Table Of ContentSturm/Förster
Maschinen- und Anlagendiagnostik
für die zustandsbezogene Instandhaltung
Maschinen - und Anlagendiagnostik
für die zustands bezogene Instandhaltung
Von Prof. Dr. sc. techno Adolf Sturm
und Hon.-Doz. Dr. sc. techno Rudolf Förster
Technische Hochschule Zittau
Mit 342 Bildern und 67 Tafeln
EI3
B. G. Teubner Stuttgart 1990
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Sturm, Adolf:
Maschinen- und Anlagendiagnostik rur die zustandsbezogene
Instandhaltung / Adolf Sturm; Rudolf Förster. - Stuttgart:
Teubner, 1990
ISBN 978-3-519-06333-9 ISBN 978-3-322-99814-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-99814-9
NE: Förster, Rudolf:
© VEB Verlag Technik, Berlin 1990
Lizenzausgabe rur B. G. Teubner Stuttgart
Vorwort
An Maschinen und Anlagen werden im Produktionsprozeß höchste Anforderungen zur Gewähr
leistung der Betriebssicherheit, hoher Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit gestellt. Mit einer
zustands bezogenen Instandhaltung kann ein Beitrag zur Verbesserung der Materialökonomie
und der Auslastung der technischen Arbeitsmittel angestrebt und erreicht werden. Dafür werden
immer zuverlässigere Informationen über den technischen Zustand von Maschinen und Anla
gen erforderlich. Die Technische Diagnostik kann diese Informationen liefern. Neueste For
schungsergebnisse zu den Ursachen und zum Verlauf von Schädigungen sowie neue Geschäfte
auf der Basis hochleistungsfähiger Elektronik gestatten immer mehr und immer besser, die oft
noch subjektive Beurteilung des Schädigungszustandes durch objektive, exakt begründete Meß
und Bewertungsverfahren zu ergänzen oder zu ersetzen.
Das vorliegende Buch strebt eine durchgehende Darstellung der Prüftechnik und Diagnostik
an und schränkt sich bewußt auf die Nutzung dieser Verfahren für die Schadenserkennung und
-abwehr und eine zustandsbezogene Instandhaltung ein. Einleitend werden die Aufgaben und
die Entwicklungstendenzen der Prüftechnik und der Anlagendiagnostik erläutert (Absehn. 1.).
Der Abschnitt 2. führt in die Theorie der Technischen Diagnostik ein. Die für die praktische
Nutzung wichtigsten Prüfverfahren werden in den Abschnitten 3. bis 5. behandelt. Die Schwin
gungsdiagnostik (Absehn. 6.) und die Schallemission (Absehn. 7.) zeigen die typische Arbeits
methodiken und -verfahren der Anlagendiagnostik während des Betriebes. Die Nutzung von
Prozeßparametern, Partikeln und Prozeßmedien für die Diagnostik (Abschnitte 8. und 9.) ver
vollständigen die Darstellung von Diagnosemethoden und -verfahren. In einem abschließenden
10. Abschnitt wird gezeigt, nach welchen Prinzipien komplexe Diagnosesysteme aufgebaut wer
den können und welcher Entwicklungsstand erreicht ist.
Dem Ingenieur der Betriebsführung und Instandhaltung soll das vorliegende Buch helfen, die
Anforderungen der zustandsbezogenen Instandhaltung an die Prüftechnik und Anlagendiagno
stik zu erfüllen. Die rasche Entwicklung der Technischen Diagnostik erfordert, sich ständig auf
neue Verfahren und Geräte einzüstellen. Deshalb wurde für die Technische Diagnostik allge
mein (Absehn. 2.) und für jede Verfahrensgruppe (Abschnitte 3.1., ... , 10.1.) in die theoreti
schen Grundlagen eingeführt. Diese theoretischen Grundlagen sind weitgehend unabhängig von
der zukünftigen Verfahrensentwicklung. Dadurch ist dieses Buch auch gut nutzbar für die Aus
und Weiterbildung.
Die Behandlung der Verfahren der Technischen Diagnostik stützt sich auf eine breite Zusam
menarbeit mit Fachkollegen [1.1]. Allen, die durch Überlassung von Unterlagen, durch Mei
nungsäußerungen und Diskussionen sowie durch kritische Durchsicht von Teilen des Manu
skripts zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, ein ganz herzlicher Dank! Für die sorg
fältige Anfertigung der Zeichnungen danken wir Frau Heinze genau so wie Frau Förster für die.
Schreibarbeit.
