Online CM von WEA.pdf - Arbeitsgemeinschaft zur Überprüfung von ...

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 2DanksagungViele freundliche Leute haben mit Ihrem Wissen und Können zu dieser Diplomarbeitbeigetragen. Ihnen allen danke ich dafür recht herzlich:Prof. Dr. Hans-Jürgen Sponholz vom Institut für Maschinen und Anlagentechnik an der FHFlensburg für die Betreuung der gesamten DiplomarbeitDr. Hermann van Radecke vom Institut für Physik an der FH Flensburg für die begleitendenGespräche und die zahlreichen Hinweise und Erläuterungen zu SpektralanalysenTorsten Johnson von der Firma GEO für die Idee zum Thema dieser DiplomarbeitKlaus Vaehsen von der Firma DMT für die Kooperation und die Beantwortung zahlreicherFragen zum Condition-Monitoring-System DMT-ZUMWART onlineProf. Dr. Andreas Seeliger vom Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde derRWTH Aachen und Dr. Jianfeng Shan von der Firma SKF Deutschland für ihreErläuterungen zu diagnosetechnischen Besonderheiten bei PlanetengetriebenHorst Kindler für seine Tätigkeit als LektorMarc Thomsen, im Juli 2002Titelbild: 3D-Ansicht der Baugruppen im Maschinenhaus einer Windenergieanlage Vestas V66 /1/,Hintergrund: Beispiel eines Körperschallfrequenzspektrums

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 3InhaltSeite1. Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .453. Grundlagen der Maschinendiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2. kinematische Zusammenhänge im Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.1. Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.2. Zahnradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngrößen . . . . . . . . . . .3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . .3.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .und Anstreifvorgängen3.6. Detektion von Stoßimpulsen an Wälzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7. Hüllkurvenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7.1. Amplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.7.2. Hüllkurvenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.8. Wälzlagerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.9. Verzahnungsdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.10. Einfluss variabler Drehzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.11. Einfluss variabler Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66 . . . . . . .4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 – 1,65 MW . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1. Daten der zu überwachenden Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und Primärgeneratorlager . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.3. Getriebekinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.1. Signalerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2. Signalverarbeitung und -speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und –visualisierung . . . . . . . . . .5. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1. Drehzahlabhängige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2. Ermittlung des Verschleißzustandes der WEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.1. Spektralanalyse bei konstanter Drehzahl und niedriger Last . . . . . . . . . . . . .5.2.2. Gegenüberstellung der manuellen und der automatischen Auswertung . . . .5.3. Auswirkung von Drehzahländerungen auf die Spektraldaten . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4. Berücksichtigung unterschiedlicher Anlagenbelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4.1. Leistungsabhängige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4.2. Windgeschwindigkeitsabhängige Spektraldatenklassierung . . . . . . . . . . . . .5.4.3. Vergleich der Klassierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7799101515171820202122252728292930333435353839434344445455656768706. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7. Quellenangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .737577

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 41. Formelzeichen und Abkürzungenα Druckwinkelω Kreisfrequenzω Mω TaModulationsfrequenzTrägerfrequenzBeschleunigungA-Seite AntriebsseiteB-Seite Nicht-AntriebsseiteCM Condition MonitoringCM I Condition Monitoring IndexD Teilkreisdurchmesserd WälzkörperdurchmesserDFÜ DatenfernübertragungDMT Deutsche Montan Technologie GmbHf Frequenzf af Genf HÜf if kf Pf PÜf Sf SÜf Tf Turmf wf zef zewAußenringüberrollfrequenzDrehfrequenz des PrimärgeneratorsPlanetenpassierfrequenz am HohlradInnenringüberrollfrequenzKäfigrotationsfrequenzPlanetendrehfrequenzPlanetenradüberrollfrequenzSonnenraddrehfrequenzPlanetenpassierfrequenz am SonnenradPlanetenträgerdrehfrequenzTurmdurchgangsfrequenzWälzkörperrotationsfrequenzZahneingriffsfrequenzZahneingriffswiederholfrequenzg Erdbeschleunigung (g=9,81 m/s 2 )i Übersetzungsverhältnisi 1ÜbersetzungsverhältnisRotor – Primärgeneratori 2kKGVMnPÜbersetzungsverhältnisRotor – SekundärgeneratorAnzahl von Planetenrädernin einem Planetengetriebekleinstes gemeinsamesVielfachesDrehmomentDrehzahlLeistungWEA WindenergieanlageZ Wälzkörperanzahlz Zähnezahlz Hz Pz SZähnezahl HohlradZähnezahl PlanetenradZähnezahl Sonnenrad

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 52. EinleitungWindenergieanlagen (WEA) sind mittlerweile für eine Lebensdauer von über 20 Jahrenausgelegt. Während dieser Life-Cycle-Periode entscheiden unter anderem Verfügbarkeit undBetriebsführungskosten über die zu erzielende Rendite.Wie Abbildung 2.1 zeigt, führeninsbesondere Schäden amAntriebsstrang häufig zuAusfällen von WEA. SolcheSchäden, die meist erheblicheStillstandszeiten nach sichziehen, hätten möglicherweisebei Verwendung geeigneterÜberwachungssysteme frühzeitigerkannt werden können.beschädigte Komponenten an WEA im Jahr 2001Von Ausfällen betroffene Komponenten an WEA 2001Generator21%Rotorblätter29%Kupplung7%Getriebe43%Abb. 2.1: Von Ausfällen betroffene Komponenten anWEA im Jahre 2001, Daten aus /2/Die zuverlässige Überwachung (Condition Monitoring) der wesentlichen mechanischenKomponenten einer WEA wie Hauptwellen-, Generator- und Getriebelager sowieGetriebeverzahnungen stellt daher eine wichtige Voraussetzung für den dauerhaftwirtschaftlichen Betrieb dar.Hierzu ist neben dem Erfassen und Bewerten von Öltemperaturen die schwingungstechnischeZustandsüberwachung ein geeignetes Mittel, das sich bereits in anderen industriellenBereichen bewährt hat, aber bis heute in der Windenergietechnik kaum verbreitet ist.Insbesondere geplante Offshore-Windenergieanlagen erfordern aufgrund der eingeschränktenErreichbarkeit auf See bezüglich ihrer künftigen technischen Betriebsführung den Einsatz vonCondition Monitoring Systemen zur Zustands- und Verschleißüberwachung dermechanischen Komponenten. So können Wartungszeitpunkte besser geplant, ungeplanteAnlagenstillstände und teure Folgeschäden weitestgehend ausgeschlossen, und somit eineoptimale Verfügbarkeit der Anlagen sichergestellt werden. Darüber hinaus fordern immermehr Versicherungen, insbesondere die hochwertigen Komponenten des Antriebsstranges inden immer größer und komplexer werdenden Anlagen auch onshore technisch nochumfangreicher und zuverlässiger zu überwachen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 6Um onshore erste Erfahrung mit der Fernüberwachung von Bauteilen in WEA zu sammeln,ist im Rahmen eines Pilotprojektes in Kooperation zwischen den Firmen GEO-mbH undDMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) das Condition Monitoring SystemDMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66 eingebaut worden, die vonGEO im Windpark Willenscharen bei Neumünster betreut wird. Dieses Überwachungssystemhat sich bereits in unterschiedlichen industriellen Bereichen wie beispielsweise in derBergbau- und Kraftwerkstechnik bewährt.Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen undAnlagenbelastungen auf die bei diesem Projekt ermittelten schwingungstechnischen Datenermittelt werden. Zielsetzung ist, mit Hilfe geeigneter Klassierungen der Frequenzspektreneine zuverlässige Maschinenüberwachung bei unterschiedlichen Betriebszuständen zurealisieren und so die Praxistauglichkeit dieses CM-Systems für spätere Offshore-Anwendungen aber auch für die Nachrüstung von Altanlagen zu erproben.Im Folgenden sollen nach einer Einführung in die Grundlagen der schwingungstechnischenMaschinendiagnose und einer Beschreibung der WEA sowie des Überwachungssystems dieaufgenommenen Messdaten zur Ermittlung des Verschleißzustandes der WEA ausgewertetund hinsichtlich der Einflüsse unterschiedlicher Drehzahlen und Lasten beurteilt unddiskutiert werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 73. Grundlagen der MaschinendiagnoseNeben der Messung von Temperaturen, Drücken und anderen Prozessgrößen stellt dieschwingungstechnische Diagnose eine sehr zuverlässige Methode zur Detektion mechanischerAuffälligkeiten dar. Während sich großflächige Bauteilschäden in der Regel durch einenAnstieg der Schmierstofftemperatur und Abfall der Qualität erkennen lassen, ist dieschwingungstechnische Überwachung geeignet, selbst kleinflächige, örtlich eng begrenzteSchäden, aber auch Unwuchten, Ausrichtfehler und Anstreifvorgänge zu erkennen. ZurMessung von Vibrationen besteht neben der Verwendung von Dehnungsmessstreifengrundsätzlich die Möglichkeit, die physikalischen Größen Weg, Geschwindigkeit undBeschleunigung mit Hilfe induktiver Sensoren oder aber Körperschallsignale mitpiezoelektrischen Sensoren aufzuzeichnen. Im Folgenden soll schwerpunktmäßig dieMessung und Auswertung von Körperschallbeschleunigungssignalen betrachtet werden, dasich dieses Verfahren in der Vergangenheit gegenüber den anderen mehr und mehrdurchgesetzt hat. Auf dieser Basis finden auch die Messungen beim Condition Monitoring derWEA in Willenscharen statt.3.1. Maschinendiagnose mit Hilfe von KörperschallDie Zustandsüberwachung auf der Basis von Körperschall beruht auf dem Prinzip,Änderungen des Geräuschverhaltens einer Maschine im Vergleich zum Normalbetrieb zumessen und daraus Rückschlüsse auf eventuell auftretende Schäden anMaschinenkomponenten zu ziehen.Der Betrieb von Maschinen ist immer mit der Entstehungvon Schwingungen verbunden, die sich in Form vonKörperschall in der Maschine ausbreiten bzw. alsLuftschall an die Umgebung abgegeben werden. DerKörperschall setzt sich dabei aus einer Vielzahl einzelnerSchwingungskomponenten zusammen, die sichunterschiedlichen Maschinenteilen oder -komponentenzuordnen lassen. Im Falle eines Fehlers oder Schadensverändern sich die Körperschallschwingungen, so dass sichmit Hilfe der Schwingungsüberwachung Maschinenschädenfrühzeitig und gezielt identifizieren lassen.Verschleiß, fehlerhafte Montage und unzureichende Abb. 3.1: Körperschallmessungund –analyse /3/Wartung können erfasst und bewertet werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 8Zur Messung des Körperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensorenverwendet, die ein Spannungssignal erzeugen, welches der Beschleunigung einer seismischenMasse im Sensor proportional ist. Durch geeignete Filterung, Transformation undanschließende Analyse dieses Signals können Rückschlüsse über den Zustand einzelnerMaschinenteile gezogen werden. Abbildung 3.1 verdeutlicht schematisch dieKörperschallmessung, Signalverarbeitung und –analyse.Wesentlich für eine zuverlässige Überwachung ist allerdings, dass die Datenbasis für dieAnalyse den Zustand der Maschine exakt widerspiegelt. Hierzu müssen im VorfeldInformationen zum Aufbau und zu den einzelnen Baugruppen der Maschine vorhanden sein.Beschädigungen an Wälz- und Gleitlagern sowie Getriebeverzahnungen, führen in der Regelzu periodischen Schwingungen. Wälzlagerschäden wie zum Beispiel Pittings auf Laufbahnenerzeugen beim Überrollen eine periodische Folge von Einzelstößen, die zuBeschleunigungsspitzen am Sensor führen, die im Beschleunigungssignal deutlichnachweisbar sind.Die Frequenz dieser Stoßimpulse ist spezifisch für den Wälzlagerschaden und lässt sich beiKenntnis der Lagergeometrie sowie der Drehzahl berechnen. Je nach Schadensort(Außenring, Innenring, Wälzkörper) ergeben sich unterschiedliche Impulsfrequenzen, die alskinematische Lagerfrequenzen bezeichnet werden. Mögliche Schäden lassen sich durcherhöhte Amplituden bei den zugehörigen kinematischen Frequenzen und deren Vielfachendiagnostizieren. /4/Bei WEA muss dabei der weite Drehzahlbereich von der langsam drehenden Rotorwelle biszur schnell drehenden Generatorwelle im Diagnosesystem ebenso berücksichtigt werden, wieder aktuelle Lastzustand der Anlage. Die genannten, für die Körperschallsignale wesentlichenEinflussgrößen (Bauteilgeometrie bzw. –aufbau, Drehzahl und Last) sollen in den folgendenKapiteln näher betrachtet und erläutert werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 93.2. kinematische Zusammenhänge im AntriebsstrangDie Auswertung der Schwingungssignale setzt die Kenntnis der Geometrie und der Kinematikder zu überwachenden Lager und Getriebe im Antriebsstrang voraus. Im Folgenden wirddargestellt, welche Berechnungen zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen im Vorfeldder Auswertung erforderlich sind.3.2.1. WälzlagerWälzlager unterliegen im normalen Betrieb durch wechselnde Beanspruchungen einemVerschleiß, der im Laufe der Zeit zu Ausbrüchen (Pittings) an den Lagerringen, Wälzkörpernoder dem Wälzkörperkäfig führen kann. Wenn solche Pittings in den Wälzlagern von denWälzkörpern überrollt werden, werden in den angrenzenden Lagerbauteilen periodischauftretende starke Belastungsspitzen erzeugt. Die Frequenzen, mit denen diese Spitzenauftreten, werden als Überrollfrequenzen bezeichnet. Sie hängt von den folgenden in denAbbildungen 3.2 und 3.3 verdeutlichten geometrischen und kinematischen Größen ab:TeilkreisdurchmesserWälzkörperdurchmesserDruckwinkelAnzahl der WälzkörperDrehzahl der WelleDdαZnAbb. 3.2: Geometrie eines Wälzlagers /5/Abb. 3.3: Definition des Druckwinkels α: DerDruckwinkel α ist der Winkel, den die Drucklinie derWälzkörperbelastung mit einer zur Lagerachsesenkrechten Ebene bildet. Zum Beispiel ist bei radialbelasteten Rillenkugellagern α=0°. /6/

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 10Unter Verwendung folgender Gleichungen lassen sich die Rotations- und Überrollfrequenzenfür die einzelnen Bauteile eines Wälzlagers berechnen:RotationsfrequenzInnenringüberrollfrequenzAußenringüberrollfrequenzWälzkörperüberrollfrequenzKäfigrotationsfrequenznf = n [min -1 ] ⇒ f [s -1 ] Gl. 3.1 /5/601 ⎛ d ⎞f i= f ⋅ Z ⋅⎜1+⋅cosα⎟ Gl. 3.4 /5/2 ⎝ D ⎠1 ⎛ d ⎞f a= f ⋅ Z ⋅⎜1−⋅cosα⎟ Gl. 3.5 /5/2 ⎝ D ⎠⎛ D ⎞ ⎛ d ⎞f = ⋅ ⎜ 1 wf + ⎟⋅⎜1 − ⋅ cosα⎟⎝ d ⎠ ⎝ DGl. 3.6 /5/⎠1 ⎛ d ⎞f k= ⋅ f ⋅⎜1−⋅cosα⎟ Gl. 3.2 /5/2 ⎝ D ⎠(bei rotierendem Innen- und stehendem Außenring)1 ⎛ d ⎞f k= ⋅ f ⋅⎜1+⋅cosα⎟ Gl. 3.3 /5/2 ⎝ D ⎠(bei stehendem Innen- und rotierendem Außenring)Die namhaften Lagerhersteller bieten zur Berechnung dieser Frequenzen entsprechendeSoftware an, die nach Eingabe der Bezeichnung eines Lagers und der Drehzahl alle ÜberrollundRotationsfrequenzen angibt.Bei Wälzkörperschäden in Kugellagern ist zu beachten, dass sich in Bezug auf die Drehachseeiner Lagerkugel eine Schadensstelle während der Rotation verlagern kann, so dass einKugelschaden möglicherweise nicht ständig überrollt wird. In diesem Fall ist dieWälzkörperüberrollfrequenz zur Lagerdiagnose nur bedingt aussagekräftig.3.2.2. ZahnradgetriebeDie verschiedenen Baugruppen in einem Zahnradgetriebe zeigen unterschiedlicheAnfälligkeiten bezüglich eines möglichen Defektes. Wellen und Gehäuse weisen eine ehergeringe Ausfallquote gegenüber Dichtungen und Lagern auf. Zahnradschäden treten hingegenhäufiger auf und haben zugleich schwerwiegendere Folgen. /7/Daher werden nun zuerst die kinematischen Grundlagen für die Schwingungsanregung anVerzahnungen von Stirnradgetrieben und darauf aufbauend an komplexerenPlanetengetrieben aufgezeigt.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 11• Stirnradgetriebe:Abb. 3.4: Zahnradpaar einereinstufigen StirnradverzahnungBei einem einstufigen Stirnradgetriebe, wie es in Abbildung 3.4 dargestellt ist, berechnet sichdie Übersetzung i aus dem Verhältnis der Zähnezahlen z a und z b bzw. den Drehzahlen n a undn b . Bei Vernachlässigung der Verlustleistung kann das Übersetzungsverhältnis auch aus denDrehmomenten M a und M b berechnet werden:zzb a ai = = = =annbωωbMMbaGl. 3.7 /8/mit: z a , z b Zähnezahlen der Zahnräder a und bn a , n b Drehzahlen der Zahnräder a und bω a , ω b Kreisfrequenzen der Zahnräder a und bM a , M b Drehmomente der Zahnräder a und bEin Zahnradgetriebe bildet ein sehr komplexes schwingungsfähiges System, in dem dieSchwingungen in Form von Luft-, Körper- und Flüssigkeitsschall auftreten können. DieAnregung der Schwingungen findet in erster Linie durch den Zahneingriff selbst statt, dereine Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der kämmenden Zahnräder in Form vonDrehbeschleunigungen bewirkt. Dies bedeutet, dass auch in einem völlig intakten Getriebeperiodische Schwingungen erzeugt werden, die jedoch von denen zu unterscheiden sind, diedurch Getriebeschäden hervorgerufen werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 12Abbildung 3.5 zeigt die Anregung durch den sog. Eintrittsimpuls an einer Verzahnung:Abb. 3.5: Infolge der Kraftübertragungverbiegen sich die im Eingriff stehendenbelasteten Zähne 2 und 2´. Durch dieentstehende Verlagerung der Zahnflankendreht sich das treibende Rad nach linksgegenüber dem getriebenen Rad. Theoretischbetrachtet käme hierbei der noch unbelasteteZahn 3 in den Flächenbereich A desunbelasteten Gegenzahns 3´. In der Realitätstößt jedoch der Zahn 3 schon vorher gegendie Kopfkante von 3´, wodurch derEintrittsimpuls- oder stoß entsteht. /9/Außer dem Zahneintrittsimpuls kommt es auch beim Zahnaustritt zu einem weiteren Impuls,wenn der nachfolgende Zahn plötzlich die Kraftübertragung übernimmt. Die Art derVerzahnung (gerade oder schräg) hat Einfluss auf die Intensität der Stöße. Eintritts- undAustrittsimpuls werden mit der sog. Zahneingriffsfrequenz f ze angeregt.fze= f ⋅ z = f ⋅ zGl. 3.8 /9/aabbmit: f a , f b Drehfrequenzen der Zahnräder a und bz a , z b Zähnezahlen der Zahnräder a und bDes Weiteren werden Schwingungen durch Änderungen der Zahnfedersteifgkeit angeregt, diesich im Verlauf des Zahneingriffs ändert, wobei sich diese Veränderung periodisch mit derZahneingriffsfrequenz wiederholt. Bei einer Schrägverzahnung ist die auftretendeSchwankung geringer als bei einer vergleichbaren Geradverzahnung. Als weitererAnregungsmechanismus ist der sog. Reibwechselimpuls zu nennen, der in Folge desRichtungswechsels der Reibkraft im Wälzpunkt Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenzanregt. Auch hier führt die Verwendung einer Schrägverzahnung zu einer geringerenIntensität der Anregung als bei einer Geradverzahnung. Zusätzlich entstehen an den an derKraftübertragung beteiligten Zahnflanken Reibgeräusche durch die auftretende Gleit- undWälzreibung. Hierbei treten aber keine für die Schadensdiagnose relevanten Frequenzen auf.Insgesamt kann festgestellt werden, dass mit Ausnahme der Reibgeräusche, allebeschriebenen Mechanismen mit der Zahneingriffsfrequenz angeregt werden. Aus Gründender Vereinfachung werden bei der Verzahnungsdiagnose die Betrachtungen in der Regel aufden Zahneingriffsstoß beschränkt. /9/Schäden an der Verzahnung können beim Zahneingriff zu Intensitätsschwankungen derZahneingriffsstöße führen, was ihr Erkennen bei der Getriebediagnose ermöglicht.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 13In der Realität wird es bedingt durch Bauungenauigkeiten jedoch auch bei einer intaktenVerzahnung immer leichte Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße geben. Einegleich große Intensität der Stöße wird sich immer wieder ergeben, wenn sich gleiche Zähnebeim Kämmen wieder treffen. Die Anzahl der dazu erforderlichen Umdrehungen hängt vonden Zähnezahlen beider Zahnräder ab und lässt sich mit Hilfe der folgenden Gleichungen fürStirnradgetriebe berechnen:Anzahl der Umdrehungen Zahnrad aAnzahl der Umdrehungen Zahnrad bKGV(z , z )a b= Gl. 3.9 /9/zaKGV(zza b= Gl. 3.10 /9/b, z )Die entsprechende Zahneingriffswiederholfrequenz f zew berechnet sich folgendermaßen:fzewzazb= fa⋅= fb⋅Gl. 3.11 /9/KGV(z , z ) KGV(z , z )ababmit:KGV (z a , z b ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachenf a , f bz a , z bder beiden Zähnezahlen z a und z bDrehfrequenzen der Zahnräder a und bZähnezahlen der Zahnräder a und b• Planetengetriebe:Im Gegensatz zu einfachen Stirnradgetrieben vollführen die zahlreichen Maschinenteile einesPlanetengetriebes, also Sonnenrad, Planeten, Planetenträger und Hohlrad, komplexerekinematischen Bewegungen. Die Komplexität der Kinematik erschwert eine Diagnoseerheblich. Auch wenn die schwingungsanregenden Mechanismen grundsätzlich die gleichenwie bei Stirnradgetrieben sind, gestaltet sich das Erkennen von Fehlern an der Verzahnungvon Planetengetrieben komplizierter, da sich immer mehrere Planeten im Zahneingriffbefinden und die Planeten sich nicht nur um ihre eigene Achse drehen, sondern zusätzlichauch um den Mittelpunkt des Planetenträgers. Abb. 3.6 zeit die Baugruppen einesPlanetengetriebes.Abb. 3.6: Baugruppenübersicht eineseinstufigen Planetengetriebes:Bei WEA treibt die langsam drehendeHauptwelle den Planetenträger an,entsprechend ist in diesem Fall dieSonnenradwelle die Abtriebswelle.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 14Bei einstufigen Planetengetrieben mit feststehendem Hohlrad gilt für dasÜbersetzungsverhältnis i:iffS S H= =Gl. 3.12 /10/Tz+ zzFür die Drehfrequenz der Planetenräder gilt:fzS⋅ zS HP= ⋅ fSGl. 3.13 /10/zP⋅( zS+ zH)Die Zahneingriffsfrequenz f ze ergibt sich in diesem Fall aus:fz⋅ zS Hze= fS⋅Gl. 3.14 /10/zS+ zHFür die Zahneingriffswiederholfrequenzen von Sonnen- und Planetenrad f zew(S,P) bzw. für dieZahneingriffsfrequenz von Planeten- und Hohlrad f zew(P,H) gilt:ffzew(S , P)zew(P,H )zS= ( fS− fT) ⋅Gl. 3.15 /10/KGV ( z , z )SPzH= fT⋅Gl. 3.16 /10/KGV ( z , z )PHFür die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf dem Sonnenrad gilt:fzHSÜ= k ⋅ ⋅ fS(Passierfrequenz am Sonnenrad) Gl. 3.17 /10/zS+ zHFür die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf dem Hohlrad gilt:fzSHÜ= k ⋅ ⋅ fS(Passierfrequenz am Hohlrad) Gl. 3.18 /10/zS+ zHFür die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf einem Planetenrad gilt:fz⋅ zS HPÜ= 2 ⋅⋅ fSGl. 3.19 /10/zP⋅( zS+ zH)mit: f T Planetenträgerdrehfrequenzf Skz Sz Hz PSonnenraddrehfrequenzAnzahl der PlanetenräderZähnezahl des SonnenradesZähnezahl des HohlradesZähnezahl eines PlanetenradesKGV (z S , z P ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachender beiden Zähnezahlen z S und z PKGV (z P , z H ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachender beiden Zähnezahlen z P und z H

