Beseitigung übermäßiger Vibrationen rotierender Geräte: UNITEC-D-Diagnosehandbuch

1. Problemstellung und Anwendungsbereich

Übermäßige Vibrationen rotierender Geräte sind ein kritischer Indikator für potenzielle Fehlfunktionen, die zu ungeplanten Produktionsausfällen, erheblichen finanziellen Verlusten, einer verminderten Produktqualität und vor allem einer Gefährdung der Personalsicherheit führen können. Dieses UNITEC-D-Handbuch dient der systematischen Diagnose und Beseitigung der Hauptursachen für erhöhte Vibrationen und deckt ein breites Spektrum industrieller rotierender Geräte ab, darunter Pumpen, Lüfter, Elektromotoren, Kompressoren, Getriebe und Turbinen, die in der ukrainischen Industrie eingesetzt werden.

Klassifizierung der Vibrationsstärke nach DSTU ISO 10816-1:2004:

• Kritisch: Das Vibrationsniveau, das die Obergrenzen der zulässigen Werte überschreitet (Zone D), erfordert eine sofortige Abschaltung der Anlage und eine Fehlerbehebung.
• Bedeutsam: Der Vibrationsgrad in Zone C erfordert eine geplante Abschaltung der Anlage zur Diagnose und Reparatur. Ein längerer Betrieb in diesem Bereich verringert die Lebensdauer der Komponenten.
• Geringfügig: Der Vibrationsgrad in Zone B weist auf eine möglicherweise fortschreitende Fehlfunktion hin. Eine verstärkte Überwachung wird empfohlen.

Die rechtzeitige und genaue Identifizierung der Grundursache von Vibrationen ist der Schlüssel für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Ausrüstung.

2. Vorsichtsmaßnahmen

Vor Beginn von Diagnose- oder Reparaturarbeiten an rotierenden Geräten müssen strenge Sicherheitsregeln befolgt werden. Das Missachten dieser Vorsichtsmaßnahmen kann zu schweren oder tödlichen Verletzungen führen.

Die Sicherheit des Personals hat für uns Priorität

• Lockout/Tagout (LOTO): Isolieren und sperren Sie IMMER alle Stromquellen (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) für die Ausrüstung. Verwenden Sie Standard-LOTO-Verfahren gemäß den internen Vorschriften des Unternehmens. Spannung und Restdruck prüfen.
• Gespeicherte Energie: Seien Sie sich der potenziell gespeicherten Energie in Federn, Hydraulikspeichern, Schwungrädern und Druckgasen bewusst. Stellen Sie sicher, dass alle diese Energiequellen entladen oder sicher verschlossen sind.
• Persönliche Schutzausrüstung (PSA): Verwenden Sie geeignete PSA: Schutzbrille (DSTU EN 166), Handschuhe (DSTU EN 388), Schutzschuhe (DSTU EN ISO 20345), Gehörschutz (DSTU EN 352).
• Heiße Oberflächen und hoher Druck: Gehen Sie vorsichtig mit Geräten um, die bei hohen Temperaturen oder Drücken betrieben werden. Verwenden Sie Wärmebildkameras und Manometer, um die Bedingungen zu beurteilen.
• Rotierende Teile: Arbeiten Sie NIEMALS in der Nähe rotierender Teile ohne Schutzabdeckungen.
• Konsultieren: Wenn Sie Zweifel an der Sicherheit haben, wenden Sie sich an einen leitenden Ingenieur oder einen Spezialisten für Gesundheit und Sicherheit am Arbeitsplatz.

3. Notwendige Diagnosetools

Für eine wirksame Schwingungsdiagnose sind bestimmte Werkzeuge erforderlich. Ihre korrekte Anwendung ermöglicht es, genaue Daten für die Analyse zu erhalten.

4. Checkliste für die Erstbewertung

Bevor mit einer detaillierten Diagnose begonnen wird, müssen möglichst viele Informationen über die Betriebsbedingungen und die Historie des Geräts gesammelt werden. Dadurch wird das Spektrum möglicher Ursachen eingegrenzt.

