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Condition Monitoring für die Akustikprüfung

01  Ein Akustikprüfstand für Elektromotoren mit Condition-­Monitoring-Technologie – entwickelt von Messfeld mit den Hardwarekomponenten von IBA

02  Das Messmodul „ibaPADU-S-IT“ bildet die zentrale Hardware­komponente des Akustikprüfstands

Die Abnahmekriterien für die Akustikprüfung von Elektromotoren in End-of-Line-Tests sind anspruchsvoll. Um die akustischen Emissionen entsprechend bewerten zu können, müssen diese hochfrequent mit 50 kHz abgetastet und mit 16 bit aufgelöst werden. Diese Features integrierte der österreichische Condition-Monitoring-Dienstleister Messfeld in seine messtechnische Lösung für den Akustikprüfstand eines Motorenherstellers mit der Condition-Monitoring-Technologie von IBA .

Bei der Akustikprüfung werden Bauteile untersucht, die im Betrieb Vibrationen erzeugen, die sich als störende Geräusche bemerkbar machen. Die Akustikprüfung kann Aufschluss über fehlerhafte Funktionsweise und über Fehler im Produktionsprozess geben. In Elektromotoren beispielsweise versetzt der Motor sein Gehäuse mit der Frequenz seiner Drehzahl in Schwingungen. Läuft der Motor mit Unwucht, wird die Amplitude dieser Schwingung umso größer, je höher die Unwucht ist. Diese Schwingungen werden auch als ungewollte Geräusche an die Luft abgegeben. Bei der Akustikprüfung wird der Luftschall gemessen und aufgrund seiner Spezifika einem bestimmten Bauteil zugeordnet. Somit lassen sich Produktionsfehler und ihre Ursachen korrekt diagnostizieren. Diese Erkenntnis hilft dem Motorenhersteller einerseits dabei, die Qualität der ausgelieferten Produkte sicherzustellen und andererseits den Produktionsprozess kontinuierlich zu verbessern, um damit die Produktqualität und letztlich die Zufriedenheit seiner Kunden zu erhöhen.
Die Messfeld GmbH hat sich auf die Schwingungsanalysetechnik spezialisiert. „Wir verfügen zwar nicht über eigene Hardwareprodukte und sind keine Softwareentwickler, aber wir finden für unsere Kunden immer die optimale Lösung. Denn wir veredeln Hard- und Software unserer Partner mit unserem Know-how in der Schwingungsüberwachung“, so Jutta Isopp, geschäftsführende Gesellschafterin von Messfeld . Ihre langjährige Erfahrung im Bereich der Schwingungsanalyse war auch beim Neubau eines Akustikprüfstands für einen Hersteller von Elektromotoren in Schienenfahrzeugen gefragt. Zusammen mit IBA entwickelte das Unternehmen für den Akustikprüfstand eine messtechnische Lösung basierend auf den Hardware- und Softwarekomponenten der Messtechnikspezialisten.

Standardisierte Messung normgerecht möglich
Der Condition-Monitoring-Experte aus Klagenfurt war dem Motorenhersteller durch sein Know-how im Bereich Akustik und Schwingungstechnik aus anderen Projekten bereits bekannt. Beim Neubau des Akustikprüfstands sollte Messfeld das System so konzipieren, dass die bisher durchgeführten Messungen zur Abnahmeprüfung von Prototypen ausgeweitet und automatisiert werden konnten. Im Fokus stand vor allem die Messung nach Normvorgaben, wie der DIN EN 60349-2 für Motoren mit Elektroantrieb sowie der DIN EN ISO 3744 und DIN EN ISO 3746 für die Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus der Schalldruckmessung.
Bis zur Einführung der Messfeld-Lösung war der Schallleistungspegel von Geräuschquellen nur mit einem höheren Aufwand messbar gewesen, die Messtechnik nur manuell durchführbar und einige der Messungen lediglich mit einem externen Dienstleister möglich. Der neue Akustikprüfstand, der inzwischen seit einem Jahr in Betrieb ist, funktioniert jetzt halbautomatisiert und ermöglicht eine standardisierte Abnahme der Motoren nach Normenvorgaben. Die Messungen sind Grundlage der Typenprüfung hinsichtlich der Geräuschentwicklung an Elektromotoren. Vorteil des neuen Prüfstands: „Die Prüfung kann schneller ablaufen, ist ein­facher im Handling und das Know-how bleibt im eigenen Haus des Motorenherstellers“, so J. Isopp.

