im Falle der durch periodische Stofolgen in Wlzlagern angeregten Maschinenresonanzen

knnen diese als hochfrequentes Trgersignal und die Stoimpulsfolge als niederfrequentes

Modulationssignal angesehen werden. Durch die Demodulation erfolgt somit eine Trennung

der Stoimpulsfolge von den Resonanzfrequenzen. /16/

Abbildung 3.14 zeigt als Beispiel die Demodulation einer stofrmig angeregten

Maschinenresonanz.

Abb. 3.14: Demodulation einer stofrmig angeregten Maschinen-resonanz: Das hochpassgefilterte Schwingungssignal wird gleich-gerichtet, tiefpassgefiltert und danach im Frequenzspektrum untersucht. Es sind hier die Amplituden der Stoimpulsfolge-frequenz und deren Vielfachen zu erkennen. /16/

Die Hllkurvenanalyse erlaubt durch die Trennung der Resonanzfrequenzen von der

Stoimpulsfolge bei der Wlzlagerdiagnose auch ein Erkennen von Laufbahn- und

Wlzkrperschden im Frhstadium, die sonst vom Strpegel berdeckt wren, wie bereits in

Abbildung 3.10 gezeigt. Des weiteren knnen so auch die berrollfrequenzen langsam

drehender Lager erfasst werden.

Das Auftreten von Vielfachen ist typisch fr Stoimpulse, wobei die Intensitt schwanken

kann. Die Praxis zeigt, dass die Stoimpulsfolgefrequenz nicht in jedem Fall die grte

Amplitude aufweisen muss.

Wenn zustzlich die Intensitt der Stoimpulse selbst periodisch schwankt, so treten noch

weitere Frequenzen im Hllkurvenspektrum auf, nmlich die Grundfrequenz der

Intensittsschwankung sowie Seitenbnder um die Stoimpulsfolgefrequenz und um deren

Vielfache.


Bei der Wlzlagerdiagnose sind gem. /17/ und /19/ die folgenden Schden bei der Frequenz

und Hllkurvenanalyse zu unterscheiden:

Auenringschden

Statistisch gesehen treten an Wlzlagern Auenringschden am hufigsten auf. In der Regel

sind sie schon sehr frhzeitig anhand ausgeprgter Amplituden bei der

Auenringberrollfrequenz und deren Vielfachen im Frequenzspektrum erkennbar. Je weiter

ein Schaden voranschreitet, umso grer werden diese Amplituden.

Innenringschden

Innenringschden weisen in den Spektren hnliche Erscheinungen wie Auenringschden auf.

Es zeigen sich erhhte Amplituden bei der Innenringberrollfrequenz und deren Vielfachen.

Bei den meisten Maschinen knnen die vom Innenring verursachten

Krperschallschwingungen allerdings nur ber die Wlzkrper und den Auenring zum

Sensor bertragen werden. Daher treten Innenringschdigungen meist mit geringeren

Amplituden auf als Auenringschdigungen.

Bei Maschinen mit umlaufendem Innenring tritt pro Umdrehung je nach Belastung des

schadhaften Bereichs ein Maximum und ein Minimum der Krperschallbeschleunigung auf,

da sich der Schaden abwechselnd in der be- und der entlasteten Zone befindet. Die

Innenringberrollfrequenz wird mit der Drehfrequenz der Welle moduliert, so dass im

Hllkurvenspektrum die Innenringberrollfrequenz und deren Vielfache von Seitenbndern

mit der Drehfrequenz umgeben sein knnen.

Wlzkrperschden

Ein Schaden an einem der Wlzkrper fhrt bei jeder berrollung an der Innen- und

Auenringlaufbahn zu Sten. Die Impulsfolgefrequenz (Wlzkrperberrollfrequenz) ist

daher identisch mit der doppelten Wlzkrperrotationsfrequenz. Hierbei wird vorausgesetzt,

dass sich der defekte Wlzkrper so um seine Achse dreht, dass der Schaden immer auf den

Laufbahnen abrollt. Diese Annahme stimmt nur bei Wlzkrpern, die nur eine Drehachse

besitzen, wie Zylinder, Kegel etc. Bei Kugellagern hingegen ist es mglich, dass die

geschdigte Kugel einen Spin aufweist und der Schaden nur unregelmig berrollt wird.

Eine Schadendiagnose ist dann schwieriger.


Die Wlzkrper laufen zustzlich mit Kfigdrehzahl um. hnlich wie beim Innenringschaden

schwankt somit auch die Stointensitt in Abhngigkeit von der Kfigrotationsfrequenz.

Daher weist in diesem Fall das Hllkurvenspektrum Frequenzlinien bei der

Wlzkrperberrollfrequenz mit Seitenbndern der Kfigrotationsfrequenz auf.

Kfigschden

Ein defekter Wlzlagerkfig kann beim Umlaufen periodisch an einem benachbarten

Maschinenteil anstreifen. Dies fhrt im Hllkurvenspektrum zu starken Amplituden bei der

Kfigfrequenz und deren Vielfachen.

Natrlich kann der Kfig auch so geschdigt sein, dass es zu nicht periodischem Anstreifen

kommt. Im Hllkurvenspektrum erhht sich dadurch der Gesamtpegel der Amplituden; es

sind aber keine herausragenden Amplituden festzustellen. Eine Schadenserkennung ist daher

natrlich schwieriger, eine Lokalisierung des Schadens unmglich. In der Regel wird aber der

Schaden an einem Kfig mit Schdigungen anderer Teile einhergehen, die dann im

Hllkurvenspektrum erkannt werden knnen.

Bisher wurde immer von lokalen begrenzten Schdigungen mit einmaligem Auftreten auf

dem Umfang des jeweiligen Maschinenteils ausgegangen. Bei Lagern mit mehreren

gleichartigen Schden berlagern sich die Schadensamplituden, wobei hier ein Phasenversatz

zu beachten ist. Eine weiterfhrende Betrachtung an dieser Stelle sprengt den Rahmen dieser

Ausarbeitung. Hier wird auf /17/ verwiesen.

