Besondere Lernleistung

Im Fach Physik

Schwingungsdiagnostik im Elektromotor,

insbesondere am Wälzlager

von

David Krake

Klasse 12/1

Werner-Heisenberg-Gymnasium Riesa

Betreuer: Herr Pamsch

Abgabedatum: 2008-02-18

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung .......................................................................................................................... 3

2. Schwingungsdiagnostik im wälzgelagertem Elektromotor.................................................. 4

2.1 Prozesse der Instandhaltung ......................................................................................... 4

2.2 Elektromotor mit wälzgelagertem Rotor....................................................................... 5

2.2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors .................................................. 5

2.2.2 Aufbau und Funktionsweise eines Wälzlagers ..................................................... 11

2.3 Mechanische Schwingungen ...................................................................................... 13

2.3.1 Parameter mechanischer Schwingungen .............................................................. 13

2.3.2 Überlagerung von mechanischen Schwingungen ................................................. 16

2.4 Die parameterspezifische Aufschlüsselung einer Summenschwingung ....................... 17

2.4.1 Das Fouriersche Theorem.................................................................................... 17

2.4.2 Fourier-Transformation ....................................................................................... 19

2.5 Funktion des Elektromotors G355 im Werk Zeithain.................................................. 21

2.6 Überblick der Schwingungsursachen.......................................................................... 22

2.7 Signalformen von mechanischen Schwingungen ........................................................ 23

2.8 Funktionsweise des FFT-Schwingungsanalysators VIBXpert ..................................... 26

2.9 Beschreibung des Instandhaltungszyklus im Zeithainer Rohrwerk.............................. 28

2.10 Schwingungsanalyse eines wälzgelagertem Elektromotors Typs G355 ..................... 28

2.10.1 Summenschwingungsanalyse ............................................................................ 28

2.10.2 Wälzlagerdiagnose an einem funktionstüchtigem Lager..................................... 30

2.10.3 Wälzlageranalyse an einem defekten Lager ....................................................... 30

3. Resümee .......................................................................................................................... 34

4. Quellenverzeichnis .......................................................................................................... 36

5. Eigenständigkeitserklärung .............................................................................................. 40

6. Anlagen ........................................................................................................................... 41

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1. Einleitung

Mit dem Zitat „Remember that time is money“ oder auch „Zeit ist Geld“ erkannte Benjamin

Franklin1 schon frühzeitig den Charakter der industriellen Revolution. Auch in der heutigen

Zeit findet dieses Zitat noch große Resonanz. Nicht umsonst werden Industrieanlagen für

einen vierundzwanzig-Stunden-rundum-Betrieb konstruiert, um die Produktionskapazität

weitestgehend zu maximieren. Jedoch können bei dieser hohen Auslastung von Maschinen

auch Ausfälle auftreten, wodurch der komplette Produktionsbetrieb zum Erliegen kommen

kann.

Um diesen drastischen Konsequenzen von Maschinenausfällen zu entgehen, versuchen

Ingenieure und Wartungstechniker sich ein klares Bild vom gegenwärtigen und zukünftigen

Zustand von Maschinen zu machen. Dabei spielen dynamische Probleme wie Schwingungs-

schäden eine der wesentlichsten Rollen im heutigen Instandhaltungsprozess. Doch genau

diese Schwingungen machen sich Diagnostiker zu Nutze, indem sie durch diagnostische

Maßnahmen ermitteln, in welchem Zustand sich eine Baugruppe einer Anlage befindet.

Dadurch lässt sich die Verfügbarkeit von Anlagen, die im Wesentlichen durch die

Zuverlässigkeit der einzelnen Baugruppen bestimmt wird, erhöhen und Ausfällen kann

frühzeitig vorgebeugt werden.

Genau mit diesen Diagnoseverfahren beschäftigt sich die folgende Arbeit. Zunächst befasse

ich mich grundlegend mit dem Aufbau und der Funktionsweise von wälzgelagerten

Elektromotoren sowie der Beschreibung von im Motor auftretenden Schwingungen.

Weiterhin erläutere ich die mathematische Ermittlung von Spektren mittels der Fourier-

Tranformation sowie die Signalform von im Motor auftretenden Schwingungen, die bei dem

darauf folgend beschriebenem Fast-Fourier-Datenanalysator zur Anwendung kommt.

Grundlage für meine Untersuchung bilden zwei vierpolige Gleichstrommaschinen des Typs

G355, an welchen ich die Schwingungsanalsyse mittels eines VIBXpert FFT-Datensammlers

und Signalanalysators durchführen konnte. Ziel dieser Besonderen Lernleistung ist es, die

Effizienz heutiger Fast-Fourier-Transformation-Analysatoren zu untersuchen.

Besonderen Dank möchte ich an dieser Stelle ausdrücklich Herrn Dipl.-Ing. Rainer Bäger,

dem Gruppenleiter der Motorenwerkstatt, sowie Herrn Steffen Seibold der Mannesmannrohr

Sachsen GmbH, Werk Zeithain aussprechen, die mir stets hilfreich zur Seite standen.

1 Benjamin Franklin (1706-1790) war ein amerikanischer Verleger, Staatsmann, Naturwissenschaftler, Erfinder und gilt zudem als einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten.

4

2. Schwingungsdiagnostik im wälzgelagertem Elektromotor

2.1 Prozesse der Instandhaltung

In der heutigen maschinellen Fertigung spielt die dauerhafte Verfügbarkeit von industriellen

Anlagen eine bedeutende Rolle, um einen maximallen Produktionsbetrieb zu gewährleisten.

Daher müssen die Maschinen regelmäßig kontrolliert und gewartet werden, um die maximale

Betriebsdauer der einzelnen Maschinenkomponenten zu nutzen. Diesen Prozess nennt man

Instandhaltung. Gemäß der Festlegung Nummer 31051 des Deutschen Instituts für Normung

ist die Instandhaltung „die Gesamtheit aller Maßnahmen zur Bewahrung des Soll-Zustandes

und zudem zur Feststellung und Beurteilung des Ist-Zustands von technischen Mitteln eines

Systems“ (DIN 31051). Das Ziel der Instandhaltung ist die Reduzierung von Störungen und

Ausfällen, die Gewährleistung und sogar Erhöhung der optimierten Nutzung der Lebensdauer

von Anlagen und Geräten sowie die Optimierung von Betriebsabläufen. All diese

Maßnahmen werden den Arbeitskategorien Inspektion, Wartung, Instandsetzung und

Verbesserung zugeordnet:

A. Inspektion

Unter dem Begriff der Inspektion versteht man gemäß DIN 31051 „Maßnahmen zur

Feststellung und Beurteilung des Funktionszustands, die Bestimmung der

Abnutzungsursachen sowie das Ableiten der notwendigen Maßnahmen zur Rückführung in

den Soll-Zustand“ (DIN 31051). Zur Feststellung des Ist-Zustands ist das Erstellen eines

Inspektionsplanes, welcher auf die spezifischen Belange der Anlage abgestimmt ist, nötig.

Dieser Plan enthält Angaben über Methode, Termin, Gerät und Maßnahmen, die getroffen

werden müssen, um die kontinuierliche Arbeit der Maschine zu gewährleisten. Durch die

Ergebnisse der quantitativen Ermittlung bestimmter Zustandsgrößen lässt sich der Ist-Zustand

herausfinden, mögliche Konsequenzen zur Zurückführung in den Soll-Zustand ableiten, um

Störungen des Produktionsablaufes zu vermeiden. Dies erfolgt durch die Aufnahme von

Messwerten, dem Prüfen von Bauelementen und dem Diagnostizieren möglicher Schäden.

B. Wartung

Die Wartung umfasst alle „Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen

Abnutzungsvorrats“ (DIN 31051). Sie beinhaltet ebenso das Erstellen eines Plans, welcher

sich ebenfalls auf die spezifischen Belange einer Anlage beziehen muss. Dieser Wartungsplan

beinhaltet Angaben über das jeweilige Maschinenteil, die Zeitabstände und die Art der

5

verrichteten Wartungsarbeit machen. Die Wartungsarbeit umfasst dabei ein großes Spektrum

an Maßnahmen. Sie reicht vom Schmieren und Reinigen über das Wechseln von Hilfsstoffen,

wie zum Beispiel Öl oder Kühlflüssigkeiten, bis hin zum Nachjustieren und Austauschen von

Verschleißteilen.

C. Instandsetzung

Nach DIN 31051 setzt sich der Begriff Instandsetzung aus allen „Maßnahmen zur

Rückführung in den funktionsfähigen Zustand mit Ausnahme von Verbesserungen“ (DIN

31051) zusammen. Dies meint das Wiederherstellen des Soll-Zustands durch Austauschen

von Teilen, Reinigen und Reparieren. Zu diesem Zweck werden in heutigen Anlagen und

Maschinen in zunehmendem Maß die Elektronik und die elektrische Steuerung durch

Programme zum Gegenstand von Reparaturen.

Da die Verbesserung ein Maximum an technischem Verständnis im Maschinenbau erfordert,

lasse ich sie aus meiner Betrachtung außen vor, da eine solche Verbesserung am untersuchten

Motor des Zeithainer Rohrwerks nicht vollführt wird.

Man unterscheidet die Instandhaltung in drei klassische Arten. Zum einen die operative

Instandhaltung, also die Instandsetzung nach einem Schaden oder Ausfall, die vorbeugende

Instandhaltung, also die Instandsetzung nach festen Zeitintervallen, unabhängig vom

tatsächlichen Zustand der Baugruppen, und in die zustandsorientierte Instandhaltung. Diese

ist das am meisten verwendete Verfahren, da man die Maschinen aufgrund ihres tatsächlichen

Verschleißzustandes ihrer Baugruppen instand setzt. Dadurch lassen sich enorme

Kosteneinsparungen gegenüber den beiden anderen Verfahren erringen (vgl. Wirth 2003,

S. 1).

2.2 Elektromotor mit wälzgelagertem Rotor

2.2.1 Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors

Aufbau des Elektromotors

Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus einem ruhenden und einem frei drehbaren

Magneten. Der ruhende Magnet ist der so genannte Stator, welcher aus zwei gewickelten

Spulen besteht, die an der Innenseite des Stators mit aufgepressten Blechen besetzt sind.

6

Zwischen den Hauptpolen, deren Spulen mit Kompensationsspulen2 besetzt sind, liegen die

Wendepolspulen.

Bild 1: Aufbau eines Elektromotors Bild 2: Stator (6-polig) Bild 3: Rotor (freeweb.dnet.it) (BBC Brown Boveri, S. 5) (BBC Brown Boveri, S. 5) Bei dem frei drehbaren Magneten handelt es sich um den Rotor oder auch Anker genannt. Bei

Gleichstrommaschinen wird dabei bevorzugt der Trommelanker verwendet, da dieser aus

jeder Position heraus automatisch in Betrieb genommen werden kann. Er besteht zum einen

aus dem Kollektor und aus einzelnen Teilspulen, die, wie die Hauptpolspulen des Stators,

nach außen hin mit aufgepressten Dynamoblechen besetzt sind, wobei jede Teilspule mit je

einem Blech besetzt ist (vgl. Moller [Universität Münster], Der Gleichstrommotor). Die

Teilspulen sind fortlaufend miteinander verbunden, damit diejenigen Teilspulen, die nicht

miteinander kurzgeschlossen sind, ebenfalls Strom durchflossen sind. Die dünnen

Dynamobleche sind jeweils durch leitungsunfähiges Material voneinander isoliert und dienen

zum Einen der gezielten Bündelung des magnetischen Flusses und zum Anderen der

Formgebung des Rotors. Der Kollektor, der so genannte Stromwender, besteht aus Lamellen,

welche mit dem Anfang und dem Ende einer jeden Teilspule verbunden sind. Auf diesen

Lamellen schleifen die Kohlebürsten, die den Stromfluss im gesamten Anker erzeugen (vgl.

