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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
251
Diagnose- und Überwachung an Schraubenverdichtern Signalplots
beschreiben das Betriebsverhalten zur erfolgreichen Diagnose und
Überwachung Dipl.-Ing. Dieter Franke VDI, Ingenieurbüro Dieter
Franke, Dresden; Mathias Luft, PRÜFTECHNIK Condition Monitoring
GmbH, Freiberg
Kurzfassung Wälzgalagerte Schraubenverdichter stellen als
Diagnoseobjekte durch die Überlagerung des
Körperschall aus dem Schraubeneingriff, dem Zahneingriff der
Getriebestufen und von den
Wälzlagern mit den Axiallagern erhöhte Anforderungen an die
Diagnose und Überwachung.
Die VDI 3832 zur Wälzlagerdiagnose liefert hier eine gute
Methodik auch für die sich im Kör-
perschall überlagernden Einzellager in den meist kompakten
Gehäusen. Schraubeneingriff,
Gleichlaufgetriebe und Getriebestufen sind nach bekannter
Methodik der Getriebediagnose
mittels Körperschall diagnostizierbar, setzen aber entsprechende
Spezialkenntnisse voraus.
Gleichfalls ist die Diagnose und Überwachung des Maschinezustand
in der Schwingstärke
durch die alles dominierende und zum Teil maskierende
Ausstoßfrequenz mit besonderen
Anforderungen verbunden. Hier gibt die neue VDI 3836 wichtige
Hinweise, die jedoch für die
vielfältigen Verdichtertypen und Einsatzfälle zum Teil erweitert
angewendet werden sollte.
An typischen Fallbeispielen einstufiger wälzgelagerter
Schraubenverdichter werden diese
Zusammenhänge in diesem Vortrag jeweils anschaulich
dargestellt.
1. Beispiele der Diagnose und Überwachung der Schwingstärke Die
Messung und Bewertung der Schwingstärke-Kennwerte wird in VDI 3836
nach [1] aus-
führlich beschrieben. In einem Frequenzbereich B ab 2 bzw. 10 Hz
erfassen die Kennwerte
die erste und zweite Ordnung der Drehfrequenz. Der
Frequenzbereich A erfasst den Bereich
bis zur dritten Ausstoßfrequenz.
Bei Messungen mit mobiler Messtechnik wird danach je nach
Baugröße an Haupt- und Ne-
benläufern in den drei Hauptachsen der größte der Messwerte
erfasst und in eine der vier
Maschinengruppen bewertet. Für die Dauerüberwachung ist aus
Kostengründen meist nur
ein Aufnehmer je Läuferseite einsetzbar, der entsprechend nicht
immer die Richtung der ma-
ximale Schwingstärke wie bei einer mobilen Messung erfassen
kann, da wie später ausge-
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 252
führt noch weitere Gesichtspunkte bei der Messstellenwahl
hinzukommen die zu Kompro-
missen führen.
Bei Kältemittel-Verdichtern in den ersten Betriebsjahren werden
die Grenzwerte dieser VDI
in den meisten Fällen deutlich unterschritten. Bild 1 zeigt im
ersten Beispiel Geschwindig-
keitsspektren an vier baugleichen neuen Kältemittelverdichtern
(Aufbau nach Bild 2) mit
Rms-werten im Ausstoßfrequenzbereich von 1,1 bis 2,5 mm/s, die
jeweils als Maximalwerte
mit einem Onlinesystem gewonnen wurden und den Grenzwert für
Langzeitbetrieb von 10,0
mm/s deutlich unterschreiten. Der Kennwert wird hier von der
ersten Ordnung der Ausstoß-
frequenz bestimmt.
Bild 1: Geringe Variation der Schwingstärke vier neuer
baugleicher Verdichter
Bild 2: Kältemittelverdichter in Seitenansicht für ca. 7 bar
Betriebsenddruck
Einmalige oder relativ selten ausgeführte Messungen mit mobiler
Messtechnik in der Anlage
sind hierbei allerdings oft nur eingeschränkt repräsentativ, wie
in einem ersten Beispiel ge-
Graphen von oben nach unten:
Kältemittel-Verdichter 1
Kältemittel-Verdichter 2
Kältemittel-Verdichter 3
Kältemittel-Verdichter 4
3
2
1
Kältemittel-Verdichter 1
Kältemittel-Verdichter 2
Kältemittel-Verdichter 3
Kältemittel-Verdichter 4
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
253
zeigt werden soll. Ursache dafür ist ein starker Einfluss des
Betriebsdruckes auf alle Kenn-
werte in den meisten Fällen. Die Pegel der Ordnungen der
Ausstoßfrequenz, die den Kenn-
wert im Frequenzbereich A bestimmen schwanken selbst dann
relativ stark, wenn wie in dem
zweiten Beispiel von dem Onlinesystem nur in einem eingegrenzten
Betriebsdruck-bereich
gemessen wurde. Bild 3 und Tabelle 1 zeigen die Schwankung der
Ordnungen der Ausstoß-
frequenz an einem Verdichter um bis über Faktor 10.