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 153.3. Maschinendiagnose anhand breitbandiger SchwingungskenngrößenZur groben Beurteilung des Schwingverhaltens einer Maschine werden häufig verschiedenebreitbandig gemittelte Kenngrößen angegeben, die eine Reihe möglicherSchwingungsursachen andeutungsweise erkennen lassen. Hauptsächlich wird hier neben demSpitzenwert der Effektivwert des Schwingungssignals verwendet – im Englischen als rootmean-square-value(RMS) bezeichnet. Er ist definiert als die Wurzel aus dem Mittelwert derquadrierten Augenblickswerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnitts und kann mitspeziellen elektrischen Schaltungen ermittelt werden. Der Effektivwert enthält jedoch keineInformation über die spektrale Zusammensetzung der Schwingung. Veränderungen derSchwingfrequenz oder sich anbahnende Schäden mit neuen Frequenzkomponenten geringerAmplituden sind im Effektivwert nicht erkennbar. /11/ Für eine weitergehende, detailliertereUntersuchung sind umfangreichere Messungen und Spektralanalysen erforderlich, wie in denfolgenden Abschnitten beschrieben.3.4. Signalverarbeitung und frequenzselektive SchwingungsanalyseUm auf Grundlage der Schwingungsanalyse Rückschlüsse auf den Verschleißzustand einerMaschine ziehen zu können, wird zunächst mit Hilfe von Körperschallbeschleunigungssensorendie Vibration der Maschine in ein elektrisches Signal umgewandelt,verstärkt und gefiltert. Ein Filtern des Signals ist erforderlich, um die normalenLaufgeräusche der Maschine herauszufiltern, die den infolge von lokalen Beschädigungenauftretenden periodischen Schwingungen überlagert sind. Durch Herausfiltern all dieserSchwingungsanteile können so die kinematisch bedingten Impulse für die Auswertungrekonstruiert werden. Bei der anschließenden Auswertung wird das Schwingungssignal inAbhängigkeit der zu überwachenden Baugruppe mit unterschiedlichen Analyseverfahren aufbei Maschinenschäden auftretende charakteristische Merkmale untersucht. So kommt nebender Auswertung des aufgenommenen Zeitsignals der Beschleunigung, dem sog. Rohsignal,die Analyse des Frequenzspektrums zur Anwendung. Das Frequenzspektrum wird mit Hilfegeeigneter mathematischer Transformationsverfahren, wie zum Beispiel der Fourier-Transformation oder der Fast-Fourier-Transformation (FFT) aus dem Rohsignal errechnet.Mit Hilfe dieser Transformationsverfahren kann ein beliebiges Zeitsignal in eine Summereiner Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase zerlegt werden.Eine genauere Betrachtung dieser Transformationen, die ohnehin von der Auswerteelektronikdurchgeführt werden, würde den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen, so dassdiesbezüglich auf die Literatur, z.B. /12/ und /13/, verwiesen wird.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 16Des Weiteren kommt auch die Betrachtung des sog. Hüllkurvensignals zur Anwendung,welches sich besonders für die Überwachung von langsam drehenden Wälzlagern undGetriebeverzahnungen eignet, da genau die Signalanteile extrahiert sind, die den Lager- bzw.Verzahnungszustand widerspiegeln. /14/ Siehe hierzu auch Abschnitt 3.7.Die Art der Darstellung der gemessenen Signale ist entscheidend für das Erkennen vonSchäden und deren Ursachen. Es gibt unterschiedliche Darstellungsmöglichkeiten, die je nachBesonderheit des Schwingungsproblems zum Einsatz kommen. Tabelle 3.1 verdeutlicht diebei der Maschinendiagnose verwendeten Signaldarstellungen im Zeit- und Frequenzbereich.ZeitbereichFrequenzbereichSignalHüllkurveZeit- oder RohsignalFrequenzspektrum (Spektrum)Hüllkurve des RohsignalsHüllkurvenspektrumTabelle 3.1: Das Rohsignal, das Frequenzspektrum, die Hüllkurve des Rohsignals sowie dasHüllkurvenspektrum werden zur Schwingungsanalyse verwandt.Die Amplituden der einzelnen spektralen Komponenten können linear oder logarithmischdargestellt werden. Bei der linearen Darstellung sind in der Regel nur die größerenKomponenten im Spektrum sichtbar, während bei der logarithmischen Darstellung mehrDetails hervortreten. An der Ordinate werden bei linearer Darstellung als Einheit entwederVielfache der Erdbeschleunigung g (g=9,81 m/s 2 ) oder unmittelbar das Spannungssignal inmV angegeben. Bei logarithmischer Darstellung der Beschleunigungsamplituden erfolgt dieSkalierung dimensionslos in dB (Dezibel), wobei als Bezugsbeschleunigung bei der FirmaDMT der Wert a 0 = g⋅10 -6 = 9,81⋅10 -6 m/s 2 verwendet wird, um gut zu handhabendeZahlenwerte zu erhalten. Bei anderen Anbietern von CM-Systemen kann dieseBezugsbeschleunigung durchaus einen anderen Wert haben, so dass bei logarithmischerDarstellung die Absolutwerte der Amplituden nur bedingt vergleichbar sind.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 17Da jedoch in der Regel nur eine Relativbetrachtung durchgeführt wird, bei der MomentanundReferenzwerte mit dem gleichen System erfasst werden, spielt die Amplitudeneinheitletztlich nur eine untergeordnete Rolle.Für den dimensionslosen Wert der Beschleunigung a gilt:2⎛ a ⎞ adB _ a = 10⋅log⎜ = 20⋅loga⎟Gl. 3.20 /15/⎝ 0 ⎠ a0mit: dB_a dimensionsloser, logarithmischer Wert der gemessenen Beschleunigunga gemessen Beschleunigunga 0 Bezugsbeschleunigung a 0 = 9,81⋅10 -6 m/s 23.5. Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern und AnstreifvorgängenDie schwingungstechnische Lager- und Getriebeüberwachung ermöglicht neben derVerschleißdiagnose an Lagern und Getrieben auch ein Erkennen von Unwuchten, AusrichtoderKupplungsfehlern sowie Anstreifvorgängen in Wellensträngen. Gemäß /16/ und /19/werden die folgenden charakteristischen Merkmale solcher Fehler unterschieden.• UnwuchtenBei Maschinen mit großen rotierenden Massen sind Unwuchten eine häufige Quelle fürSchwingungen. Unwuchten treten auf, wenn die Masseverteilung in Rotoren nichtsymmetrisch zur Drehachse ist. Sie erzeugen umlaufende Kräfte und Momente, die von derLagerung des Rotors aufgenommen werden müssen, damit dieser in seiner Drehachsefestgehalten wird. Diese Kräfte und Momente erreichen einmal pro Umdrehung ein Maximumund ein Minimum und regen daher die Lagerung zu drehfrequenten Schwingungen an.Durch Unwucht erregte Schwingungen zeigen sich im Frequenzspektrum durch erhöhteAmplituden bei der Rotationsfrequenz und sind unabhängig vom übertragenen Drehmoment.• Ausricht- oder KupplungsfehlerFehlerhafte Ausrichtung von Wellensträngen und Fertigungsmängel oder Verschleiß anKupplungselementen können ebenfalls Ursache von verstärkten Wellen- undLagerschwingungen sein. Ausrichtfehler sind häufig die Ursache von mangelnderGenauigkeit bei der Montage, von thermischen Einflüssen oder aber vonSetzungserscheinungen des Fundaments. Von Kupplungsfehlern spricht man, wenn diekraftübertragenden Elemente einer Kupplung die Momente bei jeder Umdrehungungleichmäßig weiterleiten.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 18Bei Ausricht- oder Kupplungsfehlern treten daher zusätzliche Kräfte in den Lagerstellen auf,die häufig 1, 2, 3 oder 4 mal pro Umdrehung ein Maximum und ein Minimum erreichen. ImFrequenzspektrum sind erhöhte Amplituden bei der Wellendrehfrequenz und den ersten dreibis vier Vielfachen, im Folgenden auch Harmonische genannt, zu erkennen.• AnstreifvorgängeBei einem periodischen Anstreifen einer rotierenden Welle an ein umgebendes Bauteil wiezum Beispiel dem Gehäuse oder einer Abdeckung können im FrequenzspektrumAmplitudenerhöhungen bei der Wellendrehfrequenz mit bis zu zehn Harmonischen auftreten.3.6. Detektion von Stoßimpulsen an WälzlagernWenn die Wälzkörper eines Wälzlagers mit ausreichender Belastung periodisch über einenDefekt in der Lauffläche rollen, so lassen sich im Zeitsignal der Schwingbeschleunigungmeist periodische Stöße nachweisen. Das Frequenzspektrum eines solchenSchwingungssignals besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen, die alle Vielfache derStoßimpulsfolgefrequenz sind. Die höchsten Amplituden treten im Bereich derResonanzfrequenzen auf. Die Abbildungen 3.7 und 3.8 zeigen beispielhaft die Simulation derAnregung einer Maschinenresonanz durch eine periodische Stoßfolge im Zeit- undFrequenzbereich.Abb. 3.7: Zeitsignal einerperiodischen Stoßfolge /16/Abb. 3.8: Frequenzspektrum beiAnregung durch eineperiodische Stoßfolge ohne Berücksichtigungdes realauftretenden Störpegels /16/Grundsätzlich sind periodische Stoßimpulse dadurch zu erkennen, dass die Amplituden derStoßimpulsfolgefrequenz und der Vielfachen empirisch festgelegte Grenzwerte überschreiten.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 19In der Regel ist die Amplitude der Stoßimpulsfolgefrequenz jedoch so niedrig, dass sie durcheinen maschinengeräuschbedingten Störpegel überschattet wird, wie Abb. 3.9 verdeutlicht.Die Amplitude der Stoßimpulsfolgefrequenz geht vollständig im Störpegel unter. Dadurch istes schwierig, Stoßimpulsfolgen zuverlässig zu detektieren.Abb.3.9: Frequenzspektrum beiAnregung durch eineperiodische Stoßfolge mit Berücksichtigungdes realauftretenden Störpegels /16/In Abbildung 3.10 sind zum Vergleich die realen Frequenzspektren zweier Wälzlagergleichen Typs gegenübergestellt, wobei das eine einen starken, das andere einen schwachenAußenringschaden aufweist. In beiden Fällen liegt die Stoßimpulsfolgefrequenz – hier mit f abezeichnet – bei ca. 105 Hz. Beim starkgeschädigten Lager ist sie deutlich zuerkennen, nicht aber beim schwachgeschädigten. Die Stoßimpulsfolge zeigtsich hier nur bei höheren Vielfachen derStoßimpulsfolgefrequenz im Maschinenresonanzbereich.Zu beachten sind die unterschiedlichenSkalierungen der Ordinaten der beidenSpektren.Eine präzisere Aussage kann hier mitAbb. 3.10: Frequenzspektren baugleicherHilfe der Hüllkurvenanalyse getroffen Wälzlager: oben mit starkem, unten mitwerden.schwachem Außenringschaden /16/

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 203.7. HüllkurvenanalyseDie Hüllkurvenanalyse ermöglicht es, versteckte Stoßimpulsfolgen in einemSchwingungssignal sehr genau zu detektieren und zu untersuchen. Die Bildung der Hüllkurvewird eigentlich in der Nachrichtentechnik zur Demodulation amplitudenmodulierter Signaleverwendet, lässt sich aber ebenso auf Körperschallsignale anwenden.3.7.1. AmplitudenmodulationDa die periodische Stoßanregung von Maschinenresonanzen ähnliche Auswirkung auf dasSpektrum hat wie die Amplitudenmodulation /17/ wird im Folgenden das Prinzip derAmplitudenmodulation und Demodulation erläutert.Ein amplitudenmoduliertes Signal besteht aus einem hochfrequenten Trägersignal und einemniederfrequenten Nutzsignal, wobei sich die Amplitude des Trägersignals in Abhängigkeitvom Nutzsignals ändert. Dies verdeutlicht Abbildung 3.11.Abb. 3.11: AmplitudenmodulierteSchwingung,in Anlehnung an /18/ω T - Trägerfrequenzω M - ModulationsfrequenzDas Nutzsignal kann so mit dem Trägersignal mitübertragen werden. Beim Empfänger wirddurch die Hüllkurvenbildung das Nutzsignal wieder vom Trägersignal getrennt. DieserVorgang wird als Demodulation bezeichnet.Eine trigonometrische Umformung gem. /18/ zeigt, dass eine einfache amplitudenmodulierteSchwingung aus der Trägerfrequenz ω T und zwei Seitenschwingungen mit den Frequenzenω T ±ω M besteht. Im zugehörigen Frequenzspektrum sind daher neben der Trägerfrequenz auchdie sog. Seitenbänder zu erkennen, wie Abbildung 3.12 zeigt:Abb. 3.12: Frequenzspektrum eineramplitudenmodulierten Schwingung,in Anlehnung an /18/

