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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse
Diplomarbeit
Online Condition Monitoring von Windenergieanlagen
mittels Krperschallanalyse
Marc Thomsen, im Juli 2002
Fachhochschule Flensburg
GEO Gesellschaft fr Energie und Oekologie
Verleihexemplar Lager- und Getriebedaten sind unkenntlich gemacht! Rckfragen an: Marc Thomsen, [email protected]
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 2
Danksagung
Viele freundliche Leute haben mit Ihrem Wissen und Knnen zu dieser Diplomarbeit beigetragen. Ihnen allen danke ich dafr recht herzlich: Prof. Dr. Hans-Jrgen Sponholz vom Institut fr Maschinen und Anlagentechnik an der FH Flensburg fr die Betreuung der gesamten Diplomarbeit Dr. Hermann van Radecke vom Institut fr Physik an der FH Flensburg fr die begleitenden Gesprche und die zahlreichen Hinweise und Erluterungen zu Spektralanalysen Torsten Johnson von der Firma GEO fr die Idee zum Thema dieser Diplomarbeit Klaus Vaehsen von der Firma DMT fr die Kooperation und die Beantwortung zahlreicher Fragen zum Condition-Monitoring-System DMT-ZUMWART online Prof. Dr. Andreas Seeliger vom Institut fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der RWTH Aachen und Dr. Jianfeng Shan von der Firma SKF Deutschland fr ihre Erluterungen zu diagnosetechnischen Besonderheiten bei Planetengetrieben Horst Kindler fr seine Ttigkeit als Lektor Marc Thomsen, im Juli 2002 Titelbild: 3D-Ansicht der Baugruppen im Maschinenhaus einer Windenergieanlage Vestas V66 /1/, Hintergrund: Beispiel eines Krperschallfrequenzspektrums
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 3
Inhalt Seite 1. Formelzeichen und Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Grundlagen der Maschinendiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von Krperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. kinematische Zusammenhnge im Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Wlzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.2. Zahnradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngren . . . . . . . . . . . 3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
und Anstreifvorgngen 3.6. Detektion von Stoimpulsen an Wlzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7. Hllkurvenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1. Amplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7.2. Hllkurvenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8. Wlzlagerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.9. Verzahnungsdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.10. Einfluss variabler Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.11. Einfluss variabler Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66 . . . . . . .
4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 1,65 MW . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1. Daten der zu berwachenden Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und Primrgeneratorlager . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.3. Getriebekinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Signalerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2. Signalverarbeitung und -speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und visualisierung . . . . . . . . . .
5. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Drehzahlabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Ermittlung des Verschleizustandes der WEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1. Spektralanalyse bei konstanter Drehzahl und niedriger Last . . . . . . . . . . . . .5.2.2. Gegenberstellung der manuellen und der automatischen Auswertung . . . .
5.3. Auswirkung von Drehzahlnderungen auf die Spektraldaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Bercksichtigung unterschiedlicher Anlagenbelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1. Leistungsabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Windgeschwindigkeitsabhngige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . .5.4.3. Vergleich der Klassierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Quellenangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
5
7799
10151517
1820202122252728
292930333435353839
43434444545565676870
73
75
77
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1. Formelzeichen und Abkrzungen
Druckwinkel
Kreisfrequenz
M Modulationsfrequenz
T Trgerfrequenz
a Beschleunigung
A-Seite Antriebsseite
B-Seite Nicht-Antriebsseite
CM Condition Monitoring
CMI Condition Monitoring Index
D Teilkreisdurchmesser
d Wlzkrperdurchmesser
DF Datenfernbertragung
DMT Deutsche Montan Technologie GmbH
f Frequenz
fa Auenringberrollfrequenz
fGen Drehfrequenz des Primrgenerators
fH Planetenpassierfrequenz am Hohlrad
fi Innenringberrollfrequenz
fk Kfigrotationsfrequenz
fP Planetendrehfrequenz
fP Planetenradberrollfrequenz
fS Sonnenraddrehfrequenz
fS Planetenpassierfrequenz am Sonnenrad
fT Planetentrgerdrehfrequenz
fTurm Turmdurchgangsfrequenz fw Wlzkrperrotationsfrequenz
fze Zahneingriffsfrequenz
fzew Zahneingriffswiederholfrequenz
g Erdbeschleunigung (g=9,81 m/s2)
i bersetzungsverhltnis
i1 bersetzungsverhltnis
Rotor Primrgenerator
i2 bersetzungsverhltnis
Rotor Sekundrgenerator
k Anzahl von Planetenrdern
in einem Planetengetriebe
KGV kleinstes gemeinsames
Vielfaches
M Drehmoment
n Drehzahl
P Leistung
WEA Windenergieanlage
Z Wlzkrperanzahl
z Zhnezahl
zH Zhnezahl Hohlrad
zP Zhnezahl Planetenrad
zS Zhnezahl Sonnenrad
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2. Einleitung
Windenergieanlagen (WEA) sind mittlerweile fr eine Lebensdauer von ber 20 Jahren
ausgelegt. Whrend dieser Life-Cycle-Periode entscheiden unter anderem Verfgbarkeit und
Betriebsfhrungskosten ber die zu erzielende Rendite.
Wie Abbildung 2.1 zeigt, fhren
insbesondere Schden am
Antriebsstrang hufig zu
Ausfllen von WEA. Solche
Schden, die meist erhebliche
Stillstandszeiten nach sich
ziehen, htten mglicherweise
bei Verwendung geeigneter
berwachungssysteme frhzeitig
erkannt werden knnen.
Die zuverlssige berwachung (Condition Monitoring) der wesentlichen mechanischen
Komponenten einer WEA wie Hauptwellen-, Generator- und Getriebelager sowie
Getriebeverzahnungen stellt daher eine wichtige Voraussetzung fr den dauerhaft
wirtschaftlichen Betrieb dar.
Hierzu ist neben dem Erfassen und Bewerten von ltemperaturen die schwingungstechnische
Zustandsberwachung ein geeignetes Mittel, das sich bereits in anderen industriellen
Bereichen bewhrt hat, aber bis heute in der Windenergietechnik kaum verbreitet ist.
Insbesondere geplante Offshore-Windenergieanlagen erfordern aufgrund der eingeschrnkten
Erreichbarkeit auf See bezglich ihrer knftigen technischen Betriebsfhrung den Einsatz von
Condition Monitoring Systemen zur Zustands- und Verschleiberwachung der
mechanischen Komponenten. So knnen Wartungszeitpunkte besser geplant, ungeplante
Anlagenstillstnde und teure Folgeschden weitestgehend ausgeschlossen, und somit eine
optimale Verfgbarkeit der Anlagen sichergestellt werden. Darber hinaus fordern immer
mehr Versicherungen, insbesondere die hochwertigen Komponenten des Antriebsstranges in
den immer grer und komplexer werdenden Anlagen auch onshore technisch noch
umfangreicher und zuverlssiger zu berwachen.
beschdigte Komponenten an WEA im Jahr 2001
Kupplung7%
Getriebe43%
Generator21%
Rotorbltter29%
Abb. 2.1: Von Ausfllen betroffene Komponenten an WEA im Jahre 2001, Daten aus /2/
Von Ausfllen betroffene Komponenten an WEA 2001
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 6
Um onshore erste Erfahrung mit der Fernberwachung von Bauteilen in WEA zu sammeln,
ist im Rahmen eines Pilotprojektes in Kooperation zwischen den Firmen GEO-mbH und
DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) das Condition Monitoring System
DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66 eingebaut worden, die von
GEO im Windpark Willenscharen bei Neumnster betreut wird. Dieses berwachungssystem
hat sich bereits in unterschiedlichen industriellen Bereichen wie beispielsweise in der
Bergbau- und Kraftwerkstechnik bewhrt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen und
Anlagenbelastungen auf die bei diesem Projekt ermittelten schwingungstechnischen Daten
ermittelt werden. Zielsetzung ist, mit Hilfe geeigneter Klassierungen der Frequenzspektren
eine zuverlssige Maschinenberwachung bei unterschiedlichen Betriebszustnden zu
realisieren und so die Praxistauglichkeit dieses CM-Systems fr sptere Offshore-
Anwendungen aber auch fr die Nachrstung von Altanlagen zu erproben.
Im Folgenden sollen nach einer Einfhrung in die Grundlagen der schwingungstechnischen
Maschinendiagnose und einer Beschreibung der WEA sowie des berwachungssystems die
aufgenommenen Messdaten zur Ermittlung des Verschleizustandes der WEA ausgewertet
und hinsichtlich der Einflsse unterschiedlicher Drehzahlen und Lasten beurteilt und
diskutiert werden.
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3. Grundlagen der Maschinendiagnose Neben der Messung von Temperaturen, Drcken und anderen Prozessgren stellt die
schwingungstechnische Diagnose eine sehr zuverlssige Methode zur Detektion mechanischer
Aufflligkeiten dar. Whrend sich groflchige Bauteilschden in der Regel durch einen
Anstieg der Schmierstofftemperatur und Abfall der Qualitt erkennen lassen, ist die
schwingungstechnische berwachung geeignet, selbst kleinflchige, rtlich eng begrenzte
Schden, aber auch Unwuchten, Ausrichtfehler und Anstreifvorgnge zu erkennen. Zur
Messung von Vibrationen besteht neben der Verwendung von Dehnungsmessstreifen
grundstzlich die Mglichkeit, die physikalischen Gren Weg, Geschwindigkeit und
Beschleunigung mit Hilfe induktiver Sensoren oder aber Krperschallsignale mit
piezoelektrischen Sensoren aufzuzeichnen. Im Folgenden soll schwerpunktmig die
Messung und Auswertung von Krperschallbeschleunigungssignalen betrachtet werden, da
sich dieses Verfahren in der Vergangenheit gegenber den anderen mehr und mehr
durchgesetzt hat. Auf dieser Basis finden auch die Messungen beim Condition Monitoring der
WEA in Willenscharen statt. 3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von Krperschall Die Zustandsberwachung auf der Basis von Krperschall beruht auf dem Prinzip,
nderungen des Geruschverhaltens einer Maschine im Vergleich zum Normalbetrieb zu
messen und daraus Rckschlsse auf eventuell auftretende Schden an
Maschinenkomponenten zu ziehen.
Der Betrieb von Maschinen ist immer mit der Entstehung
von Schwingungen verbunden, die sich in Form von
Krperschall in der Maschine ausbreiten bzw. als
Luftschall an die Umgebung abgegeben werden. Der
Krperschall setzt sich dabei aus einer Vielzahl einzelner
Schwingungskomponenten zusammen, die sich
unterschiedlichen Maschinenteilen oder -komponenten
zuordnen lassen. Im Falle eines Fehlers oder Schadens
verndern sich die Krperschallschwingungen, so dass sich
mit Hilfe der Schwingungsberwachung Maschinen-
schden frhzeitig und gezielt identifizieren lassen.
Verschlei, fehlerhafte Montage und unzureichende
Wartung knnen erfasst und bewertet werden.
