Schaufelradbagger im Braunkohletagebau

Minenschaufelbagger. Während der routinemäßigen Prüfungen steht der Bagger stationär auf ebenem Boden und die Elektromotoren laufen lastfrei mit konstanter Geschwindigkeit. Die an jedem der Motorlager vorgenommenen Schwingungsmessungen sind dann zuverlässig, wiederholbar und unterliegen keinen Schwankungen aufgrund des Betriebs der Schaufel, der Kippbewegung, der Drehbewegungen oder der Fahrt des Baggers. - Bild: frankoler - Fotolia.com

Schaufelradbagger im Braunkohletagebau

Minenschaufelbagger. Während der routinemäßigen Prüfungen steht der Bagger stationär auf ebenem Boden und die Elektromotoren laufen lastfrei mit konstanter Geschwindigkeit. Die an jedem der Motorlager vorgenommenen Schwingungsmessungen sind dann zuverlässig, wiederholbar und unterliegen keinen Schwankungen aufgrund des Betriebs der Schaufel, der Kippbewegung, der Drehbewegungen oder der Fahrt des Baggers. – Bild: frankoler – Fotolia.com

Derzeit stehen dabei insbesondere mobile Maschinen auf der Agenda: Bagger, Baggerschaufeln, Förderanlagen, Schwerlast-Lkw sind ebenso wichtig für die Produktion und genauso “kritisch” wie ein Gaskompressor.

Anders als bei stationären Anlagen birgt die Überwachung mobiler Maschinen jedoch besondere Herausforderungen, die zu bewältigen sind, um eine präzise, wiederholbare und zuverlässige Datenerfassung zu ermöglichen. Dazu zählen etwa hohe Geschwindigkeiten und Belastungsschwankungen. Auch die Logistik der Sensormontage, die Verkabelung und die Netzwerkkommunikation sowie die Bedingungen ihrer Wartung machen die Überwachung dieser Maschinen außerordentlich kompliziert.

Geschwindigkeits- und Belastungsschwankungen

Zuverlässige, wiederholbare Schwingungsmessungen erfordern seit jeher Beharrungszustände, also konstante Drehzahlen und Belastungen. Die Daten müssen den Zustand der Maschine beschreiben und somit tatsächliche Veränderungen aufgrund einsetzender Fehlerzustände wiedergeben – und nicht Ver­änderungen aufgrund von Änderungen des Betriebszustands. So leidet die Zuverlässigkeit der Daten etwa dann, wenn sich die Geschwindigkeit während eines typischen Messzyklus ändert. Auch die Wiederholgenauigkeit wird dadurch eingeschränkt.

Eine Lösung bestand bisher darin, Schwingungsmessungen an der Maschine nur im Beharrungszustand durchzuführen. Das Problem bei diesem Testverfahren besteht jedoch darin, dass manche Fehlerzustände nur auftreten, wenn die Maschine unter Last betrieben wird, sodass diese Daten nur begrenzt nutzbar sind. Möglicherweise gibt es jedoch noch eine bessere Methode durch selektives Triggern auf der Grundlage der Drehzahl. Die Definition eines wiederholbaren “Betriebszustands” oder “Maschinenzustands”, der sich durch Messung von Parametern wie der Drehzahl, der Drehrichtung und der Last ermitteln lässt, sorgt für die Erfassung zuverlässiger und wiederholbarer Schwingungsdaten während dieses Maschinenzustands.

Ordnungsverfolgung & Ordnungsanalyse

In einigen Fällen ändert sich die Maschinendrehzahl jedoch ständig. Dies erschwert die Definition eines Maschinenzustands. Eine normale FFT-Analyse würde dann aufgrund der schnellen Veränderungen der Drehzahl über den Zeitraum einer FFT-Aufzeichnungslänge zu undeutlichen Spektralkomponenten führen. Das “Verwischen” der Spektralkomponenten entsteht durch die feste Abtastrate des FFT-Prozesses, die schnelle Veränderung der Drehzahl während der FFT-Aufzeichnung und die daraus resultierende Schwankung des Schwingungspegels und der Schwingungsfrequenz.

Prüftechnik Schwingungsmesssystem

Moderne Online-Schwingungsmesssysteme liefern Betreibern unter Verwendung der Ordnungsanalyse eine zuverlässige und wiederholbare Methode für den Vergleich der Ordnungsspektren und bilden den tatsächlichen Maschinenzustand ab. Verfälschungen durch Drehzahländerungen werden so herausgefiltert. – Bild: Prüftechnik

Die Ordnungsverfolgung ist ein Prozess, in dessen Verlauf eine bestimmte Frequenzkomponente, die 1. Harmonische 1X, aus einem Frequenzspektrum bei verschiedenen Drehzahlen extrahiert wird. Diese Methode ist besonders für Anlauf- oder Abschaltmessungen nützlich, bei denen Geschwindigkeitsveränderungen innerhalb kurzer Zeiträume und typischerweise zwischen 1.800 und 300 U/min mit moderater Änderungsgeschwindigkeit auftreten.