Dipl.-Ing. Rainer Bäger).

Wirkungsweise eines Gleichstrommotors

Die Wirkungsweise beruht im Wesentlichen auf den magnetischen Abstoßungs- und

Anziehungskräften. Diese sich beeinflussenden Felder werden durch stromdurchflossene

Spulen erzeugt, wobei sowohl die Hauptpolspulen als auch die Wendepolspulen des Stators

immer die gleiche Polung beibehalten.

2 Auf den Hauptspulen angebrachte Spulen, die Störfeldstärken beseitigen.

7

Bild 4: elektrische Ladung im Magnetfeld (Model Magnetfeld) (Wikipedia, Lorentzkraft)

Schießt man nun eine bewegte elektrische Ladung Q in ein magnetisches Feld, verläuft diese

nicht gerade durch das Feld, sondern wird abgelenkt. Dafür verantwortlich ist die Lorentzkraft

F, die auf bewegte Ladungsträger einwirkt. Dabei gilt wie in Bild 4 ersichtlich:

BvF���

××

Die Lorentzkraft berechnet sich dabei nach:

(1) BvqF ⋅⋅=

oder

BlIF ⋅⋅=

Die Ablenkung ergibt sich dabei nach der so genannten Drei-Finger-Regel (UVW-Regel).

Dabei gibt der Daumen den Vektor der Geschwindigkeit v�

beziehungsweise die technische

Stromrichtung I an. Der ausgestreckte Zeigefinger steht für den Vektor der magnetischen

Flussdichte3 B�

beziehungsweise den Magnetlinienverlauf und der senkrecht zum Zeigefinger

stehende Mittelfinger bildet die Wirkungsrichtung der Lorentzkraft. Nach Bild 4 würde also

eine von rechts kommende, senkrecht zu den Feldlinien verlaufende, bewegte Ladung aus der

Ebene abgelenkt werden (vgl. Wikipedia, Lorentzkraft).

Entsprechend dem elektromagnetischen Induktionsgesetz von Michael Faraday4, wird in einer

Spule bei der Änderung des magnetischen Flusses5 eine Spannung induziert.

3 Formelzeichen B, Einheit Tesla (T), Feldvektor des magnetischen Feldes definiert durch die Kraftwirkung auf bewegte elektr. Ladungen, )()( AtsflächeQuerschnitFlussermagnetischB ÷= φ (vgl. elektonik- komdendium.de) 4 Britischer Chemiker (1791-1867) (vgl. Paizoni [Technische Universität München]) 5 Verhältnis aus der magnetischen Spannung Um und dem magnetischen Widerstand Rm in einem magnetischen Feld H

8

Eine Änderung des magnetischen Flusses erfolgt einerseits durch eine Änderung der

magnetischen Feldstärke H und damit der magnetischen Flussdichte B, denn es gilt:

l

InH

⋅=

(2) l

InB

⋅⋅= µ bzw. HB ⋅= µ

(3) t

ABnU ind ∆

⋅∆⋅−= )(

Andererseits, wie aus Gleichung (3) ersichtlich, erfolgt dies ebenfalls durch eine Änderung

der vom magnetischen Feld durchsetzten Fläche.

Bild 5: Feldlinienverlauf eines 2-poligen Motors mit Trommelanker (zottl.de, Gleichstromotor)

Diese physikalischen Prinzipien werden nun beim Elektromotor genutzt. Dazu werden sowohl

die Hauptpolspulen als auch die Ankerspulen von einem elektrischen Strom durchflossen. Bei

den Ankerspulen geschieht dies mittels Kohlebürsten, die auf den Kommutatorlamellen

schleifen und somit die Stromzufuhr herstellen. Dadurch werden die Elektronen beschleunigt.

Dies kommt der Ablenkung durch die Lorentzkraft gleich, denn den Elektronen wird dabei

ihre Bewegungsrichtung aufgezwungen. Senkrecht zu dieser Kraft wirkt der magnetische

Fluss, da auf der Grundlage des Induktionsgesetzes ein Magnetfeld, durch den Stromfluss, um

die Ankerspule induziert wurde. Die Feldlinien des magnetischen Flusses der Ankerspule

stehen aufgrund ihrer senkrechten Lage zur Lorentzkraft auch senkrecht und entgegengesetzt

zum magnetischen Fluss der Statorspule. Die aus der gleichnamigen Polung der Haupt- und

Ankerspulen folgende Abstoßung erfolgt wie im Bild 5 dargestellt. Dies lässt sich auf die

Überlagerung und Auslöschung der magnetischen Flüsse zurückführen. Aus Bild 5 Abbildung

3 wird ersichtlich, dass sich die Feldlinien der Hauptpole als auch der Ankerpole einerseits

überlagern und andererseits abschwächen. Dadurch wirkt einerseits eine Abstoßungskraft, der

keine Kraft auf der gegenüberliegenden Seite entgegenwirkt. Die Stärke sowohl der

Überlagerung als auch der Abschwächung und somit der Geschwindigkeit der Rotation und

der wirkenden Kraft hängt von den abstoßenden magnetischen Feldern ab. Diese lässt sich

9

beliebig durch das Vergrößern der angelegten Spannung regulieren, wie aus der Umformung

der Gleichung (3)

(4) At

UBind ∆∆⋅=

ersichtlich wird. Aufgrund der periodisch wechselnden Überlagerung und Auslöschung der

Magnetfelder kommt es zur Drehbewegung des Ankers (vgl. Wikipedia, Elektromagnetische

Induktion). Diese würde jedoch schon nach einer viertel Drehung enden und der Rotor würde

zum Erliegen kommen, da sowohl keine Überlagerung als auch keine Abschwächung der

Felder mehr vorhanden ist. Der Anker befindet sich in der so genannten neutralen Zone, in

der kein Drehmoment6 mehr vorhanden ist. Daher muss der Stromfluss der betreffenden

Ankerspule kommutiert, also die Richtung des Stromflusses gewendet werden. Dies erfolgt

durch die Kohlebürsten, die auf den Lamellen schleifen. Bild 6 zeigt schematisch einen

Ausschnitt einer Ankerwicklung in der Nähe einer Kohlebürste beim Kommutieren.

Bild 6: Stromwendung a) Kurzschluss der Spule 3 b) Kurzschluss der Spule 4

(VEB Fachbuchverlag Berlin, Rotierende elektrische Maschinen)

Der Strom tritt aus der Bürste in die Ankerwicklungen ein. Der Läuferstrom IL teilt sich in

zwei gleich große Teilströme IS. Im Bild 6a ist die Spule 3 kurzgeschlossen, im Bild 6b die

Spule 4. Während die Kommutatorlamelle die Bürste durchläuft, wird jeweils die betreffende

Teilspule aus dem einen Stromkreis (links) in den anderen (rechts) kommutiert. Die

Stromrichtung ändert sich dabei von +IS über Null auf -IS. Dabei ist der Stromfluss I bei exakt

90° Null. In Gleichung:

(5) IcM ⋅⋅= φ

wird deutlich, dass nun auch das Drehmoment gleich Null ist.

Die Bewegung kommt jedoch nicht zum Erliegen, denn aufgrund der physikalischen Trägheit

von Massen behält der Anker seine Bewegung bei, da die Reibungskraft nicht ausreicht, um

den Anker bei exakt 90° zu stoppen. Nach der Überwindung der neutralen Zone kommt es

6 Ist jene physikalische Größe, die die Bewegung eines drehbaren Körpers beeinflusst, einerseits durch Beschleunigung, andererseits durch Verzögerung.

10

aufgrund der Stromrichtungsänderung von +IS zu -IS zur Induktion eines des

vorangegangenen Magnetfeldes genau entgegen gesetzt gerichteten Magnetfeldes. Dadurch

wirken die Abstoßungs- und Auslöschungskräfte wieder auf der gleichen Seite wie vor der

Stromrichtungsänderung, wodurch die Drehbewegung aufrechterhalten bleibt. Diese

Stromwendung erfolgt daraufhin aller 90°.

Bild 7: Verschiebung der neutralen Zone durch die Ankerrückwirkung (uni-muenster.de, Der Gleichstrommotor)

Die neutrale Zone liegt aber nur theoretisch genau zwischen zwei Hauptpolen. Denn sie wird,

wie im Bild 7 dargestellt, durch die so genannte Ankerrückwirkung entgegen des Drehsinns

verschoben. Sie resultiert daraus, dass sich der magnetische Fluss � während des

Kommutierens innerhalb der Ankerwicklung ändert, da:

(6) AB��

⋅=φ

und der magnetische Fluss B nach Gleichung (4) abhängig von der Spannung U ist, die sich

bei der Stromwendung ändert.

Dadurch wird nach dem elektromagnetischen Induktionsgesetz in den Ankerwicklungen eine

so genannte Stromwendespannung induziert, welche sich aus der Ankerfeldspannung und der

Reaktanzspannung zusammensetzt. Die Ankerfeldspannung entsteht durch das Umpolen des

Ankerfeldes und die Reaktanzspannung durch das Umpolen des Streuflusses7 der Spule.

Diese Stromwendespannung ruft ihrerseits ein Magnetfeld hervor, welches den Hauptfeldern

entgegen wirkt und somit die neutrale Zone verschiebt.

Da die Spule jedoch während der Kommutierzeit über die Kohlebürste kurzgeschlossen ist,

würde ein Lichtbogen, oder auch Bürstenfeuer8, entstehen. Die Folge wäre die Beschädigung

der Kohlebürsten als auch der Lamellen des Kommutators.

Die Wendepole verhindern jedoch diesen schädigenden Prozess. Dazu werden die

Wendepolspulen vom Ankerstrom durchflossen und erzeugen damit ein Wendefeld in der

neutralen Zone. Dieses Wendefeld hebt einerseits das Ankerfeld im Nulldurchgang auf und

7 Feldlinien, die nicht den rotierenden Ankermagneten durchsetzen. 8 Elektrischen Überschlägen, die als Funken sichtbar werden

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induziert andererseits in den kommutierenden Leitern eine der Reaktanzspannung gleich

große, jedoch entgegengesetzte Spannung, die zur Auslöschung der Reaktanzspannung führt

(vgl. VEB Verlag Technik Berlin 1969, S.40-46).

Weiteren Anteil an der Rückwirkung haben Störfeldstärken, die bei der Zunahme der

Hauptfeldstärke in der Mitte der Hauptspulen entstehen.

Die Kompensationswicklungen beheben jedoch diese Störfeldstärken durch Feldstärke-

kompensation. Die Kompensationsspulen, in Reihe zu den Hauptspulen geschalten, erzeugen

dabei ein Magnetfeld in der Gegenrichtung und vermindern daher das Gesamtmagnetfeld in

der Spulenmitte (Anlage 2) möglichst auf Null (vgl. pitfax.de, Kompensationsspulen).

Doch lässt sich das Entstehen eines Lichtbogens nie zu 100 Prozent beheben, da sich die

Gesamtmagnetfeldstärke der Hauptspulen in der Spulenmitte durch die Kompensations-

wicklungen nicht exakt auf Null korrigieren lässt (Anlage 2), wodurch immer ein

geringfügiges Bürstenfeuer entsteht. Dieses ruft daraufhin im Motor elektrisch induzierte

Schwingungen hervor, die in die Gehäuseschwingung eines Elektromotors mit einfließen (vgl.

Dr.-Ing. Rainer Wirth, Maschinendiagnose an Industriegetrieben).