Abb. 3.1: Krperschallmessung und analyse /3/
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Zur Messung des Krperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren
verwendet, die ein Spannungssignal erzeugen, welches der Beschleunigung einer seismischen
Masse im Sensor proportional ist. Durch geeignete Filterung, Transformation und
anschlieende Analyse dieses Signals knnen Rckschlsse ber den Zustand einzelner
Maschinenteile gezogen werden. Abbildung 3.1 verdeutlicht schematisch die
Krperschallmessung, Signalverarbeitung und analyse.
Wesentlich fr eine zuverlssige berwachung ist allerdings, dass die Datenbasis fr die
Analyse den Zustand der Maschine exakt widerspiegelt. Hierzu mssen im Vorfeld
Informationen zum Aufbau und zu den einzelnen Baugruppen der Maschine vorhanden sein.
Beschdigungen an Wlz- und Gleitlagern sowie Getriebeverzahnungen, fhren in der Regel
zu periodischen Schwingungen. Wlzlagerschden wie zum Beispiel Pittings auf Laufbahnen
erzeugen beim berrollen eine periodische Folge von Einzelsten, die zu
Beschleunigungsspitzen am Sensor fhren, die im Beschleunigungssignal deutlich
nachweisbar sind.
Die Frequenz dieser Stoimpulse ist spezifisch fr den Wlzlagerschaden und lsst sich bei
Kenntnis der Lagergeometrie sowie der Drehzahl berechnen. Je nach Schadensort
(Auenring, Innenring, Wlzkrper) ergeben sich unterschiedliche Impulsfrequenzen, die als
kinematische Lagerfrequenzen bezeichnet werden. Mgliche Schden lassen sich durch
erhhte Amplituden bei den zugehrigen kinematischen Frequenzen und deren Vielfachen
diagnostizieren. /4/
Bei WEA muss dabei der weite Drehzahlbereich von der langsam drehenden Rotorwelle bis
zur schnell drehenden Generatorwelle im Diagnosesystem ebenso bercksichtigt werden, wie
der aktuelle Lastzustand der Anlage. Die genannten, fr die Krperschallsignale wesentlichen
Einflussgren (Bauteilgeometrie bzw. aufbau, Drehzahl und Last) sollen in den folgenden
Kapiteln nher betrachtet und erlutert werden.
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3.2. kinematische Zusammenhnge im Antriebsstrang Die Auswertung der Schwingungssignale setzt die Kenntnis der Geometrie und der Kinematik
der zu berwachenden Lager und Getriebe im Antriebsstrang voraus. Im Folgenden wird
dargestellt, welche Berechnungen zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen im Vorfeld
der Auswertung erforderlich sind.
3.2.1. Wlzlager Wlzlager unterliegen im normalen Betrieb durch wechselnde Beanspruchungen einem
Verschlei, der im Laufe der Zeit zu Ausbrchen (Pittings) an den Lagerringen, Wlzkrpern
oder dem Wlzkrperkfig fhren kann. Wenn solche Pittings in den Wlzlagern von den
Wlzkrpern berrollt werden, werden in den angrenzenden Lagerbauteilen periodisch
auftretende starke Belastungsspitzen erzeugt. Die Frequenzen, mit denen diese Spitzen
auftreten, werden als berrollfrequenzen bezeichnet. Sie hngt von den folgenden in den
Abbildungen 3.2 und 3.3 verdeutlichten geometrischen und kinematischen Gren ab:
Teilkreisdurchmesser D
Wlzkrperdurchmesser d
Druckwinkel
Anzahl der Wlzkrper Z
Drehzahl der Welle n
Abb. 3.2: Geometrie eines Wlzlagers /5/
Abb. 3.3: Definition des Druckwinkels : Der Druckwinkel ist der Winkel, den die Drucklinie der Wlzkrperbelastung mit einer zur Lagerachse senkrechten Ebene bildet. Zum Beispiel ist bei radial belasteten Rillenkugellagern =0. /6/
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Unter Verwendung folgender Gleichungen lassen sich die Rotations- und berrollfrequenzen
fr die einzelnen Bauteile eines Wlzlagers berechnen:
Rotationsfrequenz 60nf = n [min-1] f [s-1] Gl. 3.1 /5/
Innenringberrollfrequenz
+= cos1
21
DdZffi Gl. 3.4 /5/
Auenringberrollfrequenz
= cos1
21
DdZffa Gl. 3.5 /5/
Wlzkrperberrollfrequenz
+= cos11
Dd
dDffw Gl. 3.6 /5/
Kfigrotationsfrequenz
= cos1
21
Ddffk Gl. 3.2 /5/
(bei rotierendem Innen- und stehendem Auenring)
+= cos1
21
Ddffk Gl. 3.3 /5/
(bei stehendem Innen- und rotierendem Auenring)
Die namhaften Lagerhersteller bieten zur Berechnung dieser Frequenzen entsprechende
Software an, die nach Eingabe der Bezeichnung eines Lagers und der Drehzahl alle berroll-
und Rotationsfrequenzen angibt.
Bei Wlzkrperschden in Kugellagern ist zu beachten, dass sich in Bezug auf die Drehachse
einer Lagerkugel eine Schadensstelle whrend der Rotation verlagern kann, so dass ein
Kugelschaden mglicherweise nicht stndig berrollt wird. In diesem Fall ist die
Wlzkrperberrollfrequenz zur Lagerdiagnose nur bedingt aussagekrftig.
3.2.2. Zahnradgetriebe
Die verschiedenen Baugruppen in einem Zahnradgetriebe zeigen unterschiedliche
Anflligkeiten bezglich eines mglichen Defektes. Wellen und Gehuse weisen eine eher
geringe Ausfallquote gegenber Dichtungen und Lagern auf. Zahnradschden treten hingegen
hufiger auf und haben zugleich schwerwiegendere Folgen. /7/
Daher werden nun zuerst die kinematischen Grundlagen fr die Schwingungsanregung an
Verzahnungen von Stirnradgetrieben und darauf aufbauend an komplexeren
Planetengetrieben aufgezeigt.
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Stirnradgetriebe:
Abb. 3.4: Zahnradpaar einer einstufigen Stirnrad- verzahnung
Bei einem einstufigen Stirnradgetriebe, wie es in Abbildung 3.4 dargestellt ist, berechnet sich
die bersetzung i aus dem Verhltnis der Zhnezahlen za und zb bzw. den Drehzahlen na und
nb. Bei Vernachlssigung der Verlustleistung kann das bersetzungsverhltnis auch aus den
Drehmomenten Ma und Mb berechnet werden:
a
b
b
a
b
a
a
b
MM
nn
zzi ====
Gl. 3.7 /8/
mit: za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b
na, nb Drehzahlen der Zahnrder a und b
a, b Kreisfrequenzen der Zahnrder a und b
Ma, Mb Drehmomente der Zahnrder a und b
Ein Zahnradgetriebe bildet ein sehr komplexes schwingungsfhiges System, in dem die
Schwingungen in Form von Luft-, Krper- und Flssigkeitsschall auftreten knnen. Die
Anregung der Schwingungen findet in erster Linie durch den Zahneingriff selbst statt, der
eine Ungleichfrmigkeit der Drehbewegung der kmmenden Zahnrder in Form von
Drehbeschleunigungen bewirkt. Dies bedeutet, dass auch in einem vllig intakten Getriebe
periodische Schwingungen erzeugt werden, die jedoch von denen zu unterscheiden sind, die
durch Getriebeschden hervorgerufen werden.
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Abbildung 3.5 zeigt die Anregung durch den sog. Eintrittsimpuls an einer Verzahnung:
Abb. 3.5: Infolge der Kraftbertragung verbiegen sich die im Eingriff stehenden belasteten Zhne 2 und 2. Durch die entstehende Verlagerung der Zahnflanken dreht sich das treibende Rad nach links gegenber dem getriebenen Rad. Theoretisch betrachtet kme hierbei der noch unbelastete Zahn 3 in den Flchenbereich A des unbelasteten Gegenzahns 3. In der Realitt stt jedoch der Zahn 3 schon vorher gegen die Kopfkante von 3, wodurch der Eintrittsimpuls- oder sto entsteht. /9/
Auer dem Zahneintrittsimpuls kommt es auch beim Zahnaustritt zu einem weiteren Impuls,
wenn der nachfolgende Zahn pltzlich die Kraftbertragung bernimmt. Die Art der
Verzahnung (gerade oder schrg) hat Einfluss auf die Intensitt der Ste. Eintritts- und
Austrittsimpuls werden mit der sog. Zahneingriffsfrequenz fze angeregt.
bbaaze zfzff == Gl. 3.8 /9/
mit: fa, fb Drehfrequenzen der Zahnrder a und b
za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b
Des Weiteren werden Schwingungen durch nderungen der Zahnfedersteifgkeit angeregt, die
sich im Verlauf des Zahneingriffs ndert, wobei sich diese Vernderung periodisch mit der
Zahneingriffsfrequenz wiederholt. Bei einer Schrgverzahnung ist die auftretende
Schwankung geringer als bei einer vergleichbaren Geradverzahnung. Als weiterer
Anregungsmechanismus ist der sog. Reibwechselimpuls zu nennen, der in Folge des
Richtungswechsels der Reibkraft im Wlzpunkt Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenz
anregt. Auch hier fhrt die Verwendung einer Schrgverzahnung zu einer geringeren
Intensitt der Anregung als bei einer Geradverzahnung. Zustzlich entstehen an den an der
Kraftbertragung beteiligten Zahnflanken Reibgerusche durch die auftretende Gleit- und
Wlzreibung. Hierbei treten aber keine fr die Schadensdiagnose relevanten Frequenzen auf.
Insgesamt kann festgestellt werden, dass mit Ausnahme der Reibgerusche, alle
beschriebenen Mechanismen mit der Zahneingriffsfrequenz angeregt werden. Aus Grnden
der Vereinfachung werden bei der Verzahnungsdiagnose die Betrachtungen in der Regel auf
den Zahneingriffssto beschrnkt. /9/
Schden an der Verzahnung knnen beim Zahneingriff zu Intensittsschwankungen der
Zahneingriffsste fhren, was ihr Erkennen bei der Getriebediagnose ermglicht.
