Spektralanalyse von Pressen - Entdeckung von Resonanzen

Die physikalischen Grundlagen der Resonanz

Mechanische Strukturen zeigen bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Steifigkeiten. Bei Frequenzen, bei denen die Struktur wenig Steifigkeit aufweist (also eine hohe Schwingungsempfindlichkeit hat), können bereits sehr kleine Kräfte die Struktur zu starken Schwingungen bringen. Diese Frequenzen werden Resonanzfrequenzen genannt, und der umgebende Frequenzbereich wird als Resonanzbereich bezeichnet. Der Frequenzbereich, in dem die Struktur hingegen besonders steif ist, wird als Antiresonanzbereich bezeichnet. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Dämpfung der Resonanz. Die Dämpfung gibt an, wie schnell eine durch eine einmalige Anregung verursachte Resonanzschwingung abklingt. Harte Materialien (wie Glas, Stahl, Messing) sind im Allgemeinen wenig gedämpft und schwingen nach der Anregung lange nach (ein Beispiel dafür sind Glocken und Xylophone im Alltag). Die Frequenzbereiche solcher Resonanzen sind in der Regel sehr eng und zeichnen sich durch hohe Amplitudenanstiege aus. Weiche und plastische (elastische, weiche) Materialien (wie Gummi, Holz) weisen eine hohe Dämpfung auf. Bei diesen Materialien finden wir in der Regel einen sehr breiten Frequenzbereich von Resonanzen, deren Amplitudenanstiege nicht so hoch sind.

Resonanzprobleme bei Rotationsmaschinen

Im Hinblick auf industrielle Rotationsmaschinen kann festgestellt werden, dass jede Maschine eine oder mehrere Resonanzen hat, da dies eine Eigenschaft der Maschinenstruktur ist. Der Frequenzbereich der Resonanzen hängt von den verwendeten Materialien und dem Aufbau der Maschinenstruktur ab. Probleme treten nur auf, wenn eine der Resonanzfrequenzen mit der Rotationsfrequenz der Maschine oder einem Vielfachen davon zusammenfällt. Bei Maschinen mit variabler Drehzahl (wie Gleichstrom- oder Frequenzumrichter-Asynchronmotoren) ergibt sich genau daraus das Problem: Je breiter der Betriebsdrehzahlbereich, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Gerät bei einer Resonanzfrequenz oder einem Vielfachen davon betrieben wird. Resonanzprobleme können durch strukturelle Änderungen (wie Änderung der Eigenfrequenz der Strukturelemente, Entstimmung der Resonanzfrequenz oder Dämpfung der Resonanz) sowie durch Änderung der Anregungsfrequenz (Beseitigung des Maschinenfehlers, Änderung der Betriebsdrehzahl oder der Lastart) gelöst werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, zunächst sicherzustellen, ob tatsächlich eine Resonanz vorliegt, und deren Frequenz zu kennen.

Prüfmethoden

Resonanzprobleme sollten auf jeden Fall behandelt werden, wenn bei geringfügigen Drehzahländerungen starke Änderungen der Schwingungsamplitude auftreten. (D. h. bei geringfügigen Änderungen der Anregungsfrequenz ändert sich die Größe der Schwingungen drastisch.) Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung der Resonanzfrequenz und der Resonanzdämpfung. Einige müssen an einer stillstehenden Maschine durchgeführt werden (Schlaganregung), während andere die während des Hochfahrens und Abbremsens der Rotationsmaschine auftretende, sich ändernde Anregungsfrequenz nutzen (basierend auf den durch die Maschinenrotation verursachten Vibrationen). Bei allen ist es jedoch wichtig zu beachten, dass Resonanzen orts- und richtungsabhängig sind, daher ist es ratsam, die Reaktion auf Anregung in mehreren Richtungen (horizontal und vertikal) zu messen. (In verschiedenen Richtungen können erhebliche - sogar Größenordnungen umfassende - Unterschiede auftreten.)