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 21Im Gegensatz dazu weist das zugehörige Frequenzspektrum der Hüllkurve (Nutz- oderModulationssignal) dann nur noch eine Linie bei der Modulationsfrequenz ω M auf. DieHüllkurvenanalyse bietet sich insbesondere zur Ermittlung niederfrequenterModulationserscheinungen und Schwingungen an.3.7.2. HüllkurvenbildungDie Vorgehensweise der Hüllkurventransformation zeigt Abbildung 3.13:Abb. 3.13: Prinzip der Hüllkurventransformation, in Anlehnung an /16/Durch das Hochpassfilter vor der Gleichrichtung wird sichergestellt, dass nur die für dieSchwingungsdiagnose relevanten Trägerfrequenzen demoduliert werden. TieffrequenteAnteile des Schwingungssignals können so unterdrückt werden. Durch das Tiefpassfilter kannder Signalanteil des hochfrequenten Trägersignals unterdrückt werden. Das verbleibendeSignal besteht dann nur noch aus dem Modulations- oder Nutzsignal – der sog. Hüllkurve.Aus dieser kann z.B. mit Hilfe der Fourier-Transformation das zughörigeHüllkurvenfrequenzspektrum ermittelt werden.Die Hüllkurvenanalyse kann immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn periodischeStoßfolgen zu erkennen oder Modulationserscheinungen zu untersuchen sind. Treten beiModulationserscheinungen Seitenbänder im Frequenzspektrum auf, so zeigt dasHüllkurvenspektrum nur noch eine Amplitudenerhöhung bei der Modulationsfrequenz.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 223.8. WälzlagerdiagnoseIm Falle der durch periodische Stoßfolgen in Wälzlagern angeregten Maschinenresonanzenkönnen diese als hochfrequentes Trägersignal und die Stoßimpulsfolge als niederfrequentesModulationssignal angesehen werden. Durch die Demodulation erfolgt somit eine Trennungder Stoßimpulsfolge von den Resonanzfrequenzen. /16/Abbildung 3.14 zeigt als Beispiel die Demodulation einer stoßförmig angeregtenMaschinenresonanz.Abb. 3.14: Demodulation einerstoßförmig angeregten Maschinenresonanz:Das hochpassgefilterteSchwingungssignal wird gleichgerichtet,tiefpassgefiltert unddanach im Frequenzspektrumuntersucht. Es sind hier dieAmplituden der Stoßimpulsfolgefrequenzund deren Vielfachen zuerkennen. /16/Die Hüllkurvenanalyse erlaubt durch die Trennung der Resonanzfrequenzen von derStoßimpulsfolge bei der Wälzlagerdiagnose auch ein Erkennen von Laufbahn- undWälzkörperschäden im Frühstadium, die sonst vom Störpegel überdeckt wären, wie bereits inAbbildung 3.10 gezeigt. Des weiteren können so auch die Überrollfrequenzen langsamdrehender Lager erfasst werden.Das Auftreten von Vielfachen ist typisch für Stoßimpulse, wobei die Intensität schwankenkann. Die Praxis zeigt, dass die Stoßimpulsfolgefrequenz nicht in jedem Fall die größteAmplitude aufweisen muss.Wenn zusätzlich die Intensität der Stoßimpulse selbst periodisch schwankt, so treten nochweitere Frequenzen im Hüllkurvenspektrum auf, nämlich die Grundfrequenz derIntensitätsschwankung sowie Seitenbänder um die Stoßimpulsfolgefrequenz und um derenVielfache.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 23Bei der Wälzlagerdiagnose sind gem. /17/ und /19/ die folgenden Schäden bei der Frequenzund Hüllkurvenanalyse zu unterscheiden:• AußenringschädenStatistisch gesehen treten an Wälzlagern Außenringschäden am häufigsten auf. In der Regelsind sie schon sehr frühzeitig anhand ausgeprägter Amplituden bei derAußenringüberrollfrequenz und deren Vielfachen im Frequenzspektrum erkennbar. Je weiterein Schaden voranschreitet, umso größer werden diese Amplituden.• InnenringschädenInnenringschäden weisen in den Spektren ähnliche Erscheinungen wie Außenringschäden auf.Es zeigen sich erhöhte Amplituden bei der Innenringüberrollfrequenz und deren Vielfachen.Bei den meisten Maschinen können die vom Innenring verursachtenKörperschallschwingungen allerdings nur über die Wälzkörper und den Außenring zumSensor übertragen werden. Daher treten Innenringschädigungen meist mit geringerenAmplituden auf als Außenringschädigungen.Bei Maschinen mit umlaufendem Innenring tritt pro Umdrehung je nach Belastung desschadhaften Bereichs ein Maximum und ein Minimum der Körperschallbeschleunigung auf,da sich der Schaden abwechselnd in der be- und der entlasteten Zone befindet. DieInnenringüberrollfrequenz wird mit der Drehfrequenz der Welle moduliert, so dass imHüllkurvenspektrum die Innenringüberrollfrequenz und deren Vielfache von Seitenbändernmit der Drehfrequenz umgeben sein können.• WälzkörperschädenEin Schaden an einem der Wälzkörper führt bei jeder Überrollung an der Innen- undAußenringlaufbahn zu Stößen. Die Impulsfolgefrequenz (Wälzkörperüberrollfrequenz) istdaher identisch mit der doppelten Wälzkörperrotationsfrequenz. Hierbei wird vorausgesetzt,dass sich der defekte Wälzkörper so um seine Achse dreht, dass der Schaden immer auf denLaufbahnen abrollt. Diese Annahme stimmt nur bei Wälzkörpern, die nur eine Drehachsebesitzen, wie Zylinder, Kegel etc. Bei Kugellagern hingegen ist es möglich, dass diegeschädigte Kugel einen Spin aufweist und der Schaden nur unregelmäßig überrollt wird.Eine Schadendiagnose ist dann schwieriger.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 24Die Wälzkörper laufen zusätzlich mit Käfigdrehzahl um. Ähnlich wie beim Innenringschadenschwankt somit auch die Stoßintensität in Abhängigkeit von der Käfigrotationsfrequenz.Daher weist in diesem Fall das Hüllkurvenspektrum Frequenzlinien bei derWälzkörperüberrollfrequenz mit Seitenbändern der Käfigrotationsfrequenz auf.• KäfigschädenEin defekter Wälzlagerkäfig kann beim Umlaufen periodisch an einem benachbartenMaschinenteil anstreifen. Dies führt im Hüllkurvenspektrum zu starken Amplituden bei derKäfigfrequenz und deren Vielfachen.Natürlich kann der Käfig auch so geschädigt sein, dass es zu nicht periodischem Anstreifenkommt. Im Hüllkurvenspektrum erhöht sich dadurch der Gesamtpegel der Amplituden; essind aber keine herausragenden Amplituden festzustellen. Eine Schadenserkennung ist dahernatürlich schwieriger, eine Lokalisierung des Schadens unmöglich. In der Regel wird aber derSchaden an einem Käfig mit Schädigungen anderer Teile einhergehen, die dann imHüllkurvenspektrum erkannt werden können.Bisher wurde immer von lokalen begrenzten Schädigungen mit einmaligem Auftreten aufdem Umfang des jeweiligen Maschinenteils ausgegangen. Bei Lagern mit mehrerengleichartigen Schäden überlagern sich die Schadensamplituden, wobei hier ein Phasenversatzzu beachten ist. Eine weiterführende Betrachtung an dieser Stelle sprengt den Rahmen dieserAusarbeitung. Hier wird auf /17/ verwiesen.Sind in einem Wälzlager mehrere unterschiedliche „lokale“ Schäden auf den Laufflächenvorhanden, so überlagern sich die Schwingungen der einzelnen Schäden. Da es sich dabei umvon verschiedenen Schäden verursachte unterschiedliche Frequenzen handelt, beeinflussensich die Amplitudenintensitäten untereinander nicht. Bei einem Wälzlager, das großflächigeSchäden an Innen- und Außenring sowie an den Wälzkörpern besitzt, kann es schwierigwerden, die Frequenzen dem jeweiligen Schaden zuzuordnen, da eine Vielzahl vonÜberrollfrequenzen, deren Vielfache und Seitenbänder in unterschiedlicher Ausprägungauftauchen.Bei extrem verschlissenen Lagern mit mehreren unterschiedlichen großflächigen Schäden, indenen kein reines Rollen mehr auftritt, sind weder im Frequenz- noch im HüllkurvespektrumÜberrollfrequenzen nachweisbar; in diesem Fall machen sich Schäden lediglich durchResonanzüberhöhungen bemerkbar.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 253.9. VerzahnungsdiagnoseDas Feststellen von Schäden an Verzahnungen in Getrieben war in der Vergangenheit nuranhand vergleichender Körperschallmessungen möglich. Für eine solche Untersuchung war esnotwendig, nach der Einlaufphase eines neuen Getriebes durch eine Schwingungsmessung einFrequenzspektrum zu ermitteln und als Referenz zu speichern. In regelmäßigen Abständenwurden dann erneut Messungen durchgeführt und mit der Referenzmessung verglichen, um soeine Aussage über den Verschleißzustand treffen zu können.Prüfstandsuntersuchungen des Instituts für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde derRWTH Aachen Ende der 90er Jahre zeigen, dass die Hüllkurvenanalyse ein geeignetesVerfahren zu sein scheint, neben Wälzlagerschäden auch Verzahnungsverschleiß ohneReferenzmessung zu erkennen.Im Folgenden werden die Auswirkungen von Verzahnungsschäden von Stirnradgetrieben aufdie im Frequenz- und Hüllkurvenspektrum auftretenden bekannten Frequenzen(Zahneingriffs- und Drehfrequenz und deren Vielfachen) betrachtet. Im Anschluss wird aufdie Besonderheiten bei Planetengetrieben eingegangen.Die folgenden Fehlerarten werden gem. /9/ unterschieden:• Einzelfehler:Ein lokal begrenzter Fehler oder Schaden , im Folgenden als Einzelfehler bezeichnet, wie z.B.ein Pitting an einem Zahn, kann Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße verursachen.Jedes Mal, wenn der betreffende Zahn im Eingriff ist, kommt es zu einer verändertenStoßanregung als bei den anderen Zähnen. Im Frequenzspektrum einer Verzahnung mitlokalem Schaden tritt daher neben der ohnehin vorhandenen Zahneingriffsfrequenz und derenVielfachen noch die Drehfrequenz des beschädigten Zahnrades auf.Auch im Hüllkurvenspektrum zeigen sich Einzelfehler durch erhöhte Amplituden bei derentsprechenden Drehfrequenz und deren Vielfachen.• Exzentrizität:Die Exzentrizität eines Zahnrades kann ebenfalls zu Intensitätsschwankungen derZahneingriffsstöße führen. Eine Exzentrizität verursacht eine Zahnflankenberührung, dieoberhalb oder unterhalb des idealen Eingriffspunktes liegt. Dadurch verändern sich dieAmplituden der Zahneingriffsstöße periodisch mit der Drehfrequenz des Zahnrades, das die

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 26Exzentrizität aufweist. Es handelt sich dabei um eine Amplitudenmodulation desZahneingriffsstoßes, so dass im Frequenzspektrum Seitenbänder um dieZahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen auftreten.Im zugehörigen Hüllkurvenspektrum zeigt sich eine Exzentrizität eines Zahnrades daherdurch erhöhte Amplituden bei der entsprechenden Drehfrequenz. Aufgrund der annäherndsinusförmigen Amplitudenmodulation kann bei einer Exzentrizität davon ausgegangenwerden, dass, wenn überhaupt, nur die niederfrequenten Vielfachen der Drehfrequenz erhöhteAmplituden aufweisen.• Verteilter Fehler:Gleichartiger Verschleiß an allen Zahnflanken eines Zahnrades wird als sog. verteilter Fehlerbezeichnet. Würde an allen Zahnflanken exakt der gleiche Verschleiß vorliegen, so würdensich die Stoßimpulse bei allen Zahneingriffen exakt gleich verändern. Die Folge wärelediglich eine Veränderung der Amplituden der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen.Da aber in der Realität ein absolut identischer Verschleiß aller Zahnflanken nicht vorkommt,werden die Intensitätsänderungen der Stoßimpulse an jeder Zahnflanke leicht unterschiedlichsein und sich mit der niederfrequenten Zahneingriffswiederholfrequenz periodischwiederholen; und zwar immer dann, wenn die gleichen Zähne wieder im Eingriff sind. Esergibt sich demnach eine Amplitudenmodulation der Zahneingriffsstöße mit Seitenbändernder Zahneingriffswiederholfrequenz.In diesem Fall weist das Hüllkurvenspektrum erhöhte Amplituden bei derZahneingriffswiederholfrequenz und deren Vielfachen auf.Die Drehfrequenzen der verschlissenen Zahnräder sind laut Definition (Gl. 3.11) Vielfacheder Zahneingriffswiederholfrequenz. Da die Zahneingriffsstöße auch mit der Drehfrequenzdes verschlissenen Zahnrades schwanken, sind in der Regel die Amplituden der zugehörigenDrehfrequenzen und deren Vielfachen höher als die anderen Vielfachen derZahneingriffswiederholfrequenz.Schäden an der Verzahnung zeigen sich also in der Regel weniger durch erhöhte Amplitudenbei der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen als vielmehr durch deutlicheSeitenbänder, hervorgerufen durch Modulationserscheinungen mit Dreh- bzw. Zahneingriffswiederholfrequenz,für deren Untersuchung die Hüllkurvenanalyse geradezu prädestiniert ist.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 27Besonderheiten bei Planetengetrieben:Bei Planetengetrieben kann beobachtet werden, dass der Schwingungspegel ansteigt, wenneines der Planetenräder sich der Sensorposition nähert und ein Maximum erreicht, wenn derEingriff von Planeten- und Hohlrad gerade in nächster Näher des Sensors stattfindet. DiesesEreignis wiederholt sich periodisch, so dass die gesamte Schwingung mit derPlanetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad moduliert wird. Dabei entspricht dieZahneingriffsfrequenz der Trägerfrequenz und die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlradder Modulationsfrequenz. Im Frequenzspektrum ergeben sich also, bedingt durch dieMesswerterfassung, auch bei einem intakten Getriebe Seitenbänder mit derPlanetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um die Zahneingriffsfrequenz. Durch FertigungsundPositionsungenauigkeiten sowie Tragbildunterschiede der einzelnen Planetenräder kannes auch vorkommen, das diese Modulation insbesondere von einem der Planetenräderhervorgerufen wird. Entsprechend ergeben sich dann Seitenbänder mit derPlanetenträgerdrehfequenz um die Zahneingriffsfrequenz. /10/ Bei beispielsweise dreiPlanetenrädern ist die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um den Faktor drei größer alsdie Planetenträgerdrehfrequenz.Generell äußern sich Verzahnungsschäden an Planetengetrieben durch einen erhöhtenGesamtschwingungspegel im Vergleich zu einem intakten Getriebe. Das Ermitteln dergenauen Schadensposition im Getriebe gestaltet sich jedoch aufgrund der komplexenZusammenhänge sehr schwierig. Das Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde derRWTH Aachen entwickelt seit Ende der 90er Jahre anhand geeigneterPrüfstanduntersuchungen Verfahren, die es ermöglichen sollen, unterschiedliche Schäden anVerzahnungen in Planetengetrieben zu diagnostizieren. Auf weitere Hintergründe zumöglichen Verfahren, die u.a. /10/ zu entnehmen sind, wird nicht detaillierter eingegangen, dadiese beim Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online nicht zum Einsatzkommen.3.10. Einfluss variabler DrehzahlenDa die zu überwachenden kinematischen Lager- und Getriebefrequenzen proportional zurDrehzahl sind, ist bei Maschinen, die mit variablen Drehzahlen betrieben werden, dasDrehzahlsignal mit zu erfassen. So können durch Schäden verursachte Frequenzen und auchderen Amplitudengrenzwerte in Abhängigkeit von der Drehzahl überwacht werden.Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel für das drehzahlabhängige Nachführen von zuüberwachenden Frequenzbändern. Zusätzlich werden hier die Grenzwerte drehzahlabhängigangepasst.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 28Abb. 3.15: Drehzahlabhängiges Nachführen von Frequenzbändern und Grenzwerten /14/Auf diese Weise lassen sich Maschinen auch bei großen Drehzahlunterschieden überwachen,während bei leichten Drehzahlschwankungen evtl. ein Anpassen der Breite derFrequenzbänder, im Folgenden auch als Schwellenbreite bezeichnet, ausreicht.3.11. Einfluss variabler LastenSoll eine Maschine, die bei unterschiedlichen Belastungszuständen betrieben wird, überwachtwerden, ist zu beachten, dass die Amplituden der zu überwachenden kinematischenFrequenzen von Lagern und Getrieben eine starke Lastabhängigkeit aufweisen können.Abbildung 3.16 zeigt als Beispiel die Frequenzspektren eines Zahnradgetriebes beiBelastungen von 36 % bzw. 70 % der Nennlast.Abb. 3.16: Vergleich von Frequenzspektren bei unterschiedlichen Lasten /14/Um bei variabler Belastung eine zuverlässige Aussage über den Verschleißzustand treffen zukönnen, ist daher eine zusätzliche Erfassung der Belastung erforderlich, um dieAmplitudengrenzwerte unter Berücksichtigung der Last festsetzen zu können.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 294. Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V66Um erste Erfahrungen mit der Zustandsüberwachung von mechanischen Komponenten anWindenergieanlagen zu sammeln, ist in Zusammenarbeit zwischen den Firmen GEO-mbHund DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) im Rahmen eines Pilotprojektes dasCondition Monitoring System DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66eingebaut worden. Diese WEA steht im Windpark Willenscharen bei Neumünster und wirdvon GEO im Rahmen der technischen Betriebsführung betreut. Die Anlage hat seit ihrerErrichtung im Dezember 1999 eine Betriebszeit von ca. 13.000 h erreicht. Der Einflussunterschiedlicher Drehzahlen und Belastungen auf die Körperschallemission soll untersuchtwerden, um so die Praxistauglichkeit dieses Condition Monitoring Systems für möglicheoffshore-Anwendungen zu erproben.Im Folgenden werden sowohl die zu überwachenden Komponenten der WEA Vestas V66, alsauch die Messdatenerfassung und –verarbeitung mit dem Condition Monitoring SystemDMT-ZUMWART online beschieben. Des Weiteren werden die kinematischen Frequenzender zu überwachenden Baugruppen der V66 ermittelt.4.1. Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 – 1,65 MWDie Windenergieanlage Vestas V66 - 1,65 MW isteine pitchgeregelte WEA mit luvseitig zum Turmangeordneten Dreiblattrotor und aktiver Windnachführung.Bei einem Rotorkreisdurchmesser von 66 m undeiner Nabenhöhe von 67 m verfügt die WEA übereine Nennleistung von 1,65 MW. Sie ist mit zweiGeneratoren ausgerüstet, um eine niedrigeGeräuschemission bei geringen Windgeschwindigkeitenund einen höherenJahresenergieertrag zu erzielen.Die vom Rotor angetriebene Hauptwelle überträgtdas Drehmoment über ein Getriebe, das aus einerAbb. 4.1: WEA Vestas V66-1,65MWPlanetengetriebestufe und einer doppeltenStirnradgetriebestufe besteht, auf die Generatoren. Vom Getriebe wird das Drehmoment übereine drehsteife Verbundkupplung auf den Primärgenerator und über eine flexible Kupplung(Kreuzgelenkwelle) auf den Sekundärgenerator übertragen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 30Der Primärgenerator ist ein vierpoliger 1,65 MW-Asynchrongenerator der Firma Weier mitOptiSlip®-Funktion, die es auf elektronischem Wege ermöglicht, den Generatorschlupf ineinem Bereich von bis zu 10 % zu regeln, um so eine bessere und schnellereLeistungsanpassung und Belastungsreduktion zu erzielen. Dieses von Vestas entwickelteKonzept ermöglicht es, in Verbindung mit der Pitchregelung, die Höchstleistung bei hohenWindgeschwindigkeiten, auch bei Böigkeit, auf den Nennwert zu begrenzen. Bei einemschnellen Anstieg der Windgeschwindigkeit lässt die OptiSlip®-Funktion dieGeneratordrehzahl leicht ansteigen; gleichzeitig werden die Rotorblätter durch dasPitchregelungssystem in einen weniger belastenden Anstellwinkel gebracht, wodurch dieRotordrehzahl wieder reduziert wird. So wird eine gleichmäßige Leistungsabgabe undminimale Belastung des kompletten Kraftübertragungssystems erreicht. Durch den dabeiauftretenden Schlupfanstieg von bis zu 10 % kann die Generatordrehzahl kurzfristig von1500 min -1 auf 1650 min -1 ansteigen.Der Sekundärgenerator ist ein herkömmlicher vierpoliger 300 kW-Asynchrongenerator derFirma ABB, der mit konstanter Drehzahl von 1500 min -1 angetrieben wird.Bei Windgeschwindigkeiten größer ca. 7 m/s ist der Primärgenerator in Betrieb, bei darunterliegenden Geschwindigkeiten schaltet die V66 den kleineren Sekundärgenerator an Netz,wobei die Rotordrehzahl 19 min -1 bzw. 15 min -1 beträgt. /20/4.1.1. Daten der zu überwachenden BaugruppenAn der WEA werden die beiden Hauptlager, das Getriebe und die Lagerung desPrimärgenerators auf ihren Verschleißzustand hin überwacht. Eine Überwachung derLagerung des Sekundärgenerators ist nicht vorgesehen.Abbildung 4.2 zeigt die Baugruppen der V66, die beim CM-Projekt überwacht werden.Abb. 4.2: Die an der Vestas V66 zu überwachende Baugruppen sind farbig hervorgehoben.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 31In der folgenden Aufstellung sind Detailangaben zu Baugruppen und -teilen desAntriebsstrangs der Vestas V66 zu finden, die für das Condition Monitoring relevant sind.• Hauptlager, Angaben aus /20/Hauptlager 1: Pendelrollenlager KOYO 230/630 RW33alternativ SKF 230/630 CA/W33Hauptlager 2: Pendelrollenlager KOYO 24188 RHA• Primärgenerator, Angaben aus /21/:Fabrikat:WeierTyp:asynchron, vierpoligNennleistung: 1,65 MWGeneratorlager A-Seite: Rillenkugellager FAG 6232M C3 (Messingkäfig)alternativ SKF 6232M C3 (Messingkäfig)Generatorlager B-Seite: Rillenkugellager FAG 6236M C3 (Messingkäfig)alternativ SKF 6236M C3 (Messingkäfig)• Getriebe, Angaben aus /20/ und /22/:Fabrikat:Lohmann & StolterfohtTyp:einfache Planetengetriebestufe/drei StirnradgetriebestufenNennleistung: 3,0 MWÜbersetzungsverhältnisPrimärgenerator: i 1 = 1 : 78,7614ÜbersetzungsverhältnisSekundärgenerator: i 2 = 1 : 97,9792In Abbildung 4.3 ist der prinzipielle Aufbau des Lohmann & Stolterfoth Getriebes der VestasV66 und die Anordnung der Getriebewellenlager dargestellt. Diese Darstellung enthältebenfalls die Zähnezahlen aller Zahnräder, die Getriebewellenbezeichnungen undPositionsnummern der einzelnen Getriebewellenlager sowie die Übersetzungsverhältnisse dereinzelnen Getriebestufen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 32Abb. 4.3: Das Lohmann & Stolterfoth Getriebe der Vestas V66 besteht aus einerPlanetenstufe mit dem Übersetzungsverhältnis i Planetenstufe und drei Stirnradstufen mit denÜbersetzungsverhältnissen i 1 , i 2 und i 3 . Mit Z sind die Zähnezahlen der einzelnen Zahnräderbezeichnet. Die Getriebewellenlager sind mit Positionsnummern von 1 bis 12 versehen.Getriebewellenlager gem. Abbildung 4.3:Position (Pos. Nr.) Typ Lagerbezeichnung2. Abtriebswelle sekundärgeneratorseitig (1) Pendelrollenlager FAG 222142. Abtriebswelle primärgeneratorseitig (2) Pendelrollenlager FAG 222141. Abtriebswelle sekundärgeneratorseitig (3) Pendelrollenlager FAG 241261. Abtriebswelle primärgeneratorseitig (4) Pendelrollenlager FAG 22226mittlere Welle sekundärgeneratorseitig (5) Pendelrollenlager FAG 23140mittlere Welle sekundärgeneratorseitig (6) Pendelrollenlager FAG 22238Getriebehauptwelle sekundärgeneratorseitig (7) Zylinderrollenlager FAG NU1080alternativ KOYO NU1080Getriebehauptwelle primärgeneratorseitig (8) Kegelrollenlager SKF 32972alternativ KOYO 32972Hohlwelle (9) Rillenkugellager SKF/KOYO 6026Planetenstufe sekundärgeneratorseitig (10) Kegelrollenlager FAG 531546Planetenstufe primärgeneratorseitig (11) Kegelrollenlager FAG 533416JPlanetenlager (12) Pendelrollenlager FAG 23240

