"Anstatt Feuerlöschen und Großreparaturen"
Resonanzprobleme können durch strukturelle Änderungen (zum Beispiel Änderung der Eigenfrequenz der Strukturelemente, Entstimmung der Resonanzfrequenz oder Dämpfung der Resonanz) oder durch Änderung der Anregungsfrequenz (Behebung des Maschinenfehlers, Änderung der Betriebsdrehzahl oder der Art der Belastung) gelöst werden. Dafür müssen wir jedoch sicherstellen, dass wir tatsächlich mit Resonanz konfrontiert sind, und wir müssen die Frequenz kennen.
Im Hinblick auf industrielle Rotationsmaschinen können wir feststellen, dass jede Maschine eine oder mehrere Resonanzen hat, da dies eine Eigenschaft der Maschinenstruktur ist. Das Problem tritt nur auf, wenn eine der Resonanzfrequenzen mit der Drehfrequenz der Maschine oder ihren Vielfachen zusammenfällt. Bei Maschinen mit veränderlicher Drehzahl ergibt sich genau daraus das Problem: Je breiter der Betriebsdrehzahlbereich ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Gerät bei einer bestimmten Resonanzfrequenz oder ihren Vielfachen betrieben wird. Es ist unbedingt erforderlich, sich mit dem Resonanzproblem zu befassen, 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. Darunter gibt es eine, die neben einer stillstehenden Maschine durchgeführt werden muss (Anregung durch Schläge), und eine, die die während des Hoch- und Herfahrens der Rotationsmaschine auftretende variable Anregungsfrequenz nutzt (basierend auf den durch die Maschinenrotation verursachten Vibrationen). Bei allen ist es wichtig, da Resonanzen orts- und richtungsabhängig sind, die Reaktion auf die Anregung in mehreren Richtungen (z. B. horizontal und vertikal) zu messen. Dabei können erhebliche - sogar Größenordnungen umfassende - Unterschiede auftreten.
Schlagtest und seine Grenzen
Der einfachste Resonanztest ist der Schlagtest, der an einer stillstehenden Maschine durchgeführt werden sollte. Dabei wird die Maschinenstruktur mit einem einzigen Schlag angeregt, und das Spektrum der durch den Schlag erzeugten Vibrationen wird aufgezeichnet. Die Resonanzfrequenzen sind als Spitzen (Amplitudenspitzen) im Spektrum sichtbar. Die antiresonanten Bereiche erscheinen dagegen als Täler. Die Breite der Spitzen und Täler ist entscheidend für die Dämpfung. Welcher Frequenzbereich durch den Schlag angeregt werden kann, hängt von der Impulsdauer (τ) ab. Im Frequenzbereich 1/τ wirkt 90 Prozent der durch den Schlag in die Struktur eingebrachten Energie als Vibrationsanregung. Daraus ergibt sich, dass weiche (stumpfe) Schläge (z. B. mit einem Gummiklopfen) nur bis zu einigen 100 Hz anregen können, während harte (kurze) Schläge (z. B. mit einem Stahlhammer) Vibrationen in einem Bereich von mehreren kHz erzeugen können. Diese Beziehung verdeutlicht, dass der Schlagtest bei großen Strukturen und höheren Frequenzbereichen nicht mehr wirksam ist oder überhaupt nicht angewendet werden kann.
Hoch- und Herlaufuntersuchungen
Die im Folgenden beschriebenen Methoden nutzen die während des Hoch- und Herfahrens der Rotationsmaschine auftretende variable „natürliche“ (durch die Maschinenrotation verursachte) Vibrationsanregung zur Erkennung von Resonanzen. Der „Schönheitsfehler“ dieser Methoden besteht darin, dass die verwendete Anregung ebenfalls von der Drehzahl abhängig sein kann (denken Sie nur an die Unwucht: Die die Vibrationen anregende Zentrifugalkraft steigt quadratisch mit der Drehzahl an).
Spitzenhalte-Spektrumaufnahme
Sie nutzt die Fähigkeit der meisten Geräte, mehrere Spektren im Allgemeinen auf eine Spitzenhalte-Weise zu mitteln. (An jeder Frequenz wird der größte Amplitudenwert beibehalten.) Während des Stillstands und Hoch- oder Herfahrens der Maschine werden kontinuierlich Spektren aufgezeichnet und spitzenhaltend gemittelt. Das Ergebnis ist ein „verschwommenes“ Spektrum, aus dem die Amplitudospitzen, die auf Resonanzen hinweisen, erkennbar sind.