Bild 3: Kaskadendiagramm des Geschwindigkeitsspektrums einesneu
in Betrieb genom-
menen Kältemittelverdichters mit integrierten Antrieb, (2985
1/min, ca. 175 kW) mit der
Variation der 1. - 4. Ordnung der Ausstoßfrequenz bei einer
dargestellten Messung pro Tag
Tabelle 1 Schwankungen der Ordnungen der Ausstoßfrequenz
Frequenz v rms 10-1000Hz Frequenz v rms 10-1000Hz
1. f Aus 0,6 bis 1,3 mm/s 2. f Aus 0,05 bis 0,7 mm/s
3. f Aus 0,15 bis 0,4 mm/s 4. f Aus 0,08 bis 0,6 mm/s
Bild 4: Trendverlauf v rms im Frequenzbereich A von 0,45 bis
2,55 mm/s
Bild 4 zeigt daraus einen beispielhaften Trend des Kennwertes im
Frequenzbereich A mit
Schwankung von 0,5 bis 2,6 mm/s über einen Betriebsdruck von 6,2
bis 7,7 bar. Daraus er-
3 4
2
1
1
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 254
gibt sich eine einfache Überwachung gegenüber den in VDI 3836
vorgeschlagenen Grenz-
werten.
Bild 5: Trendkurven am vg. Verdichter für p stat in bar und v
rms Frequenzbereich oben A unten B
Bild 5 zeigt Trendverläufe des unteren Verdichters im Bild 1 mit
einzelnen kurzzeitigen hohen
Schwingstärkewerten im Ausstoß- sowie im Drehfrequenzbereich. Im
sonst ereignislosen
Dauerbetrieb liegen die Rms-werte an dieser Maschine bei 1 bis
1,5 mm/s, die kurzzeitigen
Spitzen jedoch bei 7 bis über 20 mm/s. Derartige Ereignisse an
Schraubenverdichtern sind
funktionsgemäß nur mit Onlinesystemen feststellbar. Da diese
Spitzen nur an einer von vier
Maschinen auftreten, müssen sehr kurzzeitig fehlerhafte
Betriebsweisen in der Maschine
vorliegen. Aus der Anlagenanbindung und Betriebsweise ergibt
sich für diesen der vier Käl-
temittelverdichter keine Besonderheit. Eine Ursachenermittlung
dauerte zum Berichtszeit-
punkt dafür noch an.
Das zweite Beispiel eines sehr ähnlichen
Kältemittelverdichtertyps wie nach Bild 2 mit 2990
rpm und 232 kW zeigt im Bild 5 deutlich erhöhte Schwingstärken
an einem von zwei Verdich-
tern nach dem ersten Betriebsjahr. Allerdings dominiert hier die
vierte Ordnung der Ausstoß-
frequenz die Schwingstärke, die nach o. g. VDI nicht in die
Bewertung eingehen würde. Aus
Sicht der Maschinenbelastung wäre dies jedoch nicht
repräsentativ, weshalb hier der Rms-
wert auch in Abweichung zur VDI 3836 bis zur vierten Ordnung
gebildet wurde. Die Maschi-
ne nach Bild 6 überschreitet nur dann mit 13,7 den Grenzwert von
10,0 mm/s und ist so nur
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
255
für den Kurzzeitbetrieb zugelassen. Streng nach VDI 3836 wäre
diese Maschine in Gruppe 3
weich aufgestellt im Bereich nur bis zur dritten Ordnung mit 8,7
mm/s für Langzeitbetrieb
zulässig. Folgeschäden der hohen Anregung in diesem Fall an der
ersten Maschine waren
dann auch Risse im angeschlossenen Rohrleitungssystem.