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 334.1.2. Kinematik der Hauptwellen- und PrimärgeneratorlagerDie im Folgenden angegebenen Überrollfrequenzen der Wälzlager der Hauptwelle und desPrimärgenerators wurden anhand der Lagerbezeichnung mit Hilfe der vom jeweiligenLagerhersteller angebotenen Software ermittelt, da die herstellerübergreifend festgelegteLagerbezeichnung lediglich eine Festlegung der Lagerhautabmessungen, wie z.B. Außen-,Innendurchmesser und Lagerbreite beinhaltet. Die innere Geometrie (Teilkreisdurchmesserdes Wälzkörpersatzes, Wälzkörperanzahl und -durchmesser) eines Lagers hingegen kannherstellerabhängig durchaus unterschiedlich sein, so dass sich unterschiedlicheÜberrollfrequenzen ergeben können.In den Tabellen 4.1 und 4.2 sind die relativen Überrollfrequenzen der Hauptwellen- undPrimärgeneratorlager bei einer Innenringdrehzahl von 60 min -1 (1 Hz) angegeben. Um dieabsoluten Überrollfrequenzen bei einer bestimmten Wellendrehzahl zu erhalten, sind dieangegebenen relativen Frequenzen mit der entsprechenden Wellendrehfrequenz (in Hz) zumultiplizieren. An einigen Lagerpositionen sind zeitweise Lager unterschiedlicher Herstellereingebaut worden. In diesen Fällen sind zusätzlich die Überrollfrequenzen der Alternativlagerangegeben.Hauptlager Innenring Außenring Wälzkörper Käfig1.Hauptlager: Koyo 630/230 RW33 15,824 13,176 9,843 0,4541.Hauptlager alternativ: SKF 230/630 CA/W33 15,271 12,729 10,817 0,4552. Hauptlager: Koyo 24188 RHA 12,261 9,739 8,351 0,443Tabelle 4.1: Relative Überrollfrequenzen der Hauptwellenlager in Hz in Bezug auf eineInnenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min -1 )Generator Innenring Außenring Wälzkörper KäfigGeneratorlager A-Seite: FAG 6232M C3 6,889 5,111 6,601 0,426Generatorlager A-Seite alternativ: SKF 6232M C3 6,847 5,153 6,946 0,429Generatorlager B-Seite: FAG 6236M C3 6,876 5,124 6,701 0,427Generatorlager B-Seite alternativ: SKF 6236M C3 6,338 4,662 6,409 0,424Tabelle 4.2: Relative Überrollfrequenzen der Primärgeneratorlager in Hz in Bezug auf eineInnenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min -1 )

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 344.1.3. GetriebekinematikMit Hilfe der im Abschnitt 3.2.2 aufgeführten kinematischen Berechnungsgrundlagen fürStirnrad- und Planetengetriebe lassen sich die in Tabelle 4.3 angegeben relativenWellendrehzahlen und –frequenzen sowie die Passier-, Überroll- und Zahneingriffsfrequenzender einzelnen Getriebestufen bei einer Antriebsdrehzahl des Primärgenerators von 60 min -1 (1Hz) berechnen. Um die absoluten kinematischen Frequenzen bei einer bestimmtenPrimärgeneratordrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit derentsprechenden Wellendrehfrequenz des Primärgenerators (in Hz) zu multiplizieren.Planetenstuferel. Frequenz in Bezug aufPrimärgeneratordrehfrequenzvon 1 Hzrel. Drehzahl in Bezug aufPrimärgeneratordrehzahlvon 60 min -1Planetenträgerdrehfrequenz f T 0,013 0,762Planetendrehfrequenz f P 0,034 2,019Sonnenraddrehfrequenz f S 0,064 3,868Planetenpassierfrequenz Sonnenrad f SÜ 0,155 -Planetenpassierfrequenz Hohlrad f HÜ 0,038 -Überrollfrequenz Planetenrad f PÜ 0,067 -Zahneingriffsfrequenz f ze 1,346 -1. Stirnradstufe rel. Frequenz in Bezug aufPrimärgeneratordrehfrequenzvon 1 Hzrel. Drehzahl in Bezug aufPrimärgeneratordrehzahlvon 60 min -1Rad 0,064 14,851Ritzel 0,248 3,868Zahneingriffsfrequenz 6,188 -2. Stirnradstufe (Primärgenerator) rel. Frequenz in Bezug aufPrimärgeneratordrehfrequenzvon 1 Hzrel. Drehzahl in Bezug aufPrimärgeneratordrehzahlvon 60 min -1Rad 0,248 14,851Ritzel 1 60Zahneingriffsfrequenz 25 -3. Stirnradstufe (Sekundärgenerator) rel. Frequenz in Bezug aufPrimärgeneratordrehfrequenzvon 1 Hzrel. Drehzahl in Bezug aufPrimärgeneratordrehzahlvon 60 min -1Rad 1 60Ritzel 1,244 76,65Zahneingriffsfrequenz 107 -Tab. 4.3: Relative kinematische Frequenzen (bzw. Drehzahlen) der Getriebestufen in Hz bzw.in min -1 bei einer Bezugsdrehfrequenz des Primärgenerators von 1 Hz (60 min -1 )Zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen der Getriebewellenlager kamen ebenfalls dieBerechnungsprogramme der jeweiligen Lagerhersteller zum Einsatz. In Tabelle 4.4 sind dierelativen Überrollfrequenzen der Getriebewellenlager bei einer Innenringdrehzahl von60 min -1 (1 Hz) angegeben. Um die absoluten Überrollfrequenzen bei einer bestimmtenWellendrehzahl zu erhalten, sind die angegebenen relativen Frequenzen mit der Drehfrequenzentsprechenden Welle (in Hz) zu multiplizieren.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 35Pos. Nr. Getriebewellenlager Innenring Außenring Wälzkörper Käfig1 und 2 2. Abtriebswelle beidseitig 10,88 8,12 6,68 0,433 1. Abtriebswelle sekundärgeneratorseitig 12,86 10,14 8,11 0,444 1. Abtriebswelle primärgeneratorseitig 10,34 7,62 6,29 0,435 mittlere Welle sekundärgeneratorseitig 12,34 9,66 7,88 0,446 mittlere Welle primärgeneratorseitig 11,40 8,60 6,87 0,437 Getr.hauptwelle sekundärgeneratorseitig 14,30 11,70 9,90 0,45alternativ 13,24 10,76 9,55 0,458 Getr.hauptwelle primärgeneratorseitig 22,39 16,61 14,42 0,47alternativ 20,80 18,20 14,32 0,479 Hohlwelle 8,44 6,56 7,87 0,4410 Planetenstufe sekundärgeneratorseitig 24,24 21,76 17,84 0,4711 Planetenstufe primärgeneratorseitig 22,97 20,13 15,24 0,4712 Planetenlager 1) 11,33 8,67 7,17 0,43Tabelle 4.4: Relative Überrollfrequenzen der Getriebewellenlager in Hz in Bezug auf eineInnenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min -1 )1)Da bei den Planetenlagern die Außenringe umlaufen, sind hier die relativen Überrollfrequenzenin Bezug auf eine Außenringdrehfrequenz von 1 Hz (60 min -1 ) angegeben.4.2. Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART onlineDas Condition Monitoring Systems DMT-ZUMWART online hat sich bereits inunterschiedlichen industriellen Bereichen wie in der Bergbau- und Kraftwerkstechnikbewährt, ist aber in der Windenergietechnik bisher kaum verbreitet.Mit Hilfe dieses Systems werden die Körperschallbeschleunigungssignale von Lagern undZahnradgetrieben, gemessen, verarbeitet und auf Grenzwertüberschreitung in mehreren zuüberwachenden Frequenzbereichen kontrolliert. Die Messdaten können online perDatenfernübertragung (DFÜ) abgerufen werden. Die Firmenbezeichnung ZUMWART stehtfür zustandsabhängige Maschinenwartung.4.2.1. SignalerfassungZur Messung des Körperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren mitintegriertem Ladungsverstärker verwendet, die ein der Beschleunigung proportionalesSpannungssignal zu Verfügung stellen. Abbildung 4.4 zeigt einen solchen Sensor als Beispielim Schnitt.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 36Abb. 4.4: prinzipieller Aufbau einespiezoelektrischen Beschleunigungssensors:Die piezokeramische Scheibe wird zusammen mitIsolierscheiben und der seismischen Masse untermechanischer Vorspannung gehalten. Beiachsparallelen Beschleunigungsvorgängen übt dieseismische Masse eine Kraft auf das Piezoelementaus, wodurch eine beschleunigungsproportionaleSpannung zwischen den Elektroden aufgebautwird. /23/Die auf einer Grundplatte aufgeschraubten Sensoren werden mit einem Zweikomponenten-Klebstoff auf die angeschliffenen zu überwachenden Bauteile aufgeklebt. Abbildung 4.5 zeigteinen DMT-Körperschallbeschleunigungssensor, wie er auch beim Condition Monitoring inWillenscharen verwendet wird.Abb. 4.5: Körperschallbeschleunigungssensorder Firma DMT:Der Sensor wird durch Aufkleben mit einemZweikomponenten-Klebstoff am zuvorangeschliffenen Bauteil befestigt.Abbildung 4.6 zeigt den Amplitudenfrequenzgang eines solchen piezoelektrischenBeschleunigungssensors. Im gekennzeichneten Arbeitsbereich zwischen den sog.Eckfrequenzen liefert ein solcher Sensor von der Frequenz der Körperschallschwingungunabhängige Ausgangssignale, die nur von der Höhe der Beschleunigung selbst abhängen.Bei den DMT-Sensoren liegt dieser Bereich zwischen 3 Hz und 7 kHz. Es ist daher zubeachten, dass Schwingungen mit Frequenzen unterhalb der unteren Eckfrequenz von 3 Hzmit gedämpften Amplituden dargestellt werden.Abb. 4.6: Amplitudenfrequenzgangeines piezoelektrischenBeschleunigungsaufnehmers:Der Arbeitsbereich einessolchen Sensors liegt unterhalbder Resonanzüberhöhung beider Sensoreigenfrequenz.Darstellung in Anlehnung an/11/

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 37Neben den eigentlichen Körperschalldaten werden weitere Betriebsdaten sekündlichgemessen und aufgezeichnet. Da bei der WEA Vestas V66 der Betrieb bei unterschiedlichenDrehzahlen möglich ist, wird über einen Näherungsinitiator, der auf der schnell drehendenWelle des Primärgenerators angeordnet ist, die Drehzahl erfasst und dem Messsystemzugeführt. So kann der Einfluss der Drehzahl auf die gemessenen Frequenzspektrenberücksichtigt werden. Da auch der Belastungszustand der WEA Einfluss auf die Amplitudenin den Frequenzspektren hat, wird des Weiteren die abgegebene elektrische Leistung erfasst,sowie die Windgeschwindigkeit über ein zusätzliches Anemometer auf dem Maschinenhausgemessen.Abbildung 4.7 zeigt die Anordnung der Körperschallsensoren an den zu überwachendenBaugruppen und die Positionen der Aufnehmer für die Betriebsdaten. Alle Messsignalelaufen zur Weiterverarbeitung in der sog. DMT-TopBox zusammen, einem separatenSchaltschrank des Überwachungssystems.Abb. 4.7: Sensoranordnung an der WEA Vestas V66: Die gelben Punkte markieren diePositionen der Körperschallbeschleunigungssensoren an Hauptlagern, Getriebe undPrimärgenerator. In blau sind die Betreibsdatenaufnehmer für Drehzahl, abgegebeneLeistung und Windgeschwindigkeit dargestellt. Alle Messdaten werden zur Weiterverarbeitungin die DMT TopBox geführt.Im Anhang sind Detailfotos aller neun Körperschallsensoren sowie der DMT-TopBox zuenthalten.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 384.2.2. Signalverarbeitung und –speicherungIn der DMT-TopBox sind Hardwaremodule zur Messdatenakquisation undSignalkonditionierung integriert, die aus den neun Zeitsignalen der Körperschallbeschleunigungdie zugehörigen Frequenzspektren bilden. Zusätzlich wird aus den Signalender Sensoren der beiden Hauptlager, der Antriebsseite des Getriebes und desPlanetengehäuses in der DMT-TopBox das Hüllkurvenspektrum ermittelt. DieHüllkurvenbildung erfolgt nur bei Signalen von langsam drehenden Komponenten, um so dieDetektion von Stoßimpulsfrequenzen zu erleichtern; siehe Abschnitt 3.5 und 3.6. Neben denneun Frequenzspektren jedes Sensors stehen also vier weitere Hüllkurvenspektren zurAuswertung Verfügung.Es kann daher auf die Spektraldaten der in Tabelle 4.1 aufgeführten 13 Kanäle zugegriffenwerden, wobei bei den ersten vier Sensoren zwischen Frequenzspektrum undHüllkurvenspektrum unterschieden wird.Kanal Sensor Spektraldatenabcdefgh1. Hauptlager2. HauptlagerGetriebe A-SeitePlanetengehäuseFrequenzspektrumHüllkurvenspektrumFrequenzspektrumHüllkurvenspektrumFrequenzspektrumHüllkurvenspektrumFrequenzspektrumHüllkurvenspektrumi Hohlwelle Frequenzspektrumj 1. Abtriebswelle Frequenzspektrumk 2. Abtriebswelle Frequenzspektruml Generator A-Seite Frequenzspektrumm Generator B-Seite FrequenzspektrumTabelle 4.5: Spektraldatenkanäle des Condition Monitoring SystemsDMT-ZUMWART online an der überwachten WEA

