Spektrumanalyse von Maschinenpressen - Spiel, Riemenantrieb, Schaufelräder

Lockerung von Maschinenelementen, mechanisches Spiel

Lockerungen und große Spalte führen hauptsächlich zu hohen radialen Schwingungsspitzen bei der 1-, 2-, 3- oder 4-fachen Rotationsfrequenz, aber auch bei 5- bis 10-fachen Vielfachen. So ist das Vorhandensein von Spiel im Spektrum eindeutig erkennbar (siehe Diagramm unten), aber für die Diagnose - aufgrund der richtungsabhängigen Eigenschaften der Vibrationen - müssen sowohl horizontal als auch vertikal gemessen werden. In vielen Fällen sind die stärksten Vibrationen horizontal, während sie vertikal nur schwächer auftreten und axial entweder gar nicht oder nur selten vorkommen. Neben den Vielfachen der Drehzahl können auch subharmonische Schwingungen (typischerweise bei der halben Rotationsfrequenz) und Interharmonische (bei 3/2, 5/2 usw. Vielfachen der Rotationsfrequenz) auftreten. Bei schwerwiegenden Problemen können auch Schwingungskomponenten bei 1/3- bis 1/4-fachen Rotationsfrequenzen und deren Harmonischen auftreten. Da aus dem Charakter der Vibrationen nicht genau hervorgeht, welches Element gelockert ist, können problematische Komponenten nur durch Ausschlussverfahren gefunden werden. Dafür gibt es verschiedene Verfahren, von denen zwei hervorgehoben werden: Messung mit Instrumenten Zwei mechanisch eng verbundene Maschinenelemente müssen in Bezug auf Größe und Spektrum der Schwingungen übereinstimmen - auf beiden Seiten der Verbindung - um Spiel auszuschließen. Manuelle Überprüfung Mit dem Finger auf den Montagespalt können die Maschinenelemente überprüft werden, d. h. die Maschinenbasis, die Hauptbaugruppen, die Silentblöcke, die Lagerböcke und die Lagergehäuse: Wo man eine "Einklemmung" am Montagespalt spüren kann, gibt es eine variable Spaltgröße - also wurde ein Element gefunden, das Spiel verursacht. Wenn kein Anzeichen von Spiel festgestellt werden kann, kann - durch Ausschluss - ein zu großer Spalt in den Wellenlagern oder im Rotorteil selbst vorhanden sein.

Diagramm: Typisches Schwingungsspektrum bei Spiel [Quelle: DDC]

Vibrationsphänomene von Riemenantrieben

Bei Riemenantrieben können zwei Arten von Fehlersymptomen auftreten: Phänomene im Zusammenhang mit Beschädigungen des Riemens und der Riemenscheiben sowie die Resonanz des passiven (unbelasteten) Halbstrangs des Riemens. In beiden Fällen entstehen völlig unterschiedliche Schwingungen. Beschädigungen des Riemens und der Riemenscheiben Der Riemen (flach, Keil- oder Zahnriemen) umschließt die Riemenscheibe an der Antriebs- und der Abtriebswelle. Wenn man einen beliebigen Punkt auf dem Riemen markiert, wird seine Umfangsfrequenz natürlich niedriger sein als die Rotationsfrequenz der langsamer drehenden Riemenscheibe. Dies ist die Grundfrequenz des Riemens (abgekürzt Riemenfrequenz). Die Gleichung für die Riemenfrequenz lautet: f_sz = _f_d * d * π_ = _f_D * D * π_ ,wo H H

f_sz die Riemenfrequenz, d der Durchmesser der kleineren Riemenscheibe, f_d die Rotationsfrequenz der kleineren Riemenscheibe, D der Durchmesser der größeren Riemenscheibe, f_D die Rotationsfrequenz der größeren Riemenscheibe und H die Länge des Riemens ist.

Wenn eine lokale Beschädigung am Riemen auftritt, berührt sie bei der Umlaufung einmal die Antriebs- und einmal die Abtriebsriemenscheibe. Insbesondere an der Stelle des Fehlers und des Zusammentreffens mit der Riemenscheibe entsteht eine stoßartige Schwingungsanregung - ein Umlaufimpuls. Darüber hinaus können Fehler im Riemen auch sprunghafte Änderungen der Riemenfestigkeit verursachen, wenn die beschädigten Stellen mit einer der Riemenscheiben in Kontakt kommen oder diese verlassen.

 

Diagramm: Geometrische Zusammenhänge mit der Riemenfrequenz [Quelle: PIM]

Da die stoßartige Schwingungsanregung bei der Umlaufung zweimal erfolgt, treten das Doppelte der Riemenfrequenz und deren Vielfache als radiale Schwingungen im Spektrum auf (siehe nächstes Diagramm). Bei Zahnriemen können auch das Produkt aus Riemenfrequenz und Zahnzahl auftreten. Bei Einstellfehlern der Riemenscheiben sind starke axiale Schwingungen zu erwarten, die das Doppelte der Riemenfrequenz betreffen. Es ist anzumerken, dass die durch den Riemen verursachten Stöße nicht immer im Zeitbereich sichtbar sind und meist nur sehr schwach in den Spektren erscheinen. Dies liegt daran, dass der gummiartige Riemen nicht in der Lage ist, energiereiche Impulse an die im Vergleich dazu schweren Riemenscheiben zu übertragen.