Sind in einem Wlzlager mehrere unterschiedliche lokale Schden auf den Laufflchen

vorhanden, so berlagern sich die Schwingungen der einzelnen Schden. Da es sich dabei um

von verschiedenen Schden verursachte unterschiedliche Frequenzen handelt, beeinflussen

sich die Amplitudenintensitten untereinander nicht. Bei einem Wlzlager, das groflchige

Schden an Innen- und Auenring sowie an den Wlzkrpern besitzt, kann es schwierig

werden, die Frequenzen dem jeweiligen Schaden zuzuordnen, da eine Vielzahl von

berrollfrequenzen, deren Vielfache und Seitenbnder in unterschiedlicher Ausprgung

auftauchen.

Bei extrem verschlissenen Lagern mit mehreren unterschiedlichen groflchigen Schden, in

denen kein reines Rollen mehr auftritt, sind weder im Frequenz- noch im Hllkurvespektrum

berrollfrequenzen nachweisbar; in diesem Fall machen sich Schden lediglich durch

Resonanzberhhungen bemerkbar.


3.9. Verzahnungsdiagnose

Das Feststellen von Schden an Verzahnungen in Getrieben war in der Vergangenheit nur

anhand vergleichender Krperschallmessungen mglich. Fr eine solche Untersuchung war es

notwendig, nach der Einlaufphase eines neuen Getriebes durch eine Schwingungsmessung ein

Frequenzspektrum zu ermitteln und als Referenz zu speichern. In regelmigen Abstnden

wurden dann erneut Messungen durchgefhrt und mit der Referenzmessung verglichen, um so

eine Aussage ber den Verschleizustand treffen zu knnen.

Prfstandsuntersuchungen des Instituts fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der

RWTH Aachen Ende der 90er Jahre zeigen, dass die Hllkurvenanalyse ein geeignetes

Verfahren zu sein scheint, neben Wlzlagerschden auch Verzahnungsverschlei ohne

Referenzmessung zu erkennen.

Im Folgenden werden die Auswirkungen von Verzahnungsschden von Stirnradgetrieben auf

die im Frequenz- und Hllkurvenspektrum auftretenden bekannten Frequenzen

(Zahneingriffs- und Drehfrequenz und deren Vielfachen) betrachtet. Im Anschluss wird auf

die Besonderheiten bei Planetengetrieben eingegangen.

Die folgenden Fehlerarten werden gem. /9/ unterschieden:

Einzelfehler:

Ein lokal begrenzter Fehler oder Schaden , im Folgenden als Einzelfehler bezeichnet, wie z.B.

ein Pitting an einem Zahn, kann Intensittsschwankungen der Zahneingriffsste verursachen.

Jedes Mal, wenn der betreffende Zahn im Eingriff ist, kommt es zu einer vernderten

Stoanregung als bei den anderen Zhnen. Im Frequenzspektrum einer Verzahnung mit

lokalem Schaden tritt daher neben der ohnehin vorhandenen Zahneingriffsfrequenz und deren

Vielfachen noch die Drehfrequenz des beschdigten Zahnrades auf.

Auch im Hllkurvenspektrum zeigen sich Einzelfehler durch erhhte Amplituden bei der

entsprechenden Drehfrequenz und deren Vielfachen.

Exzentrizitt:

Die Exzentrizitt eines Zahnrades kann ebenfalls zu Intensittsschwankungen der

Zahneingriffsste fhren. Eine Exzentrizitt verursacht eine Zahnflankenberhrung, die

oberhalb oder unterhalb des idealen Eingriffspunktes liegt. Dadurch verndern sich die

Amplituden der Zahneingriffsste periodisch mit der Drehfrequenz des Zahnrades, das die


Exzentrizitt aufweist. Es handelt sich dabei um eine Amplitudenmodulation des

Zahneingriffsstoes, so dass im Frequenzspektrum Seitenbnder um die

Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen auftreten.

Im zugehrigen Hllkurvenspektrum zeigt sich eine Exzentrizitt eines Zahnrades daher

durch erhhte Amplituden bei der entsprechenden Drehfrequenz. Aufgrund der annhernd

sinusfrmigen Amplitudenmodulation kann bei einer Exzentrizitt davon ausgegangen

werden, dass, wenn berhaupt, nur die niederfrequenten Vielfachen der Drehfrequenz erhhte

Amplituden aufweisen.

Verteilter Fehler:

Gleichartiger Verschlei an allen Zahnflanken eines Zahnrades wird als sog. verteilter Fehler

bezeichnet. Wrde an allen Zahnflanken exakt der gleiche Verschlei vorliegen, so wrden

sich die Stoimpulse bei allen Zahneingriffen exakt gleich verndern. Die Folge wre

lediglich eine Vernderung der Amplituden der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen.

Da aber in der Realitt ein absolut identischer Verschlei aller Zahnflanken nicht vorkommt,

werden die Intensittsnderungen der Stoimpulse an jeder Zahnflanke leicht unterschiedlich

sein und sich mit der niederfrequenten Zahneingriffswiederholfrequenz periodisch

wiederholen; und zwar immer dann, wenn die gleichen Zhne wieder im Eingriff sind. Es

ergibt sich demnach eine Amplitudenmodulation der Zahneingriffsste mit Seitenbndern

der Zahneingriffswiederholfrequenz.

In diesem Fall weist das Hllkurvenspektrum erhhte Amplituden bei der

Zahneingriffswiederholfrequenz und deren Vielfachen auf.

Die Drehfrequenzen der verschlissenen Zahnrder sind laut Definition (Gl. 3.11) Vielfache

der Zahneingriffswiederholfrequenz. Da die Zahneingriffsste auch mit der Drehfrequenz

des verschlissenen Zahnrades schwanken, sind in der Regel die Amplituden der zugehrigen

Drehfrequenzen und deren Vielfachen hher als die anderen Vielfachen der

Zahneingriffswiederholfrequenz.

