Schwingungsanalyse: Zustand rotierender Maschinen messen
Von Peter Krüsi · Instandhaltungs-Glossar
Definition
Schwingungsanalyse ist ein Verfahren der Zustandsüberwachung, das die Schwingungen einer laufenden Maschine misst und auswertet, um ihren mechanischen Zustand zu beurteilen. Aus dem Schwingungsbild von Lagern, Wellen und Getrieben lassen sich typische Fehler wie Unwucht, Ausrichtungsfehler oder ein beginnender Lagerschaden früh erkennen, oft lange bevor sie hörbar werden oder zum Ausfall führen. Sie ist das verbreitetste Verfahren im Condition Monitoring rotierender Maschinen.
Inhalt
Schwingungsanalyse heißt, den Zustand einer laufenden Maschine an ihren Schwingungen abzulesen, statt ihn zu raten. Jedes Lager, jede Welle, jedes Getriebe schwingt im Betrieb. Solange alles in Ordnung ist, hat dieses Schwingungsbild eine bestimmte Form. Kündigt sich ein Schaden an, verändert es sich — oft lange, bevor man etwas hört oder fühlt. Genau diese Veränderung misst und deutet die Schwingungsanalyse. Sie ist das am weitesten verbreitete Verfahren der Zustandsüberwachung an rotierenden Maschinen und in der DIN ISO 17359 als eine der Standardmethoden hinterlegt.
Was die Schwingungsanalyse misst
Gemessen wird die Bewegung eines Maschinenteils um seine Ruhelage. Drei Kennwerte beschreiben sie, jeder mit seinem eigenen Einsatzbereich:
- Schwingweg (in µm): die Auslenkung selbst. Aussagekräftig bei niedrigen Drehzahlen und an Gleitlagern, wo die Welle direkt gemessen wird.
- Schwinggeschwindigkeit (in mm/s): der meistgenutzte Kennwert für die allgemeine Zustandsbeurteilung. Der Effektivwert der Geschwindigkeit über ein breites Frequenzband ist die übliche Überwachungsgröße für Maschinen im mittleren Drehzahlbereich.
- Schwingbeschleunigung (in m/s²): reagiert am stärksten auf hohe Frequenzen und kurze Stöße. Deshalb ist sie die Größe der Wahl, um beginnende Wälzlagerschäden aufzuspüren.
Erfasst wird das Signal je nach Fall mit einem Beschleunigungsaufnehmer am Gehäuse oder mit einem berührungslosen Wegsensor, der die Welle selbst beobachtet. Für einen ersten Eindruck genügt oft ein Handmessgerät im festen Rhythmus; kritische Anlagen bekommen fest verbaute Sensoren, die dauerhaft mitlaufen.
Was sich im Schwingungsbild zeigt
Der eigentliche Gewinn entsteht, wenn man das gemessene Zeitsignal in sein Frequenzspektrum zerlegt (per FFT, der schnellen Fourier-Transformation). Denn verschiedene Fehler schlagen bei verschiedenen Frequenzen an, und die hängen an der Drehzahl:
- Unwucht zeigt sich als erhöhter Ausschlag bei der einfachen Drehfrequenz (1× der Drehzahl).
- Ausrichtungsfehler und lose Verbindungen treten typischerweise beim Zwei- und Dreifachen der Drehfrequenz hervor.
- Wälzlagerschäden erzeugen eigene Überrollfrequenzen, die sich aus der Lagergeometrie berechnen lassen. Weil diese Signale anfangs sehr schwach sind, macht man sie mit der Hüllkurvenanalyse (Demodulation) sichtbar, lange bevor der Schaden im Gesamtpegel auffällt.
So wird aus einem bloßen "die Maschine läuft unruhig" eine konkrete Diagnose: nicht nur dass etwas nicht stimmt, sondern was.
Grenzwerte und Normen
Ab wann ein Schwingungswert kritisch ist, lässt sich nicht pauschal sagen — er hängt von Maschinenart, Größe und Aufstellung ab. Die DIN ISO 20816 (Nachfolgerin der ISO 10816) ordnet Maschinen deshalb in Gruppen und teilt die gemessene Schwinggeschwindigkeit in Bewertungszonen von A bis D ein: A steht für den Zustand einer neuen Maschine, D für einen Wert, der einen Schaden verursachen kann. Die konkreten Zahlenwerte der Zonen unterscheiden sich je Maschinengruppe und gehören in die jeweils gültige Norm, nicht in eine Faustformel.