Diagramm: Auftreten der Riemenfrequenz und ihrer Vielfachen im Schwingungsspektrum [Quelle: DDC]

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

Abbildung: Resonanz des passiven Riemenhalbmessers [Quelle: PIM]

Es wäre während des Betriebs schwer festzustellen, wie hoch die Resonanzfrequenz des passiven Riemenhalbmessers ist. Diese Bestimmung kann bei stehender Maschine viel einfacher erfolgen: Der Riemen muss senkrecht zur Längsachse gespannt werden (nur bei stehender Maschine!), ähnlich wie bei einer Gitarrensaite. Die Frequenz der dadurch entstehenden Riemenresonanz wird etwas niedriger sein als die Betriebsresonanzfrequenz, aber sie ist eine sehr gute Annäherung. (Der Unterschied liegt in den während des Betriebs auftretenden Zugkräften und den daraus resultierenden Änderungen der Riemenspannung.)

Probleme mit Schaufelrädern (Ventilatoren und Pumpen)

Bei rotierenden Schaufelmaschinen können Probleme auftreten, die nicht nur durch Unausgewogenheit und Lockerheit verursacht werden. Diese Strukturen - wie Ventilatoren, Zentrifugalpumpen und Turbinen - weisen zusätzliche vibrationskritische Eigenschaften auf. Wenn eine oder mehrere Schaufeln so beschädigt sind, dass sich ihr Gewicht ändert (zum Beispiel bricht ein Stück ab), ihr Schwerpunkt sich verschiebt oder sich einfach nur Verschmutzungen darauf ablagern, äußert sich dies als Unausgewogenheitsschwingung im Spektrum, basierend auf allgemeinen physikalischen Zusammenhängen für rotierende Teile. Eine ganz andere Ursache kann auf die - bei vielen Konstruktionen "natürliche" - Schaufelfrequenz (oder kurz Schaufelfrequenz) zurückgeführt werden. Diese Schwingung entsteht, weil jede einzelne Schaufel einen Druckimpuls erzeugt, wenn sie an einem Hindernis vorbeigeht. Ein Hindernis kann sowohl der Ein- als auch der Auslassstutzen sein, aber auch jedes andere strömungstechnische Element kann diese Druckimpulse auslösen. Die Gleichung für die Schaufelfrequenz lautet: F_l = n / 60 × N, wobei

F_l die Schaufelfrequenz, n die Achsdrehzahl und N die Anzahl der Schaufeln des Rotors ist.

Oft sind Vielfache der Schaufelfrequenz vorhanden. Der Grund dafür ist, dass nicht nur ein einzelnes Hindernis den Weg des Luftstroms zu den Schaufeln des betreffenden Geräts blockieren kann, sondern auch Druckimpulsrückwirkungen auftreten können. Mehrstufige Schaufelstrukturen erzeugen jeweils ihre eigenen Schaufelfrequenzen (und deren Vielfache). Wenn in der Struktur statische (leitende) Schaufeln vorhanden sind, können auch höherfrequente Schwingungen entstehen, deren Frequenz dem Produkt aus Schaufelfrequenz und Anzahl der statischen Schaufeln entspricht. Darüber hinaus können um die Schaufelfrequenz herum Seitenbänder (Modulationen) 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 strömungsführenden Element in Berührung kommt, können deren Reibung oder stoßartige Impulse im Spektrum sichtbar werden. Auch Druckschwankungen am Ein- und Auslass können Seitenbänder mit Rotationsfrequenz verursachen. Neben der erwähnten Schaufelfrequenz gibt es noch eine besondere Eigenschaft bei flüssigkeitsführenden Geräten: die Kavitation, die auftritt, wenn der Unterdruck im Strom so stark ansteigt, dass Dampf aus der transportierten Flüssigkeit entweicht. Dieses Dampfaustreten erfolgt in Form von kleineren oder größeren Blasen genau dort, wo der Unterdruck am größten ist, also direkt an den Schaufelseiten. Da jede Blasenbildung wie eine Miniexplosion abläuft, kann man sich leicht vorstellen, wie schädlich dies für die Oberflächen der Schaufeln ist. Dieser Prozess ist gut hörbar und manifestiert sich als hochfrequente, breitbandige Vibration (als hochwertiger, breitbandiger Geräuschteppich) oder als Zunahme der Vielfachen der Schaufelfrequenzen im Spektrum.

 

Abbildung: Erscheinung der Kavitation im Vibrationspektrum [Quelle: PIM]

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

Kontaktaufnahme

Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (teilweise) Verwendung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit der vorherigen schriftlichen Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts (Copyright) hat rechtliche Konsequenzen.