Diese Methode der Ordnungsverfolgung wird im Gegensatz zum kontinuierlichen Online-Monitoring am häufigsten und grundsätzlich zur Ermittlung der Maschinenschwingungen innerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs angewendet. Die extrahierten Scheiben im Vergleich zur Drehzahl (Z-Messrichtung) zeigen dem Analysten, wie die Größe der einzelnen Frequenzkomponenten, wie etwa 1X, bestimmte natürliche Frequenzen in der Maschinenstruktur auslösen kann. Auch hier muss die Messung wieder sorgfältig konfiguriert werden, um Verwischungen zu vermeiden. Hierbei sind die FFT-Aufzeichnungslänge (T*), das Drehzahlintervall und die Anstiegsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.

Eine alternative Methode, die Ordnungsanalyse, synchronisiert hingegen die FFT-Abtastrate mit der Maschinendrehzahl. Die Umsetzung dieses Verfahrens erfolgte bisher in Echtzeit mit einem Verfolgungsfrequenzmultiplikator. Hierbei wurde die Abtastfrequenz als integres Vielfaches (Ordnung) der Drehzahl abgeleitet. Die moderne digitale Signalanalyse nutzt hingegen eine Aufzeichnung sowohl des Zeitsignals als auch des Drehzahlsignals. Die Ordnungsanalyse erfolgt dann in der Nachbearbeitung. Dabei ergibt die Interpolation des Drehzahlsignals eine Resampling-Rate, die auf das Zeitsignal angewendet wird. Die daraus folgende FFT erzeugt das Ordnungsspektrum.

Hardware-Installation und Logistik

Prüftechnik Beschleunigungssensor

Mini-Beschleunigungssensor, Gehäuse und Hydraulikschlauch-Kabelschutz. – Bild: Prüftechnik

Die Auswahl der Messpunkte an mobilen Bergbaumaschinen unterliegt Kriterien, die mit der Überwachung stationärer Anlagen vergleichbar sind. Dazu gehören etwa die Kritikalitätseinstufung, historische Wartungsdaten, Zugänglichkeit und Sicherheitserwägungen. Einige speziell Punkte bedürfen jedoch einer eingehenderen Betrachtung, und zwar die Sensorkonnektivität und Zugänglichkeit der Standort der Maschine im Bergwerk Netzwerkkommunikation und PC-Softwarekonfiguration Sensoren werden für den Einsatz in widrigen industriellen Umgebungen entwickelt. Während Kabelkanäle in stationären Anlagen jedoch in eine relativ statische Umgebung eingebettet sind, benötigen Sensorkabel für mobile Maschinen einen zusätzlichen Schutz gegen äußerliche Beschädigungen etc. In diesen Anlagen werden Hydraulikschläuche mit kleinem Durchmesser erfolgreich eingesetzt.

Das Anbringen von Bohrungen für die Montage der Messwertgeber erweist sich oftmals, insbesondere während der Garantiefristen, als nicht möglich. Der Grund liegt darin, dass viele OEM-Hersteller nicht mit dem der Schwingungsüberwachung zugrunde liegenden Prinzip vertraut sind bzw. ganz einfach der Anbringung nicht genehmigter Komponenten durch Dritte widersprechen.

Einige große Hersteller rüsten ihre Aggregate allerdings bereits vorab mit Montagemöglichkeiten für externe Aufnehmer aus. Die vorgesehenen Montagepunkte sind jedoch leider oftmals nicht optimal für die Messwerterfassung geeignet. Als Lösung können Messaufnehmer dann an die Maschine geklebt werden. Moderne Monitoring-Systeme nutzen die TCP/IP-Netzwerkkommunikation und können mit einem Funkmodem zur Kommunikation mit dem internen Wi-Fi-Netzwerk ausgestattet werden. Einige Hersteller von Online-Schwingungsüberwachungslösungen bieten auch einen Hosting-Service für die Software und die Daten über Cloud-Server an. Diese Option wird zunehmend beliebter und bietet viele Lösungen für Probleme der internen Netzwerksicherheit und des Zugangs für Drittanbieter wie den technischen Support oder für System-Upgrades.

Die Vernetzung der Anlage erfordert sorgfältige Planung, die Offenlegung von Informationen und genaue Kenntnis der Verantwortung für die Daten. Die IT-Abteilung spielt eine wesentliche Rolle bei der Installation der Software, der Konfiguration des Netzwerks und für den Zugang des Anbieters über die Cloud, TeamViewer™ oder Remote-Desktop-Anwendungen. Darüber hinaus müssen vollständig mobile Bergbaumaschinen wie etwa Schwerlast-Lkw aufgrund der Wi-Fi-Reichweite an einem Datenwegpunkt anhalten, um Messungen in das Netzwerk hochzuladen.

Ron Newman

Kontakt:

Prüftechnik Dieter Busch AG, E-Mail: rnewman@pruftechnik.ca