Schlagtest

Der einfachste Resonanztest ist der Schlagtest, der an einer stillstehenden Maschine durchgeführt werden muss. Dabei wird die Maschinenstruktur mit einem einzigen Schlag angeregt, und das Spektrum der durch den Schlag erzeugten Vibrationen wird aufgezeichnet. Die Resonanzfrequenzen zeigen sich als Spitzen (Amplitudenpeaks) im Spektrum. Die antiresonanten Bereiche hingegen erscheinen als Täler. Die Breite der Peaks und der talartigen Bereiche charakterisiert die Dämpfung. Welcher Frequenzbereich durch den Schlag angeregt werden kann, hängt von der Impulsdauer Τ des Schlages ab. Im Frequenzbereich 1/Τ wirkt 90 Prozent der durch den Schlag in die Struktur eingebrachten Energie als Schwingungsanregung. Deshalb können weiche (stumpfe) Schläge, wie sie beispielsweise mit einem Gummiklopfhammer ausgeführt werden, nur bis zu einigen 100 Hz anregen, während kurze (harte) Schläge (z. B. mit einem Stahlhammer) Schwingungen in einem Bereich von mehreren kHz anregen können. Bei großen Strukturen und Frequenzbereichen, die in Richtung höherer Frequenzen verschoben sind, ist der Schlagtest aufgrund des oben genannten Zusammenhangs bereits weniger wirksam oder überhaupt nicht anwendbar.

 

Diagramm mit vier Resonanzfrequenzen, die durch einen Schlagtest erfasst wurden [Quelle: CSi]

Auf- und Abfahrtests

Die hier beschriebenen Methoden nutzen die während des Anlaufs und Abstellens der Rotationsmaschine auftretende, variable Frequenz "natürliche" Anregung (die durch die Rotation der Maschine verursachte Schwingungsanregung) zur Erkennung von Resonanzen. Der "Schönheitsfehler" dieser Methoden ist, dass die verwendete Anregung auch von der Drehzahl abhängig sein kann (denken Sie nur an die Unwucht: Die die Vibration verursachende Zentrifugalkraft nimmt quadratisch mit der Drehzahl zu). Peak-Hold-Spektrumaufnahme Nutzt die Fähigkeit der meisten Instrumente, mehrere Spektren zu mitteln, und zwar auf eine Peak-Hold-Weise (sie behalten den zugehörigen maximalen Amplitudenwert für jede Frequenz bei). Während des Abstellens oder Anlaufens der Maschine werden kontinuierlich Spektren aufgezeichnet und peak-hold-mäßig gemittelt. Als Ergebnis erhalten wir ein "verwaschenes" Spektrum, aus dem die Resonanzfrequenzen abgeleitet werden können - die Amplituden-"Spitzen" unterhalb der Betriebsdrehfrequenz.

 

Abbildung: Peak-Hold-Vibrationsspektrum eines Maschinenstillstands (Ventilatorstopp) [Quelle: PIM]

Waterfall-Spektrumaufnahme Diese Methode erfordert hochentwickelte (mit großer Speicherkapazität und schneller Spektrumanalyse ausgestattete) Handgeräte, da während des Abstellens entweder in festgelegten Zeitintervallen oder abhängig von der Drehzahl (bei Erreichen eines Bruchteils der Betriebsdrehfrequenz) jeweils ein Schwingungsspektrum aufgezeichnet werden muss. Diese Spektren werden hintereinander dargestellt, um das sogenannte Waterfall-Spektrum zu erhalten, eine sehr anschauliche Darstellungsform, mit der alle Amplitudenanstiege leicht erkennbar sind.

Abbildung: Typische Waterfall-Spektrumdarstellung (Elektromotoranlauf) [Quelle: CSi]

Die drehzahlabhängige Aufzeichnung der Schwingungsamplitude und Phasenwinkel Grundlage ist die kontinuierliche Aufzeichnung der drehzahlabhängigen Schwingungsamplitude und des zugehörigen Phasenwinkels während des Abstellens oder Anlaufens. Durch ihre grafische Darstellung werden nicht nur die Amplitudenanstiege sichtbar, sondern auch die Phasenwinkeländerung bei der Resonanzfrequenz (also eine Art 180°-Veränderung).

Abbildung: Resonanz bei 4450 Umdrehungen pro Minute durch Schwingungsamplituden- und Phasenwinkelmessung festgestellt [Quelle: PIM]

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu  

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