5. Systematischer Ablauf der Diagnostik

Die Diagnose von Vibrationen erfordert einen systematischen Ansatz, beginnend mit der Messung des allgemeinen Pegels und fortfahrend mit einer detaillierten Spektralanalyse zur Identifizierung der dominanten Frequenzen.

1. Messen Sie den Gesamtvibrationspegel:
   • Messen Sie mit einem Vibrationsanalysator die Vibrationsgeschwindigkeit (mm/s RMS) an den Lagergehäusen in drei Richtungen (horizontal, vertikal, axial).
   • Vergleichen Sie die erhaltenen Werte mit den zulässigen Grenzwerten gemäß DSTU ISO 10816-1 für die entsprechende Maschinenklasse.
   • Wenn der Gesamtvibrationspegel Zone B (geringfügiger Fehler) oder C (erheblicher Fehler) überschreitet: Fahren Sie mit Schritt 2 fort.
   • Andernfalls: Das Problem hängt wahrscheinlich nicht mit mechanischen Vibrationen zusammen oder ihr Ausmaß ist vernachlässigbar. Verbesserte Überwachung.
2. Führen Sie eine Spektrumanalyse (FFT) und eine Zeitsignalanalyse durch:
   • Erfassen Sie Vibrationsspektren (Diagramm der Vibrationsamplitude gegenüber der Frequenz) und Zeitsignale (Diagramm der Amplitude gegenüber der Zeit) für jede Lagerbaugruppe in allen drei Richtungen.
   • Bestimmen Sie die Drehzahl des Geräts (1X U/min) mit einem Drehzahlmesser.
   • Analysieren Sie die Spektren auf das Vorhandensein dominanter Frequenzen und ihrer Harmonischen:
   • 1. IF wird von 1X U/min (Rotorrotationsgeschwindigkeit) mit hoher Amplitude dominiert:
        • DANN Auf Unwucht prüfen:
          • WENN die Amplitude von 1X U/min in radialer Richtung (horizontal/vertikal) hoch ist und proportional zur Geschwindigkeit variiert.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Unwucht. Gehen Sie zur Unwuchtdiagnose (Absatz 7.1).
        • DANN auf Fehlausrichtung prüfen:
          • WENN die Amplitude von 1X U/min in axialer Richtung hoch ist oder wenn 1X U/min und 2X U/min in radialer Richtung hoch sind.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Nichtübereinstimmung. Gehen Sie zur Nichtübereinstimmungsdiagnose (Absatz 7.2).
     2. WENN dominiert von 2X U/min (doppelte Rotorgeschwindigkeit) mit hoher Amplitude:
        • DANN Überprüfen Sie auf Fehlausrichtung (winkelig/parallel):
          • WENN die Amplitude von 2X U/min in radialer Richtung viel höher als 1X U/min ist oder wenn 2X U/min in axialer Richtung hoch ist.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Nichtübereinstimmung. Gehen Sie zur Nichtübereinstimmungsdiagnose (Absatz 7.2).
     3. WENN hohe Harmonische (3X, 4X U/min und höher) oder Subharmonische (0,5X U/min) vorhanden sind:
        • DANN Auf Lockerheit prüfen:
          • WENN harmonische Amplituden nichtlinear sind oder Subharmonische auftreten sowie Rauschen im Taktsignal.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Mechanische Lockerung. Gehen Sie zur Lockerungsdiagnose (Absatz 7.5).
     4. WENN charakteristische Lagerfrequenzen (BPFI, BPFO, FTF, BSF) oder amplitudenmodulierte Hochfrequenzen vorhanden sind:
        • DANN Prüfung auf Lagerfehler:
          • Verwenden Sie zur Bestätigung eine Stoßimpulsanalyse (SPM, PeakVue) oder einen Ultraschalldetektor.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Defekte in den Lagern. Gehen Sie zur Diagnose von Defekten in den Lagern (Abschnitt 7.3).
     5. WENN Vibrationen mit hoher Amplitude und einer Frequenz, die keine Harmonische der Drehzahl ist, aber nahe daran liegt oder konstant ist:
        • DANN Auf Resonanz prüfen:
          • Führen Sie einen Hoch-/Auslauf- oder Schocktest durch, um die Eigenfrequenzen zu bestimmen.
          • DANN Wahrscheinliche Ursache: Resonanz. Gehen Sie zur Resonanzdiagnose (Absatz 7.4).

