Rotationsgranulatoren sind schwere, mechanische Anlagen, die für den 24-Stunden-Dauerbetrieb ausgelegt sind. Ein ungeplanter Stillstand einer Granulieranlage verursacht nicht nur die Kosten der Instandhaltung, sondern auch Produktionsausfälle beim Anfahren, Materialverluste durch fehlerhaftes Material während der Stabilisierungsphase und die üblicherweise nach dem Kaltstart auftretende Recyclingphase. In einem Werk, das 330 Tage im Jahr im Dreischichtbetrieb läuft, zeigt sich der Unterschied zwischen einer reaktiven und einer vorausschauenden Instandhaltungskultur deutlich in den jährlichen Produktionszahlen.
Die gute Nachricht: Trommelgranulatoren eignen sich hervorragend für die zustandsorientierte Überwachung. Die wichtigsten Ausfallursachen – Lagerverschleiß, Verschleiß des Zahnradeingriffs, Auskleidungsdefekte und Gehäusefehlausrichtung – erzeugen alle frühzeitig erkennbare Signale, lange bevor es zu einem Ausfall kommt, vorausgesetzt, Sie messen die richtigen Parameter und vergleichen sie mit einem festgelegten Referenzwert. Wir zeigen Ihnen, welche Parameter überwacht werden sollten, wo die Sensoren platziert werden, wie sinnvolle Alarmschwellenwerte festgelegt werden und wie Sie darauf aufbauend ein praktisches, vorausschauendes Wartungsprogramm entwickeln.
Warum Trommelgranulatoren gut für die Zustandsüberwachung geeignet sind
Der Trommelgranulator verfügt über wenige kritische mechanische Systeme, die im Normalbetrieb jeweils ein messbares Signal erzeugen. Die Zapfenlager tragen die gesamte rotierende Masse der Trommel und erzeugen charakteristische Schwingungs- und Temperaturmuster, die sich mit dem Verschleiß verändern. Hohlrad und Ritzel greifen mit einer bekannten Frequenz ineinander, die von der Zähnezahl und der Trommeldrehzahl abhängt. Änderungen dieser Eingriffsfrequenz im Schwingungsspektrum können auf Zahnverschleiß oder Fluchtungsfehler hinweisen. Die Trommelschale selbst dreht sich mit einer bekannten Drehzahl. Abweichungen vom erwarteten Laufmuster des Laufrings deuten auf eine Fluchtungsabweichung hin, die schließlich den Verschleiß von Zapfenlager und Laufring beschleunigt.
Da diese Systeme während der normalen Granulierung unter konstanter Last laufen, ist der Ausgangszustand stabil und relativ einfach zu charakterisieren. Die Verschlechterung entwickelt sich tendenziell allmählich und nicht katastrophal, wodurch ein aussagekräftiges Warnfenster zwischen der ersten messbaren Signaländerung und dem Zeitpunkt des erforderlichen Eingriffs entsteht. Die niedrige Drehzahl hat jedoch auch Nachteile, und es ist wichtig, dies klar zu benennen: Eine Trommel, die sich mit etwa 10 U/min dreht, stellt eine Herausforderung für die konventionelle Schwingungsüberwachung dar. Die Defektenergie an den Zapfenlagern ist gering, und da die Beschleunigungsamplitude quadratisch mit der Frequenz abnimmt, liefert ein Standard-Beschleunigungsmesser bei diesen Drehzahlen oft keine brauchbaren Daten. Niederfrequente Beschleunigungsmesser, Geschwindigkeits- oder Wegmessungen sowie Verfahren wie Schallemissions- oder Stoßimpulsanalyse sind daher direkt an der Trommel anzutreffen. Antriebsmotor und Getriebe, die sich mit normaler Drehzahl drehen, dienen als konventionelle Messpunkte.
