Während die Spektralanalyse von Maschinenvibrationen zweifellos eine der effektivsten Methoden zur Entdeckung und Nachweis der meisten Maschinenfehler - wie Unwucht, Achsfehler, verbogene Welle, Lagerfehler - ist, sind für die Untersuchung der Maschinenstruktur andere Werkzeuge erforderlich. Die Lösung bieten die Finite-Elemente-Modellierung oder die Bewegungsanimation. Aufgrund des geringeren Mess- und Berechnungsaufwands ist die Bewegungsanimation am einfachsten anzuwenden.
Wir gehen davon aus, dass jedes strukturelle Element der Maschine (Fundament, Podest, Rahmen, Stützkonstruktion, Träger, Lagergehäuse usw.) während des Betriebs aufgrund der auftretenden periodischen Kräfte aus seiner Position verschoben wird oder sich verformt. Da die meisten Maschinen mit 1500-3000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, finden diese Bewegungen größtenteils bei 25 oder 50 Hz oder deren Vielfachen statt. Mit bloßem Auge sehen wir diese Bewegungen aus zwei Gründen nicht: Zum einen kann unser Auge Änderungen mit einer Frequenz von 50 Hz oder höher nicht verfolgen, zum anderen handelt es sich oft nur um Mikrometer (Tausendstel Millimeter) Bewegungen.
Sichtbar gemachte Bewegungen
Wie können wir die Bewegungen der Maschinenelemente dennoch sichtbar machen? Am einfachsten mit der Verwendung eines Stroboskops: Lassen Sie jede zweite (oder dritte, vierte) Bewegung beleuchten! Da unser Auge das Objekt nur im Moment des starken Blitzlichts erkennen kann, scheint der Prozess mit 50 Hz statt 25 Hz oder sogar nur 12,5 Hz abzulaufen. Dies kann unser Auge verfolgen, wodurch die entsprechend großen - aber sonst unsichtbar schnellen - Bewegungen sichtbar werden. (Natürlich nur, wenn wir unsere Stroboskoplampe auf eine andere Frequenz als die zu untersuchende Frequenz einstellen, da wir sonst ein Standbild sehen.) Die Methode hat mehrere Nachteile: * die kleinen, nur einige zehn Mikrometer großen Bewegungen sind leider immer noch nicht sichtbar * nur ein begrenzter Bereich kann beleuchtet und analysiert werden * die Auswertung der Beobachtungen ist ziemlich subjektiv, die Daten werden ausschließlich im Gedächtnis gespeichert. Bessere Ergebnisse als mit der Stroboskoplampe erzielen wir, wenn wir die Fähigkeiten moderner Schwingungsmessgeräte und die Informatik nutzen, da wir auch hier Vibrationen beobachten wollen. Unsere erste Aufgabe ist es, ein Modell der zu untersuchenden Maschinenstruktur zu erstellen, das jeden strukturellen Knotenpunkt enthält. Bei der Modellerstellung sollten wir natürlich beachten, dass wir nur so viele Messpunkte aufnehmen, wie unbedingt erforderlich sind, um das zu untersuchende oder vermutete Problem zu erkennen - an den Punkten muss schließlich gemessen werden. Auf der Abbildung ist das Modell eines an einer Platte befestigten Maschinenelements (zum Beispiel Grundplatte und Lagergehäuse) zu sehen. Anschließend folgt die datengesteuerte Anpassung unseres Modells: An jedem Knotenpunkt müssen die räumlichen (x-, y- und z-Richtung) Schwingungen (Bewegungen) gemessen werden. Da wir die Bewegungen mehrerer Punkte miteinander vergleichen (bzw. gemeinsam darstellen) möchten, ist offensichtlich, dass nicht nur die Amplitude der Bewegungen, sondern auch ihr zeitlicher Bezug zueinander (Phase) wichtige Informationen sind. Im Folgenden werden die möglichen Messmethoden betrachtet.
