Risse und Brüche kündigen sich an - und zwar lange bevor die Maschine stillsteht. Dazu müssen die kritischen Bauteile überwacht werden, bei Rotationsmaschinen die Wälzlager. So lassen sich mit der Schallemissionsprüfung Schäden frühzeitig erkennen. Die Basis bildet dabei eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung.

Moderne Hersteller müssen heute hochqualitativ und kosteneffizient produzieren. Viel gewonnen haben sie, wenn sie zu jeder Zeit für die beste Leistung ihrer Maschine sorgen. Denn aus Mängeln resultieren häufig schwere Schäden. So lassen sich beispielsweise Wälzlager vorausschauend warten, um ihre zuverlässige Funktion zu gewährleisten. Oberflächenfehler sind dabei die häufigsten Mängel an Wälzlagern. Infolge von Kontaktermüdung treten im Oberflächenmaterial der Laufbahnen oder Wälzkörper Brüche auf. In der Frühphase der Entstehung von Ermüdungsschäden sind die Vibrationssignale der Wälzlager sehr schwach. Sie mischen sich mit den Vibrationssignalen anderer Maschinenkomponenten und sind Störgeräuschen ausgesetzt, was die Identifizierung von Schäden erschwert. Doch die Messung akustischer Emissionen kann Risswachstum identifizieren, das durch Ermüdungsschäden verursacht wird. Dies bietet einen großen Vorteil für die frühzeitige Vorhersage und Diagnose von Wälzlager-Schäden.

Hohe Ansprüche an die Abtastrate

Die Analyse von Schallemissionen ist eine wichtige Methode der dynamischen Überwachung von Material- oder Struktur-Zuständen. Diese Methode hat sich von der anfänglichen bloßen Prüfgrößenerfassung stufenweise zur heutigen vollständigen Wellenform-Analyse weiterentwickelt. Ein System zur Analyse von Schallemissionen besteht aus einem Schallsensor, einem Vorverstärker und einer Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung. Schallemissionssignale haben breite Spektren und weisen Frequenzen von wenigen kHz bis in den 10-MHz-Bereich auf. Deshalb ist zur Datenerfassung ein Digitizer erforderlich, der eine Abtastrate von 20 Megasamples pro Sekunde oder höher aufweist. Zudem sind Schallemissionssignale sehr schwach, meist im Mikro-Volt-Bereich, und erreichen auch nach der Vorverstärkung nur einige Milli-Volt. Außerdem haben sie einen großen Wellenform-Amplitudenbereich. Daraus resultieren hohe Ansprüche an die Abtast-Genauigkeit und den Dynamikbereich der Messinstrumente.

Erfassung von Schallemissionen

Adlink hat seinen Hochgeschwindigkeits-Digitizer PCI-9846 mit einem Treiber für LabView ausgestattet. Nach der Installation des DAQPilot-Treibers ist die Werkzeugsammlung DAQPilot in der LabView-Datenbank verfügbar. Dieses Werkzeug bietet Kontrollfunktionen für die Datenerfassung. Die Kontrollfunktionen und Aufrufmethoden entsprechen der Treibersoftware DAQmax von National Instruments und sind komfortabel zu verwenden.
Das Signalerfassungsmodul bildet die Grundlage für das entwickelte Testsystem zur Schallemissionsprüfung. Nachdem sowohl der Eingangskanal, die Verstärkung des Vorverstärkers, der Filter sowie weitere Parameter festgelegt worden sind, kann der Anwender die kontinuierliche Datenerfassung starten. Wenn das Originalsignal dem Vergrößerungsfaktor entsprechend reduziert worden ist und die digitale Filterung durchlaufen hat, werden Rauschen und überflüssige Frequenzbänder entfernt. Das gefilterte kontinuierliche Signal kann dann im Binärformat oder als Text gespeichert werden.

Parameteranalyse einer Schallemission

Nach der Filterung wird das kontinuierlich erfasste Signal an einen Amplituden-Detektor übertragen. Abhängig von der definierten Schwelle der Amplitude und der festgelegten Zeitdauer werden aus dem kontinuierlich erfassten Signal die Wellenform-Daten der plötzlich einsetzenden Schallemission abgefangen. Danach werden für jeden Wellenform-Wert charakteristische Parameter wie Ring-Down-Count, Amplitude, Frequenz, Energie, Anstiegszeit und Dauer berechnet und in einer Parametertabelle gespeichert, sodass sie direkt betrachtet werden können und für die weitergehende Systemanalyse zur Verfügung stehen.
Die PCI-9846-Karte bietet verschiedene Trigger-Abtast-Modi für steigende oder fallende Flanken, Window, Referenz und andere analoge Trigger-Modi. Wellenförmige Schallemissionssignale können direkt von der Hardware abgetastet werden. Dies senkt die Rechenlast und spart Ressourcen, die damit für die Extraktionsalgorithmen der Software zur Verfügung stehen. Schallemissionen lassen sich leicht durch externe elektromagnetische Felder stören, weshalb die Signale vor dem Erfassen der Wellenform gefiltert werden müssen. Allerdings verfügt der Digitizer PCI-9846 nicht über programmierbare Filter. Diese könnten in zukünftigen Systemerweiterungen in das Frontend des PCI-9846 integriert werden, sodass die Trigger-Möglichkeiten der Hardware voll ausgeschöpft werden können.

Überprüfung des Testsystems

Um die Leistungsfähigkeit des Testsystems zur Schallemissionsprüfung zu ermitteln, wurde ein Vergleichstest durchgeführt. Dazu wurden mit einem Rotationsmaschinen-Testsystem die Schallemissionen und Vibrationen eines Wälzlagers mit mangelhaften Wälzkörpern simuliert. Testobjekt war ein Wälzlager mit 12 Wälzkörpern und einem Kontaktwinkel von 0 Grad. Auf der Oberfläche der Wälzkörper wurden durch geradlinige Schnitte kleine Spalten eingefügt, um die Schäden zu simulieren, die durch Abschälen der Oberfläche infolge von Ermüdung auftreten.
An der Wälzlageraufnahme wurde in vertikaler Position der Achse ein Beschleunigungssensor angebracht. Neben diesem Sensor bestand das Vibrations-Testsystem aus einem Schwingungsmessgerät zur Erfassung dynamischer Signale. Die Vibrationsdaten wurden zur Analyse in eine Matlab-Umgebung importiert. Bei unveränderter Rotationsgeschwindigkeit wurde der Beschleunigungssensor gegen einen akustischen Sensor getauscht.
Der Versuch bestätigt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis der Schallemission viel höher ist als das Signal-Rausch-Verhältnis der Schwingungsbeschleunigung. Der Verlauf des Hüllkurven-Spektrums der beiden Signale zeigt, dass das Spektrum des Schallemissionssignals eine einfachere Linienstruktur aufweist. Aus dieser lässt sich die charakteristische Frequenz des Schadens leichter ermitteln.

Fazit

Das Testsystem wurde verwendet, um das Schall­emissions-Signal auszuwerten, das ein Wälzlager mit Oberflächenschaden am Wälzkörper im Betrieb erzeugt. Die Ergebnisse dieses Tests wurden mit den Ergebnissen eines konventionellen Vibrationstests verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die Schallemission ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis hat. Dadurch wird das große Potenzial der Schallemissionsprüfung für die Früherkennung und Diagnose von Wälzlager-Schäden deutlich.