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In der Realitt wird es bedingt durch Bauungenauigkeiten jedoch auch bei einer intakten
Verzahnung immer leichte Intensittsschwankungen der Zahneingriffsste geben. Eine
gleich groe Intensitt der Ste wird sich immer wieder ergeben, wenn sich gleiche Zhne
beim Kmmen wieder treffen. Die Anzahl der dazu erforderlichen Umdrehungen hngt von
den Zhnezahlen beider Zahnrder ab und lsst sich mit Hilfe der folgenden Gleichungen fr
Stirnradgetriebe berechnen:
a
b
zz ),KGV(z a radungen Zahnder Umdreh Anzahl a= Gl. 3.9 /9/
b
b
zz ),KGV(z b radungen Zahnder Umdreh Anzahl a= Gl. 3.10 /9/
Die entsprechende Zahneingriffswiederholfrequenz fzew berechnet sich folgendermaen:
),KGV(z),KGV(z aa b
bb
b
aazew z
zfz
zff == Gl. 3.11 /9/
mit: KGV (za, zb) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen
der beiden Zhnezahlen za und zb
fa, fb Drehfrequenzen der Zahnrder a und b
za, zb Zhnezahlen der Zahnrder a und b
Planetengetriebe:
Im Gegensatz zu einfachen Stirnradgetrieben vollfhren die zahlreichen Maschinenteile eines
Planetengetriebes, also Sonnenrad, Planeten, Planetentrger und Hohlrad, komplexere
kinematischen Bewegungen. Die Komplexitt der Kinematik erschwert eine Diagnose
erheblich. Auch wenn die schwingungsanregenden Mechanismen grundstzlich die gleichen
wie bei Stirnradgetrieben sind, gestaltet sich das Erkennen von Fehlern an der Verzahnung
von Planetengetrieben komplizierter, da sich immer mehrere Planeten im Zahneingriff
befinden und die Planeten sich nicht nur um ihre eigene Achse drehen, sondern zustzlich
auch um den Mittelpunkt des Planetentrgers. Abb. 3.6 zeit die Baugruppen eines
Planetengetriebes.
Abb. 3.6: Baugruppenbersicht eines einstufigen Planetengetriebes: Bei WEA treibt die langsam drehende Hauptwelle den Planetentrger an, entsprechend ist in diesem Fall die Sonnenradwelle die Abtriebswelle.
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Bei einstufigen Planetengetrieben mit feststehendem Hohlrad gilt fr das
bersetzungsverhltnis i:
S
HS
T
S
zzz
ffi +== Gl. 3.12 /10/
Fr die Drehfrequenz der Planetenrder gilt:
( ) SHSPHS
P fzzzzzf +
= Gl. 3.13 /10/
Die Zahneingriffsfrequenz fze ergibt sich in diesem Fall aus:
HS
HSSze zz
zzff+
= Gl. 3.14 /10/
Fr die Zahneingriffswiederholfrequenzen von Sonnen- und Planetenrad fzew(S,P) bzw. fr die
Zahneingriffsfrequenz von Planeten- und Hohlrad fzew(P,H) gilt:
( )),(),( PS
STSPSzew zzKGV
zfff = Gl. 3.15 /10/
),(),( HPH
THPzew zzKGVzff = Gl. 3.16 /10/
Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf dem Sonnenrad gilt:
SHS
HS fzz
zkf +
= (Passierfrequenz am Sonnenrad) Gl. 3.17 /10/
Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf dem Hohlrad gilt:
SHS
SH fzz
zkf +
= (Passierfrequenz am Hohlrad) Gl. 3.18 /10/
Fr die Frequenz des berrollens einer Unregelmigkeit auf einem Planetenrad gilt:
( ) SHSPHS
P fzzzzzf +
= 2 Gl. 3.19 /10/
mit: fT Planetentrgerdrehfrequenz
fS Sonnenraddrehfrequenz
k Anzahl der Planetenrder
zS Zhnezahl des Sonnenrades
zH Zhnezahl des Hohlrades
zP Zhnezahl eines Planetenrades
KGV (zS, zP) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen
der beiden Zhnezahlen zS und zP KGV (zP, zH) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen
der beiden Zhnezahlen zP und zH
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3.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngren Zur groben Beurteilung des Schwingverhaltens einer Maschine werden hufig verschiedene
breitbandig gemittelte Kenngren angegeben, die eine Reihe mglicher
Schwingungsursachen andeutungsweise erkennen lassen. Hauptschlich wird hier neben dem
Spitzenwert der Effektivwert des Schwingungssignals verwendet im Englischen als root-
mean-square-value (RMS) bezeichnet. Er ist definiert als die Wurzel aus dem Mittelwert der
quadrierten Augenblickswerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnitts und kann mit
speziellen elektrischen Schaltungen ermittelt werden. Der Effektivwert enthlt jedoch keine
Information ber die spektrale Zusammensetzung der Schwingung. Vernderungen der
Schwingfrequenz oder sich anbahnende Schden mit neuen Frequenzkomponenten geringer
Amplituden sind im Effektivwert nicht erkennbar. /11/ Fr eine weitergehende, detailliertere
Untersuchung sind umfangreichere Messungen und Spektralanalysen erforderlich, wie in den
folgenden Abschnitten beschrieben.
3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse Um auf Grundlage der Schwingungsanalyse Rckschlsse auf den Verschleizustand einer
Maschine ziehen zu knnen, wird zunchst mit Hilfe von Krperschall-
beschleunigungssensoren die Vibration der Maschine in ein elektrisches Signal umgewandelt,
verstrkt und gefiltert. Ein Filtern des Signals ist erforderlich, um die normalen
Laufgerusche der Maschine herauszufiltern, die den infolge von lokalen Beschdigungen
auftretenden periodischen Schwingungen berlagert sind. Durch Herausfiltern all dieser
Schwingungsanteile knnen so die kinematisch bedingten Impulse fr die Auswertung
rekonstruiert werden. Bei der anschlieenden Auswertung wird das Schwingungssignal in
Abhngigkeit der zu berwachenden Baugruppe mit unterschiedlichen Analyseverfahren auf
bei Maschinenschden auftretende charakteristische Merkmale untersucht. So kommt neben
der Auswertung des aufgenommenen Zeitsignals der Beschleunigung, dem sog. Rohsignal,
die Analyse des Frequenzspektrums zur Anwendung. Das Frequenzspektrum wird mit Hilfe
geeigneter mathematischer Transformationsverfahren, wie zum Beispiel der Fourier-
Transformation oder der Fast-Fourier-Transformation (FFT) aus dem Rohsignal errechnet.
Mit Hilfe dieser Transformationsverfahren kann ein beliebiges Zeitsignal in eine Summe
reiner Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase zerlegt werden.
Eine genauere Betrachtung dieser Transformationen, die ohnehin von der Auswerteelektronik
durchgefhrt werden, wrde den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen, so dass
diesbezglich auf die Literatur, z.B. /12/ und /13/, verwiesen wird.
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Des Weiteren kommt auch die Betrachtung des sog. Hllkurvensignals zur Anwendung,
welches sich besonders fr die berwachung von langsam drehenden Wlzlagern und
Getriebeverzahnungen eignet, da genau die Signalanteile extrahiert sind, die den Lager- bzw.
Verzahnungszustand widerspiegeln. /14/ Siehe hierzu auch Abschnitt 3.7.
Die Art der Darstellung der gemessenen Signale ist entscheidend fr das Erkennen von
Schden und deren Ursachen. Es gibt unterschiedliche Darstellungsmglichkeiten, die je nach
Besonderheit des Schwingungsproblems zum Einsatz kommen. Tabelle 3.1 verdeutlicht die
bei der Maschinendiagnose verwendeten Signaldarstellungen im Zeit- und Frequenzbereich.
Zeitbereich Frequenzbereich Signal
Zeit- oder Rohsignal Frequenzspektrum (Spektrum)
Hllkurve
Hllkurve des Rohsignals
Hllkurvenspektrum
Tabelle 3.1: Das Rohsignal, das Frequenzspektrum, die Hllkurve des Rohsignals sowie das Hllkurvenspektrum werden zur Schwingungsanalyse verwandt.
Die Amplituden der einzelnen spektralen Komponenten knnen linear oder logarithmisch
dargestellt werden. Bei der linearen Darstellung sind in der Regel nur die greren
Komponenten im Spektrum sichtbar, whrend bei der logarithmischen Darstellung mehr
Details hervortreten. An der Ordinate werden bei linearer Darstellung als Einheit entweder
Vielfache der Erdbeschleunigung g (g=9,81 m/s2) oder unmittelbar das Spannungssignal in
mV angegeben. Bei logarithmischer Darstellung der Beschleunigungsamplituden erfolgt die
Skalierung dimensionslos in dB (Dezibel), wobei als Bezugsbeschleunigung bei der Firma
DMT der Wert a0 = g10-6 = 9,8110-6m/s2 verwendet wird, um gut zu handhabende
Zahlenwerte zu erhalten. Bei anderen Anbietern von CM-Systemen kann diese
Bezugsbeschleunigung durchaus einen anderen Wert haben, so dass bei logarithmischer
Darstellung die Absolutwerte der Amplituden nur bedingt vergleichbar sind.
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Da jedoch in der Regel nur eine Relativbetrachtung durchgefhrt wird, bei der Momentan-
und Referenzwerte mit dem gleichen System erfasst werden, spielt die Amplitudeneinheit
letztlich nur eine untergeordnete Rolle.
Fr den dimensionslosen Wert der Beschleunigung a gilt:
0
2
0
log20log10_aa
aaadB =
= Gl. 3.20 /15/
mit: dB_a dimensionsloser, logarithmischer Wert der gemessenen Beschleunigung
a gemessen Beschleunigung
a0 Bezugsbeschleunigung a0 = 9,8110-6m/s2
3.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern und Anstreifvorgngen
Die schwingungstechnische Lager- und Getriebeberwachung ermglicht neben der
Verschleidiagnose an Lagern und Getrieben auch ein Erkennen von Unwuchten, Ausricht-
oder Kupplungsfehlern sowie Anstreifvorgngen in Wellenstrngen. Gem /16/ und /19/
werden die folgenden charakteristischen Merkmale solcher Fehler unterschieden.
Unwuchten
Bei Maschinen mit groen rotierenden Massen sind Unwuchten eine hufige Quelle fr
Schwingungen. Unwuchten treten auf, wenn die Masseverteilung in Rotoren nicht
symmetrisch zur Drehachse ist. Sie erzeugen umlaufende Krfte und Momente, die von der
Lagerung des Rotors aufgenommen werden mssen, damit dieser in seiner Drehachse
festgehalten wird. Diese Krfte und Momente erreichen einmal pro Umdrehung ein Maximum
und ein Minimum und regen daher die Lagerung zu drehfrequenten Schwingungen an.
Durch Unwucht erregte Schwingungen zeigen sich im Frequenzspektrum durch erhhte
Amplituden bei der Rotationsfrequenz und sind unabhngig vom bertragenen Drehmoment.
Ausricht- oder Kupplungsfehler
Fehlerhafte Ausrichtung von Wellenstrngen und Fertigungsmngel oder Verschlei an
Kupplungselementen knnen ebenfalls Ursache von verstrkten Wellen- und
Lagerschwingungen sein. Ausrichtfehler sind hufig die Ursache von mangelnder
Genauigkeit bei der Montage, von thermischen Einflssen oder aber von
Setzungserscheinungen des Fundaments. Von Kupplungsfehlern spricht man, wenn die
kraftbertragenden Elemente einer Kupplung die Momente bei jeder Umdrehung
ungleichmig weiterleiten.
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Bei Ausricht- oder Kupplungsfehlern treten daher zustzliche Krfte in den Lagerstellen auf,
die hufig 1, 2, 3 oder 4 mal pro Umdrehung ein Maximum und ein Minimum erreichen. Im
Frequenzspektrum sind erhhte Amplituden bei der Wellendrehfrequenz und den ersten drei
bis vier Vielfachen, im Folgenden auch Harmonische genannt, zu erkennen.