Schden an der Verzahnung zeigen sich also in der Regel weniger durch erhhte Amplituden

bei der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen als vielmehr durch deutliche

Seitenbnder, hervorgerufen durch Modulationserscheinungen mit Dreh- bzw. Zahneingriffs-

wiederholfrequenz, fr deren Untersuchung die Hllkurvenanalyse geradezu prdestiniert ist.


Besonderheiten bei Planetengetrieben:

Bei Planetengetrieben kann beobachtet werden, dass der Schwingungspegel ansteigt, wenn

eines der Planetenrder sich der Sensorposition nhert und ein Maximum erreicht, wenn der

Eingriff von Planeten- und Hohlrad gerade in nchster Nher des Sensors stattfindet. Dieses

Ereignis wiederholt sich periodisch, so dass die gesamte Schwingung mit der

Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad moduliert wird. Dabei entspricht die

Zahneingriffsfrequenz der Trgerfrequenz und die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad

der Modulationsfrequenz. Im Frequenzspektrum ergeben sich also, bedingt durch die

Messwerterfassung, auch bei einem intakten Getriebe Seitenbnder mit der

Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um die Zahneingriffsfrequenz. Durch Fertigungs-

und Positionsungenauigkeiten sowie Tragbildunterschiede der einzelnen Planetenrder kann

es auch vorkommen, das diese Modulation insbesondere von einem der Planetenrder

hervorgerufen wird. Entsprechend ergeben sich dann Seitenbnder mit der

Planetentrgerdrehfequenz um die Zahneingriffsfrequenz. /10/ Bei beispielsweise drei

Planetenrdern ist die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um den Faktor drei grer als

die Planetentrgerdrehfrequenz.

Generell uern sich Verzahnungsschden an Planetengetrieben durch einen erhhten

Gesamtschwingungspegel im Vergleich zu einem intakten Getriebe. Das Ermitteln der

genauen Schadensposition im Getriebe gestaltet sich jedoch aufgrund der komplexen

Zusammenhnge sehr schwierig. Das Institut fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der

RWTH Aachen entwickelt seit Ende der 90er Jahre anhand geeigneter

Prfstanduntersuchungen Verfahren, die es ermglichen sollen, unterschiedliche Schden an

Verzahnungen in Planetengetrieben zu diagnostizieren. Auf weitere Hintergrnde zu

mglichen Verfahren, die u.a. /10/ zu entnehmen sind, wird nicht detaillierter eingegangen, da

diese beim Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online nicht zum Einsatz

kommen.

3.10. Einfluss variabler Drehzahlen Da die zu berwachenden kinematischen Lager- und Getriebefrequenzen proportional zur

Drehzahl sind, ist bei Maschinen, die mit variablen Drehzahlen betrieben werden, das

Drehzahlsignal mit zu erfassen. So knnen durch Schden verursachte Frequenzen und auch

deren Amplitudengrenzwerte in Abhngigkeit von der Drehzahl berwacht werden.

Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel fr das drehzahlabhngige Nachfhren von zu

berwachenden Frequenzbndern. Zustzlich werden hier die Grenzwerte drehzahlabhngig

angepasst.


Abb. 3.15: Drehzahlabhngiges Nachfhren von Frequenzbndern und Grenzwerten /14/

Auf diese Weise lassen sich Maschinen auch bei groen Drehzahlunterschieden berwachen,

whrend bei leichten Drehzahlschwankungen evtl. ein Anpassen der Breite der

Frequenzbnder, im Folgenden auch als Schwellenbreite bezeichnet, ausreicht.

3.11. Einfluss variabler Lasten

Soll eine Maschine, die bei unterschiedlichen Belastungszustnden betrieben wird, berwacht

werden, ist zu beachten, dass die Amplituden der zu berwachenden kinematischen

Frequenzen von Lagern und Getrieben eine starke Lastabhngigkeit aufweisen knnen.

Abbildung 3.16 zeigt als Beispiel die Frequenzspektren eines Zahnradgetriebes bei

Belastungen von 36 % bzw. 70 % der Nennlast.

Abb. 3.16: Vergleich von Frequenzspektren bei unterschiedlichen Lasten /14/

Um bei variabler Belastung eine zuverlssige Aussage ber den Verschleizustand treffen zu

knnen, ist daher eine zustzliche Erfassung der Belastung erforderlich, um die

Amplitudengrenzwerte unter Bercksichtigung der Last festsetzen zu knnen.


4. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66 Um erste Erfahrungen mit der Zustandsberwachung von mechanischen Komponenten an

Windenergieanlagen zu sammeln, ist in Zusammenarbeit zwischen den Firmen GEO-mbH

und DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) im Rahmen eines Pilotprojektes das

Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66

eingebaut worden. Diese WEA steht im Windpark Willenscharen bei Neumnster und wird

von GEO im Rahmen der technischen Betriebsfhrung betreut. Die Anlage hat seit ihrer

Errichtung im Dezember 1999 eine Betriebszeit von ca. 13.000 h erreicht. Der Einfluss

unterschiedlicher Drehzahlen und Belastungen auf die Krperschallemission soll untersucht

werden, um so die Praxistauglichkeit dieses Condition Monitoring Systems fr mgliche

offshore-Anwendungen zu erproben.

Im Folgenden werden sowohl die zu berwachenden Komponenten der WEA Vestas V66, als

auch die Messdatenerfassung und verarbeitung mit dem Condition Monitoring System

DMT-ZUMWART online beschieben. Des Weiteren werden die kinematischen Frequenzen

der zu berwachenden Baugruppen der V66 ermittelt.

4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 1,65 MW Die Windenergieanlage Vestas V66 - 1,65 MW ist

eine pitchgeregelte WEA mit luvseitig zum Turm

angeordneten Dreiblattrotor und aktiver Wind-

nachfhrung.

Bei einem Rotorkreisdurchmesser von 66 m und

einer Nabenhhe von 67 m verfgt die WEA ber

eine Nennleistung von 1,65 MW. Sie ist mit zwei

Generatoren ausgerstet, um eine niedrige

Geruschemission bei geringen Wind-

geschwindigkeiten und einen hheren

Jahresenergieertrag zu erzielen.

