Gefährliche Schwingungen – wie Sie sie erkennen und vermeiden

Gefährliche Schwingungen – wie Sie sie erkennen und vermeiden

Eine Schwingung entsteht immer dann, wenn ein elastisches System aus dem stabilen Gleichgewicht gebracht wird und eine rücktreibende Kraft besteht, die dieses Gleichgewicht wieder herstellen will.

Für den Ablauf einer Schwingung sind
3 Faktoren von entscheidender Wichtigkeit:

* Die Energiemenge der Auslenkung bestimmt die Amplitude,

* das elastische Verhalten des Systems die Frequenz,

* der Aufbau und die Umgebung des Systems die Dämpfung.

Resonanz – der kritische Faktor

Wenn ein einfaches elastisches System ausgelenkt wird, schwingt es immer mit derselben Frequenz, bis es wieder den Ausgangszustand er- reicht. Dabei ist es egal, wie stark die Auslenkung war oder wodurch sie hervorgerufen wird. Diese Frequenz ist das charakteristische Merkmal eines jeden elastischen Systems und wird als Resonanzfrequenz be- zeichnet.

Die A-Saite einer Gitarre hat eine Resonanzfrequenz von 110 Hz. Das ist allerdings kein Merkmal der Saite allein, sondern des ge- samten schwingungsfähigen Systems. Die Resonanzbedingung ist nur dann gegeben, wenn die Saite auch die richtige Spannung (Stimmung) aufweist. Die Saite selbst weist lediglich bei dieser Spannung eine optimale Bespielbarkeit auf.

Durch die Dämpfung kommt jede Schwingung bei einmaliger Auslenkung nach mehr oder weniger kurzer Zeit zum Erliegen. Anders sieht das aus, wenn die auslenkende Kraft bestehen bleibt und die gleiche Frequenz aufweist wie die Resonanzfrequenz des Systems. In diesem Fall stehen beiden Systeme in „Resonanz“. Weist das schwingungsfähige System auch noch eine sehr geringe Dämpfung auf, kommt es zu folgendem Phä- nomen: Der Betrag der Dämpfung pro Schwingung ist nur sehr gering. Bei jeder Schwingung wird das System aber durch eine erneute Auslenkung angeregt. Das System schwingt sich auf und es kommt zur „Resonanz- katastrophe“: Das System wird mechanisch zerstört.

Aus diesem Grund sollte eine größere Personengruppe eine Brücke nicht im Gleichschritt überqueren.

In diesen Situationen können Resonanzen entstehen

Im Allgemeinen kann jedes schwingungsfähige System in Resonanz geraten. Es gibt aber kaum reale Systeme, die lediglich eine Resonanz- frequenz aufweisen. Die meisten Systeme sind sehr komplex und be- stehen aus einer Vielzahl von schwingungsfähigen Teilsystemen.

Sie beschallen eine große,dünne Blechtür aus einer Schallquelle mit steigender Frequenz. Bei einer bestimmten tiefen Frequenz wird die gesamte Türfläche plötzlich anfangen, sehr stark zu vibrieren. Er- höhen Sie die Frequenz nun weiter, bilden sich irgendwann mehrere Bereiche auf der Tür, die zu schwingen beginnen (Partial- schwingung).

Je komplexer das System, desto geringer ist die Gefahr der Resonanz, weil sich die Systeme oft gegenseitig dämpfen.

Auf der anderen Seite muss die anregende Frequenz nicht unbedingt identisch mit der Resonanzfrequenz sein:

* Ist die Anregungsfrequenz um ein ganzzahliges Verhältnis höher als die Resonanzfrequenz, können ähnliche Effekte auftreten.

* Durch Überlagerungen mehrerer Frequenzen kann eine Schwebung ent- stehen, die eine Resonanz mit dem System bildet und eine ähnlich zerstörerische Wirkung haben kann.

Hinweis:
Häufig wird auch die Phasenlage als Kriterium für einen Resonanzfall angegeben. Sie ist allerdings nur von sekundärer Bedeutung, da das angeregte System nach kurzer Zeit automatisch die gleiche Phasenlage annimmt wie das anregende.

Das können Sie tun,um Resonanzschäden zu verhindern

Auch wenn es nicht gleich zur Resonanzkatastrophe kommt, sind die Schäden durch überhöhte Resonanzschwingungen doch enorm:

* Höhere Materialbelastung und dadurch vorzeitige Alterung

* Lagerschäden

* Beschädigung von Dichtsystemen

* Ausschlagen von Getriebezahnrädern

* Fundamentschäden

Es gibt aber einige wirkungsvolle Maßnahmen, um die schädlichen Wirkungen von Schwingungen zu vermeiden:

1. Schritt: Ermitteln Sie die Resonanzfrequenzen

Messen Sie dazu die Schwingungsenergie des zu untersuchenden Systems mit einem Schwingungsanalysator.Dabei können Sie 2 Methoden einsetzen:

Methode 1: Bei Schallanregung beschallen Sie den Prüfling aus einer Schallquelle mit steigender Frequenz (Sweep). Gleichzeitig beobachten Sie den Schwingungsanalysator. Wird ein Maximum erreicht, lesen Sie die Frequenz am Generator ab und Sie haben die Resonanzfrequenz ermittelt.

Methode 2: Bei Antrieben nutzen Sie ein anderes Verfahren. Hier regen Sie das System nicht durch Schall, sondern durch mechanische Auslenkung an. Das kann durch den Antrieb der Maschine selbst oder durch den Motor eines benachbarten Systems geschehen. Fahren Sie den Antrieb vom Stillstand langsam auf die Maximaldrehzahl und messen Sie wiederum gleichzeitig die Schwingungsintensität am zu untersuchenden System. Beim Maximum haben Sie wiederum die Resonanzfrequenz ermittelt.