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 39Die Spektraldaten dieser 13 Kanäle, sowie die Betriebsdaten werden von der TopBox aus perNetzwerkverbindung über einen Lichtwellenleiter zu einem im Turmfuß der Anlagebefindlichen PC übertragen. Hier werden alle Daten auf einer Festplatte gespeichert undkönnen in komprimierter Form per Datenfernübertragung mit einem Modem von einemexternen Rechner, z.B. in einem Büro, abgerufen werden. Ferner besteht auch dieMöglichkeit, die Daten als Dateianhang per e-mail zu versenden.Für jeden Kanal wird zeitgleich jeweils ein hoch-, mittel- und niederfrequentes Spektrumgebildet, so dass in jedem Frequenzbereich eine Darstellung mit einer angepassten Auflösungerfolgen kann. Die Spannweite der Frequenzbereiche ist im Folgenden aufgelistet:• hochfrequent (h) 0 bis 8 kHz• mittelfrequent (m) 0 bis 800 Hz• niederfrequent (n) 0 bis 80 HzIn jedem Frequenzbereich wird etwa alle fünf Minuten ein Spektrum ermittelt undabgespeichert, so dass pro Tag ca. 11.000 unterschiedliche Spektraldateien anfallen.4.2.3. DMT Software zur Messdatenauswertung und -visualisierung• MED WarteZur drehzahl- und lastabhängigen Klassierung der Spektraldaten wird das DMT-ProgrammMED Warte verwendet. Es bietet die Möglichkeit, die Spektraldaten nach frei definierbarenKriterien in Abhängigkeit von den zeitgleich erfassten Betriebsdaten der Anlage zuklassieren.Zur Visualisierung und Auswertung der Messdaten stehen die folgenden DMT-Programmezur Verfügung:• ZUM GraphDas Programm ZUM Graph dient zur Messdatendarstellung und zur manuellenFehlerdiagnose. Es können Einzel- oder Mehrfachspektren jedes Kanals in jeder DrehzahlundLeistungsklasse dargestellt und Trendanalysen erstellt werden. Bei der Darstellung vonMehrfachspektren werden alle aufgezeichneten Frequenzspektren eines Kanals in einemausgewählten Zeitraum übereinander gelegt.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 40Bei der Trendanalyse kann die Entwicklung der Amplituden einer bestimmten Frequenz (z.B.mögliche Schadensfrequenz) in einem frei wählbaren Zeitraum verfolgt werden. ZumAnalysieren der Daten stehen Zoom- und Cursorfunktionen zur Verfügung, mit denen gezieltnach Harmonischen und Seitenbändern gesucht werden kann.Es besteht die Möglichkeit, die Amplituden möglicher Schadensfrequenzen aufGrenzwertüberschreitung zu überwachen. Hierzu werden über dem Frequenzspektrum sog.Lampen (DMT-Begriff) „aufgehängt“, vergl. Abb. 4.8. Es können beliebig viele Frequenzenmit ihren Grenzamplituden und einer frei wählbaren Schwellenbreite festgelegt werden.Abb. 4.8: Darstellung einesFrequenzspektrums mit dem DMT-Programm ZUM Graph: Ummögliche Schadensfrequenzen aufGrenzwertüberschreitung zu überwachen,sind über demAmplitudenverlauf die sog. Lampen„aufgehängt“.In diesem Beispiel wird bei einerFrequenz von etwa 1500 Hz derzulässige Grenzwert überschritten.Grenzwertfestlegung:Wegen der Komplexität der Übertragungsfunktion des Körperschalls vom Entstehungsortzum Sensor lassen sich die Größe der Amplituden möglicher Schadensfrequenzen nicht vorabberechnen. Neben der Leistung haben auch anscheinend unwesentliche Faktoren wiebeispielsweise Anzugsmomente von Schrauben, Gehäuseverspannungen, Ölstand- undviskosität Einfluss auf die Höhe der auftretenden Schwingungspegel.Daher erfolgt die erstmalige Festlegung der Grenzwerte aller möglichen Schadensfrequenzenaufgrund von Basismessungen last- und drehzahlabhängig separat für jeden Kanal. DiesesAdaptieren der Grenzwerte aller zu überwachender Frequenzen wird von DMT durchgeführt.Als Grundlage dient die Beobachtung der Trendentwicklung. Unter Beachtung einesSicherheitszuschlages wird dann der jeweilige Grenzwert und die zugehörige Schwellenbreitefestgelegt. Grenzwerte und Schwellenbreiten können jederzeit angepasst werden, wenn dieserforderlich sein sollte.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 41• ZUM BeDaMit dem Programm ZUM BeDa können die aufgenommenen Betriebsdaten der Anlagevisualisiert werden. Es lässt sich der zeitliche Verlauf der Drehzahl, der abgegebenenLeistung und der Windgeschwindigkeit darstellen.• ZUM LeitDas Programmpaket ZUM Leit (ZUMWART Leitstand) dient der automatischenDatenaufbereitung und –visualisierung sowie der Fehlerdiagnose. Es ermöglicht auchPersonal, das nicht über Vorbildung im Bereich der schwingungstechnischenMaschinendiagnose verfügt, die Einschätzung des Zustandes einer Maschine oder einesAggregates anhand einer Verschleißkennzahl, dem sog. Condition Monitoring Index CM I ,siehe Abbildung 4.9. Die Leitstandssoftware liefert die Zustandsinformation automatisch inForm dieser Kennzahl, die aus den bestehenden Messdaten berechnet wird. Im wesentlichenwird der CM I durch der Abstand der einzelnen Amplitudenpeaks der überwachten Frequenzenzu ihren Grenzwerten bestimmt. Der genaue Algorithmus zur Ermittlung dieser Kennzahlwird jedoch von der Firma DMT nicht veröffentlicht.Abb 4.9: Der Condition Monitoring IndexCM I stuft den Verschließzustand einesBauteils auf einer Skala von 0 bis 100 ein.Das Programm ZUM Leit, das durch eine geeignete Weboberfläche speziell anwindenergietechnische Anwendungen angepasst wurde, ordnet jedem überwachtenMaschinenelement eine Verschleißkennzahl zu. Durch die Art der Darstellung hat dertechnische Betriebsführer die Möglichkeit, einen schnellen Überblick über dengegenwärtigen Verschleißzustand der von ihm betreuten Windparks und -anlagen zuerhalten. Auf einzelnen Programmebenen wird jeweils der höchste CM I angezeigt, der in allenzu überwachenden Windparks bzw. in jeder einzelnen WEA an den überwachtenKomponenten auftritt. Die Screenshots in Abbildungen 4.10 zeigen ein entsprechendesBeispiel der Leitstandsvisualisierung. Darüber hinaus können bei vermuteten SchädenTrendanalysen erzeugt werden, die die Entwicklung des Verschleißzustandes darstellen undeine detailliertere Diagnose ermöglichen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 42Abb. 5.10: Beispielauszüge aus derLeitstandsvisualisierung:oben: Von den in Schleswig-Holstein überwachten Windparks A,B und C weist der Park A mit 93den größten CM I auf.Mitte: Eine Ebene darunter wirddeutlich, das der CM I von 93 derWEA Nr. 1 zuzuordnen ist.unten: Noch eine Ebene tiefer ist zuerkennen, dass der kritische CM Ibei WEA 1 im Bereich desGetriebes zu suchen ist. Zu exaktenBeurteilung des Zustandes und dergenauen Zuordnung können hierdie zugehörigen Trendverläufebetrachtet werden.Die umfangreiche Software von DMT erlaubt also auch schwingungstechnisch unversiertemPersonal über den CM I eine Beurteilung des Maschinenzustandes. Des Weiteren ist aber aucheine umfangreichere Detaildiagnose durch manuelle Analyse der Frequenz- bzw.Hüllkurvenspektren möglich.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 435. Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring DatenDie Analyse der Daten und die Schadensdiagnose wird beim Condition Monitoring SystemDMT-ZUMWART online nach Abschluss der anlagenspezifischen Anpassungsarbeitenautomatisch von der DMT-Software durchgeführt.Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der unmittelbare Einfluss unterschiedlicher Drehzahlenund Anlagenbelastungen auf die Spektraldaten untersucht werden. Daher erfolgt zurAuswertung der Daten im Folgenden eine manuelle frequenzselektive Analyse.Nach der drehzahlabhängigen Klassierung der Spektraldaten wird der aktuelleVerschleißzustand der WEA durch Überwachung der berechneten Schadensfrequenzenermittelt. Da täglich 11.000 bis 12.000 Spektren gespeichert werden, ist eine manuelleUntersuchung all dieser Daten jedoch nicht möglich; es werden daher aus der Vielzahl dertäglich gespeicherten Spektren zur Ermittlung des Verschleißzustandes sowie des DrehzahlundLasteinflusses anhand der aufgezeichneten Betriebsdaten geeignete Einzelspektren (sieheAbschnitt 5.2 und 5.3) ausgewählt. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen anschließend denautomatisch ermittelten Verschleißkennzahlen CM I gegenüber gestellt und auf dieserGrundlage diskutiert werden. In Kenntnis des Ist-Zustandes der Anlage wird dann untersucht,welchen Einfluss Änderungen der Drehzahl und der Anlagenbelastung auf die Spektraldatenhaben.5.1. Drehzahlabhängige SpektraldatenklassierungDa bei Primärgenerator-Betrieb der Vestas V66 die Drehzahl der Primärgeneratorwelleaufgrund der OptiSlip®-Funktion kurzzeitig von 1500 min -1 auf bis zu 1650 min -1 ansteigenkann, liegt die Rotor- und damit die Hauptwellendrehzahl dabei in einem Bereich von 19,07min -1 bis 20,97 min -1 , wie sich über das Übersetzungsverhältnis berechnen lässt.Entsprechend beträgt die Hauptwellendrehzahl 15,31 min -1 , wenn der Sekundärgenerator miteiner konstanten Drehzahl von 1500 min -1 betrieben wird. Die Drehzahl der Antriebswelle desPrimärgenerators, an der die Drehzahl für das Condition Monitoring System gemessen wird,beträgt dann 1205,78 min -1 .

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 44Entsprechend der in den Betriebsdaten aufgezeichneten Primärgeneratordrehzahl werden dieSpektraldaten jedes Kanals mit Hilfe des DMT Programms MED Warte in die folgendenzwei Drehzahlklassen eingeteilt:• Drehzahlklasse 1: nominelle Drehzahl 1200 min -1 (20 Hz)Sekundärgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1180 bis 1230 min -1 )• Drehzahlklasse 2: nominelle Drehzahl 1500 min -1 (25 Hz)Primärgeneratorbetrieb (Drehzahl von 1480 bis 1530 min -1 )(Drehzahlen größer als 1530 min -1 bis zur vollen Ausnutzung derOptiSlip®-Funktion sollen hier nicht betrachtet werden.)Frequenzverschiebungen durch schlupfbedingte Drehzahlschwankungen innerhalb einerKlasse werden bei der automatischen Auswertung durch eine Anpassung der Schwellenbreiteder zu überwachenden Frequenzen berücksichtigt.5.2. Ermittlung des Verschleißzustandes der WEA5.2.1. Spektralanalyse bei konstanter Drehzahl und niedriger LastNach Erfahrungen von DMT, aber auch von anderen CM-System Anbietern, liefert dieMaschinendiagnose an WEA durch die Analyse von Frequenzspektren, die bei konstanterDrehzahl und niedriger bis mittlerer Leistung aufgenommen wurden, die zuverlässigstenErgebnisse. Im Folgenden wird der Verschleißzustand durch Analyse von Spektren ermittelt,die am 28.05.2002 um 18:50 Uhr Ortszeit aufgenommen wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurdeunter den genannten Bedingungen der Sekundärgenerator (nominelle Drehzahl 1200 min -1 ,Drehzahlklasse 1) betrieben. Die genauen Betriebsdaten zu diesem Zeitpunkt betrugen gem.Betriebsdatenaufzeichnung des CM-Systems:Drehzahl der Primärgeneratorwelle: 1215 min -1Windgeschwindigkeit:7,5 m/sLeistung: 118,5 KW 2)2) Der Leistungswert wurde der Betriebsdatenaufzeichnung der Anlage selbst entnommen, dadas Leistungssignal des CM-Systems zum Zeitpunkt dieser Auswertung noch nicht zurVerfügung stand.Um den Rahmen der Arbeit nicht zu sprengen, sind im Folgenden nur die Spektrenabgebildet, denen für die Maschinendiagnose relevante Effekte zu entnehmen sind. EineZusammenstellung aller Spektren vom 28.05.2002, 18:50 Uhr Ortszeit ist dem Anhang zuentnehmen. Unter Berücksichtigung der Primärgeneratordrehzahl von 1215 min -1 (20,25 Hz)ergeben sich in diesem Fall die in Tabelle 5.1 zusammengefassten kinematischen Frequenzen,auf deren Basis die Auswertung der Spektraldaten durchgeführt wird.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 45Kinematische Frequenzen Baugruppen Vestas V66Primärgeneratordrehzahl in min-1 eingeben: 1215Primärgeneratordrehfrequenz [Hz]: 20,250Planetenstufe Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Planetenträgerdrehfrequenz f T 0,263 15,431Planetendrehfrequenz f P 0,689 40,885Sonnenraddrehfrequenz f S 1,296 78,327Planetenpassierfrequenz Sonnenrad f SÜ 3,139 -Planetenpassierfrequenz Hohlrad f HÜ 0,770 -Überrollfrequenz Planetenrad f PÜ 1,357 -Zahneingriffsfrequenz f ze 27,257 -1. Stirnradstufe Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 1,296 300,733Ritzel 5,022 78,327Zahneingriffsfrequenz 125,307 -2. Stirnradstufe (Primärgenerator) Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 5,022 300,733Ritzel 20,250 1215,000Zahneingriffsfrequenz 506,250 -3. Stirnradstufe (Sekundärgenerator) Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 20,250 1215,000Ritzel 25,191 1552,163Zahneingriffsfrequenz 2166,750 -Hauptlager [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper Käfig1.HL: Koyo 630/230 RW33 0,263 4,166 3,469 2,591 0,1201.HL alternativ: SKF 230/630 CA/W33 0,263 4,020 3,351 2,848 0,1202.HL: Koyo 24188 RHA 0,263 3,228 2,564 2,198 0,117Generator [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper KäfigA-Seite: FAG 6232M C3 20,250 139,502 103,498 133,670 8,627A-Seite alternativ: SKF 6232M C3 20,250 138,652 104,348 140,657 8,687B-Seite: FAG 6236M C3 20,250 139,239 103,761 135,695 8,647B-Seite alternativ: SKF 6236M C3 20,250 128,345 94,406 129,782 8,586Getriebewellenlager (Pos.) [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper Käfig2. Abtriebswelle beidseitig (1 und 2) 25,191 274,078 204,551 168,276 10,8321. Abtriebswelle sek.generatorseitig (3) 20,250 260,415 205,335 164,228 8,9101. Abtriebswelle prim.generatorseitig (4) 20,250 209,385 154,305 127,373 8,708mittlere Welle sek.generatorseitig (5) 5,022 61,971 48,513 39,573 2,210mittlere Welle pirm.generatorseitig (6) 5,022 57,251 43,189 34,501 2,159Getr.hauptwelle sek.generatorseitig (7) 1,296 18,533 15,163 12,830 0,583alternativ 1,296 17,159 13,945 12,377 0,583Getr.hauptwelle prim.generatorseitig (8) 1,296 29,017 21,527 18,688 0,609alternativ 1,296 26,957 23,587 18,559 0,609Hohlwelle (9) 1,296 10,938 8,502 10,200 0,570Planetenstufe sek.generatorseitig (10) 0,263 6,381 5,728 4,696 0,124Planetenstufe prim.generatorseitig (11) 1,296 29,769 26,322 19,751 0,609Planetenlager (12) 0,689 7,801 6,031 4,937 0,296Die berechneten Frequenzen für die eingegebene Primärgeneratordrehzahl sind grau unterlegt.Tabelle 5.1: Excel-Tabelle mit den für eine Primärgeneratordrehzahl von 1215 min -1berechneten kinematischen Frequenzen aller zu überwachender Maschinenelemente in Hz

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 46• HauptlagerDie Beurteilung der Lager der sehr langsam drehenden Hauptwelle wird dadurch erschwert,dass die kinematischen Frequenzen, die durch unterschiedliche lokale Schäden angeregtwerden, bei den niedrigen Drehzahlen sehr eng beieinander liegen und zum Teil nur umeinige Zehntel Hz voneinander abweichen. Zudem gestaltet sich die Suche nach diesenFrequenzen durch die begrenzte Auflösung der Frequenz- und Hüllkurvenspektren imniederfrequenten Bereich schwieriger als bei höheren Frequenzen.Bei beiden Hauptlagern weist weder das Frequenz- noch das Hüllkurvenspektrum, das für dasErkennen niederfrequenter Stoßfolgen durch lokale Schädigungen prädestiniert ist, markantePegelerhöhungen bei den kinematischen Lagerfrequenzen auf. Da in den Spektren beiderLager auch keine Vielfachen dieser Frequenzen hervortreten, können Laufbahn- undWälzkörperschäden ausgeschlossen werden.Auffällig sind bei den Frequenz- und Hüllkurvenspektren beider Lager jedoch deutlicheAmplitudenerhöhungen bei 0,78 Hz sowie bis zur dritten Harmonischen dieser Frequenz.Siehe Abbildung 5.1 bis 5.4.Abb. 5.1: Das Niederfrequenzspektrumdes 1. Hauptlagers weistBeschleunigungsspitzen bei 0,78 Hzund bei den ersten 3 Harmonischenauf.Abb. 5.2: Das niederfrequenteHüllkurvenspektrum des 1. Hauptlagersweist Beschleunigungsspitzenbei 0,78 Hz und bei denersten 2 Harmonischen auf.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 47Abb. 5.3: Das Niederfrequenzspektrumdes 2. Hauptlagers weistBeschleunigungsspitzen bei 0,78 Hzund bei den ersten 2 Harmonischenauf.Abb. 5.4: Das niederfrequenteHüllkurvenspektrum des 2. Hauptlagersweist Beschleunigungsspitzenbei 0,78 Hz und bei derersten Harmonischen auf.Eine Frequenz von 0,78 Hz entspricht der dreifachen Drehfrequenz der Hauptwelle bzw. desRotors (0,26 Hz). Die Ursache des Auftretens dieser Amplitudenpeaks muss also in einemVorgang zu suchen sein, der sich dreimal pro Rotorumdrehung wiederholt.Da der Rotor der Vestas V66 mit drei Blättern ausgerüstet ist, werden beim Turmdurchgangder Rotorblätter infolge des Turmvorstaus Lagerschwingungen mit der dreifachenHauptwellendrehfrequenz angeregt.Auch wenn an den Hauptlagern der untersuchten WAE noch keine Schäden nachzuweisensind, so ist der bauartbedingt unvermeidbare Turmdurchgang der Rotorblätter in Verbindungmit dem Turmvorstau durchaus als relevanter Schädigungsmechanismus anzusehen, da dasAuftreten von periodischen Beschleunigungen immer auch mit periodisch schwankendenKräften verbunden ist, die von der Lagerung aufgenommen werden müssen.• PrimärgeneratorlagerIn den niederfrequenten Spektren der beiden Generatorlager (Abbildung 5.5 und 5.6) sindAmplitudenerhöhungen bei 20,25 Hz nachweisbar. Diese Frequenz entspricht derDrehfrequenz der Generatorwelle. Es ist ebenfalls die 1. und 2. Harmonische dieser Frequenzzu erkennen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 487060f Gen 1. Harm. f Gen 2. Harm. f Gen50dB_a403020Hz0102030Abb. 5.5: Niederfrequentes Spektrum Generator A-Seite: Es ist eine Amplitudenerhöhungbei der Drehfrequenz der Generatorwelle f Gen (20,25 Hz) und bei der1. und 2.Harmonischen zu erkennen.405060709080f Gen 1. Harm. f Gen 2. Harm. f Gen7060dB_a50403020Hz 0102030Abb. 5.6: Niederfrequentes Spektrum Generator B-Seite: Es ist eine Amplitudenerhöhungbei der Drehfrequenz der Generatorwelle f Gen (20,25 Hz) und bei der 1. und 2.Harmonischen zu erkennen.40506070Das Auftreten einer Amplitudenerhöhung bei der Wellendrehfrequenz und ihren erstenHarmonischen ist ein charakteristisches Merkmal für einen Ausrichtfehler des Generators, dadurch Radial- oder Winkelversatz der Wellen Lagerschwingungen mit der Drehfrequenzangeregt werden können; auf diese Vermutung wird später noch eingegangen. Ein solcherFehler führt zu Kräften und Momenten, die von der Lagerung aufgenommen werden müssen.Erhöhter Lagerverschleiß kann die Folge sein.Da jedoch in den mittel- und hochfrequenten Spektren beider Generatorlager wederAuffälligkeiten bei der Außen-, Innen- noch bei der Wälzkörperüberrollfrequenz und auchkeine Anzeichen von Modulationserscheinungen aufgrund von Stoßimpulsfolgen infolge vonlokalen Laufbahnschäden zu erkennen sind, kann eine Schädigung beider Lagerausgeschlossen werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 49• GetriebeDie Diagnose des Getriebes wird einerseits, wie schon erwähnt, durch die geringenDrehzahlen im Bereich der Planetenstufe erschwert, andererseits aber auch durch dieTatsache, dass einem einzelnen zu überwachenden Bauteil nicht die Spektren einesbestimmten Sensors zugeordnet werden können, so wie es bei der Haupt- undPrimärgeneratorlagerung der Fall war. Darüber hinaus kann Aufgrund der komplexenKörperschallübertragung innerhalb des Getriebes im Vorfeld nicht exakt angegeben werden,in welchen Spektren welche kinematischen Frequenzen in Erscheinung treten können. DieFrequenzen eines bestimmten Bauteils treten überwiegend in den Spektren eines sich inunmittelbarer Nähe befindlichen Sensors auf, da dies jedoch nicht unbedingt der Fall seinmuss, gestaltet sich die Spektralanalyse des Getriebes vergleichsweise aufwändig.Die im Folgenden aufgeführten Erkenntnisse können aus den Spektraldaten des Getriebesgewonnen werden.• GetriebeverzahnungIm mittelfrequenten Spektrum des Sensors, der an der Antriebsseite des Getriebes angebrachtist (Abbildung 5.7), ist deutlich die Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe mit sechsHarmonischen zu erkennen. Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenz sind kinematischbedingt und somit kein Hinweis auf Unregelmäßigkeiten. Das Auftreten so vieler Vielfachendieser Frequenz weist jedoch möglicherweise auf einen insgesamt etwas härteren Zahneingriffhin, als Folge von Unregelmäßigkeiten an den Zahnflanken, die sich auf dem gesamtenUmfang verteilen. Ebenfalls treten in diesem Frequenzspektrum links und rechts neben derZahneingriffsfrequenz leichte Seitenbanderscheinungen mit einer Frequenz von 3,14 Hz auf.Diese Frequenz entspricht der Planetenpassierfrequenz am Sonnenrad, die durch dasÜberrollen einer Unregelmäßigkeit der Planeten auf dem Sonnenrad angeregt werden kann,wodurch die Zahneingriffsfrequenz selbst mit dieser Frequenz moduliert wird.Abb. 5.7: Mittelfrequentes SpektrumGetriebe A-Seite:Der grüne Pfeil kennzeichnet dieZahneingriffsfrequenz der Planetenstufe f zebei 27,26 Hz, die violetten Pfeilekennzeichnen die Harmonischen dieserFrequenz. Die Zahneingriffsfrequenz istvon schwach ausgeprägten Seitenbänderneiner Frequenz von 3,34 Hz umgeben (rotePfeile). Diese entspricht der Planetenpassierfrequenzam Sonnenrad f SÜ .

