Stellen Sie sich vor, Sie hören ein Motorgeräusch, das sich mit steigender Drehzahl verändert – manchmal wird es lauter, manchmal leiser, manchmal ändert sich der Charakter vollkommen. Für das ungeübte Ohr sind das nur diffuse Geräuschveränderungen, aber für einen Akustikingenieur mit Erfahrung in der Ordnungsanalyse ist das wie ein offenes Buch. Jede Veränderung erzählt eine Geschichte über rotierende Komponenten, Unwuchten, Zahnradeingriffe oder Resonanzphänomene. Die Ordnungsanalyse dient der Bestimmung von Maschinenzuständen und ermöglicht die gezielte Erkennung von Geräuschen und Fehlern, um Ursachen für Störungen und Auffälligkeiten bei Motoren, Pumpen, Elektromotoren, Generatoren oder Kolbenmaschinen zu identifizieren. Nach sieben Jahren intensiver Arbeit mit dieser Analysetechnik in der Automobilindustrie kann ich sagen: Die Ordnungsanalyse ist eine der elegantesten und aufschlussreichsten Methoden, um das Verhalten rotierender Maschinen zu verstehen.
Die Ordnungsanalyse geht weit über konventionelle Frequenzanalysen hinaus. Während herkömmliche FFT-Analysen ein statisches Bild bei einer bestimmten Drehzahl liefern, zeigt die Ordnungsanalyse die dynamische Entwicklung des Schwingungsverhaltens über den gesamten Drehzahlbereich. Gerade die Konstruktion und die Auswahl der einzelnen Komponenten, wie Motoren, Pumpen oder Getriebe, spielen eine entscheidende Rolle für die Analyse und die gezielte Fehlersuche an rotierenden Maschinen. Sie macht sichtbar, wie sich verschiedene Anregungsmechanismen mit der Drehzahl entwickeln und wo kritische Resonanzen auftreten.
Bei konstanter Drehzahl liefert eine klassische FFT-Analyse wertvolle Erkenntnisse über das Schwingungsverhalten einer Maschine. Aber was passiert, wenn die Drehzahl variiert? Was passiert beim Anlauf, beim Hochfahren auf Betriebsdrehzahl oder bei Laständerungen? Hier versagt die konventionelle Analyse, weil sich die Frequenzen der verschiedenen Anregungen mit der Drehzahl verschieben und in einem normalen Spektrum “verschmieren”.
Ich arbeite mit hochauflösenden Drehgebern oder berührungslosen Laser-Tachometern, die präzise Drehzahlinformationen liefern. Die Tacho-Signale und die zuverlässige Drehzahlerfassung sind entscheidend für eine hohe Auflösung und die exakte Analyse im Frequenzbereich, da sie die korrekte Zuordnung von Schwingungs- und Geräuschsignalen ermöglichen.
Die Ordnungsanalyse löst dieses Problem elegant, indem sie die Schwingungen nicht in Abhängigkeit von der Frequenz, sondern in Abhängigkeit von der “Ordnung” analysiert. Eine Ordnung ist ein Vielfaches der Grunddrehzahl: Die 1. Ordnung entspricht der Rotationsfrequenz, die 2. Ordnung der doppelten Rotationsfrequenz usw. Dadurch bleiben drehzahlabhängige Phänomene auch bei sich ändernder Drehzahl klar identifizierbar.
Die Ordnungsanalyse erfordert spezialisierte Messtechnik, die sowohl die Schwingungen als auch die aktuelle Drehzahl synchron erfassen kann. Ich arbeite mit hochauflösenden Drehgebern oder berührungslosen Laser-Tachometern, die präzise Drehzahlinformationen liefern. Diese werden mit den Schwingungssignalen von Beschleunigungsaufnehmern korreliert, um die ordnungsbasierte Analyse zu ermöglichen. Dabei kommen moderne Beschleunigungssensoren zum Einsatz, deren Signale in Echtzeit verarbeitet werden. Ein intelligenter Tracking Algorithmus isoliert das Geschwindigkeitssignal aus den Schwingungssensoren, was insbesondere dann wichtig ist, wenn kein Tacho-Sensor montiert werden kann. Die kontinuierliche Berechnung und Anzeige der Messergebnisse ermöglicht eine präzise und zeitnahe Fehlerdiagnose.