Die vom Rotor angetriebene Hauptwelle bertrgt

das Drehmoment ber ein Getriebe, das aus einer

Planetengetriebestufe und einer doppelten

Stirnradgetriebestufe besteht, auf die Generatoren. Vom Getriebe wird das Drehmoment ber

eine drehsteife Verbundkupplung auf den Primrgenerator und ber eine flexible Kupplung

(Kreuzgelenkwelle) auf den Sekundrgenerator bertragen.

Abb. 4.1: WEA Vestas V66-1,65MW


Der Primrgenerator ist ein vierpoliger 1,65 MW-Asynchrongenerator der Firma Weier mit

OptiSlip-Funktion, die es auf elektronischem Wege ermglicht, den Generatorschlupf in

einem Bereich von bis zu 10 % zu regeln, um so eine bessere und schnellere

Leistungsanpassung und Belastungsreduktion zu erzielen. Dieses von Vestas entwickelte

Konzept ermglicht es, in Verbindung mit der Pitchregelung, die Hchstleistung bei hohen

Windgeschwindigkeiten, auch bei Bigkeit, auf den Nennwert zu begrenzen. Bei einem

schnellen Anstieg der Windgeschwindigkeit lsst die OptiSlip-Funktion die

Generatordrehzahl leicht ansteigen; gleichzeitig werden die Rotorbltter durch das

Pitchregelungssystem in einen weniger belastenden Anstellwinkel gebracht, wodurch die

Rotordrehzahl wieder reduziert wird. So wird eine gleichmige Leistungsabgabe und

minimale Belastung des kompletten Kraftbertragungssystems erreicht. Durch den dabei

auftretenden Schlupfanstieg von bis zu 10 % kann die Generatordrehzahl kurzfristig von

1500 min-1 auf 1650 min-1 ansteigen.

Der Sekundrgenerator ist ein herkmmlicher vierpoliger 300 kW-Asynchrongenerator der

Firma ABB, der mit konstanter Drehzahl von 1500 min-1 angetrieben wird.

Bei Windgeschwindigkeiten grer ca. 7 m/s ist der Primrgenerator in Betrieb, bei darunter

liegenden Geschwindigkeiten schaltet die V66 den kleineren Sekundrgenerator an Netz,

wobei die Rotordrehzahl 19 min-1 bzw. 15 min-1 betrgt. /20/

4.1.1. Daten der zu berwachenden Baugruppen

An der WEA werden die beiden Hauptlager, das Getriebe und die Lagerung des

Primrgenerators auf ihren Verschleizustand hin berwacht. Eine berwachung der

Lagerung des Sekundrgenerators ist nicht vorgesehen.

Abbildung 4.2 zeigt die Baugruppen der V66, die beim CM-Projekt berwacht werden.

Abb. 4.2: Die an der Vestas V66 zu berwachende Baugruppen sind farbig hervorgehoben.


In der folgenden Aufstellung sind Detailangaben zu Baugruppen und -teilen des

Antriebsstrangs der Vestas V66 zu finden, die fr das Condition Monitoring relevant sind.

Hauptlager, Angaben aus /20/

Hauptlager 1: Pendelrollenlager KOYO 230/630 RW33

alternativ SKF 230/630 CA/W33

Hauptlager 2: Pendelrollenlager KOYO 24188 RHA

Primrgenerator, Angaben aus /21/:

Fabrikat: Weier

Typ: asynchron, vierpolig

Nennleistung: 1,65 MW

Generatorlager A-Seite: Rillenkugellager FAG 6232M C3 (Messingkfig)

alternativ SKF 6232M C3 (Messingkfig)

Generatorlager B-Seite: Rillenkugellager FAG 6236M C3 (Messingkfig)

alternativ SKF 6236M C3 (Messingkfig)

Getriebe, Angaben aus /20/ und /22/:

Fabrikat: Lohmann & Stolterfoht

Typ: einfache Planetengetriebestufe/

drei Stirnradgetriebestufen

Nennleistung: 3,0 MW

bersetzungsverhltnis

Primrgenerator: i1 = 1 : 78,7614

bersetzungsverhltnis

Sekundrgenerator: i2 = 1 : 97,9792

In Abbildung 4.3 ist der prinzipielle Aufbau des Lohmann & Stolterfoth Getriebes der Vestas

V66 und die Anordnung der Getriebewellenlager dargestellt. Diese Darstellung enthlt

ebenfalls die Zhnezahlen aller Zahnrder, die Getriebewellenbezeichnungen und

Positionsnummern der einzelnen Getriebewellenlager sowie die bersetzungsverhltnisse der

einzelnen Getriebestufen.


Abb. 4.3: Das Lohmann & Stolterfoth Getriebe der Vestas V66 besteht aus einer Planetenstufe mit dem bersetzungsverhltnis iPlanetenstufe und drei Stirnradstufen mit den bersetzungsverhltnissen i1, i2 und i3. Mit Z sind die Zhnezahlen der einzelnen Zahnrder bezeichnet. Die Getriebewellenlager sind mit Positionsnummern von 1 bis 12 versehen. Getriebewellenlager gem. Abbildung 4.3:

Position (Pos. Nr.) Typ Lagerbezeichnung

2. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig (1) Pendelrollenlager FAG 22214

2. Abtriebswelle primrgeneratorseitig (2) Pendelrollenlager FAG 22214

1. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig (3) Pendelrollenlager FAG 24126

1. Abtriebswelle primrgeneratorseitig (4) Pendelrollenlager FAG 22226

mittlere Welle sekundrgeneratorseitig (5) Pendelrollenlager FAG 23140

mittlere Welle sekundrgeneratorseitig (6) Pendelrollenlager FAG 22238

Getriebehauptwelle sekundrgeneratorseitig (7) Zylinderrollenlager FAG NU1080

alternativ KOYO NU1080

Getriebehauptwelle primrgeneratorseitig (8) Kegelrollenlager SKF 32972

alternativ KOYO 32972

Hohlwelle (9) Rillenkugellager SKF/KOYO 6026

Planetenstufe sekundrgeneratorseitig (10) Kegelrollenlager FAG 531546

Planetenstufe primrgeneratorseitig (11) Kegelrollenlager FAG 533416J

Planetenlager (12) Pendelrollenlager FAG 23240


4.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und Primrgeneratorlager

Die im Folgenden angegebenen berrollfrequenzen der Wlzlager der Hauptwelle und des

