Wenn eine rotierende Maschine ihre Resonanzfrequenz erreicht, kann dies zu schweren Schäden an der Maschine (und der Anlage), zu Verletzungen von Mitarbeitern und zu massiven finanziellen Folgen führen. Dies muss unter allen Umständen verhindert werden. Obwohl die meisten rotierenden Maschinen so konstruiert sind, dass die Resonanzfrequenz nie mit der Maschinendrehzahl übereinstimmt, kann eine Resonanz aufgrund von Konstruktionsfehlern, Drehzahländerungen oder äußeren Einflüssen (wie der Eigenfrequenz des Fundaments) dennoch auftreten.
Kritische Frequenzen
Jede Maschine (Einrichtung) hat eine oder mehrere Eigenfrequenzen, d. h. die Frequenz, bei der ein System dazu neigt, zu schwingen, ohne dass eine Antriebs- oder Dämpfungskraft vorhanden ist. Wenn eine rotierende Maschine in Betrieb ist, wird eine bestimmte Schwingungsfrequenz erzeugt. Wenn diese Schwingungsfrequenz mit der Eigenfrequenz der Maschine (Struktur) übereinstimmt, tritt eine mechanische Resonanz auf. In diesem Fall schwingt die Maschine stark im Einklang mit der Schwingungsquelle und erzeugt eine verstärkte Schwingung. Die verstärkten Schwingungen können so stark sein, dass sie eine zerstörerische Wirkung auf die Maschine haben.
Die Ursachen für Schwingungen in rotierenden Maschinen können unterschiedlich sein. Erfahren Sie mehr über die Ursachen von Vibrationen.
Lösung
Es liegt auf der Hand, dass Resonanz vermieden werden muss. Zu diesem Zweck können Beschleunigungsmesser zur Überwachung von Maschinenschwingungen eingesetzt werden. Mit Hilfe eines Senders kann der Beschleunigungsmesser mit einer SPS, einem DCS oder einem SCADA-System kommunizieren, so dass bei Bedarf schnell und angemessen gehandelt werden kann. Es ist wichtig, die kritischen (Resonanz-)Frequenzen zu kennen, da diese zur Festlegung von Alarmwerten verwendet werden. Diese Alarmwerte sollen verhindern, dass eine rotierende Maschine die Resonanzfrequenz erreicht.
Weitere Informationen über Beschleunigungsmesser und ihre Verwendung finden Sie auf den folgenden Seiten:
- Vorbeugung von Maschinenschäden mit einem Schwingungsüberwachungssystem
- Schwingungsmessungen mit Beschleunigungsaufnehmern
- 11 Tipps für die Auswahl des richtigen industriellen IEPE-Beschleunigungsmessers
- Beschleunigungsmesser (Produkte)
Methoden zur Bestimmung der Resonanzfrequenz
Es gibt mehrere Methoden zur Bestimmung der Resonanzfrequenz einer Maschine. Die am häufigsten verwendeten Methoden werden im Folgenden erläutert.
Stoßprüfung (Aufprallprüfung)
Ein Bump-Test hilft dabei, die kritische(n) Frequenz(en) von Maschinen zu ermitteln. Es gibt verschiedene Methoden zur Durchführung eines Bump-Tests. Es kann einfach sein, dem Material (der Maschine) einen Schlag mit einem Gummihammer zu versetzen. Die Ausrüstung kann dann eine Probe von einigen Sekunden nehmen (Zeitbereichsdarstellung), die Dauer einer Umdrehung einer rotierenden Maschine. Die Dauer der Messung hängt von den ermittelten Resonanzfrequenzen ab. Es ist wichtig, die Maschine an mehreren Stellen zu testen; Messungen sollten sowohl am Antriebs- als auch am Übergabepunkt vorgenommen werden, um die Resonanzfrequenz der Maschine zu bestimmen. Für diesen Test muss die Maschine außer Betrieb sein, um falsche Daten zu vermeiden und die Bestimmung der Eigenfrequenz der Maschine zu erleichtern.
Hochlauf-/Abrolltest
Beim so genannten "coast down peak hold" wird die Schwingung vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme bis zum Abschalten der Maschine überwacht. Wenn keine Resonanz auftritt, wird erwartet, dass der Schwingungspegel konstant bleibt. Steigt das Schwingungsniveau während des Abschaltens an, kann die Drehzahl, mit der die Amplitude zunimmt, auf die Eigenfrequenz hinweisen. Zusätzlich zu diesem Test gibt es die umfassendere "Auslaufspitzenphase", bei der sowohl der Schwingungspegel als auch die Phasenverschiebung der Maschine gemessen werden. Auf diese Weise lässt sich die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) ermitteln, die in der Mitte der 180-Grad-Phasenverschiebung liegt.
Formel für die Eigenfrequenz
Eine dritte Methode ist die einfache Berechnung der Eigenfrequenz anhand einer Formel. Dies ist jedoch nicht so einfach, wie die Formel vermuten lässt. Um die Eigenfrequenz (ωn) einer Maschine zu berechnen, müssen die Parameter Steifigkeit (k) und Masse (m) bekannt sein. Dies ist oft nicht der Fall. Vor allem die Bestimmung der Steifigkeit einer Struktur ist sehr schwierig. Außerdem ändert sich die Eigenfrequenz, wenn sich einer der beiden Parameter ändert. Daher wird diese Methode nur selten angewandt.
Ändern der Eigenfrequenz
Die Eigenfrequenz kann z. B. durch Änderung der Steifigkeit oder der Masse der Maschine verändert werden. Durch eine Erhöhung der Masse oder eine Verringerung der Steifigkeit wird die Eigenfrequenz verringert. Umgekehrt führt eine Verringerung der Masse und eine Erhöhung der Steifigkeit zu einer Erhöhung der Eigenfrequenz.
Es ist nicht immer möglich, einen der Parameter (Steifigkeit oder Masse) zu ändern. In diesem Fall kann die Drehzahl, mit der sich die Maschine dreht, geändert werden. Dies ist jedoch oft keine Option; eine Maschine dreht sich nicht ohne Grund mit einer bestimmten Drehzahl. Es besteht auch die Möglichkeit, einen dynamischen Stoßdämpfer an der Maschine anzubringen, der die Vibrationen deutlich reduziert.
Als eine der häufigsten Ursachen für außergewöhnliche Maschinenschwingungen ist es wichtig, den Betrieb innerhalb der Resonanzfrequenz zu vermeiden. Um diese Frequenz zu bestimmen, ist eine präzise Messung erforderlich, um die Eigenfrequenz zu ermitteln. Neben der Resonanz spielen Unwucht, Ausrichtungsfehler oder beschädigte Komponenten oft eine wichtige Rolle bei der Verursachung abnormalen Schwingungsverhaltens.