2.2.2 Aufbau und Funktionsweise eines Wälzlagers

Die Verbindung des rotierenden Trommelankers und dem Statorgehäuse der 30 G355

Elektromotoren (Anlage 3) des Zeithainer Streckreduzierwalzwerkes wird mittels

Rillenkugellagern (Anlage 6), den am meisten verbreiteten Wälzlagertyp, geschaffen. Die

Wälzlagerungen dienen dabei der Verbindung zwischen starren und sich bewegenden

Bauteilen sowie der Abstützung und Führung der bewegenden Komponente.

Bild 8: Rillenkugellager Bild 9: Aufbau eines Bild 10: Radialkraft Fr (mdesign.de, Rillenkugellager) Wälzlagers Axialkraft Fa (bs-wiki.de,Wälzlagerungen) (skf.com, Radiallager) Diese Lager bestehen, wie im Bild 9 gezeigt, aus zwei zueinander beweglichen Ringen, dem

Innen- und Außenring, die durch rollende Körper, den so genannten Wälzkörpern,

voneinander getrennt sind. Die Ringe bestehen aus gehärtetem Stahl, an denen, hauptsächlich

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durch den Wälzkörper, Rollreibung auftritt. Die Reibung wird dabei durch regelmäßige

Schmierung verringert.

Rillenkugellager sind darauf ausgelegt hauptsächlich die durch die Drehbewegung des Rotors

entstehenden, radialen Kräfte aufzunehmen. In den Ringen sind dabei relativ tiefe Furchen

eingelassen, in denen die Kugeln laufen. Zwischen der Kugel und der Laufrille besteht jedoch

sowohl axial als auch radial eine geringfügige Toleranz, um der thermischen Verformung, die

drehzahlabhängig ist, entsprechen zu können (vgl. Wikipedia, Wälzlager). Diese Toleranzen,

auch Lagerluft bezeichnet, sind lagerspezifisch (Anlage 4). Beim Rillenkugellager wird

versucht, diese gegen Null gehen zu lassen, „um einen idealen Rundlauf des Lagers zu

erreichen“ (bs-wiki.de, Wälzlagerungen), auch wenn man damit einen höheren Verschleiß

und somit eine kürzere Lebensdauer in Kauf nehmen muss (vgl. bs-wiki.de, Wälzlagerungen).

Die Übertragung der Rotationsbewegung des Ankers zum Gehäuse wird durch die

Verwendung von einzelnen Wälzkörpern auf ein minimales Reibmoment gesenkt. Somit

lassen sich Leistungsverluste, verursacht durch hohe Reibmomente wie in komplett

bestückten Wälzlagern durch Berührung der Walzkörper, nahezu ausschließen.

Bild 11: Radiale und Axiale Lagerluft Bild 12: Umfangslast Bild 13: Punktlast (bs-wiki.de, Wälzlagerungen) (medias.ina.de, Wellen- und Gehäuseausführung) Der Außenring des Wälzlagers ist dabei fest mit dem Statorgehäuse verbunden. Die Bilder 12

und 13 zeigen deutlich, dass sich die Umfangslast auf den Innenring und die Punktlast auf den

Außenring auswirkt (Anlage 5) (vgl. medias®, Wellen- und Gehäuseausführung). Das ist bei

der Schwingungsdiagnose ebenfalls von großer Bedeutung, da sich dies auf die

Frequenzspektren der Schwingungsanalyse auswirkt.

Dieser Typ des Wälzlagers ist besonders für den Betrieb im Streckreduzierwalzwerk geeignet,

da die Kugeln sehr eng an den Laufrillen anliegen und somit auch axiale Kräfte aufnehmen

können. Solche axial wirkenden Kräfte entstehen beispielsweise durch die Kraftrückwirkung

13

über die Welle, die beim Durchlaufen eines Rohres durch das betroffene Walzgerüst entsteht.

Auch geringfügige Unwuchten in der Welle oder eine relativ ungenaue Ausrichtung von

Welle und Motorende können diese Lager schadlos verkraften. Somit ist eine weitaus längere

Verfügbarkeit der Lager gewährleistet (vgl. bs-wiki.de, Wälzlagerungen). So zeigt die

Erfahrung der Motorenwerkstatt des Zeithainer Rohrwerkes, dass diese Lager regulär, also im

Normalfall, eine weitaus längere Lebenszeit als zum Beispiel Gleitlager besitzen und damit

wirtschaftlich kostengünstiger sind als andere Lagertypen. Jedoch ist das Lager eines

Elektromotors die am meisten vom Verschleiß betroffene Baugruppe (vgl. Dipl.-Ing. Rainer

Bäger).

2.3 Mechanische Schwingungen

2.3.1 Parameter mechanischer Schwingungen

„Eine zeitlich veränderliche, physikalische Größe soll schwingende Größe genannt werden“

(Fischer/Stephan 1984, S. 11). Die dabei veränderlichen physikalischen Größen sind

beispielsweise die Kraft, der Ort, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Energie oder

die Auslenkung. Man unterscheidet zwischen „harmonischen Schwingungen9“ und

„anharmonischen Schwingungen“ (Lindner 1955, S. 117). In einem komplexen Gebilde wie

einem Elektromotor besteht ein großes Spektrum an diversen Schwingungen, wobei die

einzelnen Teilschwingungen periodisch wirken und die Schwingungen, die aus der

Überlagerung zweier Schwingungen resultieren, teilweise periodisch und teilweise nicht-

periodisch wirken. Jedoch lassen sich alle durch harmonische Schwingungen beschreiben,

was die große Bedeutung harmonischer Schwingungen in der Mathematik erklärt. Die

wichtigsten Kenngrößen harmonischer Schwingungen sind:

y – Elongation Auslenkung zu einer bestimmten Zeit

A = ymax – Amplitude maximale Auslenkung

T – Periodendauer Zeit für eine volle Schwingung

f - Frequenz Anzahl voller Schwingungen (T,2T,usw.)

je Zeiteinheit

� – Kreisfrequenz Winkelgeschwindigkeit im Bogenmaß

� – Winkelbeschleunigung Geschwindigkeitsänderung in bestimmter

Zeit

9 Schwingung, deren zeitabhängige veränderliche Zustandsgrößen sinusförmig sind, da sie keine Dämpfung aufweist.

14

� – Phasenwinkel Argument der Sinusfunktion. Beschreibt

den Winkel, den die Projektion einer

Schwingung auf einer Kreisbahn

zurückgelegt (siehe Bild 14)

�0 – Nullphasenwinkel Ist der Phasenwinkel zur Zeit t = 0

Harmonische Schwingungen oder auch Sinusschwingungen lassen sich mathematisch

darstellen durch die Gleichung:

(7) tT

Atf ∗∗= π2sin)(

Ort-Zeit-Funktion der harmonischen Schwingung

Der zeitliche Verlauf in Abhängigkeit zur Auslenkung einer Sinusschwingung ist im Bild 14

dargestellt.

Bild 14: Ort–Zeit–Funktion einer harmonischen Schwingung (Lindner 1955, S. 118)

Eine solche harmonische Schwingung lässt sich als gleichförmige Bewegung auf einer

Kreisbahn darstellen. Aus Bild 14 wird ersichtlich, dass die Schwingung ihre Amplitude bei

einem Phasenwinkel von 90° und jeweils weiteren 180° besitzt. Dieser Phasenwinkel �

besteht, wie aus der Abbildung erkennbar, aus dem Nullphasenwinkel und dem Winkel, den

der Punkt (P1) im Zeitraum von t = 0 bis t = t überstreicht. Dieser Winkel lässt sich

mathematisch darstellen durch tωϕ =´ , da die Winkelgeschwindigkeit konstant bleibt. Damit

ist der Phasenwinkel:

(8) ϕωϕ += t 0

Das Produkt aus dem Sinus des Phasenwinkels und der Amplitude bilden den Wert der

Elongation.

(9) 0sin(* ϕω += tAy

15

Aufgrund rechnerischer Einfachheit legt man den Beginn der Zeitzählung auf einen der

Ruhepunkte der Schwingung. Da für t = 0 dann die Elongation ebenfalls gleich Null ist, ergibt

sich für die Amplitude:

(10) t

yA

ωsin=

Während der einfachen Periodendauer durchläuft der zugeordnete Punkt auf der Kreisbahn

den Winkel ϕ = 360° = 2�. Daher gilt 2� = ω *T =fω

. Daher gilt für die Kreisfrequenz:

(11) T

fππω 2

2 ==

Geschwindigkeit und Beschleunigung der harmonischen Schwingung

Für die Geschwindigkeit v auf einem Kreis gilt die Gleichung v = r*ω (vgl. Lindner 1955, S.

41) mit v = vmax (gleichförmige Bewegung). Daraus folgt, dass die Maximalgeschwindigkeit

des Punktes auf der Kreisbahn gleich dem Produkt aus Amplitude mal Kreisfrequenz ist,

wenn dieser seine Ruhelage durchquert.

(12) ω*max Av =

Die Geschwindigkeit für einen beliebigen Zeitpunkt erhält man durch Differenzieren der

Funktion (9) nach der Zeit t:

dt

tAddtdy

v)]sin(*[ 0ϕω +

==

und erhält dabei die Gleichung:

(13) )cos(** 0ϕωω += tAv

Die Gleichung (12) für die Maximalgeschwindigkeit entsteht also im Falle 0ϕ = 0 für alle

Phasenwinkel tωϕ = , bei denen der cos tω den Maximalwert 1 annimmt, so beispielsweise

wenn tω = 0, �, 2 � usw. ist. An den Umkehrpunkten tω = .,23

,2

uswππ hingegen nimmt die

Funktion cos tω den Wert Null an. Dadurch ist auch die Geschwindigkeit in diesen Fällen

Null und gewinnt erst im weiteren Verlauf wieder an Geschwindigkeit, bis sie ihren

Maximalwert wieder erreicht hat. Aus dieser Erkenntnis folgt, dass eine harmonische

Schwingung eine abwechselnd beschleunigte und verzögerte Bewegung ist, daher einer

Beschleunigung ausgesetzt ist.

16

Für die Beschleunigung a auf einem Kreis gilt die Gleichung a = r* ω 2 (vgl. Lindner 1955, S.

53) mit ar = amax (Radialbeschleunigung (vgl. Lindner 1955, S. 52)). Die

Maximalbeschleunigung des Punktes auf der Kreisbahn ist demnach gleich dem Produkt aus

Amplitude mal dem Quadrat der Kreisfrequenz für den Durchgang des Umkehrpunkts.

(14) 2*ωAa =

Die Beschleunigung für einen beliebigen Zeitpunkt erhält man durch die Bildung der ersten

Ableitung der Gleichung (14):

dt

tAddtdv

a)]cos(**[ 0ϕωω +

==

und erhält dabei die Gleichung:

(15) )sin(** 0 πϕωω ++= tAa

Die Gleichung (14) entsteht daher für die Umkehrpunkte, da hier die Funktion

)sin( 0 πϕω ++t jeweils den Wert 1 annimmt (vgl. Lindner 1955, S. 117-122).

2.3.2 Überlagerung von mechanischen Schwingungen

Wie im Punkt 2.3.1 bereits erwähnt, kommt es in einem Elektromotor zu einer Vielzahl von

Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen. Diese Schwingungen überlagern sich und

bilden letztlich eine Gesamtschwingung, die das Motorgehäuse zum Schwingen bringt. Diese

dabei letztlich entstehende Schwingung heißt Summenschwingung und entsteht aus der

additiven Überlagerung (Supperposition10) der unterschiedlichen Einzelschwingungen.

Bild 15: Fourier-Summe: Summe aus der Überlagerung harmonischen Funktionen (uni-tuebingen.de, Fourier-

Transformation)

10 Ist die Überlagerung gleichartiger mechanischer Spannungen. Das Superpositionsgesetz besagt, dass gleichartige Spannungen aus 2 oder mehreren Schnittkräften in denselben Punkten addiert werden.