Allerdings ist hier wie in den
meisten Fällen eine Abhilfe an der Maschine vor Ort nicht
möglich. Ausnahmen bilden Ver-
dichter mit externem Antrieb mit Riemen oder über Kupplung, wenn
dort die Ursache des
Schwingstärke-Anstiegs zu finden ist.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
1500f [H z]
0
2
4
6
8
10
12
14
v [mm/ s] D ru c k s e it e v e rt ik a l\ 1 0 0 3 2 2 0 _ 1 k _
V X P M a c h in e S p e c t ru m > 6 0 0 rp m (v e l) 2 0 . 0 5
. 2 0 0 5 1 3 : 1 3 : 4 4
Bild 6: Beispiel 2 - Geschwindigkeitsspektrum eines
Kältemittelverdichters mit integriertem
Antrieb ohne Getriebe (2990 rpm, 232 kW) mit v rms 13,7 mm/s in
vertikaler Richtung, 13,0
mm/s horizontal und axial 9,1 mm/s mit Ausstoßfrequenz bei 300
Hz.
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0
1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0f [ H z ]
0 , 0
0 , 5
1 , 0
1 , 5
2 , 0
2 , 5
3 , 0
3 , 5
4 , 0
4 , 5
5 , 0v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 1 0 0 3
2 2 0 _ 1 k _ V X P M a c h i n e S p e c t r u m > 6 0 0 r p m
( v e l ) 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 2 : 0 8 : 3 52 3 4 5 6789DM
Bild 7a:Geschwindigkeitsspektrum eines baugleichen
Kältemittelverdichters mit v rms 6,1
mm/s in vertikaler Richtung, 5,4 mm/s horizontal und axial 3,8
mm/s
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0
1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0f [ H z ]
0 , 0
0 , 5
1 , 0
1 , 5
2 , 0
2 , 5
3 , 0
3 , 5
4 , 0
4 , 5
5 , 0v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 1 0 0 3
2 2 0 _ 1 k _ V X P M a c h i n e S p e c t r u m > 6 0 0 r p m
( v e l ) 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1 2 : 0 8 : 3 54 3 2 1 1 2 3 DM
Bild 7b: wie 5a, hier Seitenbänder mit (50) 100 Hz beiderseits
der Ausstoßfrequenz 300 Hz
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 256
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4
0t [ m s ]
-6
-4
-2
0
2
4
6v [ m m / s ] D r u c k s e i t e v e r t i k a l \ 2 1 0 V X P
M a c h i n e t i m e s i g n a l > 6 0 0 2 0 . 0 5 . 2 0 0 5 1
2 : 0 8 : 5 9DM
Bild 7c: Impulsfolge von 100 Hz im Zeitsignal für 7b M- zu
D-Cursor 10 ms.
Der zweite baugleiche Verdichter im Bild 7a bis 7c zeigt eine
für den Langzeitbetrieb zulässi-
ge Schwingstärke im Frequenzbereich A von 6,1 mm/s. Bild 7a
zeigt die Vielfache der Aus-
stoßfrequenz wie im Bild 6. Die zwischen den Ordnungen der
Ausstoßfrequenz liegenden
Spitzen können leicht als Vielfache der einfachen und doppelten
der Drehfrequenz des
Hauptläufers verwechselt werden. Bild 7 b und 7 c zeigt jedoch,
dass es sich dabei um Im-
pulsfolgen mit der doppelten Drehfrequenz des Hauptläufers in
Bezug zur Ausstoßfrequenz
handelt.
Das dritte Beispiel ist ein Verdichtertyp für
Stickstoffförderung von Pulver mit Gleichlauf-
getriebe und einer Antriebs-Getriebestufe mit gekuppeltem
Antriebsmotor, dessen Aufbau
und Funktionsweise im Bild 8 dargestellt ist. Die
Antriebsdrehzahl 2990 rpm = 49,83 Hz wird
in der Zahnradstufe zum Hauptläufer auf 7831 rpm = 130,52 Hz
übersetzt und zum Neben-
läufer im Gleichlaufgetriebe und dem Schraubenverhältnis von 6
zu 4 auf 5221 rpm = 87,01
Hz.
Bild 8: Aufbau und Funktionsweise des Stickstoffverdichters zur
Pulverförderung, Draufsicht
mit Übersetzungsstufe, Getriebewelle, Haupt- und Nebenläufer und
dem Gleichlaufgetriebe
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
257
Bild 9a: Aufnehmer B-Seite radial horizontal und axial Bild 9b:
Aufnehmer B-Seite vertikal
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000f [Hz]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0v [mm/ s] 801C\ N eue Masc hine\ AR V BAX v t 0 ,02t5s\ DOW
BS AV BAX (B) 20.06 .2006 11:40 :142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 DM
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000f [Hz]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0v [mm/ s] T it le2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
DM
Bild 10: Geschwindigkeitsspektrum bis 10 kHz des
Stickstoffverdichters – Vielfache der Aus-
stoßfrequenz bei 523 Hz oben am Hauptläufer radial vertikal an
der Antriebsseite unten an
B-Seite axial, mit mobilen Messsystem erfasst
Für Maschinentest-Zwecke wurde hier temporär ein VIBNODE
Onlinesystem installiert, dass
in Bild 9a bis 9c mit den Aufnehmern gezeigt wird. Auch hier
liegt neben der 2. Ordnung ein
Leistungsanteil der Schwingstärke bei der 7. Ordnung der
Ausstoßfrequenz wie im Bild 10
sichtbar ist, was in diesem Fall in erweiterter Anwendung der o.