Technologie wie im Condition Monitoring
Der Akustikprüfstand ist bei End-of-Line-Tests im Einsatz, um Prototypen oder Motoren stichprobenartig zu testen. „Vom Ansatz her ist diese Anwendung der MessfeldIBA -Lösung eigentlich kein klassisches Condition Monitoring. Die eingesetzte Technik ist jedoch identisch“, führt J. Isopp aus. Beim Condition Monitoring geht es darum, ein bestimmtes Bauteil über einen längeren Zeitraum zu prüfen und zu vergleichen. Die Messungen sind immer auf das gleiche Teil bezogen, man will wissen, wann im Messverlauf ein Ausreißer oder ein Trend auftritt, der eine Alterung feststellt. Die eingesetzte Messtechnik im Akustikprüfstand unter­sucht verschiedene Motoren und vergleicht diese miteinander. Der Unterschied zwischen Condition Monitoring und End-of-Line-Prüfung liegt also in denen der Schwingungsüberwachung zugrunde liegenden Parametern.
„Der Motorenhersteller nimmt aus dem Produktionsprozess einen fertigen Motor heraus, dieser wird im Prüfstand aufgespannt, die Messdaten werden aufgenommen und gemäß den Normen beurteilt“, erklärt J. Isopp. Die Daten werden anschließend analysiert und mit Musterdaten und Schadmerkmalen verglichen. Auf Basis dieser Auswertung erfährt der Motorenhersteller, welches Bauteil hinsichtlich der Werte aus der Norm fällt, warum das Bauteil nicht normgerecht funktioniert und an welcher Stelle der Motor verbessert werden muss, damit dieser bei der nächsten Prüfung nach Norm abschneiden kann. Technologisch gesehen könnte der Akustikprüfstand auch in einen Serienfertigungsprüfstand im vollautomatisierten Produktionsbetrieb integriert werden.

Abtastung der Schwingungen mit 50 kHz
Das technologische Herzstück der messtechnischen Lösung bilden die Hard- und Softwarekomponenten von IBA . Die neue Condition-Monitoring-Linie „ibaInSpectra“ bildet die Basis für die Schwingungsanalyse. Im Akustikprüfstand ist das System in der Embedded-Version als dezentrale Lösung für die autarke Überwachung der einzelnen Motorenkomponenten im Einsatz.
Bestandteil des „ibaInSpectra embedded“ ist das Messmodul „ibaPADU-S-IT-16“ in der Backplane-Variante mit Baugruppenträger. Dieses fungiert als Zentraleinheit für das Erfassen und Verarbeiten der Messsignale im Akustikprüfstand. Der integrierte Prozessor des Systems ermöglicht die schnelle Messwerterfassung und intelligente Verarbeitung der Signale. Als Peripheriesystem integrierte IBA das Analogmodul „ibaMS8xICP“ mit acht analogen Eingängen und einer Auflösung von 16 bit, um die Schwingungen mit ICP-Schwingungssensoren erfassen zu können. Als Sensoren sind Mikrofone mit ICP-Signaleingängen und einem Frequenzbereich von 3,15 Hz bis 20 kHz installiert. Zudem sind an den zu prüfenden Motoren Beschleunigungssensoren mit einer Empfindlichkeit von 100 mV/g angebracht und Drehzahlsensoren, die eine maximale Drehzahl von 10.000 rpm erfassen können.
Die Zentraleinheit „ibaPADU-S-IT-16“ verfügt über acht Digitaleingänge ±24 V onboard und die Abtastung geschieht mit 50 kHz. „Wir messen Schwingungen, die hochfrequent abgetastet und mit 16 bit aufgelöst werden. Es fällt also eine Datenmenge an, die nur im IBA-System so gut gelöst werden kann“, sagt J. Isopp. Das „ibaPADU-S-IT“-Modul in der Verwendung als Zentraleinheit funktioniert als autarke Messwerterfassung. Die Messdaten können im lokalen Speicher als DAT-Files abgelegt und zu einem späteren Zeitpunkt über das Netzwerk heruntergeladen werden.

Standardisiert und doch individuell
Als Analyse-Tool hinter dem Messsystem ist im Akustikprüfstand der „ibaAnalyzer“ im Einsatz. Die am Prüfstand aufgenommenen Daten, stehen dem Experten für Schwingungsanalyse am Bildschirm in seinem Büro zur Verfügung und können mit dem Analyzer unmittelbar ausgewertet werden. Die Daten werden automatisch, online und in Echtzeit erfasst. „Der Prüfprozess wird so weitaus nachvollziehbarer und besser dokumentierbar“, erklärt J. Isopp.
Mit dem IBA -System verfügt der Akustikprüfstand über einen definierten und reproduzierbaren Messablauf, der dennoch individuell auf die Gegebenheiten abgestimmt ist. Die Messfeld -Geschäftsführerin resümiert: „Für Nicht-Standard-Lösungen wie unsere braucht man auch entsprechende Partner wie die IBA AG : Sie bietet eine modulare Plattform mit entsprechender Hardware und Software und reagiert flexibel mit umfassendem Support.“ (ih)

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Autor: Dr. Ulrich Lettau ist Vorstandsvorsitzender der IBA AG in Fürth.