Messtechnik-Newsletter Nr. 556

Prozessüberwachung

Prozessoptimierung mit dem Blick nach Vorne

Seit Jahren werden Prozesse in Produktionsanlagen überwacht. Je höher das Ausfallrisiko einer Anlage und je teurer der Stillstand, desto intensiver die Überwachung.

Im Zentrum der Aufmerksamkeit steht besonders der Antriebsstrang. Er stellt die Leistung vom Motor über Kupplungen, Getriebe, Sicherheitskupplungen, Gelenkwellen und ggf. auch Bremsen für den Prozess bereit und ist damit gewissermaßen die Achillesferse des Prozesses. Die Überwachung dieser Achillesferse erfolgt meist durch Schwingungs- und/oder Temperatursensoren, die Veränderungen an empfindlichen Stellen des Antriebsstranges „beobachten“. Das Überschreiten von festgelegten Grenzwerten zeigt einen sich ankündigenden Schaden an Wälzlagern, Zahnrädern, Getrieben, Kupplungen oder Motoren an und ermöglicht einen kurzfristigen Austausch der überwachten Komponenten, ohne längeren Anlagenausfall.

Unter Experten ist unumstritten, dass die häufigsten Ausfallursachen nicht durch Schäden entstehen, die durch plötzlich auftretende – nicht zu erwartende - Überlasten verursacht werden. Diese Art von Ausfällen werden z.B. durch zuverlässig funktionierende Sicherheitskupplungen vermieden. Vielmehr treten die Ausfälle durch geringere Schäden an empfindlichen Stellen auf (z.B. Laufbahn eines Wälzlagers), die sich durch ständige Belastung wie ein Schlagloch in der Straße allmählich vergrößern und erst viel später nach dem verursachenden Ereignis als Signale bei der Schwingungsüberwachung „auftauchen“. Ein entscheidendes Ergebnis kann diese Überwachung leider nicht liefern: die Ursache.

Eine eindeutige Zuordnung eines oder mehrerer Ereignisse oder Betriebszustände, dass unter dem Grenzwert (z.B. einer Sicherheitskupplung) liegt kann dem Beginn eines Schadensereignisses nicht klar zugeordnet werden. Damit bleibt nicht nur die Ursache verborgen - auch die Entwicklung einer Vermeidungsstrategie ist unmöglich. Wenn die Erkennung von Schäden auch hilfreich ist und größere Ausfälle zu verhindern hilft, setzt diese Vorgehensweise prall gefüllte Ersatzteillager mit hochwertigen Komponenten voraus, um im Bedarfsfall angemessen reagieren zu können – kein Wettbewerbsvorteil in Zeiten zunehmenden Wettbewerbsdrucks. Es bleibt zudem das ungute Gefühl, die Ursache nicht wirklich erkannt und abgestellt zu haben. Die Vermeidungsstrategie mit reduzierten Prozessparametern und einer damit geringeren Belastung kostet nicht nur Produktivität, sondern wegen des schlechteren Wirkungsgrads auch Energie und verschlechtert damit den CO₂-Fußabdruck.

Um die Belastung an insbesondere neu entwickelten Komponenten zu ermitteln, ist die Erprobung auf dem Prüfstand eine bewährte Methode. Auch die Ermittlung von Drehmomenten an rotierenden Bauteilen ist seit der Einführung der Telemetrie-Technologie von Manner auf Basis der Induktion gängige Praxis und ein zuverlässiger Lieferant von Echtzeit-Daten.

Für Serienprodukte werden auch Prototypen in der Felderprobung mit Drehmomentsensorik ausgerüstet, um Erkenntnisse über die Belastung eines Bauteils zu gewinnen. Der Anwendung in Standard- oder Serienprodukten stand bisher die aufwändige Applikation der Sensorik im Wege. Maschinenbauunternehmen wie Kupplungs- Bremsen- oder Getriebehersteller verfügen nur in Ausnahmefällen über die notwendige Expertise, um die oft nur winzigen DMS-Sensoren unter den notwendigen Bedingungen zu kleben, die erforderlichen Antennen und Vorverstärker in Ihre Produkte einzubinden und eine Auswerteeinheit bereitzustellen, die unter Serienbedingungen verlässliche Signale liefert. All dies war bisher der Expertise von Prüfstands-Ingenieuren vorbehalten.