Primrgenerators wurden anhand der Lagerbezeichnung mit Hilfe der vom jeweiligen

Lagerhersteller angebotenen Software ermittelt, da die herstellerbergreifend festgelegte

Lagerbezeichnung lediglich eine Festlegung der Lagerhautabmessungen, wie z.B. Auen-,

Innendurchmesser und Lagerbreite beinhaltet. Die innere Geometrie (Teilkreisdurchmesser

des Wlzkrpersatzes, Wlzkrperanzahl und -durchmesser) eines Lagers hingegen kann

herstellerabhngig durchaus unterschiedlich sein, so dass sich unterschiedliche

berrollfrequenzen ergeben knnen.

In den Tabellen 4.1 und 4.2 sind die relativen berrollfrequenzen der Hauptwellen- und

Primrgeneratorlager bei einer Innenringdrehzahl von 60 min-1 (1 Hz) angegeben. Um die

absoluten berrollfrequenzen bei einer bestimmten Wellendrehzahl zu erhalten, sind die

angegebenen relativen Frequenzen mit der entsprechenden Wellendrehfrequenz (in Hz) zu

multiplizieren. An einigen Lagerpositionen sind zeitweise Lager unterschiedlicher Hersteller

eingebaut worden. In diesen Fllen sind zustzlich die berrollfrequenzen der Alternativlager

angegeben.

Hauptlager Innenring Auenring Wlzkrper Kfig 1.Hauptlager: Koyo 630/230 RW33 15,824 13,176 9,843 0,4541.Hauptlager alternativ: SKF 230/630 CA/W33 15,271 12,729 10,817 0,4552. Hauptlager: Koyo 24188 RHA 12,261 9,739 8,351 0,443

Tabelle 4.1: Relative berrollfrequenzen der Hauptwellenlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1)

Generator Innenring Auenring Wlzkrper Kfig Generatorlager A-Seite: FAG 6232M C3 6,889 5,111 6,601 0,426Generatorlager A-Seite alternativ: SKF 6232M C3 6,847 5,153 6,946 0,429Generatorlager B-Seite: FAG 6236M C3 6,876 5,124 6,701 0,427Generatorlager B-Seite alternativ: SKF 6236M C3 6,338 4,662 6,409 0,424

Tabelle 4.2: Relative berrollfrequenzen der Primrgeneratorlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1)


4.1.3. Getriebekinematik

Mit Hilfe der im Abschnitt 3.2.2 aufgefhrten kinematischen Berechnungsgrundlagen fr

Stirnrad- und Planetengetriebe lassen sich die in Tabelle 4.3 angegeben relativen

Wellendrehzahlen und frequenzen sowie die Passier-, berroll- und Zahneingriffsfrequenzen

der einzelnen Getriebestufen bei einer Antriebsdrehzahl des Primrgenerators von 60 min-1 (1

Hz) berechnen. Um die absoluten kinematischen Frequenzen bei einer bestimmten

Primrgeneratordrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit der

entsprechenden Wellendrehfrequenz des Primrgenerators (in Hz) zu multiplizieren.

Planetenstufe rel. Frequenz in Bezug auf

Primrgenerator-drehfrequenz von 1 Hz

rel. Drehzahl in Bezug auf Primrgeneratordrehzahl von 60 min-1

Planetentrgerdrehfrequenz fT 0,013 0,762Planetendrehfrequenz fP 0,034 2,019Sonnenraddrehfrequenz fS 0,064 3,868Planetenpassierfrequenz Sonnenrad fS 0,155 -Planetenpassierfrequenz Hohlrad fH 0,038 -berrollfrequenz Planetenrad fP 0,067 -Zahneingriffsfrequenz fze 1,346 -1. Stirnradstufe rel. Frequenz in Bezug auf



Rad 0,064 14,851Ritzel 0,248 3,868Zahneingriffsfrequenz 6,188 -2. Stirnradstufe (Primrgenerator) rel. Frequenz in Bezug auf



Rad 0,248 14,851Ritzel 1 60Zahneingriffsfrequenz 25 -3. Stirnradstufe (Sekundrgenerator) rel. Frequenz in Bezug auf



Rad 1 60Ritzel 1,244 76,65Zahneingriffsfrequenz 107 -

Tab. 4.3: Relative kinematische Frequenzen (bzw. Drehzahlen) der Getriebestufen in Hz bzw. in min-1 bei einer Bezugsdrehfrequenz des Primrgenerators von 1 Hz (60 min-1)

Zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen der Getriebewellenlager kamen ebenfalls die

Berechnungsprogramme der jeweiligen Lagerhersteller zum Einsatz. In Tabelle 4.4 sind die

relativen berrollfrequenzen der Getriebewellenlager bei einer Innenringdrehzahl von

60 min-1 (1 Hz) angegeben. Um die absoluten berrollfrequenzen bei einer bestimmten

Wellendrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit der Drehfrequenz

entsprechenden Welle (in Hz) zu multiplizieren.


Pos. Nr. Getriebewellenlager Innenring Auenring Wlzkrper Kfig 1 und 2 2. Abtriebswelle beidseitig 10,88 8,12 6,68 0,433 1. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig 12,86 10,14 8,11 0,444 1. Abtriebswelle primrgeneratorseitig 10,34 7,62 6,29 0,435 mittlere Welle sekundrgeneratorseitig 12,34 9,66 7,88 0,446 mittlere Welle primrgeneratorseitig 11,40 8,60 6,87 0,437 Getr.hauptwelle sekundrgeneratorseitig 14,30 11,70 9,90 0,45 alternativ 13,24 10,76 9,55 0,458 Getr.hauptwelle primrgeneratorseitig 22,39 16,61 14,42 0,47 alternativ 20,80 18,20 14,32 0,479 Hohlwelle 8,44 6,56 7,87 0,4410 Planetenstufe sekundrgeneratorseitig 24,24 21,76 17,84 0,4711 Planetenstufe primrgeneratorseitig 22,97 20,13 15,24 0,4712 Planetenlager 1) 11,33 8,67 7,17 0,43

Tabelle 4.4: Relative berrollfrequenzen der Getriebewellenlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1) 1) Da bei den Planetenlagern die Auenringe umlaufen, sind hier die relativen berroll-

frequenzen in Bezug auf eine Auenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1) angegeben. 4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online

Das Condition Monitoring Systems DMT-ZUMWART online hat sich bereits in

unterschiedlichen industriellen Bereichen wie in der Bergbau- und Kraftwerkstechnik

bewhrt, ist aber in der Windenergietechnik bisher kaum verbreitet.