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 50Die aufgrund der Seitenbänder in Abbildung 5.7 vermutete Modulationserscheinung mit derPlanetenpassierfrequenz am Sonnenrad bestätigt sich bei Betrachtung des zugehörigenHüllkurvenspektrums in Abbildung 5.8. Hier tritt die Planetenpassierfrequenz am Sonnenradbei 3,14 Hz unmittelbar in Erscheinung. Es muss daher von einer lokalen Unregelmäßigkeitan der Verzahnung des Sonnenrades ausgegangen werden.Des Weiteren weist das Hüllkurvenspektrum eine Amplitudenerhöhung bei etwa 0,78 Hz undbei der ersten Harmonischen auf. Aufgrund der Nähe des zugehörigen Sensors zurHauptwellenlagerung liegt der Schluss nahe, dass diese Peaks ebenfalls durch denTurmdurchgang des Rotors verursacht werden, der mit dieser Frequenz erfolgt, und dass derKörperschall über die Hauptwelle bis ins Getriebe übertragen wird.Abb. 5.8: Im niederfrequentenHüllkurvenspektrum der A-Seite desGetriebes sind Peaks bei derTurmdurchgangsfrequenz f Turm undder ersten Harmonischen zuerkennen.Der rote Pfeil kennzeichnet eineAmplitudenerhöhung bei derPlanetenpassierfrequenz am Sonnenradvon 3,34 Hz auf.Ein für Planetengetriebe typischer Effekt zeigt sich im niederfrequenten Spektrum des aufdem Planetengehäuse angeordneten Sensors. Wie im Abschnitt 3.9 beschrieben erreicht derSchwingungspegel bei Annäherung eines der Planetenräder an den Sensor ein Maximum. Dieohnehin vorhandene Zahneingriffsfrequenz wird dadurch mit der Planetenpassierfrequenz amHohlrad moduliert. In Abbildung 5.9 sind daher deutliche Seitenbänder mit dieser Frequenzneben der Zahneingriffsfrequenz erkennbar.Neben dieser kinematisch bedingten und daher unbedenklichen Modulationserscheinung trittin diesem Frequenzspektrum jedoch auch die Planetenpassierfrequenz am Hohlrad selbst miteiner Vielzahl von Harmonischen auf. Dies weist auf Unregelmäßigkeiten auf dem Hohlradhin, die periodisch überrollt werden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 51Abb. 5.9: Niederfrequentes Spektrum Planetengehäuse: Die Zahneingriffsfrequenz derPlanetenstufe f ze , durch einen gelben Pfeil gekennzeichnet, ist von deutlich ausgeprägtenSeitenbändern mit der Planetenpassierfrequenz am Hohlrad f HÜ umgeben. Diese Frequenztritt ebenfalls in der Grundfrequenz mit etwa 10 Harmonischen auf.Im mittelfrequenten Spektrum der Hohlwelle in Abbildung 5.10 treten neben derZahneingriffsfrequenz der ersten Stirnradstufe Seitenbänder mit einer Frequenz von 5 Hz auf.Dies entspricht der Drehfrequenz des Ritzels dieser Stufe. Aufgrund der Modulation derZahneingriffsstöße mit der Drehfrequenz muss hier von einer leichte Exzentrizität des Ritzelsausgegangen werden.Abb. 5.10: MittelfrequentesSpektrum Hohlwelle: Der grünePfeil kennzeichnet die Drehfrequenzder 1. Abtriebswelle desGetriebes bzw. des Primärgeneratorsf Gen . Die Zahneingriffsfrequenzder 1. Stirnrastufef ze ist von Seitenbändernder Ritzeldrelfrequenz f Ritzelumgeben .Beim Vergleich der niederfrequenten Spektren der Sensoren Hohlwelle sowie 1. und 2.Abtriebswelle in Abbildung 5.11 fällt eine grundsätzlich ähnliche Charakteristik derAmplitudenverläufe auf, die sich ansatzweise selbst in den Frequenzspektren der an derAntriebsseite des Getriebes und auf dem Planetengehäuse angeordneten Sensorenwiderspiegelt. Hier wird deutlich, wie sich die Körperschallschwingungen einer bestimmtenKomponente auf die gesamte Maschine auswirken.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 52So zeigt sich die kinematisch bedingte Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe bei etwa 27,3Hz in allen Frequenzspektren. Neben den unbedenklichen Amplitudenerhöhungen bei dieserFrequenz fallen weitere markante Peaks bei etwa 20,3 Hz auf. Die erste Harmonische hierzutritt nur schwach in Erscheinung. 20,3 Hz entspricht der Drehfrequenz der 1. Abtriebswelledes Getriebes, die den Primärgenerator antreibt. Der an dieser Welle angeordnete Sensorliefert daher auch die größte Amplitudenerhöhung bei dieser Frequenz. Die gleiche Frequenzkonnte ebenfalls in den niederfrequenten Spektren beider Generatorlager nachgewiesenwerden. Eine als Ursache dieser Erscheinung in Frage kommende Fehlausrichtung desGenerators konnte bei einer daraufhin durchgeführten Überprüfung nicht nachgewiesenwerden.Wenn außer den ohnehin vorhandenen Zahneingriffsfrequenzen der beiden letztenStirnradstufen (Abbildungen 5.12 und 5.13) eine Amplitudenerhöhung bei derWellendrehfrequenz auftritt, könnte dies die Folge eines lokalen Schadens an einem derZahnräder dieser Welle sein. Das betroffene Zahnrad ließe sich in diesem Fall jedoch nichtexakt bestimmen, da sowohl das Ritzel der zweiten, als auch das Rad der dritten Stirnradstufemit der gleichen Frequenz rotieren.Da diese ausgeprägte Erscheinung aber auch in den Frequenzspektren benachbarter Sensorenauftritt und da die erste Harmonische nur schwach ausgeprägt ist, liegt die Vermutung einerUnwucht dieser Welle oder der Bremsscheibe, die auf dieser Welle außerhalb des Getriebesangeordnet ist, hier näher.807060504030201001,22,403,64,87,268,49,610,81213,214,415,616,81819,220,421,622,82425,226,427,628,83031,232,433,634,836a [dB]37,238,439,6Getriebe A-SeitePlanetenstufeHohlwelle1. Abtriebsw elle2. Abtriebsw elleFreq uenz [Hz]Abb. 5.11: Vergleich der niederfrequenten Spektren der Sensoren Antriebsseite Getriebe,Planetengehäuse, Hohlwelle, 1. und 2. Abtriebswelle: Diese Spektren weisen grundsätzlicheine ähnliche Charakteristik in ihrem Verlauf auf.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 53Die Zahneingriffsfrequenzen der zweiten und dritten Stirnradstufen sind in den in Abbildung5.12 und 5.13 dargestellten hochfrequenten Spektren der Sensoren, die an den Abtriebswellendes Getriebes angeordnet sind, jeweils mit ein bzw. zwei Harmonischen nachzuweisen.110100•90dB_a1008070dB_a9590858075706065Hz2000250030003500400045005000Hz 20040060080010001200140016001800Abb. 5.12: Im Hochfrequenzpektrum der 1.Abtriebswelle ist die Zahneingriffsfrequenzder 3. Stirnradstufe (grüne) Linie mit ihrer1. Harmonischen (violette Linie) zuerkennen.Abb. 5.13: Im Hochfrequenzspektrum der2. Abtriebswelle ist die Zahneingriffsfrequenzder 2. Stirnradstufe (grüne Linie)mit 2 Harmonischen (violette Linien) zuerkennen.• GetriebewellenlagerIm Bereich der Planetenstufe können keine signifikanten Amplitudenerhöhungen derÜberrollfrequenzen von in Sensornähe befindlichen Wälzlagern ermittelt werden.Die mittelfrequenten Spektren der Sensoren der ersten und zweiten Abtriebswelle desGetriebes sowie der Hohlwelle weisen jeweils Pegelerhöhungen bei einer Frequenz von etwa127 Hz mit einigen Harmonischen auf. Siehe Abbildung 5.14.1009080dB_a70605040Hz 0100200300Abb. 5.14: Mittelfrequentes Spektrum der 1. Abtriebswelle: Es treten Amplitudenerhöhungenbei etwa 127 Hz (grüne Linie) und den Harmonischen (violette Linien) auf.Eine Frequenz von 127 Hz entspricht der Wälzkörperüberrollfrequenz desprimärgeneratorseitigen Lagers der ersten Abtriebswelle. Es liegt möglicherweise ein lokalerWälzkörperschaden an diesem Lager vor.Weitere Auffälligkeiten bei den Wälzlagerüberrollfrequenzen können in den Spektren derGetriebesensoren nicht ermittelt werden.400500600700

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 54Eine genaue Beurteilung der in diesem Abschnitt festgestellten Erscheinungen undvermuteten Unregelmäßigkeiten bezüglich ihrer Auswirkungen auf den Betrieb der WEAsetzt die Betrachtung zahlreicher Trendverläufe voraus. Die Berechnung und Überwachungdieser Trendverläufe wird von der DMT-Leitstandssoftware im Rahmen der automatischenDiagnose durchgeführt. Im nächsten Abschnitt erfolgt daher eine Gegenüberstellung derErgebnisse dieses Abschnitts mit der automatischen Auswertung.5.2.2. Gegenüberstellung der manuellen und der automatischen AuswertungWie in Abschnitt 4 beschrieben, wird von der Leitstandssoftware für jede überwachteAnlagenkomponente die Verschleißkennzahl CM I berechnet. Die Baugruppe mit der höchstenKennzahl weist den am weitesten fortgeschrittenen Verschleiß auf und stellt somit das größteAusfallrisiko dar. Anlagenteile mit einer geringeren Kennzahl sind als weniger kritisch für dieBetriebssicherheit der Anlage zu beurteilen. Wie auch im späteren Praxisbetrieb vorgesehen,wird daher an dieser Stelle nur die Anlagenkomponente mit der höchsten Verschleißkennzahlbetrachtet und mit den Erkenntnissen des vorigen Abschnitts verglichen.Bei der hier überwachten WEA wird von der Leitstandssoftware die höchste Kennzahl mit 78für das Getriebe ermittelt. Gemäß Leitstandsauswertung hat in diesem Fall die hoheAmplitude der Drehfrequenz der ersten Abtriebswelle des Getriebes (siehe auch Abbildung5.11) im Spektrum des dort angeordneten Sensors zur Berechnung eines CM I von 78 geführt.Bei einer nominellen Drehzahl von1200 min -1 beträgt diese Frequenz20,3 Hz.Im Leitstandsauszug in Abbildung5.15 ist der Amplitudenverlauf dieserFrequenz im Zeitraum Ende Aprilbis Mitte Juli 2002 dargestellt. Indieser Zeit haben sich dieAmplituden kaum verändert. Dasbedeutet, das die Unregelmäßigkeit,die zu Amplitudenerhöhungen beidieser Frequenz führt, ebenfallsunverändert geblieben ist.Abb. 5.15: Amplitudenentwicklung der Drehfrequenzder 1. Abtriebswelle des Getriebes (hier mit „Hauptwelle“bezeichnet), Drehzahlklasse 1, Sensor J:Die Amplituden liegen zwischen Ende April undMitte Juli 2002 unterhalb des rot dargestelltenGrenzwertes und weisen eine leicht fallende Tendenzauf.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 55Die bereits erläuterte Vermutung einer Unwucht einer der betroffenen Wellen bzw. derBremsscheibe bestätigt sich dadurch. Im Gegensatz zum fortschreitenden Verschleiß an einemZahnrad oder einem Wälzlager verändert sich eine Unwucht mit zunehmender Betriebszeiti.d.R. nicht.Die hier für das Getriebe angegebene Verschleißkennzahl von 78 liegt gem. Definition (sieheAbschnitt 4.2.3) zwar noch im zulässigen Bereich, zeigt jedoch, dass der Zustand dieserBaugruppe nicht völlig einwandfrei ist. Da der Amplitudentrend der zur Kennzahl gehörendenAbtriebswellendrehfrequenz nicht ansteigt, ist der weitere Betrieb der Anlage allerdings nichtin Frage gestellt. Insofern kann die Zuordnung eines CM I von 78 (zulässig) zu der auch vonCM-System „erkannten“ Auffälligkeit als realistisch betrachtet werden.5.3. Auswirkung von Drehzahländerungen auf die SpektraldatenDen Diagnoseergebnissen aus Abschnitt 5.2 werden im Folgenden die Spektraldaten einesMesszeitpunktes gegenübergestellt, zu dem die WEA bei einer höheren Drehzahl betriebenwurde, um so den Drehzahleinfluss auf die Spektraldaten zu untersuchen. Hierzu erscheinenDaten besonders geeignet, die bei einer ähnlichen Leistung wie in Abschnitt 5.2aufgenommen wurden, um so eine gleichzeitige Beeinflussung der Messdaten durch eineLeistungsänderung gering zu halten.Der Leistungseinfluss soll in Abschnitt 5.4 betrachtet werden.Die Daten, die am 05.06.2002 um 09:29 Uhr Ortszeit aufgenommen wurden, erfüllen dieseBedingung:Drehzahl Primärgeneratorwelle: 1505 min -1Windgeschwindigkeit:7,4 m/sLeistung: 243,1 KW 3)3) Der Leistungswert wurde der Betriebsdatenaufzeichnung der Anlage selbst entnommen, dadas Leistungssignal des CM-Systems zum Zeitpunkt dieser Auswertung noch nicht zurVerfügung stand.Alle verfügbaren Frequenz- und Hüllkurvenspektren dieses Zeitpunktes sind zusammengefasstim Anhang enthalten.Unter Berücksichtigung der Primärgeneratordrehzahl von 1505 min -1 (25,08 Hz) ergeben sichin diesem Fall die in Tabelle 5.2 zusammengefassten kinematischen Frequenzen, auf derenBasis die Auswertung der Spektraldaten durchgeführt wird.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 56Kinematische Frequenzen Baugruppen Vestas V66Primärgeneratordrehzahl in min-1 eingeben: 1505Primärgeneratordrehfrequenz [Hz]: 25,083Planetenstufe Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Planetenträgerdrehfrequenz f T 0,326 19,114Planetendrehfrequenz f P 0,853 50,643Sonnenraddrehfrequenz f S 1,605 97,022Planetenpassierfrequenz Sonnenrad f SÜ 3,888 -Planetenpassierfrequenz Hohlrad f HÜ 0,953 -Überrollfrequenz Planetenrad f PÜ 1,681 -Zahneingriffsfrequenz f ze 33,762 -1. Stirnradstufe Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 1,605 372,513Ritzel 6,221 97,022Zahneingriffsfrequenz 155,216 -2. Stirnradstufe (Primärgenerator) Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 6,221 372,513Ritzel 25,083 1505,000Zahneingriffsfrequenz 627,083 -3. Stirnradstufe (Sekundärgenerator) Freq. [Hz] Dreh. [min-1]Rad 25,083 1505,000Ritzel 31,204 1922,638Zahneingriffsfrequenz 2683,917 -Hauptlager [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper Käfig1.HL: Koyo 630/230 RW33 0,326 5,160 4,296 3,210 0,1481.HL alternativ: SKF 230/630 CA/W33 0,326 4,980 4,151 3,527 0,1482.HL: Koyo 24188 RHA 0,326 3,998 3,176 2,723 0,144Generator [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper KäfigA-Seite: FAG 6232M C3 25,083 172,799 128,201 165,575 10,686A-Seite alternativ: SKF 6232M C3 25,083 171,746 129,254 174,229 10,761B-Seite: FAG 6236M C3 25,083 172,473 128,527 168,083 10,711B-Seite alternativ: SKF 6236M C3 25,083 158,978 116,939 160,759 10,635Getriebewellenlager [Hz] Drehfreq. Innenring Außenring Wälzkörper Käfig2. Abtriebswelle beidseitig (1 und 2) 31,204 339,496 253,374 208,440 13,4181. Abtriebswelle sek.generatorseitig (3) 25,083 322,572 254,345 203,426 11,0371. Abtriebswelle prim.generatorseitig (4) 25,083 259,362 191,135 157,774 10,786mittlere Welle sek.generatorseitig (5) 6,221 76,763 60,092 49,019 2,737mittlere Welle pirm.generatorseitig (6) 6,221 70,916 53,498 42,736 2,675Getr.hauptwelle sek.generatorseitig (7) 1,605 22,956 18,782 15,893 0,722alternativ 1,605 21,255 17,273 15,331 0,722Getr.hauptwelle prim.generatorseitig (8) 1,605 35,943 26,665 23,149 0,755alternativ 1,605 33,391 29,217 22,988 0,755Hohlwelle (9) 1,605 13,549 10,531 12,634 0,706Planetenstufe sek.generatorseitig (10) 0,326 7,904 7,096 5,817 0,153Planetenstufe prim.generatorseitig (11) 1,605 36,875 32,604 24,465 0,755Planetenlager (12) 0,853 9,663 7,471 6,115 0,367Die berechneten Frequenzen für die eingegebene Primärgeneratordrehzahl sind grau unterlegt.Tabelle 5.2: Excel-Tabelle mit den für eine Primärgeneratordrehzahl von 1505 min -1berechneten kinematischen Frequenzen aller zu überwachender Maschinenelemente in Hz