17

Bild 15 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Summenschwingung, die sich aus harmonischen

Funktionen mit rationalem Frequenzverhältnis bildet (siehe Punkt 2.4.1). Weiterhin wird

ersichtlich, dass die Überlagerung von periodischen Teilschwingungen ebenfalls eine

periodische Schwingung ergibt. Die Amplituden der einzelnen Teilschwingungen zu einer

beliebigen Zeit t werden daher addiert. Die Periodendauer der resultierenden Summen-

schwingung wiederholt sich nach der Zeit

(16) 21 qTpTT == .

Schwingungen mit irrationalem Frequenzverhältnis (siehe 2.4.1) liegen jedoch hauptsächlich

am Gehäuse eines Elektromotors vor. Solch eine daraus entstehende Summenschwingung

beschreibt eher den Verlauf in Bild 16.

Bild 16: Überlagerung harmonischer Schwingungen mit irrationalem Frequenzverhältnis (Fischer/Stephan 1984,

S. 33)

2.4 Die parameterspezifische Aufschlüsselung einer Summenschwingung

2.4.1 Das Fouriersche Theorem

Wie im Punkt 2.3.2 beschrieben, handelt es sich bei einer Summenschwingung aus zwei

harmonischen Schwingungen um eine periodische Funktion der Zeit t. „Es ist leicht

anzunehmen, dass die Überlagerung beliebig vieler harmonischer Funktionen mit rationalem

Frequenzverhältnis[, daher qp

TT

ff ===

1

2

2

1

2

1

ωω

mit p, q = 1,2,3,…,] ebenso eine periodische

Funktion der Zeit ergibt“ (Fischer/Stephan 1984, S. 21). Umgekehrt bedeutet das, „dass unter

Vorraussetzungen, die von physikalischen Größen praktisch immer erfüllt werden, sich jede

periodische Funktion )(ty in eine Konstante und eine unendliche Reihe harmonischer

18

Funktionen zerlegen lässt, deren Frequenzen ganze Vielfache der Frequenz von )(ty sind“

(Fischer/Stephan 1984, S. 21).

(17) )sin(*)(1

0 nnn

n taAty ϕω ++= �∞

=

Sie heißt Fourierreihe nach dem Franzosen Josef Baron de Fourier11. Zweckmäßiger ist

allerdings die Form:

(18) )sincos()(1

0 tBtAAty nnnn

n ωω >++= �∞

=

Die Ermittlung der Amplituden, also der Größen An und Bn der Teilschwingungen, wird als

Fourier-Analyse oder auch harmonische Analyse bezeichnet. Die dafür benötigten

Fourierkoeffizienten An und Bn können durch die, mit Hilfe der bekannten

Orthogonalitätseigenschaften der harmonischen Funktionen

���

���

≠=

==� � njfür

njfürdxnxjxdxnxjx

0*sin*sin*cos*cos

2

0

2

0

ππ π

�π2

0

*sin*cos dxnxjx

, Gleichungen

�=T

dttyT

A0

0 )(1

dtttyT

AT

nn �=0

cos)(2 ω dttty

TB nn �=

0

sin)(2 ω

bestimmt werden. Stellt man diese Teilschwingungen als Funktion der Frequenz dar, so ergibt

sich ein Linienspektrum für die Gesamtschwingung. Bild 17 zeigt solch ein

amplitudenmoduliertes Linienspektrum.

11 Französischer Mathematiker und Physiker (1768 bis 1830)

19

Bild 17: ein amplitudenmoduliertes Linienspektrum (physik.uni-dortmund.de, Fourier Analyse und Synthese)

Außer der Grundfrequenz v1, die gleich der Frequenz des periodischen Vorgangs ist, treten

nur ganzzahlige Vielfache von v1, die so genannten Oberschwingungen auf (vgl. physik.uni-

dortmund.de, Fourier Analyse und Synthese). Es handelt sich dabei um ein diskretes

Frequenzspektrum. Jedoch treten neben den harmonischen Funktionen mit rationalem

Frequenzverhältnis auch Funktionen auf, die ein irrationales Frequenzverhältnis besitzen. Es

ist leicht einzusehen, dass diese Überlagerung zu keiner periodischen Schwingung führt, da

ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von T1 und T2 nicht mehr existiert. „Da aber jede

irrationale Zahl mit beliebiger Genauigkeit durch eine rationale Zahl p/q mit hinreichend

großen p und q angenähert werden kann, wiederholt sich ein bestimmter Schwingzustand

nach einer längeren Zeit qTpTT 21 == fast genau“ (Fischer/Stephan 1984, S. 21-32). Bei

diesen Schwingungen spricht man in der Fachliteratur von fastperiodischen Schwingungen.

Dadurch lassen sich auch deren Komponenten mittels der Fourier-Analyse bestimmen.

2.4.2 Fourier-Transformation

Die Fourier-Transformation ist eine Integraltransformation, die der periodischen Funktion

eine andere Funktion, ihre so genannte Fourier-Transformierte, zuordnet. Während man mit

Hilfe der Fourier-Analyse die Komponenten der einzelnen Teilschwingungen berechnen

kann, ist es mittels der Fourier-Transformation möglich, das gesamte Frequenzspektrum12 der

periodischen Funktion zu bestimmen.

Dazu müssen die nichtperiodischen Funktionen durch eine Verallgemeinerung durch

harmonische Funktionen dargestellt werden. Diese Darstellung ist mittels der Gleichung (18)

möglich. Dazu lässt man die Periodendauer ∞→T laufen, wobei nun ein kontinuierliches

12 Ist die Gesamtheit der Frequenzen, die ein schwingendes System erzeugt bzw. die periodische Funktion enthält.

20

Spektrum entsteht, in dem die Frequenz jeden Wert annehmen kann. Mathematisch lässt sich

dies veranschaulichen, wenn die Dirichletsche Bedingungen (Anlage 7) erfüllt sind und das

Integral:

dttyI �∞

∞−

= )(

existiert, durch:

(19) [ ] ωωωωω dtbtaty �∞

∞−

+= sin)(cos)()(

Daraus ergeben sich die Teilamplituden:

(20) �∞

∞−

= τωττπ

ω dya *cos*)(21

)(

�∞

∞−

= τωττπ

ω dyb *sin*)(21

)(

Während jedoch die Größen an und bn die Amplituden der jeweiligen Sinus- bzw.

Kosinusanteile sind, die dadurch dieselbe Maßeinheit wie die schwingende Größe y(t)

besitzen, sind die Größen a(�) und b(�) auf das differentiell kleine Frequenzintervall d�

bezogene Teilamplituden, mit der Maßeinheit der beschriebenen physikalischen Größe

multipliziert mit der Zeiteinheit. Sie werden auch als Dichte des Spektrums bezeichnet. Daher

wird der Ausdruck

(21) )()()( 22 ωωω baA +=

auch als Amplitudendichtenspektrum bezeichnet. Mathematisch von großer Bedeutung für

viele Anwendungen ist die Darstellung der Funktion y(t) mittels des komplexen

Amplitudendichtenspektrums )(ωA . „Ausgehend von der Identität

ττωπ

ττπ

ωτωττω deydedeyty jjtj −∞

∞−

∞

∞−

−∞

∞−��� == *)(*

21

)(21

)( )(

folgt

ωω ω deAty tj�∞

∞−

= )()(

mit

�∞

∞−

−= ττπ

ω ωτ deyA j)(21

)( “ (Fischer/Stephan 1984, S. 35f.).

Anders formuliert ist die Funktion A (�) die so genannte Fouriertransformierte der Funktion

y(t). Mittels der Fourier-Transormation gelangt man von der Darstellung einer Funktion y(t)

21

im Zeitbereich „zu einer gleichwertigen Darstellung im Frequenzbereich, die durch die

komplexe Amplitudendichte ausgedrückt wird (Fischer/Stephan 1984, S. 36).

Schwingungsanalysatoren wie der VIBXpert machen sich diese Transformation zu Nutze und

erstellen dazu eine so genannte Hüllkurve, um das gesamt enthaltene Frequenzspektrum einer

Summenschwingung zu berechnen und diese in Abhängigkeit einer bestimmten Größe

(Beschleunigung, Amplitude, Geschwindigkeit etc) darzustellen, wie im Punkt 2.10.2 näher

beschrieben.

2.5 Funktion des Elektromotors G355 im Werk Zeithain

Der vierpolige Gleichstrommotor Nummer 16 vom Typ G355 sowie der Reservemotor 2 des

gleichen Typs, an denen ich die Schwingungsanalyse durchführen konnte, sind zwei von 30

Motoren ihrer Art des 30 Gerüste umfassenden Streckreduzierwalzwerks (Anlage 1). Diese

Motoren betreiben im Einzelnen die Rollwalzen der Walzgerüste. Dies geschieht über die 15

Duo-Getriebe13, die mit jeweils zwei Motoren gekuppelt sind. Über die Antriebswelle des

Motors werden die Drehbewegungen mit der Nenndrehzahl14 von 900 Umdrehungen pro

Minute auf das Getriebe übertragen. Die Getriebe übersetzen diese niedrigen Drehzahlen von

900 Umdrehungen pro Minute mit hohem Drehmoment auf höhere Drehzahlen von 1000 bis

1500 Umdrehungen pro Minute, jedoch mit einem niedrigeren Drehmoment. Alle 30 Motoren

laufen, wenn sie alle gleichzeitig benötigt werden, mit der gleichen Drehzahl. Aufgrund der

unterschiedlichen Durchmesser der Walzgerüste im Streckreduzierwalzwerk beziehungsweise

der kleiner werdenden Abstände der Rollen, müssen diese sich nach hinten abnehmend immer

schneller bei geringerem Drehmoment drehen, um Stauchungskräfte im Rohr zu verhindern.

Dadurch kommen maximalle Stoßgeschwindigkeiten von sechs Metern pro Sekunde der

Rollwalzen des letzten Rollenkäfigs zustande. Diese höhere Stoßgeschwindigkeit geht aber

Zulasten des Drehmomentes, wodurch die langsameren Walzgerüste ein höheres Drehmoment

aufweisen als die weiter hinten im Produktionsbetrieb liegenden Walzgerüste. Dadurch treten

ebenfalls unterschiedliche rückwirkende Kräfte vom Walzgerüst über das Getriebe zum

Motor, die bei der Schwingungsanalyse ebenfalls berücksichtigt werden müssen (Anlage 8),

um die Datenanalyse richtig auswerten können.

13 Sind Getriebegerüste, bei denen zwei Getriebe in einem Gehäuse untergebracht sind. 14 Die Nenndrehzahl ist die Drehzahl, bei der ein Motor die größtmögliche Leistung (Nennleistung) unter Volllast, also in dem Betriebszustand einer Antriebsmaschine, bei der sie das maximal mögliche Drehmoment bereitstellt, das die Bauart sowie die Energiezufuhr der Maschine zulässt, abgibt.

22

Aufgrund der geringen Länge des Streckreduzierwalzwerkes sind jeweils zwei

Antriebsmotoren versetzt übereinander als auch hintereinander angeordnet. Bei den hinteren

Motoren sind dadurch sehr lange Wellen zum Getriebe hin nötig (Anlage 9). Dabei kann

schon eine geringe Abweichung in der Ausrichtung der Lage von Motor und Getriebe enorme

Schwingungen in den Wälzlagern des Getriebes und vor allem im Motor verursachen. Daher

müssen die Motoren nach einer Reparatur oder Instandhaltung wieder genau mittels Laser

ausgerichtet werden, um eine möglichst genaue Übereinstimmung der Ausrichtung von

Motorwelle und Getriebewelle zu erreichen. Zentrier- und Fluchtfehler können dabei mittels

Signalanalysatoren gemessen und dadurch dann korrigiert werden (vgl. Dipl.-Ing. Rainer

Bäger).