Moderne Trommelgranulatoren, die für die Zustandsüberwachung ausgelegt sind – darunter solche mit vorinstallierten Montageflächen für Vibrations- und Temperatursensoren an den Zapfenlagern und Lagergehäusen – ermöglichen die Umsetzung dieses Programms ohne bauliche Veränderungen an der Maschine. Sind die Halterungen bereits vorhanden, beschränkt sich die Integration von IIoT-Sensoren auf die Installation und Inbetriebnahme des Datenerfassungssystems und erfordert keine Neufertigung.
Zu überwachende Parameter
Schwingungen der Zapfenlager. Die an den Zapfenlagergehäusen gemessenen Schwingungen sind der wichtigste Indikator für den Lagerzustand, Unwucht des Trommelmantels und antriebsbedingte Anregungen. Beschleunigungsmesser, die am Lagergehäuse (nicht am rotierenden Trommelmantel selbst) angebracht sind, messen sowohl den Gesamtschwingungspegel als auch das Frequenzspektrum. Änderungen des Gesamtschwingungspegels dienen als einfacher Alarmauslöser; die Spektralanalyse der Zeitreihe liefert detailliertere Diagnoseinformationen – Lagerfehlerfrequenzen, Zahnradverzahnungskomponenten und subsynchrone Signale, die mit Trommeltaumel oder Laufringexzentrizität zusammenhängen.
Temperatur des Zapfenlagers. Ein Temperaturanstieg im Lager bei konstanter Drehzahl und Last ist ein zuverlässiger Frühindikator für unzureichende Schmierung oder Lagerverschleiß. Ein im Lagergehäuse installierter Widerstandsthermometer (RTD) oder ein Thermoelement liefert einen kontinuierlichen Temperaturmesswert, der analysiert und gegebenenfalls alarmiert werden kann. Der Alarmschwellenwert sollte relativ zur festgelegten Basistemperatur und nicht als absoluter Wert eingestellt werden, da die normale Betriebstemperatur von Umgebungsbedingungen, Trommeldrehzahl und Bettlast abhängt.
Leistungsaufnahme des Antriebsmotors. Die Überwachung der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors – in den meisten modernen Anlagen über den Frequenzumrichter (FU) verfügbar – liefert kontinuierlich einen Hinweis auf den Drehmomentbedarf der Trommel. Der Füllgrad wird im laufenden Betrieb nicht direkt gemessen. Daher muss dieses Signal in der Praxis auf den gesamten Materialdurchsatz (Frischgut plus Rezirkulation) normiert werden, anstatt auf einen Füllgradwert. Steigende Leistungsaufnahme bei konstanter Trommeldrehzahl und konstantem Gesamtdurchsatz kann auf erhöhte Bettreibung (z. B. durch Produktablagerungen auf der Auskleidung oder durch ein überfülltes Bett), Verschleiß des Zahnradeingriffs oder eine Fehlausrichtung der Zapfenwalzen hinweisen. Im Vergleich zu Vibrationen ist dieses Signal relativ grob, lässt sich aber in Anlagen mit bereits installiertem FU ohne zusätzliche Sensoren leicht erfassen.
Zahneingriffstemperatur. Bei Stirnradgetrieben mit Kegelrad und Ritzel ist die Messung des Zahneingriffszustands und der Schmierwirkung mittels Infrarot-Punktsensor an den Zahnflanken oder durch regelmäßige Thermografie die praktikabelste Methode. Ein fester Kontaktsensor in der Nähe eines offenen Eingriffs misst hauptsächlich die Umgebungsluft, da sich der Eingriff öffnet und bewegt. Daher liefert die berührungslose Messung eine aussagekräftige Temperaturangabe an den Zahnflanken. Eine dauerhaft erhöhte Temperatur im Zahneingriff, die nicht durch erhöhte Umgebungstemperatur oder Belastung erklärt werden kann, deutet in der Regel auf unzureichende Schmierung oder Oberflächenverschleiß an den Zahnflanken hin.