Anstreifvorgnge
Bei einem periodischen Anstreifen einer rotierenden Welle an ein umgebendes Bauteil wie
zum Beispiel dem Gehuse oder einer Abdeckung knnen im Frequenzspektrum
Amplitudenerhhungen bei der Wellendrehfrequenz mit bis zu zehn Harmonischen auftreten.
3.6. Detektion von Stoimpulsen an Wlzlagern
Wenn die Wlzkrper eines Wlzlagers mit ausreichender Belastung periodisch ber einen
Defekt in der Laufflche rollen, so lassen sich im Zeitsignal der Schwingbeschleunigung
meist periodische Ste nachweisen. Das Frequenzspektrum eines solchen
Schwingungssignals besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen, die alle Vielfache der
Stoimpulsfolgefrequenz sind. Die hchsten Amplituden treten im Bereich der
Resonanzfrequenzen auf. Die Abbildungen 3.7 und 3.8 zeigen beispielhaft die Simulation der
Anregung einer Maschinenresonanz durch eine periodische Stofolge im Zeit- und
Frequenzbereich.
Abb. 3.7: Zeitsignal einer periodischen Stofolge /16/
Abb. 3.8: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stofolge ohne Be-rcksichtigung des real auftretenden Strpegels /16/
Grundstzlich sind periodische Stoimpulse dadurch zu erkennen, dass die Amplituden der
Stoimpulsfolgefrequenz und der Vielfachen empirisch festgelegte Grenzwerte berschreiten.
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In der Regel ist die Amplitude der Stoimpulsfolgefrequenz jedoch so niedrig, dass sie durch
einen maschinengeruschbedingten Strpegel berschattet wird, wie Abb. 3.9 verdeutlicht.
Die Amplitude der Stoimpulsfolgefrequenz geht vollstndig im Strpegel unter. Dadurch ist
es schwierig, Stoimpulsfolgen zuverlssig zu detektieren.
Abb.3.9: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stofolge mit Be-rcksichtigung des real auftretenden Strpegels /16/
In Abbildung 3.10 sind zum Vergleich die realen Frequenzspektren zweier Wlzlager
gleichen Typs gegenbergestellt, wobei das eine einen starken, das andere einen schwachen
Auenringschaden aufweist. In beiden Fllen liegt die Stoimpulsfolgefrequenz hier mit fa
bezeichnet bei ca. 105 Hz. Beim stark
geschdigten Lager ist sie deutlich zu
erkennen, nicht aber beim schwach
geschdigten. Die Stoimpulsfolge zeigt
sich hier nur bei hheren Vielfachen der
Stoimpulsfolgefrequenz im Maschinen-
resonanzbereich.
Zu beachten sind die unterschiedlichen
Skalierungen der Ordinaten der beiden
Spektren.
Eine przisere Aussage kann hier mit
Hilfe der Hllkurvenanalyse getroffen
werden.
Abb. 3.10: Frequenzspektren baugleicherWlzlager: oben mit starkem, unten mitschwachem Auenringschaden /16/
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3.7. Hllkurvenanalyse
Die Hllkurvenanalyse ermglicht es, versteckte Stoimpulsfolgen in einem
Schwingungssignal sehr genau zu detektieren und zu untersuchen. Die Bildung der Hllkurve
wird eigentlich in der Nachrichtentechnik zur Demodulation amplitudenmodulierter Signale
verwendet, lsst sich aber ebenso auf Krperschallsignale anwenden.
3.7.1. Amplitudenmodulation
Da die periodische Stoanregung von Maschinenresonanzen hnliche Auswirkung auf das
Spektrum hat wie die Amplitudenmodulation /17/ wird im Folgenden das Prinzip der
Amplitudenmodulation und Demodulation erlutert.
Ein amplitudenmoduliertes Signal besteht aus einem hochfrequenten Trgersignal und einem
niederfrequenten Nutzsignal, wobei sich die Amplitude des Trgersignals in Abhngigkeit
vom Nutzsignals ndert. Dies verdeutlicht Abbildung 3.11.
Abb. 3.11: Amplituden-modulierte Schwingung, in Anlehnung an /18/
T - Trgerfrequenz
M - Modulationsfrequenz
Das Nutzsignal kann so mit dem Trgersignal mitbertragen werden. Beim Empfnger wird
durch die Hllkurvenbildung das Nutzsignal wieder vom Trgersignal getrennt. Dieser
Vorgang wird als Demodulation bezeichnet.
Eine trigonometrische Umformung gem. /18/ zeigt, dass eine einfache amplitudenmodulierte
Schwingung aus der Trgerfrequenz T und zwei Seitenschwingungen mit den Frequenzen
TM besteht. Im zugehrigen Frequenzspektrum sind daher neben der Trgerfrequenz auch
die sog. Seitenbnder zu erkennen, wie Abbildung 3.12 zeigt:
Abb. 3.12: Frequenzspektrum einer amplitudenmodulierten Schwingung, in Anlehnung an /18/
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Im Gegensatz dazu weist das zugehrige Frequenzspektrum der Hllkurve (Nutz- oder
Modulationssignal) dann nur noch eine Linie bei der Modulationsfrequenz M auf. Die
Hllkurvenanalyse bietet sich insbesondere zur Ermittlung niederfrequenter
Modulationserscheinungen und Schwingungen an.
3.7.2. Hllkurvenbildung
Die Vorgehensweise der Hllkurventransformation zeigt Abbildung 3.13:
Abb. 3.13: Prinzip der Hllkurventransformation, in Anlehnung an /16/
Durch das Hochpassfilter vor der Gleichrichtung wird sichergestellt, dass nur die fr die
Schwingungsdiagnose relevanten Trgerfrequenzen demoduliert werden. Tieffrequente
Anteile des Schwingungssignals knnen so unterdrckt werden. Durch das Tiefpassfilter kann
der Signalanteil des hochfrequenten Trgersignals unterdrckt werden. Das verbleibende
Signal besteht dann nur noch aus dem Modulations- oder Nutzsignal der sog. Hllkurve.
Aus dieser kann z.B. mit Hilfe der Fourier-Transformation das zughrige
Hllkurvenfrequenzspektrum ermittelt werden.
Die Hllkurvenanalyse kann immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn periodische
Stofolgen zu erkennen oder Modulationserscheinungen zu untersuchen sind. Treten bei
Modulationserscheinungen Seitenbnder im Frequenzspektrum auf, so zeigt das
Hllkurvenspektrum nur noch eine Amplitudenerhhung bei der Modulationsfrequenz.
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3.8. Wlzlagerdiagnose
Im Falle der durch periodische Stofolgen in Wlzlagern angeregten Maschinenresonanzen
knnen diese als hochfrequentes Trgersignal und die Stoimpulsfolge als niederfrequentes
Modulationssignal angesehen werden. Durch die Demodulation erfolgt somit eine Trennung
der Stoimpulsfolge von den Resonanzfrequenzen. /16/
Abbildung 3.14 zeigt als Beispiel die Demodulation einer stofrmig angeregten
Maschinenresonanz.
Abb. 3.14: Demodulation einer stofrmig angeregten Maschinen-resonanz: Das hochpassgefilterte Schwingungssignal wird gleich-gerichtet, tiefpassgefiltert und danach im Frequenzspektrum untersucht. Es sind hier die Amplituden der Stoimpulsfolge-frequenz und deren Vielfachen zu erkennen. /16/
Die Hllkurvenanalyse erlaubt durch die Trennung der Resonanzfrequenzen von der
Stoimpulsfolge bei der Wlzlagerdiagnose auch ein Erkennen von Laufbahn- und
Wlzkrperschden im Frhstadium, die sonst vom Strpegel berdeckt wren, wie bereits in
Abbildung 3.10 gezeigt. Des weiteren knnen so auch die berrollfrequenzen langsam
drehender Lager erfasst werden.
Das Auftreten von Vielfachen ist typisch fr Stoimpulse, wobei die Intensitt schwanken
kann. Die Praxis zeigt, dass die Stoimpulsfolgefrequenz nicht in jedem Fall die grte
Amplitude aufweisen muss.
Wenn zustzlich die Intensitt der Stoimpulse selbst periodisch schwankt, so treten noch
weitere Frequenzen im Hllkurvenspektrum auf, nmlich die Grundfrequenz der
Intensittsschwankung sowie Seitenbnder um die Stoimpulsfolgefrequenz und um deren
Vielfache.
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Bei der Wlzlagerdiagnose sind gem. /17/ und /19/ die folgenden Schden bei der Frequenz
und Hllkurvenanalyse zu unterscheiden:
Auenringschden
Statistisch gesehen treten an Wlzlagern Auenringschden am hufigsten auf. In der Regel
sind sie schon sehr frhzeitig anhand ausgeprgter Amplituden bei der
Auenringberrollfrequenz und deren Vielfachen im Frequenzspektrum erkennbar. Je weiter
ein Schaden voranschreitet, umso grer werden diese Amplituden.
Innenringschden
Innenringschden weisen in den Spektren hnliche Erscheinungen wie Auenringschden auf.
Es zeigen sich erhhte Amplituden bei der Innenringberrollfrequenz und deren Vielfachen.
Bei den meisten Maschinen knnen die vom Innenring verursachten
Krperschallschwingungen allerdings nur ber die Wlzkrper und den Auenring zum
Sensor bertragen werden. Daher treten Innenringschdigungen meist mit geringeren
Amplituden auf als Auenringschdigungen.
Bei Maschinen mit umlaufendem Innenring tritt pro Umdrehung je nach Belastung des
schadhaften Bereichs ein Maximum und ein Minimum der Krperschallbeschleunigung auf,
da sich der Schaden abwechselnd in der be- und der entlasteten Zone befindet. Die
Innenringberrollfrequenz wird mit der Drehfrequenz der Welle moduliert, so dass im
Hllkurvenspektrum die Innenringberrollfrequenz und deren Vielfache von Seitenbndern
mit der Drehfrequenz umgeben sein knnen.
Wlzkrperschden
Ein Schaden an einem der Wlzkrper fhrt bei jeder berrollung an der Innen- und
Auenringlaufbahn zu Sten. Die Impulsfolgefrequenz (Wlzkrperberrollfrequenz) ist
daher identisch mit der doppelten Wlzkrperrotationsfrequenz. Hierbei wird vorausgesetzt,
dass sich der defekte Wlzkrper so um seine Achse dreht, dass der Schaden immer auf den
Laufbahnen abrollt. Diese Annahme stimmt nur bei Wlzkrpern, die nur eine Drehachse
besitzen, wie Zylinder, Kegel etc. Bei Kugellagern hingegen ist es mglich, dass die
geschdigte Kugel einen Spin aufweist und der Schaden nur unregelmig berrollt wird.
Eine Schadendiagnose ist dann schwieriger.
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Die Wlzkrper laufen zustzlich mit Kfigdrehzahl um. hnlich wie beim Innenringschaden
schwankt somit auch die Stointensitt in Abhngigkeit von der Kfigrotationsfrequenz.