Dem VEB Verlag Technik und unserem Lektor, Herrn Dipl.-Ing. Ljßner, gilt unser Dank für
die Bemühungen zur schnellen Herausgabe des Buches und die verständnisvolle Zusammenar
beit, dem Verlag B. G. Teubner Stuttgart für die Übernahme einer Lizenzausgabe.
Die Erstauflage dieses Buches übergeben wir einem breiten Leserkreis zur Nutzung und zur
kritischen Durchsicht unseren Fachkollegen. Wir fordern auf, Hinweise und Vorschläge zur Ver
besserung an den Verlag zu senden und danken Ihnen schon jetzt recht herzlich dafür.
A. Sturm
R. Förster
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1. Aufgaben der Technischen Diagnostik 13
1.2. Entwicklungstendenzen . . . . . . . . 16
2. Einführung in die Theorie der Technischen Diagnostik 18
2.1. Zustandsbezogene Instandhaltung . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1. Schädigungsprozesse als Ursache von Instandhaltungsmaßnahrnen 18
2.1.2. Instandhaltungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3. Vorzüge einer zustandsbezogenen Instandhaltung . 24
2.1.4. Trendanalyse und Restfunktionsdauerprognose 27
2.1.5. Prioritätsregeln . . . . . . . . . . . . 32
2.1.6. Adressen .............. . 34
2.1.7. Organisation und Informationsfluß . 35
2.2. Diagnoseinformationen . . . . . . . 37
2.2.1. Diagnoseobjekt . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2. Prüftechnik und Anlagendiagnostik 38
2.2.3. Anforderungen an Diagnosealgorithmen 39
2.2.4. Informationsgewinnung . . . . . . . . . 40
2.2.5. Diagnoseparameter .......... . 40
2.3. Korrelation zwischen Diagnoseparameter und Schädigungsmerkmal - Diagnose-
modelle ............. . 41
2.3.1. Struktur des Diagnoseprozesses . 41
2.3.2. Methoden der Modellbildung . 42
2.3.3. Kennlinienmodell . . 43
2.3.4. Klassifikationsmodell 45
2.3.5. Parametermodell . . . 47
2.4. Diagnosekennzahlen . 48
2.4.1. EinfUhrung von Diagnosekennzahlen . 48
2.4.2. Empirische Bildung von Diagnosekennzahlen 49
2.4.3. Anwendung der Ähnlichkeitstheorie zur Bildung von Diagnosekennzahlen 52
2.4.4. Informationstheoretische Begründung von Diagnosekennzahlen . 54
2.4.5. Bildungsalgorithmus von Diagnosekennzahlen .. 56
2.4.6. Beispiele fUr die Bildung von Diagnosekennzahlen 58
2.5. Bewertung diagnostischer Informationen. . . . . . 66
2.5.1. Aufgaben und Grenzen der Bewertung . . . . . . . 66
2.5.2. Diagnosegrenzwerte bei kontinuierlichen Schädigungsprozessen . 67
2.5.3. Klassengrenzen bei probabilistischer Betrachtungsweise 72
2.5.4. Beispiele fUr Klassenzuordnungen 74
2.6. Diagnosefehler . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.1. Bestandteile des Diagnosefehlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.2. Fehler der Messung . . . . . . . 79
2.6.3. Analysefehler . . . . . . . . . . . 79
2.6.4. Diagnosefehler einer Kennlinie . 80
8 Inhaltsverzeichnis
2.7. Verfahren der Technischen Diagnostik. 82
2.7.1. Sensoren für die Technische Diagnostik 82
2.7.2. Diagnoseverfahren . . . . . . . . . . . . 83
2.8. Einführung von Diagnoseverfahren in die Betriebspraxis 86
2.8.1. Allgemeine Verfahrensweise .. 86
2.8.2. Diagnosenotwendigkeit . . . . . . . . . . . 87
2.8.3. Technische Einsatzbedingungen ..... . 88
2.8.4. Diagnosequalität - Diagnosewirkungsgrad . 88
2.8.5. Ökonomische Bewertung .. . . . . . . 88
2.8.6. Leistungsvergleich von Diagnosetechnik 91
2.8.7. Datenspeicherung . . . . . . . . . . . . 92
3. Volumetrische Werkstoffprufverfahren 93
3.1. Grundlagen der Prüftechnik . . . . 93
3.1.1. Sicherheit durch Werkstoffprüfung 93
3.1.2. Prüfaufgaben . . . . . . . . . . . 94
3.1.3. Prüfumfang, Prüfzyklus, Prüfzeit 98
3.1.4. Prüfverfahren . . . . . . . . . . . 100
3.1.5. Anforderungen an Prüfverfahren 101
3.2. Automatisierung der Werkstoffprüfung. 102