6. Matrix „Fehler-Ursache“

Diese Matrix bietet einen schnellen Überblick über häufige Vibrationssymptome, ihre wahrscheinlichen Ursachen und Diagnosetests.

7. Ursachenanalyse für jede Fehlfunktion

7.1. Unwucht des Rotors

Warum es auftritt: Eine Unwucht ist eine ungleichmäßige Verteilung der Masse des Rotors relativ zu seiner Rotationsachse. Dies kann durch Herstellungsfehler, ungleichmäßige Ansammlung von Verunreinigungen (z. B. Staub auf dem Lüfter, Ablagerungen auf dem Pumpenrotor), Materialerosion oder Korrosion sowie ungenaue Reparatur oder Austausch von Komponenten ohne weitere Auswuchtung verursacht werden. Zum Beispiel die Reparatur eines Lüfterflügels, ohne das ursprüngliche Gleichgewicht wiederherzustellen.

So bestätigen Sie: Der primäre Indikator ist eine dominante Vibration mit 1X U/min in radialer Richtung, die proportional zur Drehzahl zunimmt. Die Phasenanalyse zeigt eine stabile Schwingungsphase. Durch die Durchführung eines Probelaufs mit Zugabe einer Testmasse und die Analyse der Schwingungsänderung können Sie die Größe und den Winkel der Unwucht quantitativ bestimmen.

Schäden, wenn sie nicht behoben werden: Eine anhaltende Unwucht führt zu einer erhöhten Belastung der Lager und Dichtungen, was deren Lebensdauer verkürzt, zum Versagen von Befestigungselementen und zur strukturellen Ermüdung des Rahmens und der Basis führt und zu Wellenversagen und anderen katastrophalen Ausfällen führen kann. Vibrationen von 15–20 mm/s RMS sind für Standardmaschinen mittlerer Größe bereits kritisch.

7.2. Fehlausrichtung der Wellen (Kupplung)

Warum es auftritt: Eine Fehlausrichtung ist eine Abweichung der Wellenmitten oder der Winkel ihrer Achsen von der idealen Ausrichtung. Es kann parallel (Verschiebung der Mittelpunkte), eckig (Verschiebung der Ecken) oder kombiniert sein. Typische Ursachen sind: schlechte Montage, Verformung des Rahmens oder Fundaments unter Belastung, thermische Ausdehnung von Bauteilen im Betrieb, „Soft Footing“ (ungleichmäßiger Kontakt zwischen Stütze und Fundament) und Setzungen des Fundaments.

So bestätigen Sie: Die Hauptindikatoren sind hohe Vibrationsamplituden bei 1X U/min und 2X U/min. Parallele Fehlausrichtung wird oft von 1X U/min in radialer Richtung dominiert, während Winkelfehlausrichtung oft von 2X U/min in radialer Richtung und/oder 1X U/min in axialer Richtung dominiert wird. Durch die Messung mit einem Laser-Nivelliersystem (genauer als Uhrenindikatoren) können Sie die Abweichung und die Art der Fehlausrichtung quantifizieren. Eine Abweichung von mehr als 0,05 mm ist für die meisten Industriemaschinen nicht akzeptabel.

Schäden, wenn sie nicht behoben werden: Eine Fehlausrichtung führt zu zyklischer Belastung von Lagern, Kupplungen und Dichtungen, was zu beschleunigtem Verschleiß, Überhitzung und vorzeitigem Ausfall führt. Außerdem erhöht sich der Energieverbrauch des Motors und es kann zu Schäden an den Wellen kommen.

7.3. Wälzlagerdefekte

Warum es auftritt: Lagerdefekte sind eine der häufigsten Ursachen für Vibrationen. Sie können durch Materialermüdung (Abplatzungen), fehlerhaften Einbau (Stoßbelastungen, Fehlausrichtung), unzureichende oder übermäßige Schmierung, Verunreinigung des Schmierstoffs mit Fremdpartikeln, elektrische Erosion (Stromfluss durch das Lager), übermäßige Belastung oder Überhitzung verursacht werden.