g. VDI beachtet werden soll-
te. Bild 10 zeigt ein Ergebnis aus einer mobilen Messung mit
Magnetankopplung mit Vielfa-
chen der Ausstoßfrequenz radial bis zur 8.Ordnung und im
Resonanzbereich bis zur 18.
Ordnung und im unteren Graphen in axialer Richtung linear bis
zur 8. und im Resonanzbe-
reich bis zur 13. Ordnung.
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 258
09.06.2006 10.06.2006 11.06.2006 12.06.2006 13.06.2006
14.06.2006 15.06.2006 16.06.2006D atum
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
v [mm/ s] H a u p t -& N e b e n lä u f e r R V A S \ 6 0 4
V e lo c i t y S p e c t ru m 1 K H z \ 1 . &2 . D re h f re q
u e n z e nM
Bild 11a: Schwingstärke Drehfrequenzbereich B - radial vertikal
an Antriebsseite
0 8 .0 6 .2 0 0 6 1 0 .0 6 .2 0 0 6 1 2 .0 6 .2 0 0 6 1 4 .0 6
.2 0 0 6 1 6 .0 6 .2 0 0 6D a tu m
0
2
4
6
8
1 0
v [mm / s] H a u p t - & N e b e n lä u f e r R V A S \ 6 0
5 V e lo c i t y S p e c t r u m 1 0 K H z \ 1 . 2 . 3 A u s s t o
ß f r e q u e n zM
Bild 11b: Schwingstärke Ausstoßfrequenzbereich B- radial
vertikal an Antriebsseite
Bild 11c: Prozessdaten Leistung und Enddruck
In den Trendverläufen Bild 11 a und 11b zeigt sich ein niedriger
Wert für den Frequenz-
bereich B mit 1,0 bis 1,5 mm/s und einen stark schwankenden
Verlauf für den Bereich A mit
1,5 bis 7,5 mm/s. Beides wird für die weich aufgestellte
Maschine in Gruppe 2 als für den
Langzeitbetrieb zulässig bewertet. Die Ursache der Schwankung
ist im Bild 11c sichtbar im
Zyklusbetrieb und den Druckschwankungen von 3,1 min
Leerlauf-Druck mit 0,17 bar bei 97 kW
Leistung bis zu 9,1 min bei vollem Förderdruck bei 1,38 bar mit
137 kW sowie 0,6 min Dru-
ckan- stieg und -abfall insgesamt über 60 min im Förderbetrieb.
In Abhängigkeit des Druckes
auch im Zusammenhang mit dem Anlagendruck schwankt entsprechend
die Schwingstärke
im Ausstoß-frequenzbereich. Eine Drucksteuerung der Messung war
hier naturgemäß im
Rahmen der temporären Überwachung nicht möglich.
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
259
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1
4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0f [ H z ]
0 , 0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1 , 0
v [ m m / s ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X v
t 9 , 0 s \ D O W B S A V B A X 4 A ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 2 :
4 3 : 3 02 DM
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1
4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0f [ H z ]
0 , 0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1 , 0
v [ m m / s ] T i t l e 2 DM
Bild 12a: Geschwindigkeitsspektrum bis 170 Hz mit den
Drehfrequenzen Antriebs- Getriebe-
welle 49,88 Hz, Hauptläufer 130 Hz und Nebenläufer 87 Hz, an
A-Seite des Hauptläufers
oben radial vertikal, unten an B-Seite axial
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t [ms]
-10
-5
0
5
10
s [µm Kanal A] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X s
t 2 , 5 s \ D O W B S A V B A X 5 (B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4
5 : 1 4 M
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t [ms]
-10
-5
0
5
10
s [µm Kanal B] T it le M
Bild 12 b: Zeitsignal Schwingweg bis 1000 ms in µm, an A-Seite
des Hauptläufers oben radi-
al vertikal, unten axial an B-Seite
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1
4 0 1 5 0f [H z]
0
1
2
3
4
s [µ m ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X s t 2 ,
5 s \ D O W B S A V B A X 5 ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 4 5 : 1
42 3 4 DM
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1
4 0 1 5 0f [H z]
0
1
2
3
4
s [µ m ] T i t le 2 3 4 DM
Bild 12c: Schwingwegspektrum bis 170 Hz aus 12b berechnet mit
den Drehfrequenzen An-
triebs-Getriebewelle 49,88 Hz, Hauptläufer 130 Hz und
Nebenläufer 87 Hz sowie der
Schwebungsfrequenz von 4,80 Hz, oben an A-Seite des Hauptläufers
radial vertikal, unten
axial an B-Seite
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 260
Der Drehfrequenzbereich des Verdichters wird in den Bildern 12 a
bis 12 c hoch aufgelöst
gezeigt. Die Drehfrequenz des Nebenläufers ist typischerweise
nur mit geringem Pegel kaum
erkennbar. Die Graphen 12 a und c zeigen nur geringe
drehfrequente Anregungen. Nie-
derfrequente Phänomene werden besser im Schwingweg wie im Bild
12 b und 12 c abgebil-
det, so um z.B. hörbare Schwebung im Verdichtungsprozess- oder
Druckleitungs-system
feststellen zu können.