Das Herzstück ist die spezialisierte Software, die in der Lage ist, die komplexen mathematischen Transformationen durchzuführen, die für die Ordnungsanalyse erforderlich sind. Moderne Systeme können nicht nur statische Ordnungsspektren erstellen, sondern auch dreidimensionale Wasserfalldiagramme (Campbell-Diagramme), die die Entwicklung der Ordnungen über den gesamten Drehzahlbereich visualisieren.
Drehzahlverfolgung vs. konstante Bandbreite
Ein entscheidender Aspekt der Ordnungsanalyse ist die Wahl zwischen verschiedenen Analysemodi. Bei der drehzahlverfolgenden Analyse (Order Tracking) werden die Filter automatisch an die aktuelle Drehzahl angepasst, sodass bestimmte Ordnungen über den gesamten Drehzahlbereich verfolgt werden können. Bei der Analyse mit konstanter Bandbreite bleiben die Frequenzbänder fest, wodurch sowohl drehzahlabhängige als auch drehzahlunabhängige Phänomene sichtbar werden.
Beide Ansätze haben ihre Berechtigung und liefern komplementäre Informationen. In der Praxis kombiniere ich oft beide Methoden, um ein vollständiges Bild des Schwingungsverhaltens zu erhalten.
Das Campbell-Diagramm ist die vielleicht wertvollste Darstellungsform der Ordnungsanalyse. Es zeigt die Amplituden verschiedener Ordnungen als Funktion der Drehzahl in einer dreidimensionalen Darstellung, wobei die Amplitude als Maß für die Stärke der Schwingungen dient, die Anzahl der dargestellten Ordnungen für eine umfassende Analyse entscheidend ist und eine geeignete Referenz zur Kalibrierung der Messergebnisse verwendet wird. Dabei werden kritische Drehzahlen, Resonanzen und drehzahlabhängige Anregungen auf einen Blick sichtbar.
In einem Campbell-Diagramm erscheinen drehzahlabhängige Anregungen als horizontale Linien (konstante Ordnung), während strukturelle Resonanzen als vertikale Linien (konstante Frequenz) sichtbar werden. Kritische Betriebspunkte zeigen sich dort, wo diese Linien sich kreuzen – wo also eine drehzahlabhängige Anregung auf eine Strukturresonanz trifft.
Identifikation kritischer Drehzahlen
Besonders wertvoll ist die Fähigkeit der Ordnungsanalyse, kritische Drehzahlen zu identifizieren. Das sind Betriebspunkte, wo bestimmte Anregungsordnungen mit Eigenfrequenzen der Struktur zusammenfallen und dadurch erhöhte Schwingungen oder Geräusche auftreten.
In der Automobilindustrie ist die Ordnungsanalyse unverzichtbar für die Entwicklung komfortabler Fahrzeuge. Motor-, Getriebe- und Antriebsstranggeräusche müssen über den gesamten Betriebsbereich optimiert werden. Dabei geht es nicht nur um absolute Lautstärke, sondern auch um die Klangqualität und das subjektive Empfinden.
Moderne Fahrzeuge haben komplexe Antriebsstränge mit CVT-Getrieben, Hybridantrieben oder elektrischen Maschinen. Jede dieser Komponenten bringt ihre eigenen ordnungsbasierten Charakteristika mit sich, die verstanden und optimiert werden müssen. Die Ordnungsanalyse ermöglicht es, die Beiträge einzelner Komponenten zu separieren und gezielt zu optimieren.
Auch in der Industrie ist die Ordnungsanalyse ein wertvolles Werkzeug. Große Turbinen, Kompressoren oder Gebläse müssen oft über weite Drehzahlbereiche betrieben werden. Die Ordnungsanalyse hilft dabei, sichere Betriebsbereiche zu definieren und kritische Drehzahlen zu vermeiden.
Darüber hinaus wird die Ordnungsanalyse erfolgreich zur Diagnose und Fehlersuche bei Pumpen, Kolbenmaschinen, Elektromotoren und Generatoren sowie in Fahrzeugen eingesetzt. Sie ermöglicht die Erkennung von Schwingungen, Resonanzen und Betriebszuständen dieser Maschinen und Komponenten und unterstützt so die Wartung und Zuverlässigkeitsbewertung.
Ein besonders spannendes Anwendungsgebiet ist die Windkraft. Windkraftanlagen sind permanenten Drehzahländerungen unterworfen und müssen über einen weiten Drehzahlbereich stabil und effizient arbeiten. Die Ordnungsanalyse hilft dabei, problematische Resonanzen zu identifizieren und die Betriebsstrategie entsprechend anzupassen.