So bestätigen Sie: Ein charakteristisches Merkmal ist das Auftreten spezifischer Frequenzen von Lagerdefekten im Schwingungsspektrum: BPFI (Innenring-Laufbahndefekt), BPFO (Außenring-Laufbahndefekt), FTF (Separatordefekt), BSF (Rollkörperdefekt). Diese Frequenzen werden anhand der Lagergeometrie und der Drehzahl berechnet. Zur Früherkennung sind Stoßimpulsanalyseverfahren (SPM, PeakVue) oder Ultraschallüberwachung wirksam, die hochfrequente Impulse erkennen, die beim Kontakt der Wälzkörper mit Defekten entstehen. Ein SPM-Wert von mehr als 15–20 dB vom Ausgangswert ist alarmierend.

Schäden, wenn sie nicht behoben werden: Das Fortschreiten von Lagerdefekten führt zu erhöhter Vibration, Überhitzung, Ausfall des Separators, Festfressen des Lagers und infolgedessen zum Ausfall von Welle oder Rotor.

7.4. Resonanz

Warum es auftritt: Resonanz tritt auf, wenn die Erregerfrequenz (z. B. Betriebsgeschwindigkeit, Klingen-/Zahnfrequenz, elektrische Frequenz) mit einer der natürlichen (Eigenfrequenzen) des Systems oder seiner Komponenten (Rahmen, Welle, Fundament) übereinstimmt. Dies führt bereits bei relativ kleiner Erregerkraft zu einer deutlichen Erhöhung der Schwingungsamplitude. Gründe: Änderung der Steifigkeit oder Masse der Struktur, falsche Wahl der Betriebsgeschwindigkeit, Änderung der dynamischen Eigenschaften des Fundaments.

So bestätigen Sie: Vibrationen mit hoher Amplitude und einer bestimmten Frequenz, die bis zu 1X U/min unharmonisch sein können. Zur Bestätigung wird ein Hochlauf-/Auslauftest durchgeführt, bei dem das Gerät sanft beschleunigt oder gestoppt wird und die Vibration aufgezeichnet wird. Eine deutliche Schwingungsspitze bei einer bestimmten Drehzahl zeigt den Durchgang der Resonanzfrequenz an. Zur Bestimmung der Eigenfrequenzen des Bauwerks wird auch ein Schlagversuch (Impact Test) eingesetzt.

Schäden, wenn sie nicht behoben werden: Resonanz führt zu schneller struktureller Ermüdung, Versagen von Schweißnähten, Befestigungselementen, Lockerung von Schrauben, Rissen im Rahmen und Fundament, was zu einem katastrophalen Geräteausfall führen kann.

7.5. Mechanische Lockerheit

Warum es auftritt: Unter mechanischer Lockerung versteht man einen Verlust der Steifigkeit oder Zuverlässigkeit einer Komponentenbefestigung, der zu „Klopfen“ oder nichtlinearen Vibrationen führt. Dies kann durch lockere Befestigungsschrauben (Fundament, Lagerbaugruppen, Gehäuse), Risse im Rahmen oder Fundament, verschlissene Lagersitze oder zu große Spiele in Gleitlagern verursacht werden. Sie ist häufig eine Folge anderer fortgeschrittener Fehlfunktionen (Ungleichgewicht, mangelndes Bewusstsein).

So bestätigen Sie: Zu den Symptomen einer Erschütterung im Vibrationsspektrum gehören häufig das Vorhandensein von Subharmonischen (0,5-fache U/min), hohen Harmonischen (2-fache, 3-fache U/min und höher) und Änderungen der Vibrationsamplitude je nach Last. Die Analyse des Zeitsignals zeigt Impulsausbrüche oder Unterbrechungen im Signal. Eine Sichtprüfung der Befestigungselemente, ihr Anziehen und die Verwendung eines Hammerschlagtests können dabei helfen, die Ursache der Lockerung zu lokalisieren. Eine Wärmebildkamera kann eine Überhitzung in Bereichen mit erhöhter Reibung erkennen.