Daher weist in diesem Fall das Hllkurvenspektrum Frequenzlinien bei der
Wlzkrperberrollfrequenz mit Seitenbndern der Kfigrotationsfrequenz auf.
Kfigschden
Ein defekter Wlzlagerkfig kann beim Umlaufen periodisch an einem benachbarten
Maschinenteil anstreifen. Dies fhrt im Hllkurvenspektrum zu starken Amplituden bei der
Kfigfrequenz und deren Vielfachen.
Natrlich kann der Kfig auch so geschdigt sein, dass es zu nicht periodischem Anstreifen
kommt. Im Hllkurvenspektrum erhht sich dadurch der Gesamtpegel der Amplituden; es
sind aber keine herausragenden Amplituden festzustellen. Eine Schadenserkennung ist daher
natrlich schwieriger, eine Lokalisierung des Schadens unmglich. In der Regel wird aber der
Schaden an einem Kfig mit Schdigungen anderer Teile einhergehen, die dann im
Hllkurvenspektrum erkannt werden knnen.
Bisher wurde immer von lokalen begrenzten Schdigungen mit einmaligem Auftreten auf
dem Umfang des jeweiligen Maschinenteils ausgegangen. Bei Lagern mit mehreren
gleichartigen Schden berlagern sich die Schadensamplituden, wobei hier ein Phasenversatz
zu beachten ist. Eine weiterfhrende Betrachtung an dieser Stelle sprengt den Rahmen dieser
Ausarbeitung. Hier wird auf /17/ verwiesen.
Sind in einem Wlzlager mehrere unterschiedliche lokale Schden auf den Laufflchen
vorhanden, so berlagern sich die Schwingungen der einzelnen Schden. Da es sich dabei um
von verschiedenen Schden verursachte unterschiedliche Frequenzen handelt, beeinflussen
sich die Amplitudenintensitten untereinander nicht. Bei einem Wlzlager, das groflchige
Schden an Innen- und Auenring sowie an den Wlzkrpern besitzt, kann es schwierig
werden, die Frequenzen dem jeweiligen Schaden zuzuordnen, da eine Vielzahl von
berrollfrequenzen, deren Vielfache und Seitenbnder in unterschiedlicher Ausprgung
auftauchen.
Bei extrem verschlissenen Lagern mit mehreren unterschiedlichen groflchigen Schden, in
denen kein reines Rollen mehr auftritt, sind weder im Frequenz- noch im Hllkurvespektrum
berrollfrequenzen nachweisbar; in diesem Fall machen sich Schden lediglich durch
Resonanzberhhungen bemerkbar.
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3.9. Verzahnungsdiagnose
Das Feststellen von Schden an Verzahnungen in Getrieben war in der Vergangenheit nur
anhand vergleichender Krperschallmessungen mglich. Fr eine solche Untersuchung war es
notwendig, nach der Einlaufphase eines neuen Getriebes durch eine Schwingungsmessung ein
Frequenzspektrum zu ermitteln und als Referenz zu speichern. In regelmigen Abstnden
wurden dann erneut Messungen durchgefhrt und mit der Referenzmessung verglichen, um so
eine Aussage ber den Verschleizustand treffen zu knnen.
Prfstandsuntersuchungen des Instituts fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der
RWTH Aachen Ende der 90er Jahre zeigen, dass die Hllkurvenanalyse ein geeignetes
Verfahren zu sein scheint, neben Wlzlagerschden auch Verzahnungsverschlei ohne
Referenzmessung zu erkennen.
Im Folgenden werden die Auswirkungen von Verzahnungsschden von Stirnradgetrieben auf
die im Frequenz- und Hllkurvenspektrum auftretenden bekannten Frequenzen
(Zahneingriffs- und Drehfrequenz und deren Vielfachen) betrachtet. Im Anschluss wird auf
die Besonderheiten bei Planetengetrieben eingegangen.
Die folgenden Fehlerarten werden gem. /9/ unterschieden:
Einzelfehler:
Ein lokal begrenzter Fehler oder Schaden , im Folgenden als Einzelfehler bezeichnet, wie z.B.
ein Pitting an einem Zahn, kann Intensittsschwankungen der Zahneingriffsste verursachen.
Jedes Mal, wenn der betreffende Zahn im Eingriff ist, kommt es zu einer vernderten
Stoanregung als bei den anderen Zhnen. Im Frequenzspektrum einer Verzahnung mit
lokalem Schaden tritt daher neben der ohnehin vorhandenen Zahneingriffsfrequenz und deren
Vielfachen noch die Drehfrequenz des beschdigten Zahnrades auf.
Auch im Hllkurvenspektrum zeigen sich Einzelfehler durch erhhte Amplituden bei der
entsprechenden Drehfrequenz und deren Vielfachen.
Exzentrizitt:
Die Exzentrizitt eines Zahnrades kann ebenfalls zu Intensittsschwankungen der
Zahneingriffsste fhren. Eine Exzentrizitt verursacht eine Zahnflankenberhrung, die
oberhalb oder unterhalb des idealen Eingriffspunktes liegt. Dadurch verndern sich die
Amplituden der Zahneingriffsste periodisch mit der Drehfrequenz des Zahnrades, das die
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Exzentrizitt aufweist. Es handelt sich dabei um eine Amplitudenmodulation des
Zahneingriffsstoes, so dass im Frequenzspektrum Seitenbnder um die
Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen auftreten.
Im zugehrigen Hllkurvenspektrum zeigt sich eine Exzentrizitt eines Zahnrades daher
durch erhhte Amplituden bei der entsprechenden Drehfrequenz. Aufgrund der annhernd
sinusfrmigen Amplitudenmodulation kann bei einer Exzentrizitt davon ausgegangen
werden, dass, wenn berhaupt, nur die niederfrequenten Vielfachen der Drehfrequenz erhhte
Amplituden aufweisen.
Verteilter Fehler:
Gleichartiger Verschlei an allen Zahnflanken eines Zahnrades wird als sog. verteilter Fehler
bezeichnet. Wrde an allen Zahnflanken exakt der gleiche Verschlei vorliegen, so wrden
sich die Stoimpulse bei allen Zahneingriffen exakt gleich verndern. Die Folge wre
lediglich eine Vernderung der Amplituden der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen.
Da aber in der Realitt ein absolut identischer Verschlei aller Zahnflanken nicht vorkommt,
werden die Intensittsnderungen der Stoimpulse an jeder Zahnflanke leicht unterschiedlich
sein und sich mit der niederfrequenten Zahneingriffswiederholfrequenz periodisch
wiederholen; und zwar immer dann, wenn die gleichen Zhne wieder im Eingriff sind. Es
ergibt sich demnach eine Amplitudenmodulation der Zahneingriffsste mit Seitenbndern
der Zahneingriffswiederholfrequenz.
In diesem Fall weist das Hllkurvenspektrum erhhte Amplituden bei der
Zahneingriffswiederholfrequenz und deren Vielfachen auf.
Die Drehfrequenzen der verschlissenen Zahnrder sind laut Definition (Gl. 3.11) Vielfache
der Zahneingriffswiederholfrequenz. Da die Zahneingriffsste auch mit der Drehfrequenz
des verschlissenen Zahnrades schwanken, sind in der Regel die Amplituden der zugehrigen
Drehfrequenzen und deren Vielfachen hher als die anderen Vielfachen der
Zahneingriffswiederholfrequenz.
Schden an der Verzahnung zeigen sich also in der Regel weniger durch erhhte Amplituden
bei der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen als vielmehr durch deutliche
Seitenbnder, hervorgerufen durch Modulationserscheinungen mit Dreh- bzw. Zahneingriffs-
wiederholfrequenz, fr deren Untersuchung die Hllkurvenanalyse geradezu prdestiniert ist.
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Besonderheiten bei Planetengetrieben:
Bei Planetengetrieben kann beobachtet werden, dass der Schwingungspegel ansteigt, wenn
eines der Planetenrder sich der Sensorposition nhert und ein Maximum erreicht, wenn der
Eingriff von Planeten- und Hohlrad gerade in nchster Nher des Sensors stattfindet. Dieses
Ereignis wiederholt sich periodisch, so dass die gesamte Schwingung mit der
Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad moduliert wird. Dabei entspricht die
Zahneingriffsfrequenz der Trgerfrequenz und die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad
der Modulationsfrequenz. Im Frequenzspektrum ergeben sich also, bedingt durch die
Messwerterfassung, auch bei einem intakten Getriebe Seitenbnder mit der
Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um die Zahneingriffsfrequenz. Durch Fertigungs-
und Positionsungenauigkeiten sowie Tragbildunterschiede der einzelnen Planetenrder kann
es auch vorkommen, das diese Modulation insbesondere von einem der Planetenrder
hervorgerufen wird. Entsprechend ergeben sich dann Seitenbnder mit der
Planetentrgerdrehfequenz um die Zahneingriffsfrequenz. /10/ Bei beispielsweise drei
Planetenrdern ist die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um den Faktor drei grer als
die Planetentrgerdrehfrequenz.
Generell uern sich Verzahnungsschden an Planetengetrieben durch einen erhhten
Gesamtschwingungspegel im Vergleich zu einem intakten Getriebe. Das Ermitteln der
genauen Schadensposition im Getriebe gestaltet sich jedoch aufgrund der komplexen
Zusammenhnge sehr schwierig. Das Institut fr Bergwerks- und Httenmaschinenkunde der
RWTH Aachen entwickelt seit Ende der 90er Jahre anhand geeigneter
Prfstanduntersuchungen Verfahren, die es ermglichen sollen, unterschiedliche Schden an
Verzahnungen in Planetengetrieben zu diagnostizieren. Auf weitere Hintergrnde zu
mglichen Verfahren, die u.a. /10/ zu entnehmen sind, wird nicht detaillierter eingegangen, da
diese beim Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online nicht zum Einsatz
kommen.
3.10. Einfluss variabler Drehzahlen Da die zu berwachenden kinematischen Lager- und Getriebefrequenzen proportional zur
Drehzahl sind, ist bei Maschinen, die mit variablen Drehzahlen betrieben werden, das
Drehzahlsignal mit zu erfassen. So knnen durch Schden verursachte Frequenzen und auch
deren Amplitudengrenzwerte in Abhngigkeit von der Drehzahl berwacht werden.
Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel fr das drehzahlabhngige Nachfhren von zu
berwachenden Frequenzbndern. Zustzlich werden hier die Grenzwerte drehzahlabhngig
angepasst.
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Abb. 3.15: Drehzahlabhngiges Nachfhren von Frequenzbndern und Grenzwerten /14/
Auf diese Weise lassen sich Maschinen auch bei groen Drehzahlunterschieden berwachen,
whrend bei leichten Drehzahlschwankungen evtl. ein Anpassen der Breite der
Frequenzbnder, im Folgenden auch als Schwellenbreite bezeichnet, ausreicht.
