Produktionstrend 2009/04, Technische Diagnoseabteilung

 "Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"

Bei Riementrieben können wir zwei Arten von Fehlersymptomen feststellen: Phänomene im Zusammenhang mit Beschädigungen des Riemens und der Riemscheiben sowie die Resonanz des passiven (unbelasteten) Teils des Riemens. In beiden Fällen entstehen völlig unterschiedliche Vibrationen, die ebenfalls durch die Schwingungsdiagnose untersucht werden können.

Der Riemen (genauer gesagt Flach-, Keil- oder Zahnriemen) umschließt die Riemscheibe auf der Antriebs- und der angetriebenen Welle. Wenn wir einen beliebigen Punkt auf dem Riemen markieren, wird die Umfangsfrequenz natürlich geringer sein als die Drehfrequenz der langsamer drehenden Riemscheibe. Dies ist die Grundfrequenz des Riemens (kurz Riemenfrequenz). Die Gleichung für die Riemenfrequenz lautet:

f_sz = _f_d * d * π_   = _f_D * D * π_ H                      H

wo f_sz die Riemenfrequenz, d der Durchmesser der kleineren Riemscheibe, f_d die Drehfrequenz der kleineren Riemscheibe, D der Durchmesser der größeren Riemscheibe, f_D die Drehfrequenz der größeren Riemscheibe und H die Länge des Riemens ist.

Lokale Beschädigung

Bei einer lokalen Beschädigung des Riemens berührt dieser während des Umlaufs einmal die Antriebs- und einmal die angetriebene Riemscheibe. Insbesondere beim Zusammentreffen des Fehlers und der Riemscheibe entsteht eine stoßartige Schwingungsanregung - der Einführungsimpuls. Darüber hinaus können Riemenfehler auch sprunghafte Änderungen in der Riemenspannung verursachen, wenn sie mit einer der Riemscheiben in Kontakt kommen oder diese verlassen.

Da die stoßartige Schwingungsanregung während des Umlaufs zweimal stattfindet, treten das Doppelte der Riemenfrequenz und deren Vielfache als radiale Vibrationen im Spektrum auf. Bei Zahnriemen können auch das Produkt aus Riemenfrequenz und Zähnezahl auftreten. Bei Einstellfehlern der Riemscheiben sind starke axiale Vibrationen zu erwarten, die das Doppelte der Riemenfrequenz erreichen. Es sei darauf hingewiesen, dass die von Riemen verursachten Stöße nicht immer im Zeitbereich sichtbar sind und meist nur sehr schwach im Spektrum erscheinen. Dies liegt daran, dass der gummiartige Riemen nicht in der Lage ist, energiereiche Impulse an die im Vergleich dazu schweren Riemscheiben weiterzugeben.

Resonanz des passiven Teils  

Bei Riemenantrieben tritt häufig die Resonanz des unbelasteten (passiven) Teils des Riemens auf. Diese Resonanzen sind besonders kritisch, wenn sie mit anderen Maschinenfrequenzen zusammenfallen.

Im Betrieb wäre es schwer festzustellen, welche Resonanzfrequenz der passiven Hälfte des Riemens vorliegt. Es ist viel einfacher, dies bei einer stillstehenden Maschine wie folgt zu messen: Der Riemen muss in Längsrichtung angeregt werden (nochmals der Hinweis, dass dies bei einer stillstehenden Maschine erfolgen sollte), ähnlich wie bei einer Gitarrensaite. Die Frequenz der dadurch entstehenden Riemenresonanz wird etwas niedriger sein als die Betriebsresonanzfrequenz, aber als Näherungswert sehr gut verwendbar sein. (Der Unterschied beruht auf den auftretenden Zugkräften im Betrieb und den daraus resultierenden Änderungen der Riemenspannung.)

Probleme mit Schaufelrädern

Maschinen mit Drehflügeln können Probleme haben, die nicht nur aus Unwucht und Spiel resultieren. Diese Strukturen - wie Ventilatoren, Zentrifugalpumpen und Turbinen - weisen zusätzliche vibrationskritische Eigenschaften auf. Wenn ein oder mehrere Flügel beschädigt sind, indem sich ihr Gewicht ändert (zum Beispiel ein Stück abbricht) oder ihr Schwerpunkt verschoben wird, oder wenn sie einfach nur verschmutzt sind, zeigt sich dies als Unwuchtschwingung im Spektrum, basierend auf allgemeinen physikalischen Zusammenhängen für rotierende Teile. Eine ganz andere Ursache kann auf die - bei vielen Konstruktionen "natürliche" - Schwingungsfrequenz der Flügel (oder kurz Flügelfrequenz) zurückgeführt werden. Diese Schwingung entsteht, weil jeder Flügel einen Druckimpuls erzeugt, wenn er an einem Hindernis vorbeifliegt. Ein solches Hindernis kann der Ein- oder Auslassstutzen sein, aber auch jedes andere strömungstechnische Element kann diese Druckimpulse auslösen. Die Gleichung für die Flügelfrequenz lautet: F_l = n / 60 × N

wo F_l die Flügelfrequenz, n die Drehzahl der Welle und N die Anzahl der Flügel des Drehflügels ist.