Laufringverfolgung. Ein gewisses axiales Spiel des Laufrings ist normal und oft sogar beabsichtigt: Die Zapfenrollen sind üblicherweise leicht schräg angeordnet, sodass der Ring über die Rollenfläche hin und her wandert. Dadurch verteilt sich der Verschleiß, anstatt sich auf einen Bereich zu konzentrieren. Entscheidend ist das Bewegungsmuster, nicht die Bewegung selbst. Ein Ring, der sich gleichmäßig in eine Richtung bewegt und fest an der Druckrolle anliegt, deutet auf eine Schubkraftunwucht hin, die, wenn sie nicht korrigiert wird, zu beschleunigtem Verschleiß an der Laufringfläche und der Zapfenrollenkante führt. Dies wird typischerweise durch regelmäßige manuelle Messungen während Inspektionsstopps überwacht, wobei einige Betriebe Näherungssensoren installieren, um ein kontinuierliches axiales Positionssignal zu liefern.
Sensorplatzierung
Vibrationssensoren gehören an die stationären Komponenten der Trommelbaugruppe, nicht an die rotierende Trommelhülle. Die korrekten Positionen sind die Lagergehäuse der Zapfenlager, die Lagergehäuse des Getriebeeingangs und -ausgangs sowie die Lagergehäuse des Antriebsmotors. Die Montage eines Beschleunigungsmessers direkt an der Trommelhülle erzeugt ein Rotationssignal, das schwer zu interpretieren ist und keine nützlichen Informationen zur Lagerdiagnose liefert.
Zur Messung der Lagertemperatur sollte der Sensor im Lagergehäuse an einer Stelle positioniert werden, an der die Austrittstemperatur des Lagerschmierstoffs gemessen wird, und nicht an der Umgebungstemperatur der umgebenden Struktur.
Die Kabelführung von den Sensoren zum Datenerfassungssystem sollte so erfolgen, dass die heißen Zonen um den Trockner und den Kühler vermieden werden, sofern diese in der Nähe liegen. Außerdem sollten die Kabel vor den mechanischen und chemischen Einflüssen der Granulieranlage geschützt werden – in den meisten Düngemittelwerken sind Schutzrohre oder armierte Kabel geeignet.
Festlegung von Alarmschwellenwerten
Einer der häufigsten Fehler beim Einrichten eines Zustandsüberwachungsprogramms ist die Anwendung generischer Alarmschwellenwerte aus einer internationalen Norm, ohne zuvor anlagenspezifische Ausgangswerte festzulegen. ISO 20816 (und die Vorgängernorm ISO 10816) bietet einen Rahmen für die Klassifizierung der Schwingungsstärke nach Maschinentyp und Montageart. Der Anwendungsbereich ist jedoch zu beachten: Er ist auf Maschinen mit Drehzahlen ab ca. 600 U/min ausgelegt. Die Norm gilt für die Messpunkte am Antriebsmotor und Getriebe einer Granulieranlage; sie deckt nicht die Messpunkte an Zapfen und Trommelmantel ab, die sich um zwei Größenordnungen langsamer drehen. Innerhalb dieses Bereichs ist die Norm ein nützlicher Ausgangspunkt – der absolute Schwingungspegel, der an einer bestimmten Trommel einen Alarm auslösen sollte, hängt jedoch vom Ausgangszustand dieser Trommel ab und nicht von einem universellen Tabellenwert.
Das richtige Vorgehen besteht darin, während einer Phase nachweislich einwandfreien Betriebs Basismessungen zu erfassen – idealerweise während der Inbetriebnahme oder kurz nach einem geplanten Wartungsstillstand, wenn die Lager geprüft und als in gutem Zustand bestätigt wurden – und diese Messwerte zur Festlegung der Alarmschwellenwerte zu verwenden. Ein gängiges Vorgehen ist:
Alarmschwelle: Basiswert + ein definierter Wert, typischerweise 50–100% über dem Basiswert für die Gesamtvibration, abhängig von der Maschine und der beobachteten Änderungsrate. Dieser Wert ist als Richtwert und nicht als feste Regel zu verstehen; der angemessene Wert hängt von der Stabilität des Basiswerts und der Geschwindigkeit der nachweislichen Verschlechterung der Maschine nach einem Anstieg der Vibration ab.