2.6 Überblick der Schwingungsursachen

Die im vorangegangen Text bisher erläuterten Schwingungsursachen sollen im folgenden

Text noch einmal zusammengefasst werden. Wie sich bereits zeigte, kommt es in einem

Elektromotor zu einer Vielzahl von Schwingungen, die sich überlagern, aber in den

verschiedenen Parametern klar voneinander unterscheiden. Die Schwingungen entspringen

dabei entweder aus dem Motor (A), dem Wälzlager (B), dem Getriebe und der Welle (C) oder

äußeren Krafteinwirkungen (D).

A. Motor

� Schwingungen mit harmonischem Kraftverlauf durch die Ankerdrehung

� elektrisch induzierte Schwingungen

� Schwingungen hervorgerufen durch das Anschlagen loser Teile im Motor

B. Wälzlager

� Passieren von Unregelmäßigkeiten der Wälzkörper auf den Wälzbahnen

� Anschlagen eines verformten Käfigs

� Aufeinanderprallen von Wälzkörpern (“Knattern”)

� Radiale und axiale Lagerluft

� Mechanisches Lagerspiel

� Schwingungen hervorgerufen durch das Anschlagen loser Teile im Lager

C. Getriebe und Welle

� Axiale Getriebeschwingungen

� Fluchtfehler durch thermische Verformung (Anlage11)

23

� Zentrierfehler und deformierte Wellen15

� Unwuchten16

D. Äußere Krafteinwirkungen

� Übertragene Schwingungen umgebender Motoren

� Prozessbedingte Stoßanregungen (Eintritt der Rohrluppe in den Wälzkäfig)

2.7 Signalformen von mechanischen Schwingungen

Die im Punkt 2.6 aufgelisteten Schwingungsursachen rufen an den wälzgelagerten Motoren

zwei unterschiedliche Formen von Schwingungen hervor. Die Schwingungsform sowie

Schwingungsfrequenz sind dabei charakteristisch für die Schwingungsursache. Zum einen

werden harmonisch oszillierende Kräfte (siehe 2.3.2) erzeugt und zum anderen Stoßimpulse.

Die harmonisch oszillierenden Kräfte entstehen beispielsweise durch:

- Unwuchten

- Fluchtfehler

- Zentrierfehler und deformierten Wellen17

- Prozesseinflüssen mit harmonischem Kraftverlauf.

Diese harmonischen Kraftanregungen führen zu Schwingungen mit kleinen Amplituden und

hoher Signalenergie. Sie überlagern sich mit allen anderen Signalanteilen durch

Superposition. Daher werden alle Elongationen miteinander addiert (siehe Punkt 2.3.2). Diese

Primärereignisse verursachen dabei ein verknüpftes, beispielsweise amplitudenmoduliertes

Signal.

Die Auswertung dieses Signals mit dem VIBXpert (Fourier-Analyse) ermöglicht dann

Ursachen für beispielsweise hohe Amplituden oder hohe Frequenzen zu erkennen und diese

zu beheben. Eine solche Ursache kann eine unexakte Justierung des Motors mit der Welle

sein, die zu Fluchtfehlern führt, was sehr häufig auftritt, vor allem wenn ein Motor in der

Reparatur war und dann nur sehr ungenau wieder eingebaut wurde. Solche Ungenauigkeiten

können mit bloßem Auge nicht erkannt werden, doch können sie zur Schädigung von

Baugruppen und letztlich auch zum Ausfall der Maschine führen. Weiterhin kann mittels

dieser Technik eine Unwucht der Welle erkannt werden. Schäden am Lager erzeugen jedoch

nicht diesen harmonischen Kraftverlauf.

15 Bauteil, welches zur Kraftübertragung zwischen Getriebe und Motor dient. 16 Von einer Unwucht spricht man bei rotierenden Körpern, deren Masse nicht rotationssymmetrisch verteilt ist. Unwuchten führen vor allem bei hohen Drehzahlen zu Vibrationen und erhöhtem Verschleiß. 17 Bauteil, welches zur Kraftübertragung zwischen Getriebe und Motor dient.

24

Schwingungen, die aufgrund von Schäden des Lagers resultieren, weisen einen

stoßimpulsförmigen Kraftverlauf auf. Diese entstehen durch das Aufeinanderprallen zweier

fester Körper im Lager und erzeugen einen zeitlich begrenzten, sehr kurzen Stoßimpuls.

Bild 18: Stoßimpuls (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben) Diese Primärereignisse, die sich in periodischen Stoßimpulsfolgen äußern, entstehen zum

Beispiel durch:

- das Anschlagen eines verformten Käfigs,

- mechanisches Lagerspiel,

- das “Knattern”, einem Effekt des Aufeinanderprallens von Wälzkörpern.

Der periodische Verlauf dieser Stoßimpulsfolge resultiert daraus, dass beispielsweise bei

einem Schaden am Außenring des Lagers alle Walzrollen diesen Schaden an exakt derselben

Stelle durchlaufen.

Die Änderung der Schwingbeschleunigung über der Zeit ist ein Maß für seinen

Frequenzgang.

Bild 19: Frequenzgang (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)

Die Kenntnis über den Frequenzgang ist insofern von Bedeutung, dass nur die

Eigenfrequenzen der Maschinenteile zum Schwingen angeregt werden, die im

Anregungsbereich des Stoßimpulses in Resonanz liegen. Aufgrund der Reihung der in einem

Motor auftretenden Stoßimpulse kommt es dazu, dass die Elongation des realen Stoßimpulses

in der Regel nicht auf den Wert Null zurückfällt. Infolgedessen enthält der Anregungsbereich

des realen Stoßimpulses nur bestimmte Frequenzanteile, die in Resonanz liegen.

25

Die Stoßimpulse verknüpfen sich durch Faltung18 mit dem Einheitsimpulsüber-

tragungsverhalten19 der umgebenden schwingfähigen Struktur. Wirkt daher an den

schwingungsfähigen Motorkomponenten ein Eingangssignal (Stoßimpuls) x(t) infolge eines

Schadens, so entsteht ein Ausgangssignal, welches sich mittels der Fourieranalyse bestimmen

und graphisch darstellen lässt. Da die Maschinenkomponenten wie Wellen, Wälzlagerringe

und Gehäuse die Eigenschaft linearer zeitinvarianter Systeme besitzen, weisen sie somit

dieses Einheitsimpulsübertragungsverhalten auf. Infolge dieser Tatsache ruft das Einwirken

eines Einheitsimpulses auf die Motorkomponenten material- und strukturtypische Reaktionen

hervor.

Bild 20 zeigt solch ein strukturtypisches Ausgangssignal. Es zeigt die Impulsantwort eines

Wälzlageraußenrings auf einen realen Stoßimpuls, der durch das Aufschlagen mittels eines

harten Gegenstandes erzeugt wurde.

Bild 20: Impulsantwort eines Wälzlageraußenringschadens (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)

Auch die Impulsantwort hat einen Frequenzgang (siehe Bild 21), der aus meist sehr schmalen

Eigenfrequenzbereichen der schwingfähigen Struktur besteht.

Bild 21: Frequenzgang der Impulsantwort eines Wälzlageraußenrings 23026 (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)

18 Die Faltung beschreibt einen mathematischen Operator, der für zwei Funktionen f und g eine dritte Funktion liefert, welche eine Art "Überlappung" zwischen f und einer gespiegelten und verschobenen Version von g angibt und einem gleitenden Durchschnitt ähnelt. 19 Ist das Verhalten von linear zeitinvarianter Systeme. Diese weisen strukturtypische Reaktion auf das Einwirken eines Einheitsimpulses auf, unabhängig von der Zeit, zu welcher dies geschieht.

26

In der Diagnosepraxis treten Stoßimpulse nicht einzeln auf, sondern als Stoßimpulsfolge. Die

Faltung dieser Stoßimpulsfolgefunktion mit dem Einheitsimpulsübertragungsverhalten ergibt

für Wälzlageraußenringschäden ein typisches Zeitsignal (vgl. Dr.-Ing. Rainer Wirth 1998,

Maschinendiagnose an Industriegetrieben).

Bild 22: Zeitsignal eines Wälzlageraußenringschadens (vgl. Wirth 1998, Maschinendiagnose an Industriegetrieben)

Die Stoßanregungen in Bild 22 repräsentieren das Passieren der Außenringunregelmäßigkeit

durch einen Wälzkörper. Diese stoßimpulsförmigen Kraftanregungen äußern sich mit extrem

hoher Amplitude, aber geringer Signalenergie. Mittels der Messung eines Datenanalysators

kann eine so genannte Hüllkurve erstellt werden, wodurch die Wartungstechniker diesen

Schaden gezielt beheben können.

2.8 Funktionsweise des FFT-Schwingungsanalysators VIBXpert

Die Schwingungsanalyse mittels des VIBXpert FTT-Datensammlers und Signalanalysators

(Anlage 11) erfolgt daraufhin wie im Punkt 2.7 beschrieben. Dieser Signalanalysator wird an

den G355 Motoren genutzt, um einerseits die Gesamtschwingung oder auch real anliegende

Summenschwingung zu messen und andererseits die von hohem Verschleiß betroffenen

Wälzlager zu beurteilen.

Dazu müssen jedoch zunächst die erforderlichen Daten in das Datenanalysegerät eingegeben

werden. Entscheidend dabei sind:

� die Drehzahl des Motors,

� an welches Getriebe dieser Motor gekuppelt ist,

� der Wälzlagertyp.

27

Der Wälzlagertyp ist bei der Wälzlagerdiagnose von entscheidender Bedeutung. Denn die

notwendigen Kenngrößen:

� Durchmesser des Außen- und Innenringes sowie der Wälzkugel des Lagers,

� Toleranzen von Laufrille zu Kugel (Lagerluft)

müssen zuvor bekannt sein.

Die Firma Prüftechnik steht jedoch in Zusammenarbeit mit vielen Lagerproduzenten,

wodurch das VIBXpert auf eine große Kartei von diesen lagertypischen Kenngrößen

zurückgreifen kann, ohne dass diese Werte per Hand eingegeben werden müssten, was die

Bedienung dieses Signalanalysators sehr einfach macht.

Die Messungen der im Wälzlager auftretenden Schwingungen sowie der Summenschwingung

erfolgen an drei vorgefertigten Schwingungsaufnahmepunkten am Motor. Diese befinden sich

vorn und hinten am Gehäuseende senkrecht zur Welle und am Wellenausgang des Motors

parallel zu ihr (Anlage 12). So werden einerseits die radial auftretenden Schwingung beider

Wälzlager eines Motors gemessen und andererseits die axialen Schwingungen am

wellenseitigen Motorende (vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger). Diese werden über einen

piezoelektrischen20 Beschleunigungssensor gemessen und in elektrische Signale umgewandelt

(vgl. telediagnose.com 2001, S. 5).

Das VIBXpert erstellt dann die für die Wälzlagerdiagnose wichtigen Frequenzspektren mittels

der im Punkt 2.4.2 beschriebenen Fourier-Transformation. Die Berechnung dieser Diskreten-

Fourier-Transformation wird jedoch durch einen Algorithmus stark vereinfacht, wodurch sich

der Rechenaufwand reduziert. Diesen Algorithmus bezeichnet man als Fast-Fourier-

Transformation (FFT21). Dabei „verringern sich Rundungsfehler, die bei der

Zwischenrechnung entstehen“ (kgw.tu-berlin.de, Fast Fourier Transformation (FFT)). Bei

diesem Algorithmus handelt es sich um ein Teile-und-herrsche-Verfahren, wodurch im

Gegensatz zur Diskreten-Fourier-Transformation bereits berechnete Zwischenergebnisse

schnell zusammengesetzt werden (vgl. Wikipedia.de, Schnelle Fourier-Transformation) und

sich der Rechenaufwand um fast das 100-fache verringert (vgl. kgw.tu-berlin.de, Fast Fourier

Transformation (FFT)).