Oft sind Vielfache der Schaufelfrequenz vorhanden. Der Grund dafür ist, dass nicht nur ein einzelnes Hindernis den Weg des Strömung nahe den Schaufeln des betreffenden Geräts blockieren kann, sondern auch Druckimpulsrückwirkungen auftreten können. Mehrstufige Drehflügelstrukturen erzeugen jeweils ihre eigenen Schaufelfrequenzen (und Vielfache). Bei Anwesenheit von statischen Schaufeln (Leitschaufeln) können auch höherfrequente Vibrationen auftreten, deren Frequenz mit dem Produkt aus Schaufelfrequenz und Anzahl der statischen Schaufeln übereinstimmt.

Zusätzlich können um die Schaufelfrequenz herum Seitenbandmodulationen im Spektrum auftreten, da sich die Strömungseigenschaften der beschädigten Schaufel(n) geändert haben und daher die Druckimpulse anders entstehen. Wenn die Schaufel mit der Verkleidung oder einem anderen Strömungsführungselement in Berührung kommt, können deren Reibung oder stoßartige Impulse im Spektrum sichtbar sein. Ein- und Ausgangsdruckschwankungen können ebenfalls Seitenbandmodulationen um die Rotationsfrequenz verursachen.

Neben der genannten Schaufelfrequenz gibt es eine besondere Eigenschaft bei flüssigkeitsführenden Geräten: die Kavitation, die auftritt, wenn der Vakuumeffekt im Strom so signifikant wird, dass Dampf aus der transportierten Flüssigkeit austritt. Dieses Dampfaustreten erfolgt in Form von kleineren oder größeren Blasen genau dort, wo der Vakuumeffekt am stärksten ist, also direkt an den Seiten der Schaufeln. Da jede Blasenbildung wie eine Miniexplosion abläuft, kann man sich leicht vorstellen, wie schädlich dies für die Oberfläche der Schaufeln ist. Dieser Prozess äußert sich als gut hörbare und hochfrequente Breitbandvibration (als hochwertiger und breitbandiger Geräuschteppich) sowie als Anstieg der Vielfachen der Schaufelfrequenzen im Spektrum.

Auftreten von Resonanzen

Mechanische Strukturen zeigen bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Steifigkeiten. Bei Frequenzen, bei denen die Struktur wenig Steifigkeit aufweist (dh eine hohe Schwingungsneigung besteht), können bereits sehr geringe Kräfte die Struktur in starke Schwingungen versetzen. Diese Frequenzen werden Resonanzfrequenzen genannt, und der umgebende Frequenzbereich wird als Resonanzbereich bezeichnet. Der Frequenzbereich, in dem die Struktur jedoch über eine ausgesprochen hohe Steifigkeit verfügt, 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 gering gedämpft und schwingen nach der Anregung lange nach (wie eine Glocke oder ein Xylophon). Bei solchen Resonanzen ist in der Regel ein sehr enger Frequenzbereich mit signifikanter Amplitudensteigerung zu beobachten. Weiche und plastische (elastische, weiche) Materialien (wie Gummi, Holz) sind stark gedämpft. Bei diesen Materialien finden wir in der Regel einen sehr breiten Frequenzbereich von Resonanzen, deren Amplitudensteigerungen nicht so hoch sind. Aus Sicht industrieller 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 der Konstruktion der Maschinenstruktur ab. Ein Problem tritt nur auf, wenn eine der vorhandenen Resonanzfrequenzen mit der Rotationsfrequenz der Maschine oder deren Vielfachen zusammenfällt. Bei Maschinen mit variabler Drehzahl (wie Gleichstrom- oder Frequenzumrichtermotoren) ergibt sich daraus genau 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) oder durch Änderung der Anregungsfrequenz (durch Behebung des Maschinenfehlers, Änderung der Betriebsdrehzahl oder der Art der Belastung) gelöst werden. Dazu müssen wir jedoch zuerst sicherstellen, ob tatsächlich eine Resonanz vorliegt, und die Frequenz kennen. Im nächsten Abschnitt werden wir uns mit der praktischen Umsetzung dieser Untersuchung befassen.

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

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