2. Diagnose der Wälzlager, des Schraubeneingriffs- und
Getriebe-Zahneingriffs
Die Wälzlagerdiagnose sollte nach VDI 3832 [5] mit einem
Signalplot der Schwingbe-
schleunigung aus hochfrequent abgetasteten Zeitsignal,
Breitbandspektrum mindestens bis
10 kHz, Grundspektrum und Hüllkurvenspektrum erfolgen.
Entsprechend ist dafür eine
hochfrequent auswertbare Messkette von der Aufnehmerankopplung
über den Aufnehmertyp
bis zur Abtastrate hin einzusetzen, wofür entsprechende Hinweise
auch in VDI 3839 Blatt 1
[3] und Blatt 2 [4] zu finden sind.
Für die Diagnose des Zahneingriffs- und Schraubeneingriffs sind
prinzipiell die gleichen Sig-
nale im Plot verwendbar, wobei je nach Zahneingriffs- und
Drehfrequenzen die Frequenzbe-
reiche der Signale anzupassen sind. Zusätzlich wird hier ein
hochfrequentes Geschwindig-
keitssignal bis zu Vielfachen der Zahneingriffsfrequenz
benötigt.
Bild 13a zeigt für das Beispiel 3 einen Stickstoffverdichter das
hochfrequent abgetastete
Zeitsignal, wobei oben das Signal auf der A-Seite vom
Hauptläufer radial vertikal gezeigt
wird und unten das Signal axial auf der B-Seite. Sichtbar ist
hier in axialer Richtung die Mo-
dulation der elften Ordnung der Ausstoßfrequenz mit der
Ausstoßfrequenz selbst. Diese rela-
tiv hohe Körperschallanregung mit einer hohen Harmonischen der
Ausstoßfrequenz trat in
der Überwachung auch mit dem Onlinesystem auch mit anderen
wechselnden höheren Ord-
nungen der Ausstoßfrequenz temporär auf.
Wesentlich für eine Bewertung eines schadensfreien Zustandes ist
hier das es keine ausge-
prägten mechanische Resonanzgebiete im hochfrequenten Bereich
erkennbar sind. Die Mo-
dulation mit der Ausstoßfrequenz ist in Bild 13 c und die mit
der dazu überlagerten Drehzahl
des Hauptläufers im Bild 13 d im Spektrum markiert.
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VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
261
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4t [m s ]
-2 0 0
-1 0 0
0
1 0 0
2 0 0a [m / s ² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e
\ A R V B A X a t 0 . 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6
. 2 0 0 6 1 1 : 3 5 : 3 6
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4t [m s ]
-2 0 0
-1 0 0
05 0
1 5 0
a [m / s ² K a n a l B ] T i t l e
Bild 13a: Zeitsignal Schwing-Beschleunigung hochfrequent
abgetastet bis 25 ms, an A-Seite
des Hauptläufers oben radial vertikal, unten axial an
B-Seite
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f
[ H z ]
0
2 0
4 0
6 0
a [ m / s ² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A
R V B A X a f 1 5 k \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6
1 1 : 3 7 : 5 22 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8
1 9 DM
67)
1. E
ing
riff
1. S
tufe
au-
Üb
erro
llf.