Mit Hilfe dieses Systems werden die Krperschallbeschleunigungssignale von Lagern und

Zahnradgetrieben, gemessen, verarbeitet und auf Grenzwertberschreitung in mehreren zu

berwachenden Frequenzbereichen kontrolliert. Die Messdaten knnen online per

Datenfernbertragung (DF) abgerufen werden. Die Firmenbezeichnung ZUMWART steht

fr zustandsabhngige Maschinenwartung.

4.2.1. Signalerfassung

Zur Messung des Krperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren mit

integriertem Ladungsverstrker verwendet, die ein der Beschleunigung proportionales

Spannungssignal zu Verfgung stellen. Abbildung 4.4 zeigt einen solchen Sensor als Beispiel

im Schnitt.


Abb. 4.4: prinzipieller Aufbau eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors: Die piezokeramische Scheibe wird zusammen mit Isolierscheiben und der seismischen Masse unter mechanischer Vorspannung gehalten. Bei achsparallelen Beschleunigungsvorgngen bt die seismische Masse eine Kraft auf das Piezoelement aus, wodurch eine beschleunigungsproportionale Spannung zwischen den Elektroden aufgebaut wird. /23/

Die auf einer Grundplatte aufgeschraubten Sensoren werden mit einem Zweikomponenten-

Klebstoff auf die angeschliffenen zu berwachenden Bauteile aufgeklebt. Abbildung 4.5 zeigt

einen DMT-Krperschallbeschleunigungssensor, wie er auch beim Condition Monitoring in

Willenscharen verwendet wird.

Abb. 4.5: Krperschallbeschleunigungs- sensor der Firma DMT: Der Sensor wird durch Aufkleben mit einem Zweikomponenten-Klebstoff am zuvor angeschliffenen Bauteil befestigt.

Abbildung 4.6 zeigt den Amplitudenfrequenzgang eines solchen piezoelektrischen

Beschleunigungssensors. Im gekennzeichneten Arbeitsbereich zwischen den sog.

Eckfrequenzen liefert ein solcher Sensor von der Frequenz der Krperschallschwingung

unabhngige Ausgangssignale, die nur von der Hhe der Beschleunigung selbst abhngen.

Bei den DMT-Sensoren liegt dieser Bereich zwischen 3 Hz und 7 kHz. Es ist daher zu

beachten, dass Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der unteren Eckfrequenz von 3 Hz

mit gedmpften Amplituden dargestellt werden.

Abb. 4.6: Amplitudenfrequenz-gang eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers: Der Arbeitsbereich eines solchen Sensors liegt unterhalb der Resonanzberhhung bei der Sensoreigenfrequenz. Darstellung in Anlehnung an /11/


Neben den eigentlichen Krperschalldaten werden weitere Betriebsdaten sekndlich

gemessen und aufgezeichnet. Da bei der WEA Vestas V66 der Betrieb bei unterschiedlichen

Drehzahlen mglich ist, wird ber einen Nherungsinitiator, der auf der schnell drehenden

Welle des Primrgenerators angeordnet ist, die Drehzahl erfasst und dem Messsystem

zugefhrt. So kann der Einfluss der Drehzahl auf die gemessenen Frequenzspektren

bercksichtigt werden. Da auch der Belastungszustand der WEA Einfluss auf die Amplituden

in den Frequenzspektren hat, wird des Weiteren die abgegebene elektrische Leistung erfasst,

sowie die Windgeschwindigkeit ber ein zustzliches Anemometer auf dem Maschinenhaus

gemessen.

Abbildung 4.7 zeigt die Anordnung der Krperschallsensoren an den zu berwachenden

Baugruppen und die Positionen der Aufnehmer fr die Betriebsdaten. Alle Messsignale

laufen zur Weiterverarbeitung in der sog. DMT-TopBox zusammen, einem separaten

Schaltschrank des berwachungssystems.

Abb. 4.7: Sensoranordnung an der WEA Vestas V66: Die gelben Punkte markieren die Positionen der Krperschallbeschleunigungssensoren an Hauptlagern, Getriebe und Primrgenerator. In blau sind die Betreibsdatenaufnehmer fr Drehzahl, abgegebene Leistung und Windgeschwindigkeit dargestellt. Alle Messdaten werden zur Weiter-verarbeitung in die DMT TopBox gefhrt.

Im Anhang sind Detailfotos aller neun Krperschallsensoren sowie der DMT-TopBox zu

enthalten.


4.2.2. Signalverarbeitung und speicherung

In der DMT-TopBox sind Hardwaremodule zur Messdatenakquisation und

Signalkonditionierung integriert, die aus den neun Zeitsignalen der Krperschall-

beschleunigung die zugehrigen Frequenzspektren bilden. Zustzlich wird aus den Signalen

der Sensoren der beiden Hauptlager, der Antriebsseite des Getriebes und des

Planetengehuses in der DMT-TopBox das Hllkurvenspektrum ermittelt. Die

Hllkurvenbildung erfolgt nur bei Signalen von langsam drehenden Komponenten, um so die

Detektion von Stoimpulsfrequenzen zu erleichtern; siehe Abschnitt 3.5 und 3.6. Neben den

neun Frequenzspektren jedes Sensors stehen also vier weitere Hllkurvenspektren zur

Auswertung Verfgung.