3.2.1. Zielrichtungen . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2.2. Manipulatortechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 103
3.2.3. Automatisierungslösungen für zerstörungsfreie Prüfv erfahren 106
3.3. Radiographische Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3.1. Physikalische Grundlagen der Röntgen-und Gammadefektoskopie . . . . . . . . . 108
3.3.2. Durchstrahlungstechnik . . . . . . . 111
3.3.3. Anwendung und Weiterentwicklung ......................... . 113
3.3.4. Neutronenradiographie ................................ . 114
3.4. Werkstoffprüfung mit Ultraschall ............. . 115
3.4.1. Physikalische Grundlagen der Ultraschallwerkstoffprüfung . 115
3.4.2. Impuls-Echo-Verfahren . . 118
3.4.3. Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.5. Wirbelstromprüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . 120
3.5.1. Physikalische Grundlagen der Wirhelstromprüfung 121
3.5.2. Anwendung der Wirbelstromprüfung . . . . . . . . 122
3.5.3. Fehlererkennbarkeit und Entwicklungstendenzen . 123
3.6. Volumetrische Prüfv erfahren für spezielle Anwendungsfälle 124
3.6.1. Aufweitungsmessung bei Kriechvorgängen . . . . . . . . . . 124
3.6.2. Härteprüfung am eingebauten Prüfobjekt ......... . 125
3.6.3. Magnetische Prüfverfahren zur Ermittlung von Ermüdung und Zeitstandschädi-
gung .......................................... . 126
3.6.4. Diagnose von Werkstoffeigenschaftsänderungen mittels Barkhausen-Rauschen . . . 127
3.6.5. Ermittlung plastischer Dehnungen von Bauteilen aus der Richtungsverteilung von
Gleitspuren an der Bauteilobert1äche . 128
3.6.6. Nachweis von Versprödungen ............................. . 130
4. Oberflächendiagnostik . . . . 132
4.1. Grundlagen der Bilderkennung und -verarbeitung . 132
4.1.1. Obert1ächenzustände . 132
4.1.2. Visuelle Wahmehmung 132
4.1.3. Beleuchtung . . . . . . 135
Inhaltsverzeichnis 9
4.1.4. Methoden der Abbildung . . . . . 136
4.1.5. Optische Sensoren . . . . . . . . . 138
4.1.6. Rechnergestützte Bildverarbeitung 140
4.2. Verfahren der Oberflächendiagnostik . 147
4.3. Sichtprüfung . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.1. Verfahrensbeschreibung . . . . . . . 148
4.3.2. Anforderungen an das Sehvermögen 149
4.3.3. Fehlererkennbarkeit . . . 149
4.4. Endoskopie. . . . . . . . . . . . . . 149
4.4.1. Verfahrensbeschreibung . . . . . . . 149
4.4.2. Aufbau und Funktionsweise technischer Endoskope 150
4.4.3. Anwendung der Endoskopie. 151
4.5. Television ....................... 154
4.5.1. Verfahrensbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.5.2. Aufbau und Funktionsweise der Televisionstechnik . 155
4.5.3. Anwendung der Television 156
4.6. Farbeindringprüfung . . . 156
4.6.1. Verfahrensbeschreibung . 157
4.6.2. Anwendung. . . . . . 158
4.6.3. Fehlererkennbarkeit . . . 158
4.7. Magnetpulverprüfung . . 158
4.7.1. Verfahrensbeschreibung . 158
4.7.2. Anwendung. . . . . . . . 159
4.7.3. Fehlererkennbarkeit . . . 160
4.8. Potentialsondenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 161
4.8.1. Verfahrensbeschreibung ................................ 161
4.8.2. Anwendung. . . . 162
4.8.3. Meßgenauigkeit . . . . . . . . . 163
4.9. Rauheitsmessung ........ 163
4.9.1. Maßliehe Erfassung der Rauheit 163
4.9.2. Verfahrensbeschreibung . . . . . 164
4.9.3. Anwendung. . . . . . . . . . . . 166
4.10. Holographische Interferometrie . 167
4.10.1. Verfahrensbeschreibung . 167
4.10.2. Anwendung ........... . 169
4.10.3. Fehlererkennbarkeit ...... . 171
4.11. Oberflächendiagnostik mit mehreren Verfahren 171
5. Thermische Diagnoseverfahren . . . . . . 173
5.1. Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.l.l. Thermische Größen als Diagnoseparameter 173
5.1.2. Wärmetransportmechanismen . 173