Diese Daten lassen sich dann auf einen PC laden und sowohl graphisch als auch tabellarisch

darstellen.

20 Der Piezoeffekt beschreibt das Phänomen, dass bei der Verformung von Festkörpern auf der Oberfläche des Materials elektrische Ladungen auftreten. 21 1965 veröffentlichtes Verfahren von James Cooley und John W. Tukey

28

2.9 Beschreibung des Instandhaltungszyklus im Zeithainer Rohrwerk

Um nun die Verfügbarkeit der 30 Antriebsmotoren des Streckreduzierwalzwerkes zu

gewährleisten, ist die Zuverlässigkeit der einzelnen Baugruppen der Motoren sicherzustellen.

Dabei stellt die vorangegangene Wälzlagerdiagnose die wichtigste Diagnoseform der G355

Antriebsmotoren dar, da vor allem die Wälzlager von hohem Verschleiß betroffen sind.

Die Möglichkeiten der Prävention von Ausfällen sind vielfältig und lassen sich in drei

Instandhaltungsstrategien einordnen. Dazu zählt die operative Instandhaltung, also die

Instandsetzung nach einem Ausfall, die vorbeugende und die zustandsorientierte

Instandhaltung. Da die vorbeugende Instandhaltung eine Instandsetzung nach festen

Zeitintervallen und somit unabhängig vom tatsächlichen Abnutzungsgrad der Maschine ist, ist

sie mit enormen Kosten verbunden, da die maximalle Lebensdauer von bestimmten

Baugruppen nie erreicht wird (vgl. Wirth 2003, S. 1). Um wirtschaftlich arbeiten zu können,

setzt die Mannesmannrohr Sachsen GmbH, Werk Zeithain auf die zustandsorientierte

Instandhaltung der Motoren. Dazu werden die Motoren unabhängig voneinander einmal im

Quartal der im Punkt 2.8 beschriebenen vollautomatischen Maschinendiagnose unterzogen.

Die Ergebnisse der Inspektion lassen Schlussfolgerungen zu möglichen kleineren

Nachbesserungen, wie dem Schmieren der Lager, sowie der verbleibenden Restlaufzeit, also

der Zeit, in der der Motor den geforderten Werten entspricht, zu.

Mithilfe dieser Ergebnisse ist eine Planung der Instandsetzungstermine möglich. Weist ein

Motor erhöhte Messwerte auf, wird die Zeit zwischen den einzelnen Inspektionen verkürzt.

Sind dann stark erhöhte Werte gemessen worden, wird versucht den Motor bei nächster

Gelegenheit auszubauen. Wenn ein Motor einen Schaden aufweist, der Folgeschäden mit sich

ziehen würde, kann dieser, wenn nicht alle 30 Walzgerüste für den Produktionsbetrieb genutzt

werden, ausgebaut und wieder instand gesetzt werden. Zudem wird mittels dieser

Wälzlagerdiagnose überprüft, welche der Motoren beim halbjährlichen Stillstand des Werkes,

aufgrund von groß angelegten Reparaturarbeiten, ausgebaut und erneuert wird.

2.10 Schwingungsanalyse eines wälzgelagertem Elektromotors Typs G355

2.10.1 Summenschwingungsanalyse

Wie bereits erläutert wurde, wird die Schwingungsanalyse der G355 Elektromotoren im

Rohrwerk Zeithain eingeteilt in die Summenschwingungsanalyse und die Wälzlageranalyse.

Die Summenschwingungsanalyse ist dabei ein Indikator für den Gesamtzustand des Motors.

Dabei wird nur die real anliegende Schwingung am Motorgehäuse gemessen. „Die

29

Schwinggeschwindigkeit ist die maßgebende Messgröße in allen Richtlinien oder Normen zur

Beurteilung der Gehäuseschwingungen von Maschinen mit rotierenden Massen“

(telediagnose.com, Nr. 01 – März 2001). Für die Bewertung wird dabei vorzugsweise der

Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in mm/s (Peak to Peak) gemessen (vgl.

telediagnose.com, Nr. 01 – März 2001). Die Messwerte werden dann mit den in Anlage 13

gezeigten Richtwerten für Maschinen der Gruppe 2 mit starren Fundamenten (Beton) gemäß

ISO 2372/VDI2056 verglichen, um sich ein Bild vom Zustand der Maschine zu verschaffen.

Ein Inspektionsablauf, wie er im Punkt 2.9 beschrieben wurde, also zunächst aller drei

Monate und daraufhin bei der Verschlechterung der Messwerte in kürzeren Abständen, kann

jedoch nicht dargestellt werden, weil diese Messmethode mittels des VIBXpert zu diesem

Zeitpunkt in der Motorenwerkstatt neu eingeführt wurde. Die von mir vorgenommene

Summenschwingungsanalyse zeigt dennoch eine kontinuierliche Verschlechterung des

Gesamtzustandes des Elektromotors Nummer 16 bis zum 12.04.2007.

Datum Geschwindigkeit Datum Geschwindigkeit Datum Geschwindigkeit

08.02.07 14:31

05.04.07 10:51

12.04.07 12:30

31.05.07 07:33

31.05.07 12:20

0,33 mm/s

0,80 mm/s

1,09 mm/s

0,45 mm/s

0,71 mm/s

08.02.07 14:27

05.04.07 10:49

12.04.07 13:11

31.05.07 07:30

31.05.07 12:15

0,53 mm/s

0,88 mm/s

6,33 mm/s

0,81 mm/s

1,15 mm/s

08.02.07 14:29

05.04.07 10:50

12.04.07 13:14

31.05.07 07:32

31.05.07 12:18

0,56 mm/s

1,43 mm/s

5,89 mm/s

0,40 mm/s

1,22 mm/s

A-Seite AX A-Seite RH B-Seite RH

Daraufhin entschloss man sich, diesen Motor während der folgenden groß angelegten

Betriebsreparatur auszubauen und wieder in den Soll-Zusatand zu versetzen. Nach der

Reparatur des Motors wurde dieser im Leerlauf in der Motorenwerkstatt erneut einer

Summenschwingungsanalyse unterzogen, um die Grundschwingung zu ermitteln und

festzustellen, dass sich der Motor in einem einsatzbereiten Zustand befindet. Eine weitere

Messung wurde dann im eingebauten Betriebszustand durchgeführt, um einerseits

Fluchtfehler oder Zentrierfehler auszuschließen und andererseits sicherzustellen, dass sich der

Motor in einwandfreiem Zustand befindet und eine lange Betriebsdauer gewährleistet.

Somit ist die Summenschwingungsanalyse bei der Inspektion der G355 Elektromotoren des

Streckreduzierwalzwerkes das maßgebende Verfahren zur Beurteilung des Betriebszustandes

(vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger).

30

2.10.2 Wälzlagerdiagnose an einem funktionstüchtigem Lager

Jedoch reicht die Summenschwingungsanalyse allein nicht aus, denn ein von hohem

Verschleiß betroffenes Wälzlager, welches, wie im Punkt 2.2.2 bereits erwähnt wurde, die am

meisten vom Verschleiß betroffene Baugruppe ist, würde bei der Summen-

schwingungsanalyse eines sonst vollkommen intaktem Motors nicht in dem Maße sichtbar,

wie es gegebenenfalls nötig wäre. Die Stoßimpulse eines stark abgenutzten Lagers würden

sprichwörtlich in der Summenschwingung „untergehen“. Daher ist die Aufnahme der

Stoßimpulse und die Erstellung einer Hüllkurve von Nöten. Dieses Verfahren wurde jedoch

bei dem Motor 16 nicht vollzogen, da – wie schon erwähnt – diese Messtechnik zu dem

damaligen Zeitpunkt neu war. Daher wurde eine komplette Schwingungsanalyse am

Reservemotor 2 des gleichen Typs des Streckreduzierwalzwerkes durchgeführt. Die

Summenschwingungsaufnahme zeigte eine Verschlechterung des Betriebszustandes des

Motors (Anlage 15). Daraufhin wurde eine so genannte Stoßimpulsmessung an den erst

kürzlich gefetteten Wälzlagern durchgeführt.

Die Stoßimpulse werden in Dezibel22 angegeben. Dabei wird einerseits die Trägerleistung

dBm (decibel maximum value), also der Stoß mit der höchsten Amplitude, auch als Max-

Wert bezeichnet, angegeben (spminstrument.se, Stoßimpulsmessung dBm/dBc). Zum

Anderen wird der so genannte Teppich-Wert angegeben. Dabei handelt es sich um die

Signalpegeldifferenz zwischen den Modulationsseitenbändern und dem dazugehörigen Träger

dBm (Anlage16), auch als dBc (decibel carpet value) bezeichnet (mhf-e.desy.de, dBc). Dieser

Teppich-Wert spiegelt dabei das Grundrauschen24 eines Lagers wieder.

Die Stoßimpulsmessung zeigte jedoch eine deutliche Verbesserung der Lagerzustände

(Anlage 17). Dies ist voraussichtlich auf die vorangegangene Schmierung der Lager

zurückzuführen. Die danach erstellte Hüllkurve, wie im Punkt 2.4.2 beschrieben, zeigte

ebenfalls den einwandfreien Zustand des Lagers, da hier keine Geräuschspitzen, die einen

Lagerschaden signalisieren könnten, hervortraten (Anlage 18).

2.10.3 Wälzlageranalyse an einem defekten Lager

Im folgenden Beispiel wurden die hochfrequenten Stoßimpulse über einen längeren Zeitpunkt

zur Wälzlagerdiagnose regelmäßig aufgenommen und überwacht (siehe Bild 23). Dies ist der

so genannte Level-1 der Wälzlagerdiagnose. Als der Signalpegel den Warn-Wert überschritt,

22 Maßeinheit des Schallleistungspegels LW. LW ist die logarithmische Größe und die gebräuchlichere Angabe der Schallleistung23 (Wikipedia.de, Schallleistungspegel). 23 Pak ist die pro Zeiteinheit von einer Schallquelle abgegebene Schallenergie (Wikipedia.de, Schallleistung). 24 Signal ohne Geräuschspitzen (Maxwerte)

31

wurde in kürzeren Abständen gemessen, um den Grad des Verschleißes zu ermitteln und

einen möglichen Schaden frühzeitig zu beseitigen.

Bild 23: Stoßimpulsmessung (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)

Als dann die Messwerte den Alarmwert überschritten, wurde in den Level-2 Modus

übergegangen. Dazu wurde nun die Wälzlagerhüllkurve ermittelt, wie im Bild 24 dargestellt

ist.

Bild 24: Wälzlagerhüllkurve (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)

32

Hier zeigten sich neben dem Grundrauschen einzelne Schadensfrequenzen, die als Spitzen

hervorstachen. Mittels dieser Hüllkurve können erfahrene Diagnostiker erkennen, zu welcher

Baugruppe des Lagers diese im Punkt 2.7 beschriebenen, strukturspezifischen Schadens-

frequenzen gehören.