Für die Beurteilung von Wälzlagern über Körperschall gibt es mit der VDI 3832 eine eigene Richtlinie, für Windenergieanlagen die VDI 3834. Wichtiger als der absolute Einzelwert ist ohnehin der Trend: Ein Wert, der über Wochen steigt, sagt mehr als eine einzelne Messung, die zufällig im grünen Bereich liegt.
Abgrenzung: Schwingungsanalyse, Condition Monitoring und Predictive Maintenance
Die drei Begriffe werden oft vermischt, stehen aber auf verschiedenen Ebenen.
Die Schwingungsanalyse ist ein einzelnes Messverfahren — eines von mehreren im Werkzeugkasten der Zustandsüberwachung, neben Thermografie, Ölanalyse und Temperaturmessung. Sie liefert die Schwingungsdaten.
Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) ist der Oberbegriff: die laufende Beobachtung des Maschinenzustands über eine oder mehrere solcher Größen zusammen.
Predictive Maintenance geht den Schritt weiter und nutzt diese Daten, um zu prognostizieren, wann ein Bauteil ausfällt, und die Instandhaltung danach zu planen. Kurz: Die Schwingungsanalyse misst, das Condition Monitoring überwacht, die Predictive Maintenance sagt voraus.
Der erfahrene Instandhalter hört ein schadhaftes Lager oft schon am Klang. Nur ist "hört sich komisch an" nichts, was man dokumentieren, an einen Grenzwert hängen oder an den nächsten Schichtkollegen weitergeben kann. Die Schwingungsanalyse macht aus diesem Bauchgefühl eine gemessene Zahl mit Verlauf, die jeder gleich liest.
Häufige Fragen
Was ist Schwingungsanalyse?
Schwingungsanalyse ist ein Verfahren der Zustandsüberwachung, das die Schwingungen einer laufenden Maschine misst und auswertet, um ihren mechanischen Zustand zu beurteilen. Aus dem Schwingungsbild von Lagern, Wellen und Getrieben lassen sich Fehler wie Unwucht, Ausrichtungsfehler oder beginnende Lagerschäden früh erkennen — oft bevor sie hörbar werden oder zum Ausfall führen.
Welche Kennwerte misst die Schwingungsanalyse?
Drei Größen beschreiben die Schwingung: Schwingweg (µm), Schwinggeschwindigkeit (mm/s) und Schwingbeschleunigung (m/s²). Für die allgemeine Zustandsbeurteilung ist meist der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit üblich. Die Beschleunigung reagiert am stärksten auf hohe Frequenzen und eignet sich deshalb, um beginnende Wälzlagerschäden zu finden.
Welche Schäden erkennt man mit der Schwingungsanalyse?
Vor allem Fehler an rotierenden Teilen: Unwucht (erhöhter Ausschlag bei der einfachen Drehfrequenz), Ausrichtungsfehler und lose Verbindungen (beim Zwei- und Dreifachen der Drehfrequenz) sowie Wälzlager- und Getriebeschäden, die eigene charakteristische Frequenzen erzeugen. Über die Zerlegung des Signals in sein Frequenzspektrum lässt sich nicht nur erkennen, dass etwas nicht stimmt, sondern auch was.
Welche Norm gilt für die Schwingungsanalyse?
Die DIN ISO 20816 (Nachfolgerin der ISO 10816) bewertet Maschinenschwingungen über Zonen von A bis D, wobei die konkreten Grenzwerte von der Maschinengruppe abhängen. Für Wälzlager gibt es mit der VDI 3832 eine eigene Richtlinie, für Windenergieanlagen die VDI 3834. Den allgemeinen Rahmen der Zustandsüberwachung setzt die DIN ISO 17359.
Was ist der Unterschied zwischen Schwingungsanalyse und Condition Monitoring?
Die Schwingungsanalyse ist ein einzelnes Messverfahren — eines von mehreren im Condition Monitoring, neben Thermografie, Ölanalyse und Temperaturmessung. Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) ist der Oberbegriff für die laufende Beobachtung des Maschinenzustands über solche Größen. Die Schwingungsanalyse liefert dabei die Schwingungsdaten.