5.2. Berührende Temperaturmessung 176
5.2.1. Physikalische Grundlagen . 176
5.2.2. Temperatursensoren . . . . . . . 177
5.2.3. Anwendungsbeispiele . . . . . . 179
5.3. Berührungsfreie Temperaturmessung . 181
5.3.1. Physikalische Grundlagen . . . . . . . 182
10 Inhaltsverzeichnis
5.3.2. Aufbau von Infrarotmeßgeräten . 184
5.3.3. Pyrometer ...... 185
5.3.4. Thermobildgeräte . . 188
5.3.5. Anwendungsbeispiele 190
6. Schwingungsdiagnostik - Rauschdiagnostik . 192
6.1. Grundlagen der Signalanalyse . . . . 192
6.1.1. Diagnosesignale . . . . . . . . . . . 192
6.1.2. Beschreibung diagnostischer Signale 194
6.1.3. Signalkenngrößen . . . . . . . . . . 199
6.1.4. Signalkennfunktionen zur Beschreibung eines Einzelsignals 200
6.1.5. Signalkennfunktionen zur Beschreibung der Signalverwandtschaft . . . . . . . . . 206
6.1.6. Kennfunktionen zur Beschreibung des Systemübertragungsverhaltens . 208
6.1.7. Problemorientierte Auswerteverfahren . . . . . . . . . . . . 208
6.2. Praktische Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.2.1. Aufgaben der Meßwertgewinnung und Meßwertverarbeitung 211
6.2.2. Anforderungen an die Signalverarbeitung . . . . . . . . . . 212
6.2.3. Meßwerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.2.4. Meßwertaufbereitung und Meßwertanalyse - Analogtechnik 218
6.2.5. Digitale Meßwertaufbereitung und Meßwertanalyse . . . . . 220
6.3. Mechanische Schwingungen als Diagnosemerkmale . . . . . 223
6.3.1. Maschinendiagnose durch Messung mechanischer Schwingungen 223
6.3.2. Meßgrößen und Maßeinheiten . . . . . . . . 224
6.3.3. Diskrete Frequenzen als Diagnosemerkmale . 226
6.4. Ausgewählte Schwingungsdiagnoseverfahren 233
6.4.1. Wellenschwingungsmessung ......... 233
6.4.2. Verfahren der Schwingungsdiagnostik mit festen Klassengrenzen des Effektivwertes 238
6.4.3. Diagnosekennzahl DK(t) . . . . . . . . . . . . . . . 239
6.4.4. Wahrscheinlichkeitsdichte und Kurtosis-Verfahren 241
6.4.5. Frequenzspektrum . . 241
6.4.6. Phasenwinkel . . . . . 246
6.4.7. Druckschwankungen . 248
6.4.8. Neutronenrauschen . 250
7. Schallemissionsanalyse . 252
7."1. Grundeffekte der Schallemission 252
7.2. Impulsanalyse . . . . . . . . . . 253
7.2.1. Kennzeichnung des Einzelimpulses 253
7.2.2. Kennzeichnung der Impulsfolge . 254
7.2.3. Impulsdichteschwankungsanalyse 255
7.2.4. Messung von Schallemissionen 257
7.3. Schallemissionsortung . . 260
7.3.1. Ortungsprinzip . . . . . . . 260
7.3.2. Eindimensionale Ortung . 260
7.3.3. Zweidimensionale Ortung. 261
7.3.4. Zweidimensionale Ortung gekrümmter und zusammengesetzter Oberflächen 264
7.3.5. Dreidimensionale Ortung . . . . . . . . . . . . . 264
7.3.6. Aufbau von Schallemissionsortungsanlagen . . . 264
7.4. Werkstoffprüfung durch Schallemissionsanalyse . 266
7.5. Leckdetektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Inhaltsverzeichnis 11
7.6. Maschinendiagnose durch Schallemissionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.6.1. Geräuschüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.6.2. Diagnose von Reibungszustandsänderungen in ölgeschmierten Gleitpaarungen 272
7.6.3. Lagerdiagnostik durch Impulsdichteschwankungsanalyse . . . 274
7.6.4. Schallemissionsanalyse zur Überwachung von Dieselmotoren 277
7.6.5. Spike Energy . . . . . . . . . 278
8. Prozeßparameterdiagnostik 280
8.1. Nutzung von Prozeßparametern zur Schädigungsdiagnostik 280
8.2. Belastungs-und Beanspruchsüberwachung . . . . . . . . . . 281
8.2.1. Schädigungstrendabschätzung ............... . 282
8.2.2 Rechnergestützte Belastungs-und Lebensdauerüberwachung . 286
8.3. Leistungsparameter als Diagnosemerkmale .. 289
8.4. Parameterbetrachtung bei Übergangsprozessen 291
8.5. Verbrauchsparameter als Diagnosemerkmale 293