Bild 25: Wälzlagerhüllkurve mit aufgelegter Schadensschablone (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)

Bild 25 zeigt diese bauteilcharakterlichen Frequenzen der Wälzlagerkomponenten, bei denen

ein Schaden zu erwarten wäre (elektromotoren-scholz.de, Level-1 / Level-2 –Strategie). Diese

speziellen Frequenzen sind für die Lager berechnet und im VIBXpert eingespeichert, um die

entsprechende defekte Baukomponente zu ermitteln (vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger). Diese

Schadensschablone veranschaulicht den höchsten Ausschlag bei einer Frequenz von 128,6Hz.

Diese Frequenz verweist, wie in Bild 25 ersichtlich, auf einen Schaden des

Wälzlageraußenrings.

Dadurch konnte der Schaden vorzeitig erkannt und das komplette Lager bei nächstmöglicher

Gelegenheit gewechselt werden, bevor der Außenringschaden zum Ausfall des Motors

geführt hätte. Bild 26 zeigt nun die erneut aufgenommene Wälzlagerhüllkurve des neuen

Lagers. Es zeigt sich lediglich das Grundrauschen ohne hervortretende Spitzen, wie bei einem

neuen Wälzlager aber auch zu erwarten ist (elektromotoren-scholz.de, Level-1 / Level-2 –

Strategie).

33

Bild 26: Hüllkurve des neuen Lagers (elektromotoren-scholz.de, Level-1/ Level-2)

34

3. Resümee

Dr. Edwin Becker fand in seinem Artikel im condition monitoring magazin der Prüftechnik

AG „telediagnose.com“ vom März 2001 einen passenden Vergleich zur Bedeutung heutiger

Fast-Fourier-Transformations-Analysatoren. Er verglich die Effizienz dieser zustands-

orientierten Diagnoseverfahren mit einem „Sechser im Lotto“. Sieben Jahre sind seit diesem

Artikel vergangen und doch ließen sich diese Verfahren zur zustandsorientierten

Instandhaltung nicht vom Markt verdrängen. Ganz im Gegenteil! Heutige FFT-

Datensammler- und Signalanalysatoren bilden das Grundkonzept der zustandsorientierten

Instandhaltung in allen maschinellen Bereichen. So kommen FFT-Analysatoren im Schiffbau,

in Windanlagen bis hin zu allen Arten maschineller Produktion (vgl. telediagnose.com, Nr.

06/ Nr. 09/ Nr. 12) zum Einsatz. Ihre Möglichkeiten wuchsen dabei ständig und ihre

Genauigkeit nahm stetig zu. Galten 2001 noch Spektren mit 800 Linien als vollkommen

zureichend (telediagnose.com, 2001), so gehen heutige FFT-Analysatoren wie der VIBXpert

mit bis zu 102400 Linien weit über dieses Maß hinaus. Durch diese rasante Entwicklung, die

die Bedienung immer leichter und die Geräte immer schneller und zuverlässiger werden ließ,

haben sie sich in so gut wie allen Bereichen der Zustandsüberwachung etabliert. Dabei ist die

Frage ihrer Effizienz leicht durch einen Vergleich mit der Ausfallsrate der Motoren der

Mannesmannrohr Sachsen GmbH zu beantworten. So gab es im Zeitraum zwischen 1986 und

1990 nur kleinere Zwischenfälle, da in diesem Zeitraum die Motoren und Getriebe mittels

eines älteren FFT-Datenanalysators überwacht wurden. Nach der Wende jedoch wurde dieses

Verfahren aufgrund von Entlassungen im Rohrwerk, die auch die Instandhaltungswarte betraf,

eingestellt. In dieser Zeit zwischen der Abschaffung dieses Instandhaltungsverfahrens und der

Wiedereinführung, kam es zu großen Ausfällen von Getrieben und Motoren, deren Reparatur

aufgrund einer Schädigung sich jeweils auf mehrere 10.000 Euro belief sowie einen Verlust

durch den kompletten Stillstand des Werkes herbeiführte. Seit der Neueinführung dieses

Diagnoseverfahrens kam es zu keinerlei Werksstillständen oder Ausfällen von Maschinen

(vgl. Dipl.-Ing. Rainer Bäger).

Zudem ließen sich die Kosten der Motorenwerkstatt, der die gesamte Motoreninstandhaltung

obliegt, sogar stark reduzieren, da durch die nicht mehr vorbeugende, sondern

zustandsorientierte Instandhaltung die nahezu maximale Lebensdauer der Maschinen

ausgeschöpft wird und Schäden gezielt beseitigt werden können (vgl. Dr.-Ing. Rainer Wirth,

Vollautomatische Maschinendiagnose an mechanischen Antrieben).

35

Auch in Zukunft wird die zustandsorientierte Instandhaltung stark an Fast-Fourier-

Transformations-Analysatoren gebunden sein und die Weiterentwicklung stetig

voranschreiten.

36

4. Quellenverzeichnis

a) Literatur

b) Zeitschriften

c) Internetquellen

d) mündliche Quellen

a) Literatur

BBC Brown Boveri: Kompensierte Gleichstrommaschinen Typ G 400…900. Druckschrift Nr.

Ch-T 3484 D, BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

Prof. Dr. sc. techn. Fischer, Udo/ Prof. Dr. sc. techn. Stephan, Wolfgang: Mechanische

Schwingungen. 2. Auflage. Leipzig: VEB Fachbuchverlag Leipzig 1984

Lindner, Helmut: Lehrbuch der Physik für Ingenieur- und Fachschulen. Leipzig: VEB

Fachbuchverlag Leipzig 1967

VEB Verlag Technik Berlin: Rotierende elektrische Maschinen. Berlin: VEB Verlag Technik

Berlin 1969

b) Zeitschriften

Dr. Becker, Edwin: Zustandsorientierter Service an einem Extrudergetriebe. In:

telediagnose.com, März 2001, Nr. 1, S. 1f.

Dr. Becker, Edwin: Gehäuserisse am Schaufelradbagger. In: telediagnose.com, April 2004,

Nr. 6, S. 1

Dr. Becker, Edwin: Eisenabrieb im Thrustergetriebe. In: telediagnose.com, Nr. 9, S. 1f.

Dr. Becker, Edwin: Betriebswuchten von Rotorblättern. In: telediagnose.com, Nr. 12, S. 1f.

37

Luft, Mathias: Messung des thermischen Wachstums eines Propan-Kälteverdichters. In:

telediagnose.com, März 2002, Nr. 3, S. 7

Prüftechnik Condition Monitoring: VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator. In:

VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator, VIBXPERT Anleitungsheft

telediagnose.com: Schwingungskenngrößen für Standardmaschinen. In: telediagnose.com,

März 2001, Nr. 1, S. 5f.

Vallourec & Mannesmann Tubes: Werk Zeithain. In: Werk Zeithain Broschüre

Dr. Ing. Wirth, Rainer: Vollautomatische Maschinendiagnose an mechanischen Antrieben. In:

antriebstechnik 42, Sonderdruck Nr. 3, 2003, S. 1

Dr.-Ing. Wirth, Rainer: Maschinendiagnose an Industriegetrieben. In: antriebstechnik 37, Nr.

10, 1998, S. 75-80

c) Internetquellen

ASK Kugellagerfabrik: Rillenkugellager. http://www.mdesign.de/Anzeigen/Waelzlager/

ask2.html, Dez. 07

Dr.-Ing. Brensing, Karl Heinz/ Dipl.-Ing. Sommer, Baldur: Herstellverfahren für Stahlrohre.

Elektronisch umgesetzt in: http://www.mrw.de/downloads/stahlrohre_dt.pdf, Aug. 07

Deutsches Elektronen Synchrotron: dBc. http://mhf-e.desy.de/e638/e1999, Feb. 07

Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH: Umlaufender lokaler Wälzlagerschaden.

http://www.maschinendiagnose.de/Kompendium/umlaufender_lokaler_Walzlagerschaden.ht

ml, Jan. 07

GMN: Lagerluft. http://www.gmn.de/front_content.php?idart=37, Feb. 07

38

medias®: Wellen- und Gehäuseausführung. http://medias.ina.de/medias/de!hp.tg.cat/

tg_rot*CHEIACID*SWLRKS, Jan. 07

Moller, Philipp: Der Gleichstrommotor. http://www.uni-muenster.de/Physik.TD/gleich

strommotor.html, Aug. 07

o.V.: Das magnetische Wendefeld. http://freeweb.dnet.it/motor/Kap3.htm, Okt. 07

o.V.: Fourier-Analyse und Synthese. http://praktikum.physik.uni-dortmund.de/AP-

Anleitungen/Schwingungen/Versuch%20Nr.351.pdf, Dez. 07

o.V.: Fourier-Transformation. http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skript_ppt_07/

Schwingungen_Fourier_Summe.ppt, Dez. 07

o.V. Gleichstrommotoren. http://www.zottl.de/gleichstrommotoren.htm, Aug. 07

o.V.: Magnetische Größen und Einheiten. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/

1003181.htm, Feb. 07

o.V.:: Wälzlagerungen. http://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Wälzlagerungen, Jan. 07

o.V.: Wälzlagerüberwachung und Wälzlagerdiagnose Level-1 / Level-2 –Strategie.

http://www.elektromotoren-scholz.de/pdf/Waelzluebwadiag.pdf, Jan. 07

Paizoni, Markus: Michael Faraday. http://users.physik.tu-muenchen.de/kressier/

Bios/Faraday.html, Feb. 07

Rüdinger, Bernd: Fast Fourier Transformation (FFT). http://www.kgw.tu-berlin.de/statisch/

lehre/skript/ds/node36.html, Jan. 07

Saupe, Pieter: Kompensationsspulen. http://www.pitfax.de/diplom/kapitel411.php, Sept. 07

skf: Radiallager. http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dict

Page=r&lang=de, Dez. 07

39

SPM Instrument AB: Leonova™ Infinity – Stoßimpulsmessung, dBm/dBc.

http://www.spminstrument.se/data/pdf/td/TD213C.pdf, Jan. 07

Wikipedia: Lorentzkraft. http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft, Sept. 07

Wikipedia: Elektromagnetische Induktion. http://de.wikipedia.org/wiki/

Elektromagnetische_Induktion, Sept. 07

Wikipedia: Wälzlager. http://de.wikipedia.org/wiki/Wälzlager, Okt. 07

d) Mündliche Quellen

Diplom Ingenieur Rainer Bäger: Gruppenleiter der Motorenwerkstatt, der Energie- und

Nebenanlagen, April 2007 – Januar 2008

40

5. Eigenständigkeitserklärung

Hiermit bestätige ich, David Krake, geboren am 17.08.1989, die vorliegende „Besondere

Lernleistung“ eigenständig und nur mit den angegebenen Hilfsmitteln geschrieben zu haben.

Zeithain, den 18.02.2008 David Krake

41

6. Anlagen

Anlage 1

Produktionsablauf der Rohrstoßbankanlage des Zeithainer Rohrwerkes

Zunächst wird das etwa 11,5 Meter Einsatzmaterial, die so genannten Rundknüppel, mittels

einer Kaltsäge auf 0,9 Meter bis 2,4 Meter gekürzt und in den Drehherdofen transportiert.

Nachdem die Rohrrohlinge auf die entsprechende Umformtemperatur von zwischen 1100°C

bis 1280°C, je nach Einsatzmaterial, gebracht wurden, kommen sie in eine zylindrische

Lochpresse. Durch hohen Druck wird ein Dorn durch den erwärmten Rohling gepresst, jedoch

ohne den Boden zu durchstoßen wodurch das Ende verschlossen bleibt.