Handlungsschwelle: Es ist sinnvoll, einen konkreten Wert anzugeben, anstatt sie lediglich als höher als den Alarmwert zu definieren. Üblicherweise liegt die Schwelle bei etwa dem Vierfachen des allgemeinen Basiswerts, während der Alarmwert etwa dem Doppelten des Basiswerts entspricht – dem Punkt, an dem unabhängig von anderen operativen Prioritäten eine Untersuchung erforderlich ist.
Bei der Lagertemperatur ist ein Schwellenwert von 10–15 °C über der festgelegten Basistemperatur unter vergleichbaren Betriebsbedingungen für die meisten Trommelgranulatoren ein angemessener Warnwert. Der genaue Wert sollte jedoch abhängig von Lagertyp, Schmierstoffspezifikation und beobachteter Temperaturstabilität festgelegt werden. Es handelt sich hierbei um Richtwerte – die optimalen Schwellenwerte sind diejenigen, die genügend Vorwarnzeit für eine geplante Intervention bieten, ohne so viele Fehlalarme auszulösen, dass das Überwachungssystem ignoriert wird.
Vom reaktiven zum prädiktiven Ansatz
Der Übergang von reaktiver zu vorausschauender Instandhaltung bei einem Trommelgranulator Es geschieht in Etappen und erfordert nicht, dass alles auf einmal umgesetzt wird.
Der erste Schritt ist die Datenerfassung. Noch bevor man auf Basis der Überwachungsdaten handelt, liefert die Ermittlung der normalen Vibrations-, Temperatur- und Leistungskennlinien im stabilen Betrieb die Grundlage für die Interpretation zukünftiger Messwerte. Die meisten Anlagenbetreiber überspringen diesen Schritt, da er scheinbar keine Auswirkungen hat – doch ohne eine solche Grundlage sind alle nachfolgenden Messungen kontextlos.
Die zweite Phase ist die Trendüberwachung. Anstatt auf einen Schwellenwertalarm zu warten, werden durch die regelmäßige Überprüfung der Trenddaten allmähliche Veränderungen erkannt, die zwar unterhalb des Alarmschwellenwerts liegen, aber auf eine beginnende Verschlechterung hindeuten. Ein Lager, dessen Vibrationspegel über sechs Wochen hinweg stetig angestiegen ist, sollte – selbst wenn der Alarmschwellenwert noch nicht erreicht ist – untersucht werden, bevor es dazu kommt.
Die dritte Phase ist die Integration in die geplante Instandhaltung. Der Vorteil der Zustandsüberwachung liegt darin, dass die Instandhaltung auf Basis des tatsächlichen Anlagenzustands und nicht nach festen Zeitintervallen geplant werden kann. Ein Lager, das zum geplanten Austauschintervall noch einen stabilen Zustand aufweist, kann bedenkenlos weiter gewartet werden; ein Lager, dessen Zustand sich vor dem geplanten Austauschtermin verschlechtert, kann beim nächsten planmäßigen Stillstand repariert werden, anstatt auf einen Ausfall zu warten.
Diese Entwicklung – von Schwellenwertalarmen über Trendanalysen bis hin zur zustandsorientierten Planung – stellt eine echte Verbesserung der Instandhaltungseffizienz dar, erfordert jedoch eine konsequente Datenerfassung, Disziplin der Bediener und eine Instandhaltungsmanagementkultur, die den Überwachungsdaten so weit vertraut, dass sie darauf reagiert.
Ceylan Machine & Process fertigt Trommelgranulatoren mit vorinstallierten Befestigungsmöglichkeiten für Vibrations- und Temperatursensoren an den Zapfenlagern und Lagergehäusen. Diese sind für die Integration von IIoT-basiertem Zustandsüberwachungssystem ausgelegt. Für technische Anfragen zu den Spezifikationen der Zustandsüberwachung oder zur Besprechung Ihrer Anforderungen an das Wartungsprogramm kontaktieren Sie bitte unser Ingenieurteam.