8.6. Wirkungsgradüberwachung . . . . . ... 295
9. Partikel-und Betriebsmediendiagnostik 298
9.1. Abnutzungsvorgänge mit Partikelabgabe oder Veränderung der Betriebsmedien 298
9.2. Verfahren der Partikeldiagnostik 299
9.2.1. Magnetdetektion . 300
9.2.2. Ferrographie . . . . . . . . 300
9.2.3. Spektroskopie ...... . 302
9.2.4. Radioaktive Spurenanalyse 304
9.3. Verfahren der Betriebsmediendiagnostik . 307
9.3.1. Überwachung von Korrosionsvorgängen . 308
9.3.2. Isolationsüberwachung von Transformatoren 308
9.3.3. Emissionsüberwachung 312
9.4. Leckdetektion . . 313
10. Diagnosesysteme 316
10.1. Gestaltung von Diagnosesystemen 316
10.1.1. Nutzung von Diagnoseergebnissen 316
10.1.2. Einordnung von Diagnosesystemen in die komplexe Maschinen-und Anlagenüber-
wachung ...... . . . . . . . . . 317
10.1.3. Anforderungen an Diagnosesysteme . . . 318
10.1.4. Systemstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.1.5. Einführung komplexer Diagnosesysteme . 323
10.2. Beispiele für komplexe Diagnosesysteme . 323
10.2.1. Diagnosesysteme für Kernkraftwerke ......................... 323
10.2.2. Diagnosesysteme für Schiffsmaschinen . . . . . . 326
10.2.3. Diagnosesysteme für Werkzeugmaschinen. . . . 327
10.2.4. Diagnosesysteme landtechnischer Ausrüstungen 328
10.3. Ausblick ..................... . 330
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Sachwörterverzeichnis ...................................... 347
1. Einleitung
1.1. Aufgaben der Technischen Diagnostik
Der ständig steigende Bedarf der Volkswirtschaft an Rohstoffen, Energie, Produkten und Lei
stungen erfordert immer größere Produktionskapazitäten sowie größere Einzelaggregatleistun
gen. Die immer komplexere Verflechtung von Maschinen und Anlagen zu Produktions systemen
erhöht den Automatisierungsumfang. Diese Entwicklung erfordert eine hohe Produktionssicher
heit, die effektive Auslastung der Arbeitsmittel und eine hohe Nutzungsdauer. Während der
Ausfall von Anlagenkomponenten, die die Sicherheit maßgeblich beeinflussen (z. B. Kemreak
tordruckbehälter), nicht zugelassen werden darf, ist auch aus ökonomischen Gründen eine Re
duzierung von planmäßigen und unplanmäßigen Anlagenstillständen anzustreben. Leistungsfa
hige Rechentechnik führt zu einer rechnergestützten Betriebsführung, die den Betreiber von
Produktionsanlagen bei Entscheidungen zur operativen Betriebsführung unterstützt und bei der
Planung langfristiger Maßnahmen berät bzw. Teilprozesse der Planung und Vorbereitung über
nimmt.
Für die sichere Betriebsführung und effektive Instandhaltung von Maschinen und Anlagen ist
die Kenntnis des jeweiligen technischen Zustandes während der Nutzungsdauer erforderlich.
Anlagenüberwachung
Technologische Prozeßführung
Wirkungsgradüberwachung
Beanspruchungsüberwachung
Abnutzungsüberwachung
Schadensüberwachung
Bild 1.1. Anlagenüberwachung
Technische Diagnostik und Technische Diagnostik
Die Zuverlässigkeit von Entscheidungen für die Betriebsführung und Instandhaltung hängt von
den verfügbaren Informationen über den Maschinen- und Anlagenzustand ab. Die oft als Ma
schinen- bzw. Anlagenüberwachung bezeichnete Aufgabe gewährleistet für Maschinen, Geräte
oder komplette Produktionsanlagen den stationären oder instationären Betriebsablauf, die Si
cherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sowie deren Wirtschaftlichkeit. Damit kann die Ma
schinen- und Anlagenüberwachung in folgende Teilaufgaben gegliedert werden (Bild 1.1) [1.2]
[1.3] [1.4]:
1. Technologische Prozeßführung zur Einhaltung vorgeschriebener Prozeßgrößen (z. B. Druck,
Temperatur, Mengenströme)
2. Wirkungsgradüberwachung zur Gewährleistung einer optimalen Fahrweise der Anlage (z. B.
Brennstoffverbrauch, thermo Wirkungsgrad, spezifische Leistung)