Die verschiedenen Ordnungen einer Maschine haben charakteristische Bedeutungen, die bei der Diagnose helfen können: Die Ordnungsanalyse bietet dabei wertvolle Hilfe bei der Erkennung und Analyse von Geräuschen und Fehlern in rotierenden Maschinen.
1. Ordnung (Grunddrehzahl)
Erhöhte Amplituden in der 1. Ordnung deuten typischerweise auf Unwuchten hin. Die Analyse des Phasenverlaufs kann zusätzlich Informationen über die Art der Unwucht (statisch vs. dynamisch) liefern.
Ganzzahlige Ordnungen
Diese entsprechen meist mechanischen Anregungen: Die 2. Ordnung bei Zweizylindermotoren, die Zähnezahl-Ordnung bei Zahnrädern, die Schaufelzahl-Ordnung bei Ventilatoren.
Nicht-ganzzahlige Ordnungen
Diese können auf komplexere Anregungsmechanismen hinweisen, etwa Modulationseffekte oder Wechselwirkungen zwischen verschiedenen rotierenden Komponenten.
Subharmonische Ordnungen
Ordnungen unterhalb der 1. Ordnung können auf Instabilitäten oder nichtlineare Effekte hinweisen und sind oft Warnsignale für sich entwickelnde Probleme.
Die Ordnungsanalyse entfaltet ihr volles Potenzial, wenn sie mit anderen Analysetechniken kombiniert wird. Die Korrelation mit Betriebsparametern wie Last, Temperatur oder Druck kann zusätzliche Erkenntnisse über die Ursachen von Schwingungsphänomenen liefern; darüber hinaus lassen sich durch die Analyse weiterer physikalischer Größen wie Strömung oder Schub im Zusammenhang mit der Ordnungsanalyse Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Messgrößen herstellen und untersuchen.
Synchrone Mittelung
Eine besonders wertvolle Ergänzung ist die synchrone Mittelung (Time Synchronous Averaging). Dabei werden die Zeitsignale über viele Umdrehungen gemittelt, wodurch zufällige Störungen unterdrückt und periodische Signale verstärkt werden. Dies ermöglicht eine sehr detaillierte Analyse der Schwingungen einzelner Rotationszyklen.
Ordnungsbasierte Filterung
Die Ordnungsanalyse ermöglicht auch die gezielte Filterung bestimmter Ordnungen. Dies kann sowohl für die Diagnose als auch für die Bewertung der Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen wertvoll sein. Wenn beispielsweise eine bestimmte Ordnung als problematisch identifiziert wurde, kann ihre Entwicklung über die Zeit verfolgt werden, um den Erfolg von Optimierungsmaßnahmen zu bewerten.
Die Ordnungsanalyse ist eine Investition in das tiefere Verständnis rotierender Maschinen. Sie ermöglicht es, Probleme zu verstehen, bevor sie zu kostspieligen Ausfällen führen, und Optimierungen gezielt dort durchzuführen, wo sie den größten Effekt haben.
Die Kosten für eine professionelle Ordnungsanalyse bewegen sich typischerweise zwischen 800 und 1.300 Euro, abhängig von der Komplexität der Messung und der erforderlichen Analysentiefe. Dieser Aufwand amortisiert sich oft bereits durch eine einzige vermiedene Fehldiagnose oder eine gezielte Optimierungsmaßnahme.
Die Datenanalyse bildet das Herzstück jeder erfolgreichen Ordnungsanalyse an rotierenden Maschinen. Nach der präzisen Erfassung der Schwingungssignale und der aktuellen Drehzahlen beginnt die eigentliche Analyse: Hier werden die gesammelten Messdaten systematisch ausgewertet, um ein klares Bild vom Zustand und der Funktion der Maschine zu erhalten. Mithilfe moderner Analyseverfahren wie der FFT (Fast Fourier Transformation) oder der Ordnungsanalyse mit fester Bandbreite lassen sich die relevanten Ordnungen und deren Amplituden exakt bestimmen.
Durch die gezielte Auswertung dieser Daten werden nicht nur Auffälligkeiten im Schwingungsverhalten sichtbar, sondern auch Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand der Maschine möglich. So können beispielsweise Veränderungen in den Amplituden bestimmter Ordnungen frühzeitig auf Verschleiß oder beginnende Schäden hinweisen. Die Ergebnisse der Datenanalyse dienen als Grundlage für gezielte Wartungsmaßnahmen, die Optimierung von Betriebsparametern und die Planung von Instandhaltungsintervallen. Damit wird die Datenanalyse zum unverzichtbaren Werkzeug, um die Zuverlässigkeit und Effizienz von rotierenden Maschinen nachhaltig zu sichern.
