Physics in Industry
Schwingungsmessung

Schwingungsanalysen

Schwingungen: In so manchen technischen Anwendungen sind sie gewollt, in den meisten Fällen jedoch stören sie. Zum Problem werden Schwingungen dadurch, dass ein Konstruktionselement und erst recht eine gesamte Konstruktion sich nicht einheitlich verhält, sondern unterschiedliche Positionen sich unterschiedlich bewegen. Dadurch kommt es zu oszillierenden Verformungen und zu inneren Spannungen. Die Beanspruchung von Bauteilen ist bei Wechsellast bekanntlich deutlich höher als bei einer im Mittel gleich großen konstanten Last. Durch über einen längeren Zeitraum anhaltende Schwingungen können im Stahlbau Risse entstehen, insbesondere in Schweißnähten, die langfristig zum Versagen einer Konstruktion führen. Bei rotierenden Maschinen führen Translationsschwingungen zu einem schnelleren Verschleiß der Lager und anderer Komponenten.

-  Was ist die Ursache für das Auftreten von Schwingungen an unserer Maschine oder Anlage?
-  Sind die Schwingungen schadenswirksam oder tolerabel?
-  Von welchen Konstruktionsmerkmalen oder Anlagenparametern sind sie abhängig?
-  Was kann oder muss getan werden, um die Schwingungen zu vermindern oder sie ganz zu vermeiden?
Solche und weitere Fragen klärt eine Schwingungsanalyse.

Physics in Industry hilft Ihnen bei der Klärung und Lösung von Schwingungsproblemen. Je nach Schwingungssituation und abhängig von der Fragestellung setzen wir dafür unterschiedliche Methoden und Werkzeuge ein:

Schwingungsmessung

Wozu Schwingungen messen? Dafür kann es verschiedene Gründe geben:

  • Es soll die Schwingungsursache ermittelt werden.
  • Die Ursache ist bekannt. Es soll das Schwingungsausmaß und das Schädigungspotenzial ermittelt werden.
  • Eine Maschine soll überprüft oder überwacht werden.

Treten Schwingungen völlig unerwartet auf, besteht der erste Schritt darin, die Schwingungsursache zu finden. Mithilfe von Schwingungsmessungen lassen sich sehr leicht die Schwingungsfrequenz(en), der Schwingungsmodus und die Abhängigkeit der Frequenz(en) und Amplitude(n) von Anlageneinstellungen ermitteln - alles wichtige Hinweise dafür, den Schwingungserreger zu identifizieren.

Schwingungsphänome sind vielfältiger Natur, sowohl was ihre Ursachen betrifft als auch ihr Erscheinungsbild. Doch das Prinzip ist immer das gleiche: stets gibt es einen Schwingungserreger und ein schwingungsfähiges System. Auch in solchen Fällen, in denen die Identität des Schwingungserregers offensichtlich ist, zum Beispiel beim Einsatz eines Rüttelsiebs mit Unwuchtantrieb, sind Messungen sinnvoll, wenn es darum geht, benachbarte Anlagenkomponenten nicht zu überlasten. Ist der Schwingungserreger vom Rest der Anlage nicht ausreichend schwingungsmäßig entkoppelt, werden benachbarte Anlagenkomponenten und Maschinen mitschwingen und sind so einer Wechselbelastung ausgesetzt, für die diese möglicherweise nicht ausgelegt sind.

Mithilfe von Schwingungsmessungen ermitteln wir die Schwingungsamplituden von Konstruktionen und Maschinen und - kombiniert mit einer harmonischen Analyse - die damit einhergehenden Spannungsamplituden. In einer Dauerfestigkeitsuntersuchung ermitteln wir die Schadenswirksamkeit.

Für die Schwingungsmessung setzen wir vorwiegend Beschleunigungssensoren ein. Diese sind in vielen Messbereichen und Genauigkeiten verfügbar und sehr unkompliziert in der Anwendung. Durch Einsatz mehrerer Sensoren gleichzeitig, verbunden mit einer computergestützten Messdatenaufzeichnung, lassen sich nicht nur die Schwingungsfrequenzen, sondern leicht auch die Amplituden- und Phasenrelationen zwischen unterschiedlichen Messpositionen oder -richtungen messen und so der Schwingungsmodus einer Konstruktion erfassen.
Primäre Messgröße ist die Beschleunigung und ihr zeitlicher Verlauf. Durch Fourier-Transformation (FFT) der von einem Sensor aufgenommenen Daten über ein Zeitintervall erhält man das zugehörige Frequenz-Spektrum. Durch Kombination der Frequenzspektren von aufeinander folgenden Zeitintervallen in einem gemeinsamen Diagramm lässt sich die zeitliche Entwicklung des Frequenzspektrums sichtbar machen (Wasserfall-Diagramm).

Ein spezielles und ebenfalls wichtiges Anwendungsgebiet für Schwingungsmessungen ist die Maschinendiagnostik. Mit entsprechend empfindlichen Sensoren lassen sich kleinste Abweichungen vom exakt runden Verlauf erfassen und am Frequenzspektrum ablesen. Diese Messung ist unkompliziert und erfolgt einfach außen am Gehäuse, erfordert also keinerlei Eingriff in das Innere der Maschine.
Eine minimale Unwucht des Rotors oder ein leicht beschädigter Zahn in einem Zahnradgetriebes bedeuten eine periodische Krafteinwirkung, deren Frequenz samt Oberschwingungen im Spektrum sichtbar wird. Ein etwas anderes Schwingungsbild ergibt sich bei Lagerverschleiß. Dies äußert sich in einem chaotisch wirkenden Frequenzspektrum. Je weiter fortgeschritten der Verschleiß, umso chaotischer stellt sich das Spektrum dar.