Es kann daher auf die Spektraldaten der in Tabelle 4.1 aufgefhrten 13 Kanle zugegriffen

werden, wobei bei den ersten vier Sensoren zwischen Frequenzspektrum und

Hllkurvenspektrum unterschieden wird.

Kanal Sensor Spektraldaten

a Frequenzspektrum

b

1. Hauptlager Hllkurvenspektrum

c Frequenzspektrum

d

2. Hauptlager Hllkurvenspektrum

e Frequenzspektrum

f

Getriebe A-Seite Hllkurvenspektrum

g Frequenzspektrum

h

Planetengehuse Hllkurvenspektrum

i Hohlwelle Frequenzspektrum

j 1. Abtriebswelle Frequenzspektrum

k 2. Abtriebswelle Frequenzspektrum

l Generator A-Seite Frequenzspektrum

m Generator B-Seite Frequenzspektrum

Tabelle 4.5: Spektraldatenkanle des Condition Monitoring Systems DMT-ZUMWART online an der berwachten WEA


Die Spektraldaten dieser 13 Kanle, sowie die Betriebsdaten werden von der TopBox aus per

Netzwerkverbindung ber einen Lichtwellenleiter zu einem im Turmfu der Anlage

befindlichen PC bertragen. Hier werden alle Daten auf einer Festplatte gespeichert und

knnen in komprimierter Form per Datenfernbertragung mit einem Modem von einem

externen Rechner, z.B. in einem Bro, abgerufen werden. Ferner besteht auch die

Mglichkeit, die Daten als Dateianhang per e-mail zu versenden.

Fr jeden Kanal wird zeitgleich jeweils ein hoch-, mittel- und niederfrequentes Spektrum

gebildet, so dass in jedem Frequenzbereich eine Darstellung mit einer angepassten Auflsung

erfolgen kann. Die Spannweite der Frequenzbereiche ist im Folgenden aufgelistet:

hochfrequent (h) 0 bis 8 kHz

mittelfrequent (m) 0 bis 800 Hz

niederfrequent (n) 0 bis 80 Hz

In jedem Frequenzbereich wird etwa alle fnf Minuten ein Spektrum ermittelt und

abgespeichert, so dass pro Tag ca. 11.000 unterschiedliche Spektraldateien anfallen.

4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und -visualisierung

MED Warte

Zur drehzahl- und lastabhngigen Klassierung der Spektraldaten wird das DMT-Programm

MED Warte verwendet. Es bietet die Mglichkeit, die Spektraldaten nach frei definierbaren

Kriterien in Abhngigkeit von den zeitgleich erfassten Betriebsdaten der Anlage zu

klassieren.

Zur Visualisierung und Auswertung der Messdaten stehen die folgenden DMT-Programme

zur Verfgung:

ZUM Graph

Das Programm ZUM Graph dient zur Messdatendarstellung und zur manuellen

Fehlerdiagnose. Es knnen Einzel- oder Mehrfachspektren jedes Kanals in jeder Drehzahl-

und Leistungsklasse dargestellt und Trendanalysen erstellt werden. Bei der Darstellung von

Mehrfachspektren werden alle aufgezeichneten Frequenzspektren eines Kanals in einem

ausgewhlten Zeitraum bereinander gelegt.


Bei der Trendanalyse kann die Entwicklung der Amplituden einer bestimmten Frequenz (z.B.

mgliche Schadensfrequenz) in einem frei whlbaren Zeitraum verfolgt werden. Zum

Analysieren der Daten stehen Zoom- und Cursorfunktionen zur Verfgung, mit denen gezielt

nach Harmonischen und Seitenbndern gesucht werden kann.

Es besteht die Mglichkeit, die Amplituden mglicher Schadensfrequenzen auf

Grenzwertberschreitung zu berwachen. Hierzu werden ber dem Frequenzspektrum sog.

Lampen (DMT-Begriff) aufgehngt, vergl. Abb. 4.8. Es knnen beliebig viele Frequenzen

mit ihren Grenzamplituden und einer frei whlbaren Schwellenbreite festgelegt werden.

Abb. 4.8: Darstellung eines Frequenzspektrums mit dem DMT-Programm ZUM Graph: Um mgliche Schadensfrequenzen auf Grenzwertberschreitung zu ber-wachen, sind ber dem Amplitudenverlauf die sog. Lampen aufgehngt. In diesem Beispiel wird bei einer Frequenz von etwa 1500 Hz der zulssige Grenzwert berschritten.

Grenzwertfestlegung: Wegen der Komplexitt der bertragungsfunktion des Krperschalls vom Entstehungsort

zum Sensor lassen sich die Gre der Amplituden mglicher Schadensfrequenzen nicht vorab

berechnen. Neben der Leistung haben auch anscheinend unwesentliche Faktoren wie

beispielsweise Anzugsmomente von Schrauben, Gehuseverspannungen, lstand- und

viskositt Einfluss auf die Hhe der auftretenden Schwingungspegel.

Daher erfolgt die erstmalige Festlegung der Grenzwerte aller mglichen Schadensfrequenzen

aufgrund von Basismessungen last- und drehzahlabhngig separat fr jeden Kanal. Dieses

Adaptieren der Grenzwerte aller zu berwachender Frequenzen wird von DMT durchgefhrt.

Als Grundlage dient die Beobachtung der Trendentwicklung. Unter Beachtung eines

Sicherheitszuschlages wird dann der jeweilige Grenzwert und die zugehrige Schwellenbreite

festgelegt. Grenzwerte und Schwellenbreiten knnen jederzeit angepasst werden, wenn dies

erforderlich sein sollte.


ZUM BeDa

Mit dem Programm ZUM BeDa knnen die aufgenommenen Betriebsdaten der Anlage

visualisiert werden. Es lsst sich der zeitliche Verlauf der Drehzahl, der abgegebenen

Leistung und der Windgeschwindigkeit darstellen.