Messmethoden
Amplituden-Phasenmessung mit Triggerung Da uns hauptsächlich die Verschiebungen im Zusammenhang mit der Rotation der Maschine interessieren, können wir die Rotationsfrequenz der Maschinenhauptachse als zeitliche Referenz verwenden. Dazu müssen alle Messungen mit dem Drehzahl-Sensorsignal (ein Impuls pro Umdrehung) gestartet werden, mit anderen Worten getriggert werden (also mit der Drehzahl synchronisiert), und dann das erfasste Schwingungssignal verarbeitet werden: Die Amplitude und Phasenlage der Rotationsfrequenz bzw. einer Vielfachenkomponente müssen bestimmt werden. Als Ergebnis unserer Messungen haben wir also an jedem strukturellen Knotenpunkt drei (für jede räumliche Richtung) Schwingungsamplitudenwerte und Phasendaten. Diese Daten beschreiben zusammen, welche räumliche Bewegung der untersuchte Messpunkt (für eine bestimmte Frequenz) ausführt. Wenn uns auch eine Bewegung mit einer anderen Frequenz (Vielfaches der Rotationsfrequenz) interessiert, müssen die Messungen an jedem Punkt bei dieser Frequenz wiederholt werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass keine komplizierte Ausrüstung für die Messungen erforderlich ist und sie relativ schnell durchgeführt werden können. Der Nachteil ist jedoch, dass wir nur für eine (von der Rotationsfrequenz abhängige) oder je nach den Fähigkeiten des Geräts zwei bis drei ausgewählte (Vielfache der Rotationsfrequenz) Frequenzen Daten erhalten, und es unbedingt erforderlich ist, dass ein für die Triggerung geeignetes Signal am rotierenden Teil vorhanden ist. Referenzsignal- (Zwei-Sensor-)Methode Es wird mit zwei Schwingungssensoren gearbeitet, von denen einer als Referenz betrachtet wird und während der Messung nicht von seiner Position bewegt wird. Der andere Sensor wird nacheinander in die bestimmten Richtungen der einzelnen Messpunkte platziert. Während der Messung wird das Phasen- und Amplitudenspektrum der Schwingungen aufgezeichnet. Die zeitliche Beziehung der Signale erfolgt also nicht anhand des Triggerzeichens der Rotationsachse, sondern im Vergleich zu den vom Referenzsensor gemessenen Schwingungen.
Die Vorteile der Referenzsensor-Methode im Vergleich zur Triggerimpuls-Messung:Als Nachteil der Methode ist der erhöhte Bedarf an Ausrüstung zu erwähnen.
Es ist üblich, dass wir unsere Messungen während des Betriebs der zu untersuchenden Maschine durchführen, da wir meistens an den Ursachen für signifikante Maschinen- und Strukturschwingungen interessiert sind. Daher müssen wir - unabhängig von der angewandten Messmethode - immer die physikalischen Grenzen des Verfahrens berücksichtigen. Eine der wichtigsten Grenzen ist wahrscheinlich die Zeit aufgrund der Anzahl der gleichzeitig messbaren Kanäle (Messpunkte). In den meisten Fällen führen wir die Messung mit einem oder zwei Sensoren (einem oder zwei Kanälen) durch, daher erhalten wir nur vergleichbare Daten, wenn während der Messzeit konstante Schwingungen auftreten - zumindest während der Messung. Dies ist eine ernsthafte Einschränkung, da bei Hunderten von Messpunkten die erforderliche Zeit Stunden betragen kann, daher ist eine langfristige Stabilität (gleicher Betriebszustand) unbedingt erforderlich. Wenn dies nicht gewährleistet werden kann, können variable Amplituden- und Phasenverhältnisse leicht zu falschen Ergebnissen führen. Wenn möglich oder erforderlich, können die Betriebsvibrationen der zu untersuchenden Maschinenstruktur auch durch eine anregende Maschine ersetzt werden, die kontinuierliche Schwingungen mit der von uns festgelegten - normalerweise innerhalb bestimmter Grenzen veränderbaren - Kraft und Frequenz erzeugt. In diesem Fall müssen wir uns natürlich keine Sorgen machen, dass die Amplitude und Phase der Schwingungen nicht konstant sind.