Hinweis:
Aufgrund der beschriebenen Komplexität werden sich mehrere Resonanz- frequenzen ergeben. Ermitteln und dokumentieren Sie alle Werte, die eine deutliche Anhebung aufweisen (mind. Faktor 5 über dem Durchschnittswert).

2. Schritt: Machen Sie die Resonanzerreger ausfindig

Da Sie nun die gefährlichen Resonanzfrequenzen kennen, brauchen Sie im normalen Betrieb nur noch den Schall der umgebenden Maschinen zu messen, um die Erreger ausfindig zu machen. Das kann durchaus die zu untersuchende Anlage selbst sein, es können aber auch benachbarte Anlagen und Maschinen beteiligt sein.

3. Schritt: Entkoppeln Sie die Systeme

Beim Schall wird die Energie über die Luft übertragen, beim Körperschall über leitende Systeme (Fundamente, Wellen, Gebäudeteile). Eine sehr effektive Methode ist die mechanische Entkopplung:

* Bringen Sie eines oder beide Systeme auf dämpfenden Stützen (Gummilager) unter.

* Tauschen Sie feste Wellenflansche gegen Hardyscheiben.

* Unterbrechen Sie feste Rohrleitungen durch kurze, flexible Leitungsstücke.

4. Schritt: Verändern Sie die Erreger- oder die Resonanzfrequenz

Um eine Resonanz zu verhindern, können Sie entweder die Frequenz beim Anregungssystem ändern oder die Resonanzfrequenz des zu schüt- zenden Systems. Hier gibt es keine Präferenz – suchen Sie sich das System aus, das Sie am einfachsten verändern können. Maßnahmen dazu sind:

* Erhöhen oder Erniedrigen der schwingenden Masse

* Verändern der Drehzahl bei rotierenden Antrieben

* Verändern der Hubfrequenz bei Linearantrieben

5. Schritt: Erhöhen Sie die Dämpfung

Eine Resonanz tritt nur dann ein, wenn die anregende Amplitude größer ist als der Energieverlust durch die Dämpfung pro Schwingungsvorgang. Je kleiner also die Amplitude, desto geringer ist die Gefahr einer Resonanzkatastrophe.

Auch hier können Sie wieder beim Erregersystem und/oder beim zu schüt- zenden System ansetzen. Geeignete Maßnahmen zur Erhöhung der Dämpfung sind:

* Anbringen von Streben und Verstärkungen

* Aufkleben von schwingungshemmenden Materialien (Gummimatten, Holz, schwere Dämmwolle)

* Austausch der Materialart (Kunststoff anstelle von Metall)

* Verkürzung von freien Materialbereichen (kürzere Abstände zwischen Rohrschellen, Nietverbindungen etc.)

Einige dieser Maßnahmen verändern sowohl die Dämpfung als auch die Resonanz- bzw. Anregungsfrequenzen.

Analysieren Sie das Schwingungsverhalten regelmäßig

Die Schwingungen, die ein System abgibt, lassen sich aber auch für eine Zustandsprognose nutzen. Allgemein gilt:

Je höher die Schwingungsenergie, desto gefährdeter ist das System, denn eine hohe Energie ist immer mit einer hohen Materialbelastung verbunden.

Aussagekräftiger sind aber Analysen über einen längeren Zeitraum hinweg:

* Verändert sich die Resonanzfrequenz?

* Nimmt die Schwingungsenergie zu oder ab?

* Treten an bestimmten Stellen Spitzenwerte auf?

Es ist zwar äußerst schwierig, aus einem Spektrum eine konkrete Aussage über den Zustand abzuleiten. Wenn Sie aber die Daten über einen länger- en Zeitraum hinweg dokumentieren, lassen sich spätere Ausfälle und Störungen vielleicht mit konkreten Ereignissen in Zusammenhang bringen, die vorher passiert sind. So kann die Erhöhung der spektralen Energie über einen großen Frequenzbereich auf eine gleichmäßig gealterte Lagerung hinweisen. Ein neu entstandener Spitzenwert bei einer be- stimmten Frequenz, die in einem festen Verhältnis zur Drehzahl liegt, ist hingegen ein Hinweis auf eine einzelne schadhafte Stelle im Lager. Sich verändernde spektrale Linien deuten auf defekte Kugeln in einem Kugel- lager hin, die wandern und sich drehen und so ein uneinheitliches Fehlerbild erzeugen. Wenn Sie die Schwingungsanalyse langfristig einsetzen, werden Sie im Laufe der Zeit ein Know-how und ein Finger- spitzengefühl entwickeln, mit dem Sie in der Lage sind, Fehler frühzeitig zu entdecken und den Zustand korrekt zu bestimmen.

Nutzen Sie die Schwingungen als Energiequelle

Bei der Messung und Analyse von Schwingungen müssen Sie die Sensoren häufig an unzugänglichen Stellen anbringen. Das hat den Nachteil, dass Sie Leitungen unter erschwerten Bedingungen verlegen müssen.

Für die Datenübertragung gibt es zwar zahlreiche drahtlose Verfahren; die Energieversorgung ist aber in der Regel auf eine Leitung oder eine Batterie angewiesen.

Mittlerweile gibt es aber Schwingungssensoren, die die Vibrationen selbst als Energiequelle nutzen. Genauso wie für die Erzeugung einer Schwingung Energie aufgebracht werden muss, lässt sich im Umkehrschluss mit geeigneten physikalischen Verfahren die Energie wieder zurückgewinnen.

Die Energie ist ausreichend, um die Elektronik des Sensors mit Strom zu versorgen und um eine Funkstrecke (z. B. Bluetooth oder Zigbee) aufzubauen, über die die Daten transportiert werden.

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