ZUM Leit

Das Programmpaket ZUM Leit (ZUMWART Leitstand) dient der automatischen

Datenaufbereitung und visualisierung sowie der Fehlerdiagnose. Es ermglicht auch

Personal, das nicht ber Vorbildung im Bereich der schwingungstechnischen

Maschinendiagnose verfgt, die Einschtzung des Zustandes einer Maschine oder eines

Aggregates anhand einer Verschleikennzahl, dem sog. Condition Monitoring Index CMI,

siehe Abbildung 4.9. Die Leitstandssoftware liefert die Zustandsinformation automatisch in

Form dieser Kennzahl, die aus den bestehenden Messdaten berechnet wird. Im wesentlichen

wird der CMI durch der Abstand der einzelnen Amplitudenpeaks der berwachten Frequenzen

zu ihren Grenzwerten bestimmt. Der genaue Algorithmus zur Ermittlung dieser Kennzahl

wird jedoch von der Firma DMT nicht verffentlicht.

Das Programm ZUM Leit, das durch eine geeignete Weboberflche speziell an

windenergietechnische Anwendungen angepasst wurde, ordnet jedem berwachten

Maschinenelement eine Verschleikennzahl zu. Durch die Art der Darstellung hat der

technische Betriebsfhrer die Mglichkeit, einen schnellen berblick ber den

gegenwrtigen Verschleizustand der von ihm betreuten Windparks und -anlagen zu

erhalten. Auf einzelnen Programmebenen wird jeweils der hchste CMI angezeigt, der in allen

zu berwachenden Windparks bzw. in jeder einzelnen WEA an den berwachten

Komponenten auftritt. Die Screenshots in Abbildungen 4.10 zeigen ein entsprechendes

Beispiel der Leitstandsvisualisierung. Darber hinaus knnen bei vermuteten Schden

Trendanalysen erzeugt werden, die die Entwicklung des Verschleizustandes darstellen und

eine detailliertere Diagnose ermglichen.

Abb 4.9: Der Condition Monitoring Index CMI stuft den Verschliezustand eines Bauteils auf einer Skala von 0 bis 100 ein.


Abb. 5.10: Beispielauszge aus der Leitstandsvisualisierung: oben: Von den in Schleswig-Holstein berwachten Windparks A, B und C weist der Park A mit 93 den grten CMI auf. Mitte: Eine Ebene darunter wird deutlich, das der CMI von 93 der WEA Nr. 1 zuzuordnen ist. unten: Noch eine Ebene tiefer ist zu erkennen, dass der kritische CMI bei WEA 1 im Bereich des Getriebes zu suchen ist. Zu exakten Beurteilung des Zustandes und der genauen Zuordnung knnen hier die zugehrigen Trendverlufe betrachtet werden.

Die umfangreiche Software von DMT erlaubt also auch schwingungstechnisch unversiertem

Personal ber den CMI eine Beurteilung des Maschinenzustandes. Des Weiteren ist aber auch

eine umfangreichere Detaildiagnose durch manuelle Analyse der Frequenz- bzw.

Hllkurvenspektren mglich.


5. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten

Die Analyse der Daten und die Schadensdiagnose wird beim Condition Monitoring System

DMT-ZUMWART online nach Abschluss der anlagenspezifischen Anpassungsarbeiten

automatisch von der DMT-Software durchgefhrt.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der unmittelbare Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen

und Anlagenbelastungen auf die Spektraldaten untersucht werden. Daher erfolgt zur

Auswertung der Daten im Folgenden eine manuelle frequenzselektive Analyse.

Nach der drehzahlabhngigen Klassierung der Spektraldaten wird der aktuelle

Verschleizustand der WEA durch berwachung der berechneten Schadensfrequenzen

ermittelt. Da tglich 11.000 bis 12.000 Spektren gespeichert werden, ist eine manuelle

Untersuchung all dieser Daten jedoch nicht mglich; es werden daher aus der Vielzahl der

tglich gespeicherten Spektren zur Ermittlung des Verschleizustandes sowie des Drehzahl-

und Lasteinflusses anhand der aufgezeichneten Betriebsdaten geeignete Einzelspektren (siehe

Abschnitt 5.2 und 5.3) ausgewhlt. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen anschlieend den

automatisch ermittelten Verschleikennzahlen CMI gegenber gestellt und auf dieser

Grundlage diskutiert werden. In Kenntnis des Ist-Zustandes der Anlage wird dann untersucht,

welchen Einfluss nderungen der Drehzahl und der Anlagenbelastung auf die Spektraldaten

haben.

5.1. Drehzahlabhngige Spektraldatenklassierung

Da bei Primrgenerator-Betrieb der Vestas V66 die Drehzahl der Primrgeneratorwelle

aufgrund der OptiSlip-Funktion kurzzeitig von 1500 min-1 auf bis zu 1650 min-1 ansteigen

kann, liegt die Rotor- und damit die Hauptwellendrehzahl dabei in einem Bereich von 19,07

min-1 bis 20,97 min-1, wie sich ber das bersetzungsverhltnis berechnen lsst.

Entsprechend betrgt die Hauptwellendrehzahl 15,31 min-1, wenn der Sekundrgenerator mit

einer konstanten Drehzahl von 1500 min-1 betrieben wird. Die Drehzahl der Antriebswelle des

Primrgenerators, an der die Drehzahl fr das Condition Monitoring System gemessen wird,

betrgt dann 1205,78 min-1.


Entsprechend der in den Betriebsdaten aufgezeichneten Primrgeneratordrehzahl werden die

Spektraldaten jedes Kanals mit Hilfe des DMT Programms MED Warte in die folgenden

zwei Drehzahlklassen eingeteilt:

Drehzahlklasse 1: nominelle Drehzahl 1200 min-1 (20 Hz)

Sekundrgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1180 bis 1230 min-1)

Drehzahlklasse 2: nominelle Drehzahl 1500 min-1 (25 Hz)

Primrgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1480 bis 1530 min-1)

(Drehzahlen grer als 1530 min-1 bis zur vollen Ausnutzung der

OptiSlip-Funktion sollen hier nicht betrachtet werden.)

Frequenzverschiebungen durch schlupfbedingte Drehzahlschwankungen

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