3.11. Einfluss variabler Lasten
Soll eine Maschine, die bei unterschiedlichen Belastungszustnden betrieben wird, berwacht
werden, ist zu beachten, dass die Amplituden der zu berwachenden kinematischen
Frequenzen von Lagern und Getrieben eine starke Lastabhngigkeit aufweisen knnen.
Abbildung 3.16 zeigt als Beispiel die Frequenzspektren eines Zahnradgetriebes bei
Belastungen von 36 % bzw. 70 % der Nennlast.
Abb. 3.16: Vergleich von Frequenzspektren bei unterschiedlichen Lasten /14/
Um bei variabler Belastung eine zuverlssige Aussage ber den Verschleizustand treffen zu
knnen, ist daher eine zustzliche Erfassung der Belastung erforderlich, um die
Amplitudengrenzwerte unter Bercksichtigung der Last festsetzen zu knnen.
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4. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66 Um erste Erfahrungen mit der Zustandsberwachung von mechanischen Komponenten an
Windenergieanlagen zu sammeln, ist in Zusammenarbeit zwischen den Firmen GEO-mbH
und DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) im Rahmen eines Pilotprojektes das
Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66
eingebaut worden. Diese WEA steht im Windpark Willenscharen bei Neumnster und wird
von GEO im Rahmen der technischen Betriebsfhrung betreut. Die Anlage hat seit ihrer
Errichtung im Dezember 1999 eine Betriebszeit von ca. 13.000 h erreicht. Der Einfluss
unterschiedlicher Drehzahlen und Belastungen auf die Krperschallemission soll untersucht
werden, um so die Praxistauglichkeit dieses Condition Monitoring Systems fr mgliche
offshore-Anwendungen zu erproben.
Im Folgenden werden sowohl die zu berwachenden Komponenten der WEA Vestas V66, als
auch die Messdatenerfassung und verarbeitung mit dem Condition Monitoring System
DMT-ZUMWART online beschieben. Des Weiteren werden die kinematischen Frequenzen
der zu berwachenden Baugruppen der V66 ermittelt.
4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 1,65 MW Die Windenergieanlage Vestas V66 - 1,65 MW ist
eine pitchgeregelte WEA mit luvseitig zum Turm
angeordneten Dreiblattrotor und aktiver Wind-
nachfhrung.
Bei einem Rotorkreisdurchmesser von 66 m und
einer Nabenhhe von 67 m verfgt die WEA ber
eine Nennleistung von 1,65 MW. Sie ist mit zwei
Generatoren ausgerstet, um eine niedrige
Geruschemission bei geringen Wind-
geschwindigkeiten und einen hheren
Jahresenergieertrag zu erzielen.
Die vom Rotor angetriebene Hauptwelle bertrgt
das Drehmoment ber ein Getriebe, das aus einer
Planetengetriebestufe und einer doppelten
Stirnradgetriebestufe besteht, auf die Generatoren. Vom Getriebe wird das Drehmoment ber
eine drehsteife Verbundkupplung auf den Primrgenerator und ber eine flexible Kupplung
(Kreuzgelenkwelle) auf den Sekundrgenerator bertragen.
Abb. 4.1: WEA Vestas V66-1,65MW
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 30
Der Primrgenerator ist ein vierpoliger 1,65 MW-Asynchrongenerator der Firma Weier mit
OptiSlip-Funktion, die es auf elektronischem Wege ermglicht, den Generatorschlupf in
einem Bereich von bis zu 10 % zu regeln, um so eine bessere und schnellere
Leistungsanpassung und Belastungsreduktion zu erzielen. Dieses von Vestas entwickelte
Konzept ermglicht es, in Verbindung mit der Pitchregelung, die Hchstleistung bei hohen
Windgeschwindigkeiten, auch bei Bigkeit, auf den Nennwert zu begrenzen. Bei einem
schnellen Anstieg der Windgeschwindigkeit lsst die OptiSlip-Funktion die
Generatordrehzahl leicht ansteigen; gleichzeitig werden die Rotorbltter durch das
Pitchregelungssystem in einen weniger belastenden Anstellwinkel gebracht, wodurch die
Rotordrehzahl wieder reduziert wird. So wird eine gleichmige Leistungsabgabe und
minimale Belastung des kompletten Kraftbertragungssystems erreicht. Durch den dabei
auftretenden Schlupfanstieg von bis zu 10 % kann die Generatordrehzahl kurzfristig von
1500 min-1 auf 1650 min-1 ansteigen.
Der Sekundrgenerator ist ein herkmmlicher vierpoliger 300 kW-Asynchrongenerator der
Firma ABB, der mit konstanter Drehzahl von 1500 min-1 angetrieben wird.
Bei Windgeschwindigkeiten grer ca. 7 m/s ist der Primrgenerator in Betrieb, bei darunter
liegenden Geschwindigkeiten schaltet die V66 den kleineren Sekundrgenerator an Netz,
wobei die Rotordrehzahl 19 min-1 bzw. 15 min-1 betrgt. /20/
4.1.1. Daten der zu berwachenden Baugruppen
An der WEA werden die beiden Hauptlager, das Getriebe und die Lagerung des
Primrgenerators auf ihren Verschleizustand hin berwacht. Eine berwachung der
Lagerung des Sekundrgenerators ist nicht vorgesehen.
Abbildung 4.2 zeigt die Baugruppen der V66, die beim CM-Projekt berwacht werden.
Abb. 4.2: Die an der Vestas V66 zu berwachende Baugruppen sind farbig hervorgehoben.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 31
In der folgenden Aufstellung sind Detailangaben zu Baugruppen und -teilen des
Antriebsstrangs der Vestas V66 zu finden, die fr das Condition Monitoring relevant sind.
Hauptlager, Angaben aus /20/
Hauptlager 1: Pendelrollenlager KOYO 230/630 RW33
alternativ SKF 230/630 CA/W33
Hauptlager 2: Pendelrollenlager KOYO 24188 RHA
Primrgenerator, Angaben aus /21/:
Fabrikat: Weier
Typ: asynchron, vierpolig
Nennleistung: 1,65 MW
Generatorlager A-Seite: Rillenkugellager FAG 6232M C3 (Messingkfig)
alternativ SKF 6232M C3 (Messingkfig)
Generatorlager B-Seite: Rillenkugellager FAG 6236M C3 (Messingkfig)
alternativ SKF 6236M C3 (Messingkfig)
Getriebe, Angaben aus /20/ und /22/:
Fabrikat: Lohmann & Stolterfoht
Typ: einfache Planetengetriebestufe/
drei Stirnradgetriebestufen
Nennleistung: 3,0 MW
bersetzungsverhltnis
Primrgenerator: i1 = 1 : 78,7614
bersetzungsverhltnis
Sekundrgenerator: i2 = 1 : 97,9792
In Abbildung 4.3 ist der prinzipielle Aufbau des Lohmann & Stolterfoth Getriebes der Vestas
V66 und die Anordnung der Getriebewellenlager dargestellt. Diese Darstellung enthlt
ebenfalls die Zhnezahlen aller Zahnrder, die Getriebewellenbezeichnungen und
Positionsnummern der einzelnen Getriebewellenlager sowie die bersetzungsverhltnisse der
einzelnen Getriebestufen.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 32
Abb. 4.3: Das Lohmann & Stolterfoth Getriebe der Vestas V66 besteht aus einer Planetenstufe mit dem bersetzungsverhltnis iPlanetenstufe und drei Stirnradstufen mit den bersetzungsverhltnissen i1, i2 und i3. Mit Z sind die Zhnezahlen der einzelnen Zahnrder bezeichnet. Die Getriebewellenlager sind mit Positionsnummern von 1 bis 12 versehen. Getriebewellenlager gem. Abbildung 4.3:
Position (Pos. Nr.) Typ Lagerbezeichnung
2. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig (1) Pendelrollenlager FAG 22214
2. Abtriebswelle primrgeneratorseitig (2) Pendelrollenlager FAG 22214
1. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig (3) Pendelrollenlager FAG 24126
1. Abtriebswelle primrgeneratorseitig (4) Pendelrollenlager FAG 22226
mittlere Welle sekundrgeneratorseitig (5) Pendelrollenlager FAG 23140
mittlere Welle sekundrgeneratorseitig (6) Pendelrollenlager FAG 22238
Getriebehauptwelle sekundrgeneratorseitig (7) Zylinderrollenlager FAG NU1080
alternativ KOYO NU1080
Getriebehauptwelle primrgeneratorseitig (8) Kegelrollenlager SKF 32972
alternativ KOYO 32972
Hohlwelle (9) Rillenkugellager SKF/KOYO 6026
Planetenstufe sekundrgeneratorseitig (10) Kegelrollenlager FAG 531546
Planetenstufe primrgeneratorseitig (11) Kegelrollenlager FAG 533416J
Planetenlager (12) Pendelrollenlager FAG 23240
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 33
4.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und Primrgeneratorlager
Die im Folgenden angegebenen berrollfrequenzen der Wlzlager der Hauptwelle und des
Primrgenerators wurden anhand der Lagerbezeichnung mit Hilfe der vom jeweiligen
Lagerhersteller angebotenen Software ermittelt, da die herstellerbergreifend festgelegte
Lagerbezeichnung lediglich eine Festlegung der Lagerhautabmessungen, wie z.B. Auen-,
Innendurchmesser und Lagerbreite beinhaltet. Die innere Geometrie (Teilkreisdurchmesser
des Wlzkrpersatzes, Wlzkrperanzahl und -durchmesser) eines Lagers hingegen kann
herstellerabhngig durchaus unterschiedlich sein, so dass sich unterschiedliche
berrollfrequenzen ergeben knnen.
In den Tabellen 4.1 und 4.2 sind die relativen berrollfrequenzen der Hauptwellen- und
Primrgeneratorlager bei einer Innenringdrehzahl von 60 min-1 (1 Hz) angegeben. Um die
absoluten berrollfrequenzen bei einer bestimmten Wellendrehzahl zu erhalten, sind die
angegebenen relativen Frequenzen mit der entsprechenden Wellendrehfrequenz (in Hz) zu
multiplizieren. An einigen Lagerpositionen sind zeitweise Lager unterschiedlicher Hersteller
eingebaut worden. In diesen Fllen sind zustzlich die berrollfrequenzen der Alternativlager
angegeben.
Hauptlager Innenring Auenring Wlzkrper Kfig 1.Hauptlager: Koyo 630/230 RW33 15,824 13,176 9,843 0,4541.Hauptlager alternativ: SKF 230/630 CA/W33 15,271 12,729 10,817 0,4552. Hauptlager: Koyo 24188 RHA 12,261 9,739 8,351 0,443
Tabelle 4.1: Relative berrollfrequenzen der Hauptwellenlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1)
Generator Innenring Auenring Wlzkrper Kfig Generatorlager A-Seite: FAG 6232M C3 6,889 5,111 6,601 0,426Generatorlager A-Seite alternativ: SKF 6232M C3 6,847 5,153 6,946 0,429Generatorlager B-Seite: FAG 6236M C3 6,876 5,124 6,701 0,427Generatorlager B-Seite alternativ: SKF 6236M C3 6,338 4,662 6,409 0,424
Tabelle 4.2: Relative berrollfrequenzen der Primrgeneratorlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1)
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4.1.3. Getriebekinematik
Mit Hilfe der im Abschnitt 3.2.2 aufgefhrten kinematischen Berechnungsgrundlagen fr
Stirnrad- und Planetengetriebe lassen sich die in Tabelle 4.3 angegeben relativen
Wellendrehzahlen und frequenzen sowie die Passier-, berroll- und Zahneingriffsfrequenzen
der einzelnen Getriebestufen bei einer Antriebsdrehzahl des Primrgenerators von 60 min-1 (1
Hz) berechnen. Um die absoluten kinematischen Frequenzen bei einer bestimmten
Primrgeneratordrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit der
entsprechenden Wellendrehfrequenz des Primrgenerators (in Hz) zu multiplizieren.