1. S
tufe
89)
1. E
ing
riff
2. S
tufe
au-
Übe
rrol
lf. 2
. Stu
fe
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f
[ H z ]
0
2 0
4 0
6 0
a [ m / s ² K a n a l B ] T i t l e2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1
3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 DM
Bild 13b: Geschwindigkeitsspektrum bis 15 kHz aus 14a berechnet
mit Vielfachen f Aus
1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0
9 0 0 0 1 0 0 0 0f [H z]
0
2 0
4 0
6 0
a [m / s²] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B A X a t 0
. 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1 : 3 5
: 3 68 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM
1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0
9 0 0 0 1 0 0 0 0f [H z]
0
2 0
4 0
6 0
a [m / s²] T i t l e 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM
Bild 13c: Zoom im Bild 14b, axial bei der 11.Ordnung der
Ausstoßfrequenz = 5742,19 Hz mit
Seitenbändern f Aus = 522,46 Hz
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 262
3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0
7 0 0 0 7 5 0 0f [ H z ]
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0a [ m / s ² ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X
a t 0 . 0 2 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1 1
: 3 5 : 3 68 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM
3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0
7 0 0 0 7 5 0 0f [ H z ]
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0a [ m / s ² ] T i t l e 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 DM
Bild 13d: Zoom im Bild 14b, axial bei 11.O.= 5742,19 Hz mit
Seitenbändern f n HL =131,38 Hz
Bild 14 zeigt den bei der Schwingstärke bereits ausgeführten
Einfluss der Druckschwankung
im Beispiel 3 auch hier in der Beschleunigung im Bereich 3 bis
10 kHz, was mit dem Druck-
verlauf im Bild 11c gut korreliert. Um hier einen typischen
Körperschallkennwert überwachen
zu können, muss der Enddruck mit erfasst werden.
Bild 14: Schwankung der Schwingbeschleunigung im Bereich
zwischen 3 und 10 kHz durch
Druckschwankung zwischen Förderdruck 1,4 bar und Leelaufdruck
0,2 bar im Zyklus nach
Bild 11c an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal
Bild 15: Verdichter an A-Seite HL radial vertikal, a(f) 1.-13.f
Aus , 5. bei 6 m/s² 7. bei 17 m/s²
Bild 16: Verdichter an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal,
Hüllkurvenspektrum bis 1,2
kHz a HKD (f) 1.-2. f Aus; 1. bei 3,3 m/s² 2. bei 1,3 m/s²
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
263
0 2 0 0 4 00 60 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 00 1 60 0 18 0 0 2 0
0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 00 3 00 0f [H z]
0
5
10
15
20
a [m/ s² K a n a l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V
B A X a h f 3 k \ D O W B S A V B A X 1 5 ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6
1 3 : 1 0 : 1 42 3 4 DM
0 2 0 0 4 00 60 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 00 1 60 0 18 0 0 2 0
0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 00 3 00 0f [H z]
0
5
10
15
20
a [m/ s² K a n a l B ] T i t le 2 3 4 DM
Bild 17: Grundspektrum bis 3,2 kHz, Verdichter des Hauptläufers,
oben an A-Seite radial
vertikal, unten axial an B-Seite, a (f) 1.-5. f Aus; 1. bei 13,3
m/s² 2. bei 2,0 m/s²
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24t [ms]
-10
-5
0
5
10v [mm/ s Kana l A ] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h in e \ A R V B
A X v t 0 , 0 2 t 5 s \ D O W B S A V B A X (B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0
6 1 1 : 4 0 : 1 4M
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24t [ms]
-10
-5
0
5
10v [mm/ s Kana l B ] T i t leM
Bild 18a: Zeitsignal Schwing-Geschwindigkeit hochfrequent
abgetastet bis 25 ms, an A-Seite
des Hauptläufers oben radial vertikal, unten axial an
B-Seite
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f
[H z]
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0v [m m / s] 8 0 1 C \ N e u e M a s c h i n e \ A R V B A X
v t 0 , 0 2 t 5 s \ D O W B S A V B A X ( B ) 2 0 . 0 6 . 2 0 0 6 1
1 : 4 0 : 1 42 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8
DM
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0f
[H z]
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0v [m m / s] T i t l e2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5
1 6 1 7 1 8 DM
Bild 18b: Geschwindigkeitsspektrum bis 15 kHz aus 18a berechnet
mit Vielfachen f Aus
Bild 15 und 17 des Grundspektrums und Bild 16 mit dem
Hüllkurvenspektrum zeigen im
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 264
wesentlichen die Schadensfreiheit der Wälzlager, da die
typischen Überrollfrequenzen der
Wälzlager hier nicht detektierbar sind. Die hochfrequenten
Stoßanregungen mit der Ausstoß-
frequenz sind auch im Hüllkurvenspektrum als Demodulationen
sichtbar.