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 57• HauptlagerIn den Excel-Diagrammen in den Abbildungen 5.16 und 5.17 sind die niederfrequentenSpektren der beiden Hauptlager bei den Primärgeneratordrehzahlen 1215 min -1 und 1505min -1 zum Vergleich gegenübergestellt. Wie im Abschnitt 5.2 gezeigt, tritt bei einer Drehzahlvon 1215 min -1 der Turmdurchgang des Rotors mit einer Frequenz von 0,78 Hz auf. Beihöherer Drehzahl verschieben sich die in den Spektren erkennbaren Peaks der Grundfrequenzdes Turmdurchgangs und der Harmonischen linear mit der Drehzahl zu höheren Frequenzen.Die Turmdurchgangsfrequenz liegt bei 1505 min -1 bei 0,98 Hz.65fturm1. Harm. fturm65fturm1. Harm. fturm5555dB_a4535dB_a45352525150 1 2 3 4 5f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.16: Vergleich der niederfrequentenSpektren des 1. Hauptlagers bei 1215 min -1und bei 1505 min -1 : Rote Pfeile kennzeichnendie Turmdurchgangsfrequenz f Turm , grünePfeile die 1. Harmonische.150 1 2 3 4 5f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.17: Vergleich der niederfrequentenSpektren des 2. Hauptlagers bei 1215 min -1und bei 1505 min -1 : Rote Pfeile kennzeichnendie Turmdurchgangsfrequenz f Turm , grünePfeile die 1. Harmonische.Bedingt durch die höhere Drehzahl treten bei 1505 min -1 etwas größere Amplituden bei denkinematischen Frequenzen auf als bei 1215 min -1 . Bei 1505 min -1 ist die Amplitude derTurmdurchgangsfrequenz an beiden Lagerstellen etwa 5 dB höher als bei 1215 min -1 . Bei denHarmonischen beträgt die Differenz ca. 10 dB.Die Überrollfrequenzen beider Lager, die bei 1215 min -1 nicht nachweisbar waren, treten auchbei 1505min -1 nicht in Erscheinung.• PrimärgeneratorlagerIn den Abbildungen 5.18 und 5.19 sind die niederfrequenten Spektren beiderPrimärgeneratorlager bei 1505 min -1 und bei 1215 min -1 zum Vergleich gegenübergestellt.Rote Pfeile kennzeichnen die Drehfrequenz der Generatorwelle, grüne und gelbe Pfeilekennzeichnen die ersten und zweiten Harmonischen. Erwartungsgemäß bestätigt sich auchhier die Drehzahlproportionalität der zu überwachenden kinematischen Frequenzen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 58In Bezug auf die Amplitudengröße der in Erscheinung tretenden Drehfrequenz derPrimärgeneratorwelle und ihrer Harmonischen kann bei Drehzahlerhöhung jedoch keineeinheitliche Aussage getroffen werden. Teils liegen die Amplituden vergleichbarerFrequenzen (gleiche Farbe der Pfeile) bei höherer Drehzahl höher, teils aber auch tiefer als beiniedriger Drehzahl. Diese drehzahlbedingten Amplitudenveränderungen bewegen sich ineinem Bereich von etwa 5 bis 10 dB.Überrollfrequenzen der Lager treten weder bei 1215 min -1 noch bei 1505 min -1 inErscheinung.857565fgenfgen2. Harm. fgen2. Harm. fgen2. Harm. fgen2. Harm. fgendB_a55453525150 10 20 30 40 50 60 70f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.18: Vergleich der niederfrequenten Spektren des Generatorlagers A-Seite bei 1215min -1 und bei 1505 min -1 : Die Pfeile kennzeichnen die Drehfrequenz der Generatorwelle f Gen(rot) und ihre Vielfachen (grün und blau) bei der jeweiligen Drehzahl.8575fgenfgen1. Harm. fgen 1. Harm. fgen2. Harm. fgen652. Harm. fgendB_a55453525150 10 20 30 40 50 60 70f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.19: Vergleich der niederfrequenten Spektren des Generatorlagers A-Seite bei 1215min -1 und bei 1505 min -1 : Die Pfeile kennzeichnen die Drehfrequenz der Generatorwelle f Gen(rot) und ihre Vielfachen (grün und blau) bei der jeweiligen Drehzahl.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 59• Getriebe• GetriebeverzahnungIn den mittelfrequenten Spektren des an der Getriebeantriebsseite angeordneten Sensors(Abbildung 5.20) zeigen sich sowohl bei 1215 min -1 als auch bei 1505 min -1 deutliche Peaksbei der jeweiligen Zahneingriffsfrequenz des Planetengetriebes und den entsprechendenVielfachen. Tendenziell liegen hier die Amplituden vergleichbarer Frequenzen (gleicheFarben der Pfeile) bei 1505 min -1 etwas höher als bei 1215 min -1 .100908070fzefze1. Harm. fze1. Harm. fze2. Harm. fze2. Harm. fze3. Harm. fze3. Harm. fze4. Harm. fze4. Harm. fzedB_a605040300 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.20: Vergleich der mittelfrequenten Spektren des auf der Antriebsseite des Getriebesangeordneten Sensors bei 1215 min -1 und bei 1505 min -1 : Die roten Pfeile kennzeichnen dieZahneingriffsfrequenz f ze des Planetengetriebes, die grünen, blauen, orange- undpinkfarbenen Pfeile kennzeichnen die zugehörigen Vielfachen.Bei 1215 min -1 ist die Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe von sehr schwachausgeprägten Seitenbändern mit der Planetenpassierfrequenz am Sonnenrad umgeben. (Siehehierzu auch Abbildung 5.7.) Bei 1505 min -1 sind diese Seitenbänder nicht mehr erkennbar.Während diese Modulationserscheinung bei der niedrigen Drehzahl im zugehörigenHüllkurvenspektrum (Abbildung 5.21) durch einen ausgeprägten Peak bei derPlanetenpassierfrequenz am Sonnenrad deutlich in Erscheinung tritt, zeigt sich bei höhererDrehzahl eine wesentlich kleinere Amplitude bei dieser Frequenz. Die vermuteteUnregelmäßigkeit auf dem Sonnenrad scheint also nur sehr schwach ausgeprägt zu sein, dasich die Modulationserscheinung bei höherer Drehzahl nicht verstärkt, sondern vom erhöhtenStörpegel sogar überdeckt wird.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 61Ebenfalls auffällig sind die Amplitudenspitzen zwischen 10 Hz und 15 Hz, diedrehzahlunabhängig bei den gleichen Frequenzen auftreten. Solche drehzahlunabhängigenPeaks lassen sich keinem bestimmtem Bauteil zuordnen. Es kann sich hierbei umEigenfrequenzen diverser Komponenten auch außerhalb des Antriebstrangs handeln. DaSchwingungen mit solchen Frequenzen nicht unmittelbar bei der Abroll- bzw.Abwälzbewegung in Lagern und Getriebestufen entstehen, sind sie für die Verschleißdiagnosevon untergeordneter Bedeutung.Die in Abschnitt 5.2 erläuterten Seitenbänder um die Zahneingriffsfrequenz der erstenStirnradstufe, die auf eine leichte Exzentrizität des Ritzels hindeuten, zeigen sich imVergleich in Abbildung 5.23 auch bei 1505 min -1 . Hier schwächen sich die Seitenbänderhöherer Ordnung allerdings weniger ab als bei 1215 min -1 und treten daher weniger deutlichin Erscheinung. Bei der höheren Drehzahl liegen die Pegel auch hier zwischen 5 dB und 10dB höher als bei der niedrigen.dB_a110100fzefgenfzefgen908070605040300 50 100 150 200f [Hz]Abb. 5.23: Vergleich dermittelfrequenten Spektren Hohlwelle:Rote Pfeile kennzeichnen dieDrehfrequenz des Primärgeneratorsf Gen , grüne Pfeile kennzeichnen dieZahneingriffsfrequenz f ze der 1.Stirnradstufe (umgeben vonSeitenbändern der Ritzeldrehfrequenz)bei 1215 min -1 und bei 1505min -1 .1215 min-1 1505 min-1In Abbildung 5.23 ist ebenfalls die Drehfrequenz des Primärgenerators bei beiden Drehzahlenerkennbar. Wie unter 5.2 beschrieben ist diese Frequenz in allen nieder- und mittelfrequentenSpektren der am Getriebe angeordneten Sensoren bei 1215 min -1nachweisbar. DieseErscheinung tritt ebenso deutlich bei 1505 min -1 in den Frequenzspektren dieser Sensoren(hier nicht abgebildet) auf, wobei die Pegel der Primärgeneratordrehfrequenz bei 1505 min -1bis zu 5 dB unter denen bei 1215 min -1 liegen.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 62Bisher wurden im Getriebe nur die Komponenten betrachtet, die unabhängig davon welcherGenerator in Betrieb war, an der Übertragung des Drehmomentes beteiligt waren. Hierbei isttendenziell festzustellen, dass die Pegel der zu überwachenden kinematischen Frequenzen beihöherer Drehzahl um etwa 5 dB bis 10 dB ansteigen.Bei der Untersuchung des Drehzahleinflusses auf die Zahneingriffssignale der zweiten unddritten Stirnradstufen zeigt sich im hochfrequenten Spektrum des an der ersten Abtriebswelleangeordneten Sensors jedoch, dass die Zahneingriffsfrequenzen der Stirnradstufe, an der dasDrehmoment zum Antrieb des jeweiligen Generators abgegriffen wird, einen höheren Pegelaufweist. (Abbildung 5.24) Dies bestätigt sich auch im entsprechenden, hier nichtabgebildeten Frequenzspektrum des an der zweiten Abtriebswelle angeordneten Sensors.130120110100fze 2.Stirnradstufefze 3.StirnradstufedB_a9080706050400 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.24: Hochfrequentes Spektrum 1. Abtriebswelle: Rot ist die Zahneingriffsfrequenz der2. Stirnradstufe dargestellt, grün die Zahneingriffsfrequenz der 3. Stirnradstufe. Oberhalb von3000 Hz treten die Amplitudenspitzen drehzahlunabhängig bei den gleichen Frequenzen auf.Wird der Sekundärgenerator betrieben (1215 min -1 ), so wird trotz der geringeren Drehzahl diedritte Stirnradstufe stärker belastet als beim Betrieb des Primärgenerators, bei dem die dritteStufe nur unbelastet mitläuft. Dies macht sich durch eine größere Amplitude derZahneingriffsfrequenz der dritten Stufe bei 1215 min -1 bemerkbar. Bei Betrieb desPrimärgenerators hingegen weist die Zahneingriffsfrequenz der zweiten Stirnradstufe diehöhere Amplitude auf als beim Betrieb des Sekundärgenerators.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 63Ebenfalls auffällig ist in Abbildung 5.24 der Amplitudenverlauf bei Frequenzen größer als3000 Hz. Hier sind die Spektren bei 1215 min -1 und bei 1505 min -1 fast deckungsgleich. DieDrehzahl hat demzufolge auf diesen hohen Frequenzbereich kaum noch Einfluss. Auchhierbei handelt es sich um drehzahlunabhängige Eigenfrequenzen verschiedenster Bauteile,die nicht weiter zugeordnet werden können und für die Verschleißdiagnose bedeutungslossind.• GetriebewellenlagerDie in Abbildung 5.25 übereinander dargestellten mittelfrequenten Spektren des Sensors derersten Abtriebswelle lassen Amplitudenerhöhungen bei der Innenringüberrollfrequenz f i desprimärgeneratorseitigen Lagers dieser Welle (Pos. Nr. 4) sowie bei den Harmonischenhiervon erkennen. Bei höherer Drehzahl ist ein Pegelanstieg dieser Frequenzen von bis zu10 dB bei entsprechender Verschiebung der Frequenzen zu verzeichnen.11010090fifi1. Harm. fi1. Harm. fi2. Harm. fi2. Harm. fi80dB_a7060504030200 100 200 300 400 500f [Hz]1215 min-1 1505 min-1Abb. 5.25: Vergleich der mittelfrequenten Spektren des an der 1. Abtriebswelle angeordnetenSensors bei 1215 min -1 und bei 1505 min -1 : Die Pfeile kennzeichnen dieInnenringüberrollfrequenz f i des primärgeneratorseitigen Lagers der 1. Abtriebswelle (Pos.Nr. 4) sowie die ersten beiden Harmonischen.Weitere Überrollfrequenzen anderer Getriebewellenlager treten auch bei 1505 min -1 nichtErscheinung.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 64Abschließend kann in Bezug auf den Einfluss der Drehzahl auf die aufgenommenenSpektraldaten festgehalten werden, dass sich die zu überwachenden kinematischenFrequenzen erwartungsgemäß drehzahlproportional verhalten.Tendenziell ist bei dem hier betrachteten Drehzahlanstieg von ca. 300 min -1 ein leichterAnstieg der zugehörigen Pegel von 5 bis 10 dB zu verzeichnen ist. Da aber in einigenSpektren die Pegel bei höherer Drehzahl bis zu 10 dB niedriger sind, kann keineallgemeingültige Aussage darüber getroffen werden, wie sich der Pegel einer bestimmtenkinematischen Frequenz an einem bestimmten Sensor bei Änderung der Drehzahl exaktverhält. Bei den betrachteten Spektraldaten bewegen sich die Pegeländerungen aber immer ineinem Bereich von etwa + - 5 bis 10 dB.Es wird allerdings die Komplexität der Körperschallentstehung und –übertragung deutlich,aus der die Notwendigkeit entsteht, für jeden Betriebszustand die Amplituden allerkinematischer Frequenzen durch Basismessungen zu ermitteln, um so die Grenzwertefestlegen zu können.Des Weiteren kann festgehalten werden, dass bei der Vestas V66 die jeweilige Getriebestufe,an der das Generatorantriebsmoment abgenommen wird, grundsätzlich die größerenBeschleunigungswerte bei der Zahneingriffsfrequenz aufweist.Neben den drehzahlbedingten Änderungen bei den kinematischen Frequenzen fällt auf, dassinsbesondere die sehr hochfrequent auftretenden Schwingungen kaum noch vonDrehzahländerungen beeinflusst werden. Diese drehzahlunabhängigen Schwingungen sindallerdings für die Schadensdiagnose nicht von Bedeutung.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 655.4. Berücksichtigung unterschiedlicher AnlagenbelastungenIm Folgenden soll anhand geeigneter Beispiele aufgezeigt werden, wie sich unterschiedlicheLastzustände der WEA auf die in den vorangegangenen Abschnitten aufgezeigtenErscheinungen in den Spektraldaten auswirken.Als Maß für die Anlagenbelastung dient dabei in erster Linie die abgegebene elektrischeLeistung der WEA. Im Gegensatz zu stationären Kraftwerksturbinen und –generatoren, diebei konstanter Drehzahl und annähernd konstanter Leistung betrieben werden, kommt es beiWEA bedingt durch kurzzeitige starke Windgeschwindigkeitsschwankungen auch zuentsprechenden Schwankungen der Generatorleistung, die sich z.T. auf die Spektraldatenauswirken. Daher ist beim Einsatz von CM-Systemen in WEA die Leistungsabhängigkeit derin den Spektren in Erscheinung tretenden Pegel der kinematischen Frequenzen vonbesonderem Interesse, um ggf. die Amplitudengrenzwerte entsprechend der Leistungfestlegen zu können.Es soll aber auch betrachtet werden, inwiefern sich die Windgeschwindigkeit als unmittelbarauf die WEA einwirkende belastende Größe auf die Daten auswirkt.Da das Leistungssignal erst ab dem 05.07.2002 zur Verfügung stand, ist eine rückwirkendeleistungsabhängige Klassierung der zuvor aufgezeichneten Spektraldaten nicht möglich. Eswerden im Folgenden die Daten untersucht, die zwischen dem 05. und dem 09.07. 2002aufgenommen wurden, da nach einem schweren Gewitter am 09.07.2002 keine DFÜ-Verbindung mehr zur CM-System aufgebaut werden konnte. Ein Ausschnitt der zugehörigenBetriebsdaten ist in Abbildung 5.26 dargestellt. Es war bei Windgeschwindigkeiten zwischen2 und 8 m/s überwiegend der Sekundärgenerator in Betrieb. Die folgenden Betrachtungenbeziehen sich daher auf die Drehzahlklasse 1 (nominell Drehzahl 1200 min -1 ).Abb. 5.26: Betriebsdaten der WEA im Zeitraum 06.07.2002, 21 Uhr Ortszeit bis 07.07.2002,21 Uhr Ortszeit

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 66In den vorhergehenden Abschnitten wurden immer nur einzelne Spektren dargestellt, dieeinem bestimmten Betriebspunkt der WEA (Drehzahl, Windgeschwindigkeit bzw. elektrischeLeistung) zugeordnet werden konnten. Die kontinuierliche Überwachung der Anlage setztaber die Betrachtung eines möglicht großen Betriebsbereichs in jeder Drehzahlklasse voraus.Legt man nun alle Spektren eines Sensors, die über einen längeren Zeitraum aufgenommenwurden, in einem Diagramm übereinander, so stellt man trotz grundsätzlich ähnlicherCharakteristik dieser Spektren erhebliche Streuungen in den Amplituden fest.Dies ist deutlich in Abbildung 5.27 zu erkennen, die alle im o.g. Zeitraum amPlanetengehäuse aufgenommenen niederfrequenten Spektren der Drehzahlklasse 1 zeigt.Abb. 5.27: Niederfrequente Spektren des am Planetengehäuse angeordneten Sensors in derDrehzahlklasse 1 im Messzeitraum 05.-09.07.2002Die Unterschiede in den Amplitudenausschlägen (Amplitudenstreuungen) einzelnerFrequenzen beträgt hier bis zu 40 dB. Peaks eng beieinanderliegender kinematischerFrequenzen lassen sich daher nur schwer auffinden, insbesondere dann, wenn die Amplitudenohnehin nur schwach ausgeprägt sind. Die im einzelnen Frequenzspektrum dieses Sensors inAbbildung 5.9 deutlich erkennbaren Seitenbänder mit der Planetenpassierfrequenz amHohlrad (0,77 Hz) links und rechts neben der Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe (27,3Hz) fallen hier fast überhaupt nicht auf.Einerseits ist bei der gleichzeitigen Betrachtung all dieser Spektren also eine zuverlässigeAuswertung, Grenzwertfestlegung und Schadenserkennung kaum möglich, andererseits ist fürein kontinuierliches Monitoring der WEA über einen längeren Zeitraum die Betrachtungeinzelner Spektren nicht ausreichend. Daraus entsteht die Notwendigkeit, die aufgenommenenDaten entsprechend der zugehörigen Betriebszustände der WEA in geeignete Klasseneinzuteilen, wobei wegen des Rechen- und Zeitaufwandes bei der Klassierung undGrenzwertfestlegung die Anzahl der Klassen möglichst gering gehalten werden sollte.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 675.4.1. Leistungsabhängige SpektraldatenklassierungIm untersuchten Zeitraum liegt die Generatorleistung überwiegend in einem Bereich von 100bis 250 kW. Werden die Betrachtungen auf diesen Leistungsbereich beschränkt, fließt einGroßteil der Spektren in die Auswertung ein, und nur wenige werden außer Acht gelassen.Abbildung 5.28 zeigt alle Spektren des Sensors des Planetengehäuses der Leistungsklasse100-250 kW, die im genannten Zeitraum aufgenommen wurden.Abb. 5.28: Niederfrequente Spektren des am Planetengehäuse angeordneten SensorsDrehzahlklasse 1, Leistungsklasse 100-250kW, Messzeitraum 05.-09.07.2002: Es sind diePlanetenpassierfrequenz am Hohlrad f ze mit zahlreichen Harmonischen, Seitenbänder dieserFrequenz neben der Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe f ze , sowie diePrimärgeneratordrehfrequenz f Gen mit der ersten Harmonischen zu erkennen.Im Gegensatz zur gleichzeitigen Betrachtung aller Spektren erlaubt die Darstellung dieserLeistungsklasse nun eine genauere Diagnose. Alle bereits im Einzelspektrum dieses Sensorsin Abbildung 5.9 erkennbaren kinematischen Frequenzen treten auch hier deutlich inErscheinung: Die Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe f ze ist von deutlich ausgeprägtenSeitenbändern der Planetenpassierfrequenz am Hohlrad f HÜ umgeben. Diese Frequenz trittebenfalls in der Grundfrequenz mit etwa acht Harmonischen auf. Des Weiteren ist diePrimärgeneratordrehfrequenz f Gen mit ihrer ersten Harmonischen erkennbar.Die Streuung in den Amplituden einzelner Frequenzen verringert sich bei dieser Klassierungvon zuvor etwa 40 dB auf maximal 15 bis 20 dB. Auffällig ist, dass die relevantenkinematischen Frequenzen lediglich Amplitudenstreuungen von 5 bis 10 dB aufweisen undsich somit deutlich von den restlichen, diagnosetechnisch ohnehin uninteressantenFrequenzbereichen abheben. Das erleichtert ihr Erkennen erheblich und ermöglicht einezuverlässige Grenzwertfestlegung.Die aufgezeigte Verringerung der Amplitudenstreuung zeigt sich in gleicher Weise in den hiernicht dargestellten Spektren der anderen Sensoren.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 68Bei Sekundärgeneratorbetrieb (Drehzahlklasse 1) ist daher die Leistungsklasse von 100 bis250 KW, die den Großteil der Spektraldaten mit einbezieht, zur Anlagendiagnose undGrenzwertfestlegung gut geeignet. Die Einführung einer weiteren Leistungsklasse ist somitzwingend nicht erforderlich und erscheint wegen des erhöhten Arbeits- und Zeitaufwandesauch nicht sinnvoll.Wie sich die Amplitudenstreuungen bei Betrieb des Primärgenerators über einen größerenLeistungsbereich verhalten und welche zur Auswertung geeigneten Leistungsklassen hättenfestgelegt werden müssen, konnte aufgrund fehlender Messdaten nicht untersucht werden.Während der Aufzeichnung der leistungsabhängig klassierbaren Daten war dieWindgeschwindigkeit hierfür nicht hoch genug.5.4.2. Windgeschwindigkeitsabhängige SpektraldatenklassierungEin weiteres Maß für den Belastungszustand einer WEA ist die Windgeschwindigkeit. ImFolgenden soll am Beispiel der im Zeitraum vom 05. bis 09.07.2002 am Planetengetriebeaufgenommenen Spektraldaten der Drehzahlklasse 1 (Sekundärgeneratorbetrieb) überprüftwerden, ob neben der leistungsabhängigen Klassierung eine windgeschwindigkeitsabhängigeKlassierung ebenfalls zur Auswertung und Grenzwertfestlegung geeignet ist.Um die Klassierungsergebnisse miteinander vergleichen zu können, wird auf Grundlage derLeistungskennlinie in Abbildung 5.29 eine Windgeschwindigkeitsklasse für den Bereichzwischen 5 und 7 m/s eingeführt.1800Bei diesen Windgeschwindigkeiten 1600bewegt sich die Leistung des1400Sekundärgenerator in einem Bereichvon ca. 100 bis ca. 250 kW. Diesentspricht der zuvor betrachteten12001000800600400Leistungsklasse. Eine mögliche200Fehlanzeige des im Lee des Rotors00 5 10 15 20 25auf dem Maschinenhaus der AnlageWindgeschw indigkeit v [m /s]angebrachten Anemometers wird Abb. 5.29: Leistungskennlinie Vestas V66 - 1,65 MWhier nicht berücksichtigt.Daten aus /24/Leistung P [kW]