Planetenstufe rel. Frequenz in Bezug auf
Primrgenerator-drehfrequenz von 1 Hz
rel. Drehzahl in Bezug auf Primrgeneratordrehzahl von 60 min-1
Planetentrgerdrehfrequenz fT 0,013 0,762Planetendrehfrequenz fP 0,034 2,019Sonnenraddrehfrequenz fS 0,064 3,868Planetenpassierfrequenz Sonnenrad fS 0,155 -Planetenpassierfrequenz Hohlrad fH 0,038 -berrollfrequenz Planetenrad fP 0,067 -Zahneingriffsfrequenz fze 1,346 -1. Stirnradstufe rel. Frequenz in Bezug auf
Primrgenerator-drehfrequenz von 1 Hz
rel. Drehzahl in Bezug auf Primrgeneratordrehzahl von 60 min-1
Rad 0,064 14,851Ritzel 0,248 3,868Zahneingriffsfrequenz 6,188 -2. Stirnradstufe (Primrgenerator) rel. Frequenz in Bezug auf
Primrgenerator-drehfrequenz von 1 Hz
rel. Drehzahl in Bezug auf Primrgeneratordrehzahl von 60 min-1
Rad 0,248 14,851Ritzel 1 60Zahneingriffsfrequenz 25 -3. Stirnradstufe (Sekundrgenerator) rel. Frequenz in Bezug auf
Primrgenerator-drehfrequenz von 1 Hz
rel. Drehzahl in Bezug auf Primrgeneratordrehzahl von 60 min-1
Rad 1 60Ritzel 1,244 76,65Zahneingriffsfrequenz 107 -
Tab. 4.3: Relative kinematische Frequenzen (bzw. Drehzahlen) der Getriebestufen in Hz bzw. in min-1 bei einer Bezugsdrehfrequenz des Primrgenerators von 1 Hz (60 min-1)
Zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen der Getriebewellenlager kamen ebenfalls die
Berechnungsprogramme der jeweiligen Lagerhersteller zum Einsatz. In Tabelle 4.4 sind die
relativen berrollfrequenzen der Getriebewellenlager bei einer Innenringdrehzahl von
60 min-1 (1 Hz) angegeben. Um die absoluten berrollfrequenzen bei einer bestimmten
Wellendrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit der Drehfrequenz
entsprechenden Welle (in Hz) zu multiplizieren.
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Pos. Nr. Getriebewellenlager Innenring Auenring Wlzkrper Kfig 1 und 2 2. Abtriebswelle beidseitig 10,88 8,12 6,68 0,433 1. Abtriebswelle sekundrgeneratorseitig 12,86 10,14 8,11 0,444 1. Abtriebswelle primrgeneratorseitig 10,34 7,62 6,29 0,435 mittlere Welle sekundrgeneratorseitig 12,34 9,66 7,88 0,446 mittlere Welle primrgeneratorseitig 11,40 8,60 6,87 0,437 Getr.hauptwelle sekundrgeneratorseitig 14,30 11,70 9,90 0,45 alternativ 13,24 10,76 9,55 0,458 Getr.hauptwelle primrgeneratorseitig 22,39 16,61 14,42 0,47 alternativ 20,80 18,20 14,32 0,479 Hohlwelle 8,44 6,56 7,87 0,4410 Planetenstufe sekundrgeneratorseitig 24,24 21,76 17,84 0,4711 Planetenstufe primrgeneratorseitig 22,97 20,13 15,24 0,4712 Planetenlager 1) 11,33 8,67 7,17 0,43
Tabelle 4.4: Relative berrollfrequenzen der Getriebewellenlager in Hz in Bezug auf eine Innenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1) 1) Da bei den Planetenlagern die Auenringe umlaufen, sind hier die relativen berroll-
frequenzen in Bezug auf eine Auenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min-1) angegeben. 4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online
Das Condition Monitoring Systems DMT-ZUMWART online hat sich bereits in
unterschiedlichen industriellen Bereichen wie in der Bergbau- und Kraftwerkstechnik
bewhrt, ist aber in der Windenergietechnik bisher kaum verbreitet.
Mit Hilfe dieses Systems werden die Krperschallbeschleunigungssignale von Lagern und
Zahnradgetrieben, gemessen, verarbeitet und auf Grenzwertberschreitung in mehreren zu
berwachenden Frequenzbereichen kontrolliert. Die Messdaten knnen online per
Datenfernbertragung (DF) abgerufen werden. Die Firmenbezeichnung ZUMWART steht
fr zustandsabhngige Maschinenwartung.
4.2.1. Signalerfassung
Zur Messung des Krperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren mit
integriertem Ladungsverstrker verwendet, die ein der Beschleunigung proportionales
Spannungssignal zu Verfgung stellen. Abbildung 4.4 zeigt einen solchen Sensor als Beispiel
im Schnitt.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 36
Abb. 4.4: prinzipieller Aufbau eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors: Die piezokeramische Scheibe wird zusammen mit Isolierscheiben und der seismischen Masse unter mechanischer Vorspannung gehalten. Bei achsparallelen Beschleunigungsvorgngen bt die seismische Masse eine Kraft auf das Piezoelement aus, wodurch eine beschleunigungsproportionale Spannung zwischen den Elektroden aufgebaut wird. /23/
Die auf einer Grundplatte aufgeschraubten Sensoren werden mit einem Zweikomponenten-
Klebstoff auf die angeschliffenen zu berwachenden Bauteile aufgeklebt. Abbildung 4.5 zeigt
einen DMT-Krperschallbeschleunigungssensor, wie er auch beim Condition Monitoring in
Willenscharen verwendet wird.
Abb. 4.5: Krperschallbeschleunigungs- sensor der Firma DMT: Der Sensor wird durch Aufkleben mit einem Zweikomponenten-Klebstoff am zuvor angeschliffenen Bauteil befestigt.
Abbildung 4.6 zeigt den Amplitudenfrequenzgang eines solchen piezoelektrischen
Beschleunigungssensors. Im gekennzeichneten Arbeitsbereich zwischen den sog.
Eckfrequenzen liefert ein solcher Sensor von der Frequenz der Krperschallschwingung
unabhngige Ausgangssignale, die nur von der Hhe der Beschleunigung selbst abhngen.
Bei den DMT-Sensoren liegt dieser Bereich zwischen 3 Hz und 7 kHz. Es ist daher zu
beachten, dass Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der unteren Eckfrequenz von 3 Hz
mit gedmpften Amplituden dargestellt werden.
Abb. 4.6: Amplitudenfrequenz-gang eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers: Der Arbeitsbereich eines solchen Sensors liegt unterhalb der Resonanzberhhung bei der Sensoreigenfrequenz. Darstellung in Anlehnung an /11/
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 37
Neben den eigentlichen Krperschalldaten werden weitere Betriebsdaten sekndlich
gemessen und aufgezeichnet. Da bei der WEA Vestas V66 der Betrieb bei unterschiedlichen
Drehzahlen mglich ist, wird ber einen Nherungsinitiator, der auf der schnell drehenden
Welle des Primrgenerators angeordnet ist, die Drehzahl erfasst und dem Messsystem
zugefhrt. So kann der Einfluss der Drehzahl auf die gemessenen Frequenzspektren
bercksichtigt werden. Da auch der Belastungszustand der WEA Einfluss auf die Amplituden
in den Frequenzspektren hat, wird des Weiteren die abgegebene elektrische Leistung erfasst,
sowie die Windgeschwindigkeit ber ein zustzliches Anemometer auf dem Maschinenhaus
gemessen.
Abbildung 4.7 zeigt die Anordnung der Krperschallsensoren an den zu berwachenden
Baugruppen und die Positionen der Aufnehmer fr die Betriebsdaten. Alle Messsignale
laufen zur Weiterverarbeitung in der sog. DMT-TopBox zusammen, einem separaten
Schaltschrank des berwachungssystems.
Abb. 4.7: Sensoranordnung an der WEA Vestas V66: Die gelben Punkte markieren die Positionen der Krperschallbeschleunigungssensoren an Hauptlagern, Getriebe und Primrgenerator. In blau sind die Betreibsdatenaufnehmer fr Drehzahl, abgegebene Leistung und Windgeschwindigkeit dargestellt. Alle Messdaten werden zur Weiter-verarbeitung in die DMT TopBox gefhrt.
Im Anhang sind Detailfotos aller neun Krperschallsensoren sowie der DMT-TopBox zu
enthalten.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 38
4.2.2. Signalverarbeitung und speicherung
In der DMT-TopBox sind Hardwaremodule zur Messdatenakquisation und
Signalkonditionierung integriert, die aus den neun Zeitsignalen der Krperschall-
beschleunigung die zugehrigen Frequenzspektren bilden. Zustzlich wird aus den Signalen
der Sensoren der beiden Hauptlager, der Antriebsseite des Getriebes und des
Planetengehuses in der DMT-TopBox das Hllkurvenspektrum ermittelt. Die
Hllkurvenbildung erfolgt nur bei Signalen von langsam drehenden Komponenten, um so die
Detektion von Stoimpulsfrequenzen zu erleichtern; siehe Abschnitt 3.5 und 3.6. Neben den
neun Frequenzspektren jedes Sensors stehen also vier weitere Hllkurvenspektren zur
Auswertung Verfgung.
Es kann daher auf die Spektraldaten der in Tabelle 4.1 aufgefhrten 13 Kanle zugegriffen
werden, wobei bei den ersten vier Sensoren zwischen Frequenzspektrum und
Hllkurvenspektrum unterschieden wird.
Kanal Sensor Spektraldaten
a Frequenzspektrum
b
1. Hauptlager Hllkurvenspektrum
c Frequenzspektrum
d
2. Hauptlager Hllkurvenspektrum
e Frequenzspektrum
f
Getriebe A-Seite Hllkurvenspektrum
g Frequenzspektrum
h
Planetengehuse Hllkurvenspektrum
i Hohlwelle Frequenzspektrum
j 1. Abtriebswelle Frequenzspektrum
k 2. Abtriebswelle Frequenzspektrum
l Generator A-Seite Frequenzspektrum
m Generator B-Seite Frequenzspektrum
Tabelle 4.5: Spektraldatenkanle des Condition Monitoring Systems DMT-ZUMWART online an der berwachten WEA
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 39
Die Spektraldaten dieser 13 Kanle, sowie die Betriebsdaten werden von der TopBox aus per
Netzwerkverbindung ber einen Lichtwellenleiter zu einem im Turmfu der Anlage
befindlichen PC bertragen. Hier werden alle Daten auf einer Festplatte gespeichert und
knnen in komprimierter Form per Datenfernbertragung mit einem Modem von einem
externen Rechner, z.B. in einem Bro, abgerufen werden. Ferner besteht auch die
Mglichkeit, die Daten als Dateianhang per e-mail zu versenden.