Der sehr dickwandige Hohlkörper wird weitergeleitet und auf einen Dorn aufgefädelt. Der

Elongator, das so genannte Streck-Schrägwalzwerk, walzt ihn auf das 1,8fache seiner Größe

und man erreicht eine gleichmäßigere Wandung. Die drei fast parallel laufenden

Elongatorwalzen werden separat angetrieben. Die Kraftübertragung im Elongator als auch im

folgenden Arbeitsschritt, der Stoßbank, wird durch eine Zahnstange erreicht, die die

Dornstange antreibt. Nach Durchlaufen des Elongators wird die Dornstange wieder

herausgezogen und eine dünnere Dornstange, die der Stoßbank, tritt an ihre Stelle. Die

Rohrluppe25 durchläuft daraufhin die Stoßbank, welche aus 9 Rollenkäfigen besteht. Diese

wiederum sind aus vier, im neunzig Grad Winkel angebrachten kalibrierten26 Walzen, welche

keinen separaten Motor besitzen. Die Durchmesser der Rollenkäfige nimmt nach hinten ab,

wodurch die letzten Kalibrierwalzen eine Stoßgeschwindigkeit von bis zu sechs Metern pro

Sekunde erreichen können. Nach diesem Streckvorgang, der die Rohrluppe auf das zehn bis

fünfzehn fache vergrößert, durchfährt diese das Lösewalzwerk, um die eng verbundene

Rohrluppe von der Dornstange zu lösen. Dies erfolgt dadurch, dass separat angetriebene

Rollen oben und unten und zudem in entgegengesetzter Richtung drehen, die Dornstange

jedoch starr bleibt. Somit wird die Rohrluppe von der Dornstange gedreht. Darauf folgt die

Warmsäge, die das geschlossene Ende absägt. In dieser modernen Anlage werden somit zwei

unterschiedliche Rohrluppengrößen produziert, die dann im folgenden

Streckreduzierwalzwerk auf die geforderte Größe gewalzt werden. Dazu werden die Rohre

erneut im Nachwärmofen auf Umformtemperatur erwärmt, um sie wieder formbar zu machen.

25 Rohrluppe: Warm- bzw. kaltgefertigter, dickwandiger, zylindrischer Rohrrohling welcher als Ausgangsrohr für einen nachfolgenden Umformschritt herangezogen wird 26 kalibrierte Walzen: Auf ein genaues Maß angepasste Walzen, die der Form des Rohres entsprechen, daher nicht gerade sind und dem Rohr die endgültige Form geben

42

Im sich darauf anschließenden Streckreduzierwalzwerk durchlaufen sie die 30 Walzgerüste,

die im Einzelnen aus jeweils drei Rollwalzen bestehen, dem so genannten Kaliber. Diese

werden separat angetrieben, da die Kaliber von Walzgerüst zu Walzgerüst stetig kleiner

werden und sich die Drehgeschwindigkeit von Anfang nach Ende erhöht. Die Rollwalzen

eines jeden Walzgerüstes sind versetzt zueinander angeordnet, um das Rohr überall

gleichmäßig walzen zu können. Nach der endgültigen Formgebung im

Steckreduzierwalzwerk, wo das Rohr auf das zehnfache verlängert werden kann, kommen die

Rohre, die hier bis zu neunzig Meter lang sein können auf das Kühlbett. Nach der Beendigung

des Abkühlvorgangs, werden die Rohre mittels einer Lagensäge gekürzt und anschließend

durch Walzen gerichtet. Danach werden sie in der Adjustage nach verschiedenen Parametern

wie Länge, Wanddicke und Gleichmäßigkeit mittels neuster Technik untersucht, wie

beispielsweise durch die Wirbelstrom-oder Ultraschallprüfung (vgl. mrw.de,

Herstellverfahren für Stahlrohre).

43

(Vallourec & Mannesmann Tubes, Werk Zeithain)

44

Anlage 2

(pitfax.de, Kompensationsspulen)

Anlage 3

G355 Elektromotor

Leistung 140 kW

Nenndrehzahl 900 RPM

ISO Klasse Gruppe 2 (ISO 10816-3)

45

Anlage 4

(gmn.de, Lagerluft)

Die radiale Lagerluft ist abhängig von den Passungen, dem Wärmehaushalt des Lagers sowie

den betrieblichen Belastungen. Die normale Lagerluft CN ist so festgelegt, dass bei normalen

Betriebsverhältnissen genügend Betriebslagerluft verbleibt. C2 ist die geringere Lagerluft und

ist dann zu verwenden, wenn eine nahezu spielfreie Lagerung vonnöten ist. C3 und C4 sind

die Maße der größeren Lagerluft und sind zum Beispiel bei hoher Temperaturdifferenz

zwischen Innen- und Außenring zu wählen. Das Axialspiel ergibt sich aus dem Radialspiel

und beträgt ungefähr das 8,5 – 10fache des radialen Lagerspiels.

Anlage 5

(medias.ina.de, Wellen- und Gehäuseausführung)

Die Punklast liegt vor, wenn die Lastrichtung und der Lagerring relativ zueinander stillstehen.

Die Umfangslast liegt vor, wenn die Lastrichtung und der Lagerring relativ zueinander

drehen. Dabei wird jeder Punkt der Laufbahn belastet.

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Anlage 6

(bs-wiki.de, Wälzlagerungen)

Anlage 7

Gelten die Diricletschen Bedingungen für eine beliebige nichtperiodische Funktion )(ty ,

dann:

1. lässt sich die Funktion in ihrem Definitionsintervall in endlich viele Teilintervalle

zerlegen, in denen sie stetig und monoton ist

2. und die Unstetigkeitsstellen (Grenzwerte) der Funktion definieren durch )0( +ty ) und

)0( −ty . (Fischer/Stephan 1984, S. 34)

47

Anlage 8

Abbildung des Messverlaufs des VIBXpert an einem G355 Motor des Streckreduzierwalzwerks

48

Anlage 9

(Vallourec & Mannesmann Tubes, Werk Zeithain) Die Abbildung zeigt die Wellen vom Streckreduzierwalzwerk zu den Duo-Getrieben sowie

die dahinter liegenden Motoren.

Anlage 10

(Luft, Messung des thermischen Wachstums eines Propan-Kälteverdichters)

49

Anlage 11

(Prüftechnik Condition Monitoring, VIBXPERT® FFT-Datensammler & Siganlanalysator)

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Anlage 12

(Messung vom 12.04.2007)

Anlage 13

(telediagnose.com, März 2001)

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Anlage 14

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Anlage 15

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Anlage 16

(mhf-e.desy.de, dBc)

Die Abbildung zeigt einen Signalträger (Spitze) mit den dazugehörigen

Modulationsseitenbändern. Die Signalpegeldifferenz beschreibt dabei die Differenz zwischen

dem höchsten Stoß (dBm) und den dazugehörigen Modulationsseitenbändern.

Beispiel:

Das in der Abbildung dargestellte Spektrum zeigt einen 499,66 MHz-Träger mit

symmetrischen 6,5-kHz-Seitenbändern.

Die Trägerleistung beträgt dabei -15,67 dBm.

Die Seitenbandleistung (die hellere Spur) beträgt -82 dBm.

Die Signalpegeldifferenz - auch Trägerabstand- beträgt somit: -82 dBm - (-15.67 dBm) = -

66,33 dBc. (vgl. mhf-e.desy.de, dBc)

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Anlage 17

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Anlage 18

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Anlage 19

Reparatur des G355 Elektromotors Nummer 16

Nachdem der Gleichstrommotor Nummer 16 des Walzwerkes zwei Jahre lang reibungslos im

Dauerbetrieb war, musste er turnusgemäß ausgebaut und überprüft werden. Dies geschah am

31.05.2007. Zu diesem Zweck wurde der Motor in seine Einzelteile zerlegt und Teile mit

einem hohen Abnutzungsgrad ausgewechselt.

Vor dem Ausbau wurde eine genaue Wälzlagerdiagnostik durchgeführt, um einen Vergleich

vom eingebauten zum ausgebauten Motor zu bekommen. Dazu ließ man den Motor in der

Reparaturhalle im Leerlauf arbeiten, um Störimpulse, wie sie im laufenden Betrieb auftreten,

auszuschließen, weil diese keine genauen Daten zulassen.

(VIBXpert FFT-Datensammler und Signalanalysator)

64

Nach der Wälzlagerdiagnostik folgte die Kommutatordiagnostik. Diese ermöglicht eine

Aussage darüber, ob die Schleifringe an den Auftreffstellen der Kohlebürsten eine Abnutzung

erfahren haben und somit nicht mehr in einer Ebene liegen. Solch eine erhöhte Abnutzung,

welche keinen einhundertprozentigen Umlauf der Schleifringe garantiert, kann zu vermehrten

Funkenübersprüngen führen. Zuvor wurde jedoch die Stromzufuhr zum Motor unterbunden.

Zur Überprüfung des Rundlaufs wird das Rundlaufprüfgerät auf den Lagerschild angebracht

und der Fühler an die Auftreffstellen der Kohlebürsten gelegt. Danach musste der Rotor von

Hand gleichmäßig gedreht werden, weil die Stromzufuhr mittels Kohlebürsten nun nicht mehr

möglich war. Die Diagnose ergab, dass die Schleifringe in gutem Zustand waren und somit

kein Bedarf einer Auswechslung bestand. Die eigentliche Demontage des Gleichstrommotors

begann damit, dass die Lagerschilde beidseitig abgeschraubt wurden. Diese waren stark durch

den Kohlebürstenabrieb verschmutzt.

65

Daher mussten sie vom Kohlestaub bereinigt werden, da sonst die Möglichkeit eines

Spannungsüberschlags bestünde. Dies geschieht für den Grobstaub mit Druckluft und für

festsitzen Staub durch Spiritus.

In diesem Bild sind die Ablagerungen deutlich zu erkennen. Danach konnten der

Tachodynamo, der Zentrifugalschalter, der Zwischenflansch und die Kupplung mittels der

Befestigungsschrauben gelöst werden. Um die Kupplungsnabe von der Welle zu ziehen,

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musste die Abziehvorrichtung an das Ende der Welle angebracht werden. Da es sich jedoch

um eine Kupplungsnabe mittels Schrumpfverband handelte, die sich nur durch Druckölgeräte

abziehen lassen, mussten zuvor Ölpumpen und die Ölverteilungsnuten an die dafür

vorgesehen Anschlüsse angebracht werden. Mittels dieser Ölpumpen wurde der

Schrumpfverband durch hohen Druck um 0.022mm gelockert, wodurch man nun den

Schrumpfverband von der Kupplung lösen konnte. Dies erfolgte durch die Abziehvorrichtung

die am Schrumpfverband befestigt wurde, indem sie die immer noch fest verbundene Welle

aus dem Schrumpfverband nach hinten rausdrückte. Nachdem dies erfolgte, mussten die

Wälzlager aufgrund der Fettqualität und Fettmenge neu gefettet werden. Daraufhin wurden

ebenfalls beidseitig die Bürstenbrückenkonstruktionen abgeschraubt und die Federn der

Bürstenhalter, worin die Kohlebürsten beweglich eingesteckt sind, geölt, um deren

Funktionalität zu gewährleisten. Die Kohlebürsten wurden standardmäßig aufgrund ihres

starken Abriebes durch neue ersetzt. Letztendlich wurde der gesamte Rotor aus dem Stator

gehoben und zur Inspektion geschickt. Dabei wird er vom abgeriebenen Kohlestaub befreit

und verschlissene Teile ausgewechselt. Nachdem alle Teile überprüft und erneuert

beziehungsweise repariert wurden, wurde die Maschine wieder komplett montiert.

Nach der Montage wurde der Motor wieder in Betrieb genommen. Hierbei war zu beachten,

dass die Lagertemperatur während der ersten Stunden kontrolliert werden musste, um die

einwandfreie Betriebsbereitschaft zu gewährleisten.

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Anlage 20

(Innenringschaden) (Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH, Umlaufender lokaler Wälzlagerschaden)