Schäden, wenn sie nicht behoben werden: Lockerung führt zu fortschreitendem Verschleiß, Verformung von Komponenten, Versagen von Befestigungselementen, Fehlausrichtung von Wellen und infolgedessen zum Versagen von Dichtungen, Lagern, Wellen und anderen kritischen Komponenten.

8. Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Fehlerbehebung

8.1. Beseitigung des Ungleichgewichts

1. Vorbereitung: Ausrüstung isolieren (LOTO). Überprüfen Sie den Rotor visuell auf Schmutz, Beschädigungen und fehlende Teile. Reinigen Sie den Rotor.
2. Messung: Messen Sie die anfängliche Vibration bei 1X U/min.
3. Auswuchten: Wenden Sie die Methode des dynamischen Auswuchtens vor Ort an (gemäß DSTU ISO 1940-1). Für die meisten Industriemaschinen ist die Güteklasse G6,3 akzeptabel, für hochpräzise Maschinen G2,5 oder G1,0.
4. Testlauf: Testmasse hinzufügen, Schwingungsänderung messen.
5. Korrektur: Berechnen Sie die erforderliche Korrekturmasse und deren Position. Installieren Sie die Masse am Rotor.
6. Überprüfung: Messen Sie die Vibration erneut. Bei einer mittelgroßen Maschine (Klasse II) sollte die Schwinggeschwindigkeit weniger als 4,5 mm/s RMS betragen.

8.2. Beseitigung der Unwissenheit

1. Vorbereitung: Ausrüstung isolieren (LOTO). Auflageflächen reinigen, Kupplungen auf Verschleiß prüfen.
2. Überprüfung der weichen Beine: Überprüfen Sie alle Motor-/Pumpenbeine mithilfe einer Messuhr oder eines Lasersystems. Wenn die Abweichung beim Anziehen der Schraube mehr als 0,05 mm beträgt, stellen Sie die „weiche Pfote“ mit kalibrierten Distanzstücken ein.
3. Ausrichtung: Verwenden Sie ein Laser-Wellenausrichtungssystem, um die Position des Motors relativ zur Pumpe/dem Getriebe präzise auszurichten. Beachten Sie die vom Kupplungshersteller angegebenen bzw. von den Normen empfohlenen Toleranzen (z. B. 0,02–0,05 mm für die meisten Kupplungen bei 1500 U/min).
4. Überprüfung: Ziehen Sie nach der Ausrichtung alle Schrauben mit dem in der Dokumentation angegebenen Drehmoment fest und messen Sie die Vibration erneut. Amplituden bei 1X und 2X U/min in radialer und axialer Richtung sollten deutlich reduziert werden.

8.3. Beseitigung von Lagerdefekten

1. Vorbereitung: Ausrüstung isolieren (LOTO). Sorgen Sie für die Sauberkeit des Arbeitsbereichs.
2. Ausbau: Entfernen Sie die Lagerbaugruppe vorsichtig mit einem Spezialwerkzeug (Abzieher), um Schäden an Welle und Gehäuse zu vermeiden.
3. Inspektion: Überprüfen Sie Welle, Lagergehäuse und Sitze sorgfältig auf Verschleiß, Korrosion und Grate.
4. Einbau eines neuen Lagers:
   • Verwenden Sie nur Original- oder zertifizierte UNITEC-D-Lager.
   • Die Montage erfolgt durch Erhitzen (Induktionsheizung) oder mit einer Presse unter Verwendung spezieller Montagewerkzeuge. Schlagen Sie NIEMALS ohne geeigneten Dorn auf den Außen- oder Innenring eines Lagers.
   • Stellen Sie gemäß den Empfehlungen des Lagerherstellers das richtige Radial- und Axialspiel sicher.
5. Schmierung: Füllen Sie das Lager mit dem entsprechenden Schmierstoff gemäß den Empfehlungen des Herstellers (Art, Menge). Verwenden Sie die empfohlenen Spritzen und Spender.
6. Überprüfung: Nach dem Austausch und der Schmierung das Gerät starten und Vibration und Temperatur überwachen. Die Höhe der Vibrationsgeschwindigkeit und der Stoßimpulse muss den normativen Werten entsprechen, die Temperatur muss sich im Normalbereich (in der Regel < 70°C) stabilisieren.

