Lernfeld 12 · Prüfung Teil 2

Zustandsüberwachung und Diagnose

Zustandsüberwachung von Motoren: Schwingung, Spektrum, Hüllkurve, Thermografie und Polarisationsindex für die vorausschauende Instandhaltung.

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Darum geht es

Bei der zustandsorientierten oder vorausschauenden Instandhaltung wird ein Antrieb nicht nach festem Kalender gewartet, sondern nach seinem gemessenen Zustand. Dazu werden Messgrößen wie Schwingung, Temperatur oder Motorstrom regelmäßig oder dauerhaft erfasst und im Trend verfolgt. Steigt ein Wert, kann der Eingriff in einen geplanten Stillstand gelegt werden, bevor es zum Ausfall kommt. Wichtig sind feste Messpunkte, gleiche Betriebsbedingungen, eine Referenzmessung am guten Motor und festgelegte Warn- und Alarmgrenzen.

Für Gehäuseschwingungen wird meist der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in mm/s gemessen und nach ISO 20816-3 in Zonen eingeteilt. Das Frequenzspektrum zeigt, woher die Schwingung kommt. Eine Unwucht erzeugt eine Spitze bei der einfachen Drehfrequenz, ein Fluchtungsfehler oft zusätzlich bei der doppelten und hohe Werte in axialer Richtung. Wälzlagerschäden erzeugen kurze Stöße; die Hüllkurvenanalyse macht ihre Wiederholfrequenz sichtbar, die Überrollfrequenz. Läuferstabbrüche erkennt man an Seitenbändern im Spektrum des Motorstroms.

Im Stillstand ergänzen elektrische Messungen das Bild. Der Isolationswiderstand und der Polarisationsindex, das Verhältnis der Werte nach zehn und nach einer Minute, zeigen Feuchtigkeit und Verschmutzung der Wicklung. Die Wicklungserwärmung wird über die Widerstandszunahme der Kupferwicklung bestimmt. Bei umrichtergespeisten Motoren sind Lagerströme eine typische Schadensursache; sie hinterlassen ein Riffelmuster auf der Laufbahn und werden mit isolierten Lagern, Hybridlagern und guter Erdung verhindert.

Das solltest du dir merken

Der Trend einer Messstelle sagt mehr als ein einzelner Messwert.
Unwucht zeigt sich bei einfacher Drehfrequenz, Fluchtungsfehler bei doppelter und axial.
Wälzlagerschäden findet man über die Hüllkurve bei nicht ganzzahligen Überrollfrequenzen.
Ein Polarisationsindex über 2 spricht für eine trockene, saubere Wicklung.
Riffelmuster im Lager eines Umrichterantriebs deuten auf Lagerströme hin.

Formeln

Drehfrequenz: $f_{n} = \frac{n}{60}$; $f_{n}$ in Hz, $n$ Drehzahl in min⁻¹
Polarisationsindex: $P I = \frac{R _{10 min}}{R _{1 min}}$; Isolationswiderstand nach 10 min und nach 1 min Messdauer
Wicklungserwärmung nach der Widerstandsmethode (Kupfer): $Δ ϑ = \frac{R _{2} - R _{1}}{R _{1}} \cdot (235 + ϑ_{1}) + ϑ_{1} - ϑ_{a}$; $R_{1}$ kalt bei $ϑ_{1}$ , $R_{2}$ warm, $ϑ_{a}$ Kühlmitteltemperatur am Ende
Überrollfrequenz Außenring: $f_{A} = \frac{z}{2} \cdot f_{n} \cdot (1 - \frac{d}{D} \cdot cos α)$; $z$ Anzahl Wälzkörper, $d$ Wälzkörperdurchmesser, $D$ Teilkreisdurchmesser, $α$ Druckwinkel

Typische Fehler in der Prüfung

Messwerte an wechselnden Messpunkten oder bei anderer Last verglichen.
Die Drehzahl in min⁻¹ direkt als Frequenz im Spektrum gesucht, ohne durch 60 zu teilen.
Bei Lagerschäden nur mehr Fett eingebracht, obwohl Lagerströme die Ursache waren.
Bei der Widerstandsmethode die Kühlmitteltemperatur nicht abgezogen.

Tipps aus der Werkstatt

Faustregel fürs Spektrum: Spitze bei 1-facher Drehfrequenz radial heißt meist Unwucht, 2-fach und hohe Axialwerte deuten auf einen Fluchtungsfehler, nicht ganzzahlige Frequenzen auf einen Lagerschaden. Vergiss beim Rechnen nicht, die Drehzahl in min⁻¹ durch 60 zu teilen, sonst suchst du an der falschen Stelle.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

15 Aufgaben zu „Zustandsüberwachung und Diagnose“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Maschinen und Antriebstechnik, Lernfeld 12 (Intelligente Systeme in bestehende Antriebssysteme integrieren). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.