Wasserfalldiagrammaufnahme
Dieses Verfahren erfordert hochqualifizierte (mit hoher Speicherkapazität und schneller Spektrumanalysefähigkeit ausgestattete) Handgeräte, da während des Hoch- oder Herfahrens entweder in festgelegten Zeitintervallen oder abhängig von der Drehzahl (beim Erreichen eines Bruchteils der Betriebsdrehfrequenz) ein Schwingungsspektrum aufgezeichnet werden muss. Diese Spektren werden hintereinander angezeigt, um das sogenannte Wasserfalldiagramm zu erhalten. In dieser sehr anschaulichen Darstellungsform sind alle Amplitudenanstiege leicht erkennbar.
Die Aufzeichnung der Schwingungsamplitude und Phasenwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl
Grundlage ist die kontinuierliche Aufzeichnung der Schwingungsamplitude und des zugehörigen Phasenwinkels bei Stillstand oder Anlauf. Durch die grafische Darstellung davon werden nicht nur Amplitudenanstiege, sondern auch Phasenwinkelumkehrungen bei der Resonanzfrequenz (also ein annähernd 180°-Sprung) sichtbar.
Fehler bei Kugel- und Rollenlagern
Die Schäden an Lagern können auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden: fehlerhafte Montage, technologische Fehler bei der Montage der Wellenelemente, Einwirkung von Dampf, Überlastung, zu hohe Drehzahl, schlechte oder fehlende Schmierung, Material- und Fertigungsfehler. Grundsätzlich führt die normale Lagerbelastung - abhängig von der Lagerlebensdauer - früher oder später zu Materialermüdung und dann zu zunächst kleinen und dann rapide zunehmenden Schäden. Wenn ein Lager beschädigt ist, entstehen Vibrationen, und deren Frequenz hängt davon ab, an welchem Lagerbauteil der Defekt aufgetreten ist. Diese Fehlerfrequenzen - oft als Lagerfrequenzen oder Lagerfehlerfrequenzen bezeichnet - können leicht berechnet werden, wenn bestimmte grundlegende geometrische Abmessungen des Lagers bekannt sind.
Für die Berechnung der Fehlerfrequenzen müssen folgende Daten bekannt sein:
In unserem nächsten Beitrag werden wir uns genauer mit den Lagerfehlern, der Berechnung der Fehlerfrequenzen und der Untersuchung durch Aufzeichnung des Schwingungsspektrums befassen. Die folgenden Grundlagerfrequenzen (Lagergrundfrequenzen) existieren:
Der häufigste Lagerfehler ist eine Beschädigung des Außenrings, da in den meisten Fällen der Außenring feststeht und die Belastung (z. B. das Gewicht des rotierenden Teils) immer über die Rollen auf einen bestimmten Punkt des Außenrings wirkt. Die Berechnung der Fehlerfrequenzen muss je nachdem erfolgen, ob der Innen- oder der Außenring des Lagers rotiert.
Aufgrund der axialen Kräfte, die in den einzelnen Maschinen auftreten, erfolgt die Kraftübertragung nicht im im Lagertypenschild angegebenen Berührungswinkel. Der Berührungspunkt verschiebt sich minimal seitlich und somit ändert sich der tatsächliche Berührungswinkel. Dies wirkt sich auf die erwarteten Fehlerfrequenzen aus, die durch die Berechnung erhalten werden. In der Praxis tritt dies hauptsächlich bei großen axialen Belastungen auf, wobei die axialen Kräfte den Berührungswinkel erhöhen und dies die Entwicklung der Fehlerfrequenzen beeinflusst. Dieser Effekt ist recht gering, höchstens 2 Prozent, aber selbst bei dieser Berechnungsgenauigkeit decken die berechneten Fehlerfrequenzen nicht genau die tatsächlich gemessenen Frequenzen ab. In den meisten üblichen Fällen (Innenring dreht sich, Außenring steht) können die für Lagerfehler charakteristischen Vibrationen mit einer Genauigkeit von ±20 Prozent anhand der folgenden Gleichungen abgeschätzt werden:
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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