Schwingungsanalyse

Fehlerdetektion in schwingungsfähigen Systemen


Transformation ins Frequenzspektrum

Bei der Schwingungsanalyse geht es darum, das Schwingungsverhalten von Messgrößen zu charakterisieren und auf zeitliche Veränderungen zu untersuchen. Signale können dabei z.B. elektrische Ströme oder etwa Beschleunigungen sein.  Zur Beschreibung der Schwingungssignale erfolgt die Zerlegung des Signals in dessen Frequenzspektrum, welches beschreibt, wie stark die jeweiligen Frequenzen in das Gesamtsignal eingehen.


Detektion von Anomalien im Frequenzspektrum

Veränderungen im bekannten Frequenzspektrum, beispielsweise eines Kugellagers, können auf einen möglichen Verschleiß oder Defekt hindeuten. Mittels der sich veränderten Schwingungsfrequenzen lässt sich in vielen Fällen sogar die Art des Defekts herauslesen bzw. die dominierende Verschleißkomponente identifizieren. Maschinelle Lernverfahren werden dann dazu verwendet, das optimale Frequenzspektrum eines intakten Systems zu lernen, welches als Referenz für den Vergleich mit noch unbekannten Spektren vergleichbarer Systeme dienen kann.


Globale oder lokale Frequenzanalyse

Prinzipiell lässt sich hier zwischen zwei Ansätzen unterscheiden: Beim ersten Ansatz untersucht man das Frequenzspektrum eines Signals im Gesamten. Man erhält somit alle Frequenzanteile, welche im Signal enthalten sind, verliert jedoch die Information über die exakte zeitliche Lokation der Anteile. Beim zweiten Ansatz werden zeitlich lokalisierte oszillierende Funktionen, die sich in Frequenz und Zeitlokation unterscheiden, mit dem zu analysierenden Signal verglichen. Im Gegensatz zum ersten Ansatz bleibt hierbei die Lokationskomponente erhalten, wodurch auch Signale, deren Schwingungsverhalten sich zeitlich ändert, zeitabhängig analysiert werden können.   

Veränderung des Schwingungsverhaltens

In der Abbildung wird die zeitliche Veränderung der Vibration eines mechanischen Systems untersucht. Im oberen Teil wird das geglättete Beschleunigungssignal als Funktion der Zeit dargestellt. Das Ergebnis der Schwingungsanalyse zeigt, dass ab etwa 360s die Frequenz im dargestellten Zeitraum kontinuierlich zunimmt, was auf einen Schaden in der untersuchten Komponente hindeuten kann. Das normierte Spektrum, rechts dargestellt, zeigt die Frequenzverteilung über den gesamten Betrachtungszeitraum. Die Hauptschwingungsfrequenz der intakten Komponente liegt bei etwa 65 Hz. Das Spektrum des fehlerhaften Systems weicht qualitativ deutlich davon ab. 

Nach diesem Vorgehen lassen sich über Schwingungsanalysen frühzeitig Fehler einzelner Bauteile detektieren. Die Art und Weise des Schwingungsverhaltens einer Maschine bzw. eines Bauteils während eines konkreten Bearbeitungsschritts kann eine hohe, eindeutige Spezifität aufweisen, sodass Abweichungen in der Schwingungscharakteristik Hinweise auf mögliche Schäden und Verschleißprozesse liefern können.

Ihr Nutzen aus der Schwingungsanalyse

Fehler
frühzeitig erkennen

Kontrolle
erhöhen

Qualität
steigern

Effizienz
erhöhen

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