Die Zahneingriffsfrequenzen sind ebenso nur mit sehr niedrigen
Pegel in den vorherigen
Signalen wie auch in den Geschwindigkeitsspektren 18 a und 18b
vertreten, was ein Merk-
male für eine Schadens- und Fehlerfreiheit der Zahneingriffe
darstellt.
Bild 19: Beispiel 3, Stickstoffverdichter, Breitbandspektrum der
Beschleunigung mit Effektiv-
werten a rms 16 bis 23 m/s² - B-Seite Hauptläufer radial
vertikal – hier ein Signal pro Tag
Die Körperschallspektren des Stickstoffverdichters aus Beispiel
3 mit einem dargestellten
Breitbandspektrum pro Tag von der B-Seite mit den
Zahnradantrieben zeigen im Bild 19 eine
deutlich höhere Variation in den Pegeln der Ordnungen der
Ausstoßfrequenz als oben ge-
zeigt in der Maschinenschwingung, wie es aber bei hochfrequenten
Signalen typisch ist. Die-
se starke Variation schränkt die Aussagefähigkeit von mobilen
Einmal- Messungen deutlich
ein und muss ebenso in der Projektierung von Online-
Überwachungen beachtet werden, in
denen diese Variation erfasst werden kann.
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
265
3. Diagnose mit zusätzlichen Messungen
Weitere Diagnosemöglichkeiten an Schraubenverdichtern stellen
Luftschallmessungen mit
Messmikrofon, Motorstromanalysen mit Stromzange an den
Stromphasen des Antriebs-
motors und Signalmessungen des dynamischen Drucks mit
Druckaufnehmern an der Druck-
leitung dar, die vorzugsweise parallel zu Körperschallmessungen
ausgeführt werden.
Bild 20: Schallschutzgehäuse mit Onlinesystem und Messmikrofon
zur mobilen Messung
Bild 21a: Oben Schallpegelmessung, dominant Vielfache 4. Ordnung
der Ausstoßfrequenz
Bild 21b: synchron zu 21 a gemessene Beschleunigung an A-Seite
des Hauptläufers vertikal
Bild 20 a zeigt die Befestigung des Messmikrofons zur
Luftschallmessung zur mobilen Diag-
nosemessung und das VIBNODE- Onlinesystem für das Beispiel 2.
Bild 21a zeigt oben die
Luftschallpegelmessung mit den dominierenden Vielfachen der
Ausstoßfrequenz, insbeson-
dere der 4. Ordnung, die auch audio-akustisch dominierend
wahrgenommen wird und die bis
auf die 7. und 8. Ordnung etwas unterschiedlich zum unten
abgebildeten Körperschallspekt-
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 266
rum sind. Die Unterschiede begründen sich in den in den
Schall-Abstrahlungsphänomenen
der Gehäuseflächen und in Auswirkungen der Schallschutz-kabine.
Im Bild 21b werden in
den Spektren aus 21a die dominante vierte Ausstoßfrequenz mit
Seitenbändern der Aus-
stoßfrequenz selbst gezeigt.
Bild 21c: Oben Schallpegelmessung, dominant 4. Ordnung der
Ausstoßfrequenz – unten
Beschleunigung an A-Seite des Hauptläufers radial vertikal
Bild 22a und 22b zeigt für Beispiel 1 ebenso das
Breitbandbeschleunigungsspektrum im
Vergleich zum Luftschallspektrum. Die oben genannten Phänomene
sind hier trotz deutlich
unterschiedlicher Verdichtertypen hier vergleichbar
anzutreffen.
Insgesamt hat die Luftschallmessung einen integrierenden
Charakter, womit gute Über-
sichtsbewertungen durchgeführt werden können und womit vor Ort
beobachtete audio-
akustische Phänomene nachgewiesen und diagnostiziert werden
können.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
2800 3000f [Hz]
0,00,5
1,0
1,5
2,02,5
3,0
3,5
4,0
a [m/ s²] S c h ra u b e n v e rd ic h t e r H a u p t lä u f e
r N D E \ K ö rp e rs c h a l l 6 0 2 1 0 k H z 3 1 . 0 5 . 2 0 0 6
0 0 : 0 0 : 5 9M
(49,
83)
1.R
es. R
PM
(99,
67)
2.R
es. R
PM
(149
,50)
3.R
es. R
PM
(199
,33)
4.R
es. R
PM
(299
,00)
1.A
usst
oß 4
/6
(598
,00)
2.A
usst
oß 4
/6
(897
,00)
3.A
usst
oß 4
/6
(119
6,00
) 4.
Aus
stoß
4/6
(149
5,00
) 5.