Die praktische Anwendung der Ordnungsanalyse liefert wertvolle Erkenntnisse für die Diagnose und Optimierung von rotierenden Maschinen. Durch die detaillierte Analyse der Ordnungen und ihrer Amplituden lassen sich typische Fehlerbilder wie Unwuchten, Lagerprobleme oder Zahnradfehler schnell und zuverlässig erkennen. Besonders in Kombination mit anderen Methoden wie der Frequenzanalyse oder der Analyse im Zeitbereich entsteht ein umfassendes Bild des Maschinenzustands.
In der Praxis zeigt sich, dass die Ordnungsanalyse nicht nur zur Fehlerdiagnose, sondern auch zur gezielten Optimierung von Komponenten und Betriebsabläufen eingesetzt werden kann. Sie unterstützt die Planung vorausschauender Wartungsmaßnahmen und trägt dazu bei, die Lebensdauer wichtiger Bauteile zu verlängern. Als vielseitiges Werkzeug ist die Ordnungsanalyse aus der modernen Maschinenüberwachung und -wartung nicht mehr wegzudenken und bietet einen entscheidenden Mehrwert für die Zuverlässigkeit und Effizienz von Anlagen.
Die Ordnungsanalyse entwickelt sich stetig weiter und profitiert von aktuellen Trends und technologischen Innovationen. Ein bedeutender Fortschritt ist der Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen, die es ermöglichen, große Datenmengen aus Schwingungssignalen und Drehzahlen automatisch zu analysieren und komplexe Muster zu erkennen. Dadurch werden Fehler und Anomalien noch schneller und präziser identifiziert.
Ein weiterer Trend ist die zunehmende Verfügbarkeit mobiler Messsysteme, mit denen die Ordnungsanalyse direkt am Einsatzort der Maschine durchgeführt werden kann. Diese Flexibilität erleichtert die Überwachung von Maschinen in unterschiedlichsten Umgebungen und reduziert den Aufwand für aufwendige Installationen. Zudem sorgen neue, hochpräzise Sensoren und innovative Messverfahren dafür, dass Schwingungen und Drehzahlen mit noch höherer Genauigkeit erfasst werden können. Diese Entwicklungen machen die Ordnungsanalyse zu einem zukunftssicheren Instrument für die Überwachung und Optimierung von rotierenden Maschinen in allen Branchen.
Langzeitüberwachung und Trending
Besonders wertvoll wird die Ordnungsanalyse, wenn sie als Teil einer kontinuierlichen Überwachungsstrategie eingesetzt wird. Die Entwicklung kritischer Ordnungen über die Zeit kann frühe Warnsignale für sich entwickelnde Probleme liefern und eine vorausschauende Wartung ermöglichen.
Moderne Systeme für die Ordnungsanalyse sind kompakt und mobil. Dies ermöglicht Messungen direkt vor Ort, ohne dass aufwendige Installationen erforderlich sind. Meine regionale Nähe in Thüringen sorgt dafür, dass ich flexibel und kurzfristig verfügbar bin, wenn eine dringende Analyse benötigt wird.
Die Ergebnisse werden umfassend dokumentiert und in verständlicher Form aufbereitet. Sie erhalten nicht nur die technischen Daten, sondern auch eine Interpretation der Ergebnisse mit konkreten Handlungsempfehlungen.
Die Dynamik verstehen, die Zukunft planen
Rotierende Maschinen sind das Herz vieler industrieller Prozesse. Die Ordnungsanalyse ist der Schlüssel zum Verständnis ihrer Dynamik und zur Optimierung ihrer Leistung. Sie verwandelt komplexe Schwingungsphänomene in verständliche, handlungsrelevante Informationen.
Wenn Sie vor Herausforderungen mit rotierenden Maschinen stehen, wenn drehzahlabhängige Probleme auftreten oder wenn Sie die Leistung Ihrer Antriebe optimieren möchten, kann eine professionelle Ordnungsanalyse der Schlüssel zum Erfolg sein.
Kontaktieren Sie mich für ein unverbindliches Beratungsgespräch. Gemeinsam analysieren wir Ihre spezifische Situation und entwickeln eine Messstrategie, die die Antworten liefert, die Sie benötigen.
Hannes Graber – Akustikingenieur
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