Modellbildung, Auswertung
Nach der Datenerfassung folgt die Auswertung. Durch sorgfältige Analyse der Ergebnisse (Vergleich, Kohärenzprüfung usw.) können potenzielle Fehler in der untersuchten Struktur festgestellt werden, jedoch ist die Möglichkeit eines Irrtums - insbesondere bei großen Datenmengen - ziemlich hoch, da der Fehler möglicherweise nicht offensichtlich ist. Zur Beschleunigung der Analyse und Minimierung von Fehlern wird die computerbasierte, grafische Bewegungsanimation eingesetzt. Während der Animation wird die Bewegung der Maschinenstruktur mit groben Amplituden - aber phasenrichtig - und stark verlangsamt dargestellt, die einer bestimmten Frequenz zugeordnet ist. Mit einem gut gestalteten 3D-Modell (dreidimensional oder räumlich) - und natürlich fehlerfreien Messungen - können zahlreiche Maschinen- und Strukturfehler identifiziert werden. Am einfachsten lassen sich die Spielbewegungen zwischen den einzelnen Maschinenelementen erkennen. Das Fehlen von Bewegung kann ernsthafte Vibrationen und andere Folgen haben, wenn die Maschinenelemente eigentlich starr miteinander verbunden sein sollten. Die am häufigsten überprüften Verbindungen sind die Befestigungspunkte von Lager-Lagergehäuse-Grundplatte-Grundsystem sowie die gesamten zusammenhängenden Träger- und Gebäudestrukturen. In der Animationsgrafik ist das Spiel sehr leicht zu erkennen, da es signifikante Amplituden- und Phasenunterschiede in den Bewegungen der benachbarten (verbundenen) Maschinenelemente gibt. Die Phasen der Bewegung eines Maschinenelements, das nicht ordnungsgemäß an der Grundplatte befestigt ist, sind auf der Grafik sichtbar.
In der untersuchten Struktur treten Risse und Brüche ähnlich wie Spielbewegungen auf, aber ihre Erkennung ist viel aufwändiger. Während bei der Suche nach Spielen bei der Erstellung unseres Modells und damit bei der Erfassung der Messpunkte klar ist, wo der mögliche Fehler zu suchen ist (Verbindung der Maschinenelemente), sind für die weniger offensichtlichen Risse und Brüche Messungen innerhalb eines bestimmten Maschinenelements erforderlich. In diesem Fall kann der Erfolg der Untersuchung von der Modellbildung abhängen, da aus zu seltenen oder in unzureichender Ebene durchgeführten Messungen falsche Schlussfolgerungen gezogen werden können. Daher ist es unbedingt anzumerken, dass wenn während der Analyse und Animation der Messung auch der geringste Verdacht auf einen Fehler aufkommt, es ratsam ist, weitere - detailliertere - Untersuchungen in der Umgebung der betreffenden Punkte durchzuführen.
Mit der Animationsmethode kann auch das resonantes Verhalten einzelner Strukturelemente gut nachgewiesen werden. Eine einzige - aber sehr wichtige - Voraussetzung für die Untersuchung ist, dass die Struktur mit einer Kraft angeregt werden muss, die der Eigenfrequenz entspricht (falls dies aufgrund eines Konstruktions- oder Montagefehlers nicht von selbst während des Betriebs der Maschine auftritt). In der Grafik sind die Phasenbewegungen eines eingespannten Trägers bei Biegung oder Verdrehung bei einer Resonanzfrequenz sichtbar. (Quelle der Grafik: Energopenta)
In den genannten Beispielen können wir auch wesentlich komplexere Modelle erstellen - die Detailtiefe (und Komplexität) des Modells hängt natürlich hauptsächlich von der Aufgabe ab. Die Anzahl der Modellpunkte legt jedoch auch die zunehmende Messarbeit und die grafische Übersichtlichkeit des Ergebnisses fest. Auf der Abbildung ist ein Modell zu sehen, das die Pulsation eines unter Druck stehenden Tanks darstellt und mit dem Produkt VMI AB und der Hardware-unabhängigen Bewegungsanimations-PC-Software VibShape erstellt wurde. Das Sammeln der Daten vieler Messpunkte ist keine kleine Aufgabe, aber das Ergebnis ist beeindruckend. Hier ist darauf hinzuweisen, dass die Methode nicht allmächtig ist; wir sollten nicht versuchen, schnell ablaufende, schwer reproduzierbare oder zeitlich veränderliche (instationäre) Prozesse damit zu untersuchen.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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