Aus
stoß
4/6
Bild 22a: Beispiel 1 Beschleunigungs- Breitbandspektrum mit
Vielfachen der Ausstoß-
frequenz und der Drehfrequenz Hauptläufer radial vertikal
B-Seite
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 A 11
267
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0
0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0f [H z ]
0 , 0
0 , 5
1 , 0
1 , 5
2 , 0
2 , 5
3 , 0 [ P A ] L u f t s c h a l l A K M 1 H A E H 4 D B ( B ) \
A K M 1 H A E H 4 D B 3 k 0 1 . 0 2 . 2 0 0 6 1 4 : 2 3 : 2 22 3 4
5 6 7 9 1 0DM
Bild 22b: Beispiel 1 Luftschallspektrum mit Vielfachen f Aus und
Drehfrequenz Hauptläufer
Bild 22 c und d zeigen einen Vergleich des Beschleunigung-
Grundspektrums mit dem vom
Druckaufnehmer aufgenommenen Spektrum an der Druckleitung des
Verdichters aus Bei-
spiel 1.
Der Druckaufnehmer liefert im wesentlichen nur die erste Ordnung
der Ausstoßfrequenz,
wobei aber hier direkt die Pulsation der Drucksäule des
Verdichters überwacht werden kann.
0 1 00 2 0 0 3 0 0 4 0 0 50 0 6 0 0 7 0 0 8 00 9 0 0 1 0 0 0 11
0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 40 0 1 5 0 0f [H z]
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
2 ,5
a [m/ s²] S c h ra u b e n v e rd i c h t e r H a u p t lä u f e
r N D E \ S c h r a u b e n e in g r i f f 6 0 1 1 k H z 1 7 . 0 6
. 2 0 0 6 0 0 : 0 1 : 0 6 M
(49,
67)
1.R
es. R
PM
(99,
33)
2.R
es. R
PM
(149
,00)
3.R
es. R
PM
(198
,67)
4.R
es. R
PM
(298
,00)
1.A
usst
oß 4
/6
(596
,00)
2.A
usst
oß 4
/6
(894
,00)
3.A
usst
oß 4
/6
(119
2,00
) 4.
Aus
stoß
4/6
(149
0,00
) 5.
Aus
stoß
4/6
Bild 22c: Beispiel 1 Beschleunigungs- Grundspektrum mit
Vielfache Ausstoßfrequenz und
Drehfrequenz Hauptläufer radial vertikal B-Seite
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
1500f [H z]
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10a [m/ s²] D ru c k d y n a m is c h \ P u ls a t io n s s p
e k t ru m in b a r 6 0 1 1 k H z 1 9 . 0 6 . 2 0 0 6 0 0 : 0 0 : 3
1M
(49,
83)
1.R
es. R
PM
(99,
67)
2.R
es. R
PM
(149
,50)
3.R
es. R
PM
(199
,33)
4.R
es. R
PM
(299
,00)
1.A
usst
oß 4
/6
(598
,00)
2.A
usst
oß 4
/6
(897
,00)
3.A
usst
oß 4
/6
(119
6,00
) 4.
Aus
stoß
4/6
(149
5,00
) 5.
Aus
stoß
4/6
Bild 22d: Beispiel 1 Spektrum des dynamischen Drucks in
Druckleitung mit Ausstoßfrequenz
p dyn
-
VDI-Berichte Nr. 1932, 2006 268
4. Literatur
[1] VDI 3836 Entwurf Messung und Beurteilung mechanischer
Schwingung von Schrau-
benverdichtern und Rootsgebläsen - Ergänzung von DIN ISO
10816-3; Ausgabe 2005-
03
[2] DIN ISO 10816-3: " Mechanische Schwingungen - Bewertung der
Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 3:
Industrielle Maschi-
nen mit Nennleistungen über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen
120 min-1 und
15000 min-1 bei Messungen am Aufstellungsort”, Ausgabe
1998-12
[3] VDI 3839 Blatt 1: Hinweise zur Messung und Interpretation
der Schwingungen von
Maschinen - Allgemeine Grundlagen, Ausgabe 2001-03
[4] VDI 3839 Blatt 2: Hinweise zur Messung und Interpretation
der Schwingungen von
Maschinen - Schwingungsbilder für Anregungen aus Unwuchten,
Montagefehlern, La-
gerungsstörungen und Schäden an rotierenden Bauteilen , Ausgabe
2001-06
[5] VDI 3832 Entwurf: “ Schwingungs- und Körperschallmessung zur
Zustandsbeurteilung
von Wälzlagern in Maschinen und Anlagen”, Ausgabe 2005-01