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 69Abbildung 5.30 zeigt die im genannten Zeitraum bei Windgeschwindigkeiten zwischen 5 und7 m /s aufgenommenen Niederfrequenzspektren des Planetengehäusesensors bei Sekundärgeneratorbetrieb.Wie auch bei den leistungsabhängig klassierten Spektren dieses Sensors,treten hier die bereits beschriebenen kinematischen Frequenzen durch eine vergleichsweisegeringe Amplitudenstreuung von bis zu 15 dB recht deutlich in Erscheinung. Im Gegensatzdazu weisen die übrigen Frequenzen Streuungen in ihren Amplituden von bis zu 25 dB auf.Abb. 5.30: Niederfrequente Spektren des am Planetengehäuse angeordneten SensorsDrehzahlklasse 1, Windgeschwindigkeitsklasse 5-7 m/s, Messzeitraum 05.-09.07.2002: Essind die Planetenpassierfrequenz am Hohlrad f ze mit zahlreichen Harmonischen,Seitenbänder dieser Frequenz neben der Zahneingriffsfrequenz der Planetenstufe f ze , sowiedie Primärgeneratordrehfrequenz f Gen mit der ersten Harmonischen erkennbar.Die hier nicht abgebildeten Spektren anderer Sensoren weisen in derWindgeschwindigkeitsklasse 5 bis 7 m/s ähnliche Amplitudenstreuungen auf. ZurVerschleißdiagnose in der Drehzahlklasse 1 scheint daher auch die Betrachtung derentsprechend der Windgeschwindigkeit klassierten Daten geeignet zu sein.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 705.4.3. Vergleich der KlassierungsmethodenUm die eingeführten Klassierungsmethoden miteinander vergleichen zu können, sind inAbbildung 5.31 die windgeschwindigkeits- und die leistungsabhängig klassiertenniederfrequnten Spektren des Planetengehäuses übereinander dargestellt.Abb. 5.31: Vergleich der leistungs- und der windgeschwindigkeitsabhängigen Klassierung amBeispiel der niederfrequenten Spektren des am Planetengehäuse angeordneten Sensors(Drehzahlklasse 1, Messzeitraum 05.-09.07.2002): Die Spektren der Windgeschwindigkeitsklasse5-7 m/s sind grün, die der Leistungsklasse 100-250 kW sind rot dargestellt.Da die auf dem Maschinenhaus gemessenen Windgeschwindigkeiten zwischen 5 und 7 m/snicht exakt zu Leistungen von 100 bis 250 kW führen und da die reale Leistungskurve derWEA je nach Umgebungsbedingungen durchaus von der in Abbildung 5.29 dargestelltenKurve abweichen kann, verwundert es nicht, dass die leistungs- und windgeschwindigkeitsabhängigklassierten Spektren nicht absolut deckungsgleich sind.So weisen die nach Windgeschwindigkeit klassierten Frequenzspektren (grün) etwas größereAmplitudenstreuungen auf, als die leistungsabhängig klassierten Spektren (rot). Dabei fälltauf, dass der grün dargestellte Streubereich überwiegend unterhalb der Amplituden derleistungsabhängig klassierten Spektren liegt.Während bei leistungsabhängiger Klassierung zwangsläufig nur „unter Last“ aufgenommeneSpektren berücksichtigt werden, enthält die Windgeschwindigkeitsklassierung u.U. auchSpektren, die während des sog. Trudelns der Anlage aufgenommen wurden. Von Trudeln istdie Rede, wenn sich die WEA im Leerlauf befindet und keiner der Generatoren am Netz ist.Da es beim Umschalten vom Sekundär- auf den Primärgenerator und umgekehrt auchinnerhalb der hier betrachteten Drehzahl- und Windgeschwindigkeitsklasse (1180-1230 min -1und 5-7 m/s) zum Trudeln der Anlage kommen kann, werden dieser Klasse auchFrequenzspektren zugeordnet, die im lastfreien Betrieb aufgenommen wurden.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 71Wie Abbildung 5.32 zeigt, weisen gerade die „Leerlaufspektren“ recht niedrige Amplitudenauf, so dass genau darin die Ursache der bei der windgeschwindigkeitsabhängigenKlassierung in Erscheinung tretenden Streuungen bei niedrigen Amplituden liegt.Abb. 5.32: Niederfrequente Spektren des Planetengehäusesensors im LeerlaufbetriebDrehzahlklasse 1, Messzeitraum 05.-09.07.2002:Mit Ausnahme der Primärgeneratordrehfrequenz f Gen und der ersten Harmonischen weisendie übrigen kinematischen Frequenzen (f ze , f HÜ ) stark abgeschwächte Amplituden auf.Des Weitern fällt neben dem niedrigeren Grundschwingungspegel auf, dass mit Ausnahmeder Drehfrequenz des Primärgenerators f Gen und der ersten Harmonischen hiervon diekinematischen Frequenzen im Leerlaufbetrieb erheblich geringere Amplitudenspitzenaufweisen als unter Last.Da im Leerlauf kein nennenswertes Drehmoment im Getriebe übertragen wird, findet derZahneingriff weitestgehend lastfrei statt, so dass die Körperschallemission der Planetenstufegeringer ist. Die Amplituden der zuvor noch deutlich erkennbaren Zahneingriffsfrequenz derPlanetenstufe f ze mit den Seitenbändern der Planetenpassierfrequenz am Hohlrad f HÜ , sowiederen Grundfrequenz mit den zahlreichen Harmonischen sind so schwach ausgeprägt, dass siefast nicht mehr identifiziert werden können.Im Gegensatz dazu weist die Primärgeneratordrehfrequenz mit ihrer ersten Harmonischen imLeerlauf keinen Amplitudenrückgang auf. Da die zugehörigen Beschleunigungsspitzen alsounabhängig von der Leistung bzw. vom übertragenen Drehmoment sind, bestätigt sich dieVermutung einer Unwucht der Primärgeneratorwelle, der ersten Abtriebswelle des Getriebesoder der auf dieser Welle angeordneten Bremsscheibe, wie in Abschnitt 5.2 beschrieben.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 72Abschließend erweisen sich zur Festlegung von Grenzwerten in Drehzahlklasse 1 sowohl dieleistungs- als auch die windgeschwindigkeitsabhängige Klassierung als geeignet. Dabeiunterscheiden sich die Peaks bei den gekennzeichneten kinematischen Frequenzen beiderKlassierungen mit Ausnahme der ersten Harmonischen der Primärgeneratordrehfrequenzkaum voneinander (vgl. Abbildung 5.31).Zu bevorzugen ist allerdings die Leistungsklassierung, da hier die Amplitudenstreuungentendenziell etwas geringer ausfallen und „Leerlaufspektren“ mit ihren niedrigeren Amplitudennicht mit berücksichtigt werden.Da jedoch die separate Erfassung des Leistungssignals mit zusätzlichen Material- undInstallationskosten verbunden ist, bietet sich die Windgeschwindigkeitsklassierung alskostengünstigere Alternative an, was insbesondere bei der Nachrüstung von kleinerenAltanlagen von Interesse sein könnte.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 736. ZusammenfassungIm Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die Wälzlager und die Getriebestufen imAntriebsstrang einer Windenergieanlage des Typs Vestas V66 - 1,65 MW schwingungstechnischauf ihren Verschleißzustand hin überwacht.Mit Hilfe des Condition-Monitoring-Systems DMT-ZUMWART online wurden dazu beiunterschiedlichen Drehzahlen die Körperschallemissionen dieser Bauteile aufgezeichnet. Diedaraus gewonnenen Spektraldaten wurden anschließend leistungs- und windgeschwindigkeitsabhängigklassiert und frequenzselektiven Untersuchungen unterzogen.Nach einer Einführung in die Grundlagen der schwingungstechnischen Maschinendiagnosesind im Rahmen dieser Arbeit die folgenden Berechnungen und Betrachtungen angestelltworden:• Berechnung der kinematischen Frequenzen der überwachten Maschinenelemente• Untersuchung des Verschleißzustandes der WEA und Vergleich der Diagnoseergebnissemit den vom CM-System berechneten Verschleißkennziffern CM I• Untersuchung des Drehzahleinflusses auf die Spektraldaten• Untersuchung des Leistungs- und Windgeschwindigkeitseinflussesauf die SpektraldatenNach der Berechnung der kinematischen Frequenzen wurde der aktuelle Verschleißzustandder WEA auf Grundlage einzelner Frequenz- und Hüllkurvenspektren ermittelt, die beiTeillastbetrieb des Sekundärgenerators aufgenommen wurden.Bei der Analyse der Daten konnten Auffälligkeiten bei einigen kinematischen Frequenzennachgewiesen werden, die auf mögliche lokale Unregelmäßigkeiten einzelner überwachterKomponenten schließen ließen. Die Trendentwicklung der zugehörigen Pegel und derVergleich mit der vom CM-System berechneten Verschleißkennziffer zeigte jedoch, dasskeine gravierenden Schäden am Antriebsstrang vorlagen. Des Weiteren bestätigten sich einigeder zuvor im Grundlagenteil beschriebenen schwingungstechnischen Effekte undmesstechnisch bedingten Besonderheiten, insbesondere im Bereich der Planetenstufe desGetriebes.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 74Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde anschließend der Drehzahleinfluss auf die Spektraldatenuntersucht. Dazu wurden einzelne Spektren miteinander verglichen, die bei zweiunterschiedlichen Drehzahlen der WEA bei Betrieb des Primär- bzw. des Sekundärgeneratorsaufgenommen wurden. Es bestätigte sich dabei die zu erwartende Drehzahlproportionalitätder kinematischen Frequenzen. Bei höherer Drehzahl wiesen diese Frequenzen tendenzielletwas größere Amplituden der Körperschallbeschleunigung auf als bei geringerer Drehzahl.Da die genauen Auswirkungen von Drehzahländerungen auf die Amplitudenpegel jedoch imVorfeld nicht berechnet werden können, ist für jede Drehzahl die Festlegung derAmplitudengrenzwerte aufgrund von Basismessungen erforderlich.Die zur Auswirkung unterschiedlicher Anlagenbelastungen angestellten Untersuchungenhaben gezeigt, das eine gleichzeitige Betrachtung aller Frequenzspektren wegen der großenAmplitudenstreuungen zur Diagnose ungeeignet ist. Hieraus wurde die Notwendigkeitabgeleitet, die Spektraldaten auf Grundlage der Betriebsdaten der WEA in geeignete Klasseneinzuteilen und diese separat zu untersuchen und zu bewerten.Am Beispiel des Sekundärgeneratorbetriebs konnten die Amplitudenstreuungen durchleistungs- und auch durch windgeschwindigkeitsabhängige Klassierungen der Spektraldatenin ausreichendem Maße reduziert werden. Zur Festlegung von Grenzwerten erwiesen sichbeide Klassierungsmethoden als geeignet, wobei mit der leistungsabhängigen Klassierungkleinere Streuungen erreicht werden konnten. Als kostengünstigere Alternative ist dieMethode der Windgeschwindigkeitsklassierung jedoch bei der Nachrüstung kleinererAltanlagen von Interesse.Das Condition Monitoring mittels Körperschallanalyse ist ein Verfahren zum frühzeitigenErkennen von Verschleißerscheinungen und Schäden an Wälzlagern und Getrieben. Bei WEAist dadurch eine bessere Planung von Wartungszeitpunkten und eine Reduzierung vonStillstandszeiten möglich, was zu einer höheren Anlagenverfügbarkeit führt.Das im Rahmen dieser Diplomarbeit begleitete Pilotprojekt hat darüber hinaus gezeigt, dassfür CM-Systeme noch weiterer Optimierungs- und Anpassungsbedarf anwindenergietechnische Anwendungen besteht. So erfordert insbesondere der künftigeOffshore-Einsatz Verbesserungen bei der Datenfernübertragung und beim Blitzschutz.Darüber hinaus sind weitere Erfahrungen mit komplett drehzahlvariablen WEA zu sammeln,um auch hier eine zuverlässige Überwachung realisieren zu können.

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 757. Quellenangaben/1/ Vestas Wind Systems A/S, Denmark: Herstellerzeichnung „V66 - 1,65 MW“/2/ WINDTEST Grevenbroich GmbH: Umfrage, 05/2001/3/ Geropp, B.; Keßler, H.-W.; Burgwinkel, P.: „Diagnosis of machines running at unstablespeeds of revolution“, 4th International Symposium on Mine Planning & EquipmentSelection Calgary 1995/4/ FAG Industrial Services GmbH: „Technische Information Nr. WL 80-65 D“, April 2001/5/ Sohoel, E.: „The SPM Method – A complete set of tools for evaluating the runningcondition of operating roller element bearings“, SPM Instrument Sweden 1994/6/ Dahlke, H.: „Handbuch Wälzlagertechnik“, Vieweg-Verlag 1994/7/ Ehrlenspiel, K.: „Stationäre Getriebe, Allianz Handbuch der Schadensverhütung“, VDI-Verlag 1984/8/ Beitz, W.; Grote, K.-H.: „DUBBEL interaktiv – Das Elektronische Taschenbuch für denMaschinenbau“, Version 1.0, Springer electronic media 1999/9/ Geropp, B.; Bauer, B.: „Schadensdiagnose an Verzahnungen mit Hilfe derHüllkurvenanalyse“, VDI-Tagung: Schwingungen in Antrieben 1998, VDI-Berichte Nr.1416, Beuth Verlag 1998/10/ Shan, J.; Bauer, B.; Seeliger, A.: „Schadensdiagnose von Planetengetrieben“, VDISchwingungstagung 1999, VDI-Berichte Nr. 1446, Beuth Verlag 1999/11/ VDI-Richtlinie 3839: „Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen vonMaschinen - Allgemeine Grundlagen“, Beuth Verlag 2001/12/ Waller, H.; Schmidt, R.: „Schwingungslehre für Ingenieure“, WissenschaftsverlagMannheim, Wien, Zürich 1989/13/ Oran Brigham, E.: „FFT Schnelle Fourier-Transformation“, Oldenbourg VerlagMünchen, Wien 1989/14/ Keßler, H.-W.; Kempkes, A.; van den Heuvel, B.: „MaschinenspezifischeSignalfilterung als Voraussetzung für zuverlässige Körperschalldiagnose“, ACIDAGmbH 2000/15/ DMT - Deutsche Montan Technologie GmbH, Herstellerangabe Essen 2002/16/ Geropp, B.: „Die Hüllkurvenanalyse – Teil 1: Grundlagen“, Antriebstechnik Nr. 1 1999/17/ Geropp, B.: „Schwingungsdiagnose an Wälzlagern mit Hilfe der Hüllkurvenanalyse“,Dissertation RWTH Aachen 1995/18/ Irretier, H.: „Grundlagen der Schwingungstechnik 1“, Vieweg Verlag 2000

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 76/19/ Dethloff Diagnostik & Consulting: „Seminar zur Maschinendiagnose, Teil I“,Seminarunterlagen DDC BI GbR Rostock 2002/20/ Vestas Deutschland GmbH: „Allgemeine Spezifikationen V66/1,65 MW-Windenergieanlagemit OptiSlip®“, Herstellerangaben 1997/21/ Vestas Wind Systems A/S, Denmark: „Electrical Operating and Maintenance ManualV66 – 1,65 MW“, Herstellerangaben 1999/22/ GEO mbH: „Getriebedaten Lohmann & Stolterfoth V66/Opti-Slip“,Technische Information 2002/23/ Lemme, H.: „Sensoren in der Praxis“, Franzis Verlag München, 1990/24/ DEWI Deutsches Windenergie-Institut: Leistungsmessung Nr. PV 9710-06, 1998

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 778. Anhang• Abbildungen der Körperschallbeschleunigungssensoren und der DMT-TopBoxAbb. 8.1: Position desKörperschallbeschleunigungssensorsam 1. HauptlagerAbb. 8.2: Position desKörperschallbeschleunigungssensorsam 2. HauptlagerAbb. 8.3: Position derKörperschallbeschleunigungssensorenan der Antriebsseitedes Getriebes (vorn im Bild)und am Planetengehäuse

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 78Abb. 8.4: Position desKörperschallbeschleunigungssensorsan der Lagerung derHohlwelle des GetriebesAbb. 8.5: Position derKörperschallbeschleunigungssensorenan den Stirnradstufendes GetriebesAbb. 8.6: Position desKörperschallbeschleunigungssensorsan der A-Seite desGenerators

Diplomarbeit „Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse“ 79Abb. 8.7: Position desKörperschallbeschleunigungssensorsan der B-Seite desGeneratorsAbb. 8.8: Position der DMT-TopBox auf dem Schaltschrankin der GondelAbb. 8.9: Blick in die DMT-TopBox:Oben links sind die 3 Module zurBertiebsdatenakquisition zu erkennen,unten die beiden Akqusitionsmoduleder Körperschallsignale. Oben rechtssind die Spannungsversorgung und dieNetzwerkschnitstelle angeordnet.