Fr jeden Kanal wird zeitgleich jeweils ein hoch-, mittel- und niederfrequentes Spektrum
gebildet, so dass in jedem Frequenzbereich eine Darstellung mit einer angepassten Auflsung
erfolgen kann. Die Spannweite der Frequenzbereiche ist im Folgenden aufgelistet:
hochfrequent (h) 0 bis 8 kHz
mittelfrequent (m) 0 bis 800 Hz
niederfrequent (n) 0 bis 80 Hz
In jedem Frequenzbereich wird etwa alle fnf Minuten ein Spektrum ermittelt und
abgespeichert, so dass pro Tag ca. 11.000 unterschiedliche Spektraldateien anfallen.
4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und -visualisierung
MED Warte
Zur drehzahl- und lastabhngigen Klassierung der Spektraldaten wird das DMT-Programm
MED Warte verwendet. Es bietet die Mglichkeit, die Spektraldaten nach frei definierbaren
Kriterien in Abhngigkeit von den zeitgleich erfassten Betriebsdaten der Anlage zu
klassieren.
Zur Visualisierung und Auswertung der Messdaten stehen die folgenden DMT-Programme
zur Verfgung:
ZUM Graph
Das Programm ZUM Graph dient zur Messdatendarstellung und zur manuellen
Fehlerdiagnose. Es knnen Einzel- oder Mehrfachspektren jedes Kanals in jeder Drehzahl-
und Leistungsklasse dargestellt und Trendanalysen erstellt werden. Bei der Darstellung von
Mehrfachspektren werden alle aufgezeichneten Frequenzspektren eines Kanals in einem
ausgewhlten Zeitraum bereinander gelegt.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 40
Bei der Trendanalyse kann die Entwicklung der Amplituden einer bestimmten Frequenz (z.B.
mgliche Schadensfrequenz) in einem frei whlbaren Zeitraum verfolgt werden. Zum
Analysieren der Daten stehen Zoom- und Cursorfunktionen zur Verfgung, mit denen gezielt
nach Harmonischen und Seitenbndern gesucht werden kann.
Es besteht die Mglichkeit, die Amplituden mglicher Schadensfrequenzen auf
Grenzwertberschreitung zu berwachen. Hierzu werden ber dem Frequenzspektrum sog.
Lampen (DMT-Begriff) aufgehngt, vergl. Abb. 4.8. Es knnen beliebig viele Frequenzen
mit ihren Grenzamplituden und einer frei whlbaren Schwellenbreite festgelegt werden.
Abb. 4.8: Darstellung eines Frequenzspektrums mit dem DMT-Programm ZUM Graph: Um mgliche Schadensfrequenzen auf Grenzwertberschreitung zu ber-wachen, sind ber dem Amplitudenverlauf die sog. Lampen aufgehngt. In diesem Beispiel wird bei einer Frequenz von etwa 1500 Hz der zulssige Grenzwert berschritten.
Grenzwertfestlegung: Wegen der Komplexitt der bertragungsfunktion des Krperschalls vom Entstehungsort
zum Sensor lassen sich die Gre der Amplituden mglicher Schadensfrequenzen nicht vorab
berechnen. Neben der Leistung haben auch anscheinend unwesentliche Faktoren wie
beispielsweise Anzugsmomente von Schrauben, Gehuseverspannungen, lstand- und
viskositt Einfluss auf die Hhe der auftretenden Schwingungspegel.
Daher erfolgt die erstmalige Festlegung der Grenzwerte aller mglichen Schadensfrequenzen
aufgrund von Basismessungen last- und drehzahlabhngig separat fr jeden Kanal. Dieses
Adaptieren der Grenzwerte aller zu berwachender Frequenzen wird von DMT durchgefhrt.
Als Grundlage dient die Beobachtung der Trendentwicklung. Unter Beachtung eines
Sicherheitszuschlages wird dann der jeweilige Grenzwert und die zugehrige Schwellenbreite
festgelegt. Grenzwerte und Schwellenbreiten knnen jederzeit angepasst werden, wenn dies
erforderlich sein sollte.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 41
ZUM BeDa
Mit dem Programm ZUM BeDa knnen die aufgenommenen Betriebsdaten der Anlage
visualisiert werden. Es lsst sich der zeitliche Verlauf der Drehzahl, der abgegebenen
Leistung und der Windgeschwindigkeit darstellen.
ZUM Leit
Das Programmpaket ZUM Leit (ZUMWART Leitstand) dient der automatischen
Datenaufbereitung und visualisierung sowie der Fehlerdiagnose. Es ermglicht auch
Personal, das nicht ber Vorbildung im Bereich der schwingungstechnischen
Maschinendiagnose verfgt, die Einschtzung des Zustandes einer Maschine oder eines
Aggregates anhand einer Verschleikennzahl, dem sog. Condition Monitoring Index CMI,
siehe Abbildung 4.9. Die Leitstandssoftware liefert die Zustandsinformation automatisch in
Form dieser Kennzahl, die aus den bestehenden Messdaten berechnet wird. Im wesentlichen
wird der CMI durch der Abstand der einzelnen Amplitudenpeaks der berwachten Frequenzen
zu ihren Grenzwerten bestimmt. Der genaue Algorithmus zur Ermittlung dieser Kennzahl
wird jedoch von der Firma DMT nicht verffentlicht.
Das Programm ZUM Leit, das durch eine geeignete Weboberflche speziell an
windenergietechnische Anwendungen angepasst wurde, ordnet jedem berwachten
Maschinenelement eine Verschleikennzahl zu. Durch die Art der Darstellung hat der
technische Betriebsfhrer die Mglichkeit, einen schnellen berblick ber den
gegenwrtigen Verschleizustand der von ihm betreuten Windparks und -anlagen zu
erhalten. Auf einzelnen Programmebenen wird jeweils der hchste CMI angezeigt, der in allen
zu berwachenden Windparks bzw. in jeder einzelnen WEA an den berwachten
Komponenten auftritt. Die Screenshots in Abbildungen 4.10 zeigen ein entsprechendes
Beispiel der Leitstandsvisualisierung. Darber hinaus knnen bei vermuteten Schden
Trendanalysen erzeugt werden, die die Entwicklung des Verschleizustandes darstellen und
eine detailliertere Diagnose ermglichen.
Abb 4.9: Der Condition Monitoring Index CMI stuft den Verschliezustand eines Bauteils auf einer Skala von 0 bis 100 ein.
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Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Krperschallanalyse 42
Abb. 5.10: Beispielauszge aus der Leitstandsvisualisierung: oben: Von den in Schleswig-Holstein berwachten Windparks A, B und C weist der Park A mit 93 den grten CMI auf. Mitte: Eine Ebene darunter wird deutlich, das der CMI von 93 der WEA Nr. 1 zuzuordnen ist. unten: Noch eine Ebene tiefer ist zu erkennen, dass der kritische CMI bei WEA 1 im Bereich des Getriebes zu suchen ist. Zu exakten Beurteilung des Zustandes und der genauen Zuordnung knnen hier die zugehrigen Trendverlufe betrachtet werden.
Die umfangreiche Software von DMT erlaubt also auch schwingungstechnisch unversiertem
Personal ber den CMI eine Beurteilung des Maschinenzustandes. Des Weiteren ist aber auch
eine umfangreichere Detaildiagnose durch manuelle Analyse der Frequenz- bzw.
Hllkurvenspektren mglich.
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5. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten
Die Analyse der Daten und die Schadensdiagnose wird beim Condition Monitoring System
DMT-ZUMWART online nach Abschluss der anlagenspezifischen Anpassungsarbeiten
automatisch von der DMT-Software durchgefhrt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der unmittelbare Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen
und Anlagenbelastungen auf die Spektraldaten untersucht werden. Daher erfolgt zur
Auswertung der Daten im Folgenden eine manuelle frequenzselektive Analyse.
Nach der drehzahlabhngigen Klassierung der Spektraldaten wird der aktuelle
Verschleizustand der WEA durch berwachung der berechneten Schadensfrequenzen
ermittelt. Da tglich 11.000 bis 12.000 Spektren gespeichert werden, ist eine manuelle
Untersuchung all dieser Daten jedoch nicht mglich; es werden daher aus der Vielzahl der
tglich gespeicherten Spektren zur Ermittlung des Verschleizustandes sowie des Drehzahl-
und Lasteinflusses anhand der aufgezeichneten Betriebsdaten geeignete Einzelspektren (siehe
Abschnitt 5.2 und 5.3) ausgewhlt. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen anschlieend den
automatisch ermittelten Verschleikennzahlen CMI gegenber gestellt und auf dieser
Grundlage diskutiert werden. In Kenntnis des Ist-Zustandes der Anlage wird dann untersucht,
welchen Einfluss nderungen der Drehzahl und der Anlagenbelastung auf die Spektraldaten
haben.
5.1. Drehzahlabhngige Spektraldatenklassierung
Da bei Primrgenerator-Betrieb der Vestas V66 die Drehzahl der Primrgeneratorwelle
aufgrund der OptiSlip-Funktion kurzzeitig von 1500 min-1 auf bis zu 1650 min-1 ansteigen
kann, liegt die Rotor- und damit die Hauptwellendrehzahl dabei in einem Bereich von 19,07
min-1 bis 20,97 min-1, wie sich ber das bersetzungsverhltnis berechnen lsst.
Entsprechend betrgt die Hauptwellendrehzahl 15,31 min-1, wenn der Sekundrgenerator mit
einer konstanten Drehzahl von 1500 min-1 betrieben wird. Die Drehzahl der Antriebswelle des
Primrgenerators, an der die Drehzahl fr das Condition Monitoring System gemessen wird,
betrgt dann 1205,78 min-1.
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Entsprechend der in den Betriebsdaten aufgezeichneten Primrgeneratordrehzahl werden die
Spektraldaten jedes Kanals mit Hilfe des DMT Programms MED Warte in die folgenden
zwei Drehzahlklassen eingeteilt:
Drehzahlklasse 1: nominelle Drehzahl 1200 min-1 (20 Hz)
Sekundrgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1180 bis 1230 min-1)
Drehzahlklasse 2: nominelle Drehzahl 1500 min-1 (25 Hz)
Primrgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1480 bis 1530 min-1)
(Drehzahlen grer als 1530 min-1 bis zur vollen Ausnutzung der
OptiSlip-Funktion sollen hier nicht betrachtet werden.)
Frequenzverschiebungen durch schlupfbedingte Drehzahlschwankungen