8.4. Beseitigung von Resonanzen

1. Vorbereitung: Ausrüstung isolieren (LOTO).
2. Bestimmung der Eigenfrequenz: Führen Sie an verschiedenen Stellen des Bauwerks einen Schlagversuch (Impact Test) durch, um die Eigenfrequenzen zu ermitteln.
3. Konstruktionsänderung:
   • Änderung der Steifigkeit: Stützelemente hinzufügen oder verstärken, Plattenstärke erhöhen, zusätzliche Streben einbauen. Das Ziel besteht darin, die Eigenfrequenz von der Betriebserregungsfrequenz zu entfernen (mindestens 20 %).
   • Massenänderung: Die Masse der Resonanzkomponente hinzufügen oder verringern. Dadurch verändert sich auch die Eigenfrequenz.
   • Ändern der Betriebsgeschwindigkeit: Wenn möglich und wirtschaftlich vertretbar, ändern Sie die Betriebsgeschwindigkeit des Geräts, um Überschneidungen mit der Eigenfrequenz zu vermeiden.
4. Überprüfung: Nachdem Sie die Änderungen vorgenommen haben, wiederholen Sie den Schocktest und den Beschleunigungs-/Ausrolltest, um die Änderung der Eigenfrequenzen zu bestätigen. Starten Sie das Gerät und überprüfen Sie den Vibrationsgrad.

8.5. Eliminierung mechanischer Erschütterungen

1. Vorbereitung: Ausrüstung isolieren (LOTO).
2. Lokalisierung: Lokalisieren Sie mithilfe eines Vibrationsanalysators, eines Aufpralltests und einer Sichtprüfung die Ursache der Erschütterung.
3. Anziehen der Befestigungselemente: Ziehen Sie alle gelösten Schrauben und Muttern mit dem in der technischen Dokumentation angegebenen Drehmoment an (z. B. 120 Nm für M16-Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8).
4. Schadensreparatur:
   • Wenn Risse im Rahmen/Fundament festgestellt werden: Schweißen, verstärken Sie die Struktur gemäß technischen Berechnungen und Standards.
   • Wenn die Lagersitze verschlissen sind: Sitze erneuern (Spritzen, Buchsen) oder Gehäuse/Welle austauschen.
   • Wenn das Spiel in den Gleitlagern zu groß ist: Spiel anpassen oder Buchsen austauschen.
5. Überprüfung: Lassen Sie das Gerät laufen und wiederholen Sie die Vibrationsmessungen. Achten Sie dabei besonders auf die Oberschwingungen und das Zeitsignal. Die Vibration sollte der Norm entsprechen.

9. Vorbeugende Maßnahmen

Vorbeugende Wartung ist der Schlüssel für einen langen und zuverlässigen Betrieb rotierender Maschinen.

10. Ersatzteile und Komponenten

Die UNITEC-D GmbH ist ein zuverlässiger Lieferant hochwertiger Ersatzteile für rotierende Anlagen. Die Verwendung zertifizierter Komponenten ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Reparatur sicherzustellen. Nachfolgend finden Sie typische Ersatzteilgruppen.

Um detaillierte Informationen zum Sortiment an UNITEC-D-Ersatzteilen zu bestellen und zu erhalten, besuchen Sie unseren elektronischen UNITEC-D-Katalog.

11. Links

• DSTU ISO 10816-1:2004 Mechanische Vibration. Bewertung von Maschinenschwingungen anhand der Ergebnisse von Messungen an nicht rotierenden Teilen.
• DSTU ISO 1940-1:2007 Vibration. Anforderungen an die Qualität des Auswuchtens von Massivrotoren.
• DSTU ISO 15243:2009 Wälzlager. Schadensersatz und Verzichtserklärungen. Terminologie, Klassifizierung und Illustrationen.
• EN 15417-1:2008 Ausrichtung von Maschinen. Teil 1: Methoden und Toleranzen.
• Betriebs- und Wartungshandbücher von Geräteherstellern (OEM).
• Interne UNITEC-D-Standards für Gerätediagnose und -reparatur.