Modalanalyse

(FE-)Modal-Analysen dienen dazu, Eigenschwingungsformen und die zugehörigen Eigenfrequenzen von Konstruktionen oder deren Komponenten zu berechnen. Modal-Analysen werden idealerweise bereits in der Planungsphase einer Anlage durchgeführt, damit man schon im Voraus die Eigenfrequenzen kennt und ggf. durch Änderungen in der Konstruktion mögliche Resonanzeffekte verhindern kann. Plant man zum Beispiel ein Gestell für einen Schwingförderer, dessen Schwingfrequenz innerhalb eines gewissen Frequenzbereichs einstellbar ist, sollte man dafür sorgen, dass keine der Eigenfrequenzen des Gestells in diesem Frequenzbereich liegen wird. Andernfalls wären Schwingungsprobleme bereits durch die Konstruktion vorprogrammiert.

Vereinfacht lässt sich jedes schwingungsfähige System grundsätzlich als aus Feder-Masse-Pendeln zusammengesetzt denken. Die Eigenfrequenz eines solchen Feder-Masse-Pendels hängt ab von der Masse des Pendels und der Federkonstante der Feder. Je größer die Masse, umso niedriger die Eigenfrequenz, je höher die Federkonstante (= Steifigkeit), umso höher die Eigenfrequenz. Versteifung einer Konstruktion hat also zwei Effekte: die Konstruktion wird zum einen stabiler, kann also ein höhere Last ertragen, und es erhöht sich die Eigenfrequenz.

Nachträgliche Versteifung einer Konstruktion ist eine gebräuchliche Maßnahme, um die Eigenfrequenz aus dem kritischen Bereich heraus nach oben zu verschieben. Natürlich muss vorher geklärt sein, wo die Eigenfrequenzen der Konstruktion liegen und wo sie nach einer Umbaumaßnahme liegen werden, damit man nicht etwa durch die Maßnahme erst recht im kritischen Bereich landet. Die Modal-Analyse ist daher auch für nachträgliche Korrektur-Maßnahmen ein wichtiges Werkzeug.

Harmonische Analyse

Bei der harmonischen Analyse wird untersucht, wie eine Konstruktion reagieren wird, wenn sie einer schwingenden Belastung definierter Frequenz ausgesetzt wird. Eine solche Situation ist z.B. beim Einsatz von Kolbenmaschinen gegeben und bei Maschinen und Apparaten, die mit Vibration arbeiten. Hierbei kann sowohl die Maschine selber Gegenstand der Untersuchung sein als auch die Anlage, in die eine solche Maschine eingebaut wird. Die Konstruktion schwingt dann nicht in ihrer Eigenschwingung (die in einer Modalanalyse untersucht wird), sondern schwingt mit einer von außen, vom Erreger vorgegebenen Frequenz. Man spricht in diesem Fall von einer erzwungenen Schwingung. Die Reaktion der Konstruktion auf die aufgeprägten (oszillierenden) Kräfte und Momente wird natürlich von der Amplitude der Anregung abhängen, aber auch von deren Frequenz. Je näher die Frequenz an einer der Eigenfrequenzen liegt, um so stärker wird die Schwingungsreaktion der Konstruktion ausfallen (Resonanzeffekt). In einer harmonischen Analyse wird eine FE-Modell der zu untersuchenden Konstruktion erstellt und die oszillierende(n) Last(en) als Randbedingung aufgeprägt. Führt man die Simulation bei unterschiedlichen Frequenzen durch und vergleicht jeweils die Schwingungsreaktion, so zeigt sich die Frequenzabhängigkeit. Man spricht in diesem Fall von einer Frequenzgang-Analyse.

Eigentliches Ziel der Analyse und Interesse des Konstrukteurs ist, die mit den Schwingungen einhergehenden Spannungsverläufe und insbesondere die Spannungsamplituden und Mittelspannungen an den "Hotspots" zu erfahren. Als Hotspots für die Spannungen erweisen sich in der Regel nicht diejenigen Stellen, an denen es am deutlichsten, also mit der größten Wegamplitude schwingt, sondern sie liegen häufig gerade dort, wo die Bewegung durch Einspannung eingeschränkt ist.

Ein sehr anschauliches Beispiel dafür ist der "Biegebalken": Bei einem Kragbalken, der transversal belastet wird, besteht die maximale Auslenkung an seinem freien Ende. Maximal sind die Spannungen jedoch an der Einspannposition, weil dort auch das sich als Reaktion einstellende Biegemoment maximal ist.

Typischer Weise sollen die in einer harmonischen Analyse berechneten Spannungen an den Hotspots hinsichtlich ihres Schädigungspotenzials bewertet werden. In diesem Fall führen wir im Anschluss einen Dauerfestigkeitsnachweis nach Regelwerk für Sie durch (FKM-Richlinie oder ASME BPVC - Boiler and Pressure Vessel Code).