Mit der Entwicklung von TelMAX eröffnet Manner nun auch die Möglichkeit, die Drehmomentmessung mit Standardkomponenten in den Antriebsstrang zu integrieren. Mit einem einfachen Bonding-Prozess wird der ca. 13x35mm große Sensor auf dem Bauteil zuverlässig montiert und bringt mit einem Vorverstärker alles mit, was für eine verlässliche Signalübertragung unter widrigsten Umgebungsbedingungen erforderlich ist. Eine einfach zu integrierende Antenne übernimmt die Signalübertragung an eine Auswerteeinheit, die z.B. über einen Stecker an die zu überwachende Antenne angeschlossen werden kann. Für Anlagen, die im Feld laufen, hat Manner die Variante TelMAX entwickelt. Sie funktioniert im Wesentlichen wie die Schwester TelMA, kann aber an frei zugänglichen Komponenten wie Kupplungen oder Gelenkwellen ohne Demontage nachträglich appliziert werden.

Was macht diese Entwicklung so interessant?

Bei der Auslegung von Maschinenelementen ist die genaue Belastung nur selten genau bekannt. Um eine angemessene Auslegung zu gewährleisten, einigen sich Anwendung und Hersteller auf verschiedene Methoden. So können Verzahnungen unter Berücksichtigung eines Anwendungsfaktors dauerfest ausgelegt werden. Dabei wird die Nennleistung des installierten Motors um einen Faktor (zwischen 1,2 und bis zu 3) erhöht. Die Verzahnung kann daher Lasten sicher übertragen, die um das 1,2 bis 3-fache über der installierten Motorleistung liegen.

Sicherheitskupplungen in Antriebssträngen werden je nach Anwendung um einen Faktor zwischen 1,5 und bis zu 3 über dem Nennmoment des Motors eingestellt, um den Antriebsstrang auf der einen Seite sicher zu betreiben und andererseits vor Extremlasten zu schützen.

Bei Wälzlagern erfolgt die Auswahl auf Basis einer zu berechnenden Lebensdauer mit den lastabhängigen Eingangsgrößen Last, Drehzahl und Tragzahl des Lagers. Um die Lager nicht zu groß und damit unwirtschaftlich auszuwählen, erfolgt die Berechnung der Lebensdauer z.B. auf Basis der Nennleistung des installierten Motors. Die Unsicherheit bei der Lastannahme wird über die geforderte Lebensdauer berücksichtigt. So sind Forderungen von 100.000 h = 12 Jahre mit 7/24-Betrieb für Schwerlastanwendungen üblich.

Zu beachten ist, dass die Lebensdauer bei Wälzlagern von der tatsächlichen Belastung abhängt. Diese Belastung lässt sich jedoch nicht einfach über die aufgenommene Leistung des installierten Motors ermitteln. Wegen seiner hohen Rotationsenergie stellt der Motor ausreichend Energie zur Verfügung, um kurzzeitige Hindernisse ohne eine nennenswerte Änderung der Stromaufnahme zu überwinden. Die daraus resultierenden Lastspitzen können aber gerade bei Wälzlagern zu Anfangsschäden an Laufbahnen, Wälzkörpern oder Käfigen führen, die erst viel später als Schäden erkannt werden. Zudem ist der Einfluss der Last auf die Lebensdauer zu berücksichtigen. Da die Last nicht linear, sondern z.B. bei einem Zylinderrollenlager mit der Potenz (10/3) berücksichtigt werden muss, geht die Lebensdauer von 100.000h bei einer durchschnittlichen Belastung von 120 % auf 54.500 h und bei 140 % auf 32.500 h zurück. Mit einer kontinuierlichen Beobachtung des Drehmomentes wird eine eindeutige zeitliche Zuordnung zur Last als Voraussetzung für eine Prozessoptimierung ermöglicht. Werden die Drehmomente nicht nur beobachtet, sondern auch gespeichert, können diese Daten zur Ermittlung der tatsächlichen Belastung der Wälzlager herangezogen werden.

Damit ist Folgendes Bestandteil eines zukunftsorientierten Anlagenbetriebs ohne Überraschungen bei höchster Verfügbarkeit: