Wie funktioniert die Schwingungsüberwachung an Maschinen?

Das Wichtigste auf einen Blick

Messprinzip: Von der Bewegung zum Signal

Eine Maschine bewegt sich im Betrieb immer. Wellen drehen sich, Zahnräder greifen ineinander, Lager rollen ab. Dabei entstehen Schwingungen, also periodische Bewegungen um eine Ruhelage. Die Schwingungsüberwachung misst diese Bewegungen und leitet daraus den Zustand der Maschine ab.

Kernstück ist ein Sensor, der die Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt. Am häufigsten kommen piezoelektrische Beschleunigungssensoren zum Einsatz. In ihnen sitzt eine seismische Masse auf einem piezoelektrischen Kristall. Bewegt sich das Gehäuse, drückt die Masse auf den Kristall und erzeugt eine elektrische Ladung. Diese Ladung ist proportional zur Beschleunigung.

Das Signal wird verstärkt, gefiltert und digitalisiert. Aus der Beschleunigung lässt sich durch Integration die Schwinggeschwindigkeit und daraus der Schwingweg berechnen. Jede Messgröße hat ihren eigenen Frequenzbereich. Die folgende Tabelle zeigt typische Werte.

Die Schwinggeschwindigkeit in mm/s hat sich für die Bewertung von Maschinen durchgesetzt. Sie ist in der Normenreihe DIN ISO 10816 beziehungsweise deren Nachfolger DIN ISO 20816 verankert. Der Effektivwert (RMS) der Schwinggeschwindigkeit dient als Kennzahl für den Schweregrad.

Sensoren, Montage und Signalweg

Beschleunigungssensoren von PCB Piezotronics gehören zu den verbreiteten Sensoren für industrielle Anwendungen. Sie arbeiten nach dem IEPE-Prinzip (Integrated Electronics Piezo-Electric). Der Sensor liefert ein Spannungssignal, das direkt von einem Datenlogger oder einer Messkarte gelesen werden kann. Ein Ladungsverstärker ist dann nicht nötig.

Die Montage bestimmt die Messqualität. Ideal ist eine Schraubverbindung mit ebener, sauberer Auflagefläche. Klebepads sind eine Alternative für kurze Messungen. Magnetadapter sind schnell, dämpfen aber hohe Frequenzen und verfälschen das Ergebnis. Deshalb sind sie für die Diagnose von Lagerschäden weniger geeignet.

Der Messort folgt der Norm. Bei elektrischen Maschinen wird an Lagerstellen gemessen, und zwar radial und axial. Die Messrichtung ist senkrecht zur Welle meist am aussagekräftigsten. Die VDI 3832 ergänzt die Normen um Hinweise zur Messung an Getrieben und anderen Maschinenelementen. Sie beschreibt, wie Schwingungen erfasst und bewertet werden.

Für die Zustandsüberwachung im Feld gibt es Systeme, die Schwingungsdaten direkt in Instandhaltungspläne überführen. Ein Beispiel sind die Lösungen von SKF für zustandsbasierte Instandhaltung.

Normen, Schwellenwerte und Zonen

DIN ISO 10816 teilt den Schwingungszustand in vier Zonen ein. Zone A steht für neu in Betrieb genommene Maschinen. Zone B erlaubt den dauerhaften Betrieb. Zone C erlaubt nur einen begrenzten Weiterbetrieb. Zone D bedeutet Gefahr durch Schäden. Die konkreten Grenzwerte hängen von Maschinentyp, Leistung und Lagerungsart ab.

Die Messung allein genügt nicht. Für eine Diagnose werden Frequenzspektren analysiert. Eine Unwucht erzeugt eine Schwingung mit der Drehfrequenz. Ein Lagerschaden zeigt sich an hohen Frequenzen und Seitenbändern. Verzahnungsprobleme erscheinen bei der Zahneingriffsfrequenz. Aus dem Muster lassen sich Ursachen ableiten.

Rechtlich stützt sich die Überwachung auf die Betriebssicherheitsverordnung. Sie verlangt, dass Arbeitsmittel in einem sicheren Zustand gehalten und wiederkehrend geprüft werden. Schwingungsmessungen liefern dafür dokumentierbare Nachweise. Welche Regeln zum Arbeitsschutz aus Normen abgeleitet werden, beschreibt die DIN-Übersicht zum Arbeitsschutz in der Normung.

Kosten und Nutzen im Alltag

Ein tragbares Schwingungsmessgerät mit einem Beschleunigungssensor kostet etwa 1.200 Euro netto. Beispielrechnung: 1.200 Euro netto plus 19 Prozent MwSt. ergibt 1.428 Euro brutto. Hinzu kommen Kabel, Montagematerial und die Kalibrierung des Sensors. Fest installierte Online-Systeme mit mehreren Sensoren kosten deutlich mehr, je nach Kanalzahl und Software. Neben tragbaren Geräten gibt es stationäre Messtechnik und Verfahren zur Schwingungsüberwachung von PRÜFTECHNIK.

Der Nutzen liegt in der Früherkennung. Ein Lagerschaden kündigt sich Wochen vor dem Ausfall an. Wird er rechtzeitig erkannt, lässt sich die Reparatur planen. Der ungeplante Stillstand entfällt, die Ersatzteilbestellung erfolgt vorab. Das senkt die Instandhaltungskosten und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Messungen an denselben Punkten schaffen Vergleichswerte. Diese Trends sind oft aussagekräftiger als einzelne Momentaufnahmen.

Häufige Fragen

Welche Messgröße ist die richtige?

Für die allgemeine Bewertung nach DIN ISO 10816 ist die Schwinggeschwindigkeit in mm/s üblich. Für Lagerschäden und hohe Frequenzen eignet sich die Beschleunigung in m/s².

Wie oft muss gemessen werden?

Das hängt von der Maschine ab. Für kritische Anlagen sind feste Intervalle oder eine kontinuierliche Überwachung sinnvoll. Unkritische Maschinen werden bei Bedarf geprüft.

Reicht ein einfaches Schwingungsmessgerät?

Für die Trendüberwachung oft ja. Für die Ursachensuche braucht es eine Frequenzanalyse. Ein Gerät mit FFT-Funktion zeigt, welche Frequenzen die Schwingung verursachen.

Welche Norm gilt für meine Maschine?

DIN ISO 10816 wurde durch DIN ISO 20816 abgelöst. Die Teile der Normenreihe gelten je nach Maschinentyp. VDI 3832 ergänzt die Messung an Getrieben.

Muss ich die Messwerte dokumentieren?

Die BetrSichV verlangt Prüfungen von Arbeitsmitteln. Dokumentierte Messwerte belegen den Zustand und helfen bei der Planung.