Resonanz von Maschinen und Strukturen – Das heißt, wie man den BUMP TEST durchführt, ohne die Maschine auszuschalten, mit Unterstützung der negativen Mittelwertbildung….
Bei der Durchführung von Hunderten von Messungen in verschiedenen Industrieanlagen kommt es nicht selten zu starken Vibrationen, die mit dem Phänomen der Resonanz einhergehen. Dieses scheinbar bekannte Phänomen hat in vielen Fällen zu Problemen geführt, insbesondere bei neuen Anlagen, die gerade in Betrieb genommen wurden.
Abbildung 1: Überschrittene Alarmwerte bei der neuen Dichtungsölpumpenanlage.
Die wirtschaftliche Realität einer Maschinenerweiterung oder -aufrüstung führt häufig dazu, dass die Aufgabe von mehreren Parteien ausgeführt wird, die jeweils für einen Teil der Installation verantwortlich sind. Ein Lieferant liefert die Maschine, ein anderer das Fundament, wieder ein anderer die Rohrleitungen für die Pumpe oder die Kanäle für den Ventilator. Theoretisch wird alles vom Generalunternehmer überwacht, aber bei seiner Investitionsaufgabe berücksichtigt er nur selten das Zusammenspiel der Geräte und Anlagen. Bei der Abnahme der neuen Anlagen kommt es dann zu einem Problem. Die Schwingungswerte weichen erheblich von den erwarteten Werten, z. B. nach ISO 10816 (20816), ab. Es entsteht ein Konflikt darüber, wer für diesen Zustand verantwortlich ist:
Der Maschinenlieferant sagt: Ich habe das Protokoll von der Prüfstelle und meine Maschine liegt innerhalb der festgelegten Grenzwerte, ich kann sie auf dem Prüfstand wieder zusammenbauen und es beweisen.
Der Fundamentlieferant erklärt: Ich habe den Rahmen gemäß dem Entwurf hergestellt. Die Schweißnähte sind geprüft, die Profilquerschnitte sind ausreichend, die Sichtprüfung gibt keinen Anlass zur Beanstandung.
Der Rohrleitungsbauer sagt: Rohre nach Entwurf gefertigt, Querschnitte entsprechen, Dichtheit eingehalten, kein Grund zur Beanstandung.
Der Generalunternehmer kombiniert: Die Maschine ist neu, das Fundament ist in Ordnung, die Rohrleitung ist dicht, die Vibrationen kommen wahrscheinlich von einer anderen Quelle.
Der Kunde steht vor einem ziemlichen Problem. Die Argumente des Bauunternehmers sind unanfechtbar, und er kann die Anlage nicht in Betrieb nehmen, weil die Arbeit bei erhöhten Werten zum Erlöschen der Garantie führt und die Maschine beschädigt. Und er rechnet mit seinen Verlusten…
Der Resonanzbetrieb entpuppt sich oft als der Übeltäter, weil niemand die Massen, Steifigkeiten und Eigenfrequenzen des gesamten, miteinander verbundenen Systems von Maschinen und Anlagen berücksichtigt hat. Was ist damit gemeint? Jede Struktur hat eine oder mehrere Resonanzfrequenzen. Wird eine solche Struktur angeregt, führt dies zu einer Reaktion in Form einer „Verstärkung“ bestimmter Frequenzen und einer schnellen Auslöschung anderer. Wie eine Gitarrensaite, die mit den Fingern gezupft wird, wird sie immer einen Ton bei einer bestimmten Frequenz erzeugen. Das bedeutet nichts anderes, als dass sie in ihrer Eigenfrequenz schwingt. Das Gleiche gilt für jede Struktur. Wenn man sie anregt, z. B. mit einem Hammer, und die Frequenzantwort misst, kann man feststellen, welche Frequenzen schnell erlöschen und welche länger anhalten. Dies ist nichts anderes als ein BUMP TEST, der mit einem guten Schwingungsanalysator wie dem ADASH A5400 VA-5 Pro oder dem Iris M™/MX™ Kit und der Motion Amplification® Technologie durchgeführt werden kann.
Abbildung 2: ADASH A5400 VA-5 Pro, fortschrittlicher Schwingungsanalysator, mit BUMP TEST-Modul und negativer Mittelwertbildung.
Abbildung 3: Schwingungsvisualisierungs- und Messkit IRIS M mit Motion Amplification® Technologie.
Professionelle Schwingungsanalysatoren verfügen über diese Fähigkeit; dank spezieller Softwaremodule ermöglichen sie die effiziente und schnelle Durchführung eines Stoßtests und der Ermittlung der Eigenfrequenz.
Resonanzen zeichnen sich durch Richtungsabhängigkeit aus – normalerweise ist die Steifigkeit einer Struktur in einer bestimmten Richtung höher oder niedriger als in senkrechten Richtungen. Dies ist eine weitere Eigenschaft, die das Vorhandensein von Resonanzen bestätigt. Wenn man Schwingungen in mehreren Richtungen misst und signifikante Amplitudenunterschiede feststellt, kann man eine Resonanz vermuten. Die unten abgebildete Trendkurve des Effektivwerts der Schwingungsgeschwindigkeit in zueinander senkrechten X-Y-Richtungen veranschaulicht einen solchen Fall.
Abbildung 4: Vibrationsmessungen der Pumpe in X- und Y-Richtung. Alarmschwingungspegel in der Y-Richtung, mit niedrigen Werten in der X-Richtung.
BUMP-TEST
Die Stoßprüfung wird durchgeführt, indem ein Beschleunigungsmesser an der Maschine oder Struktur angebracht wird und diese z. B. mit einem Hammerschlag angeregt wird, während die Maschine angehalten wird. Ziel ist es, die Eigenfrequenzen und nicht die durch den Betrieb der Maschine verursachten Frequenzen zu diagnostizieren, die mit Rotorunwucht, Ausrichtungsfehlern, Spiel oder anderen Fehlfunktionen zusammenhängen. Was aber, wenn die Maschine nicht gestoppt werden kann und ein Bump-Test erforderlich ist? Dann kommt die Funktion NEGATIVE ASSEMBLY zur Hilfe.
Abbildung 5: BUMP TEST mit negativer Mittelwertbildung (NEGATIVE AVERAGING).
Dazu wird eine Vormessung an der laufenden Maschine vorgenommen und dem Analysator das Verhalten des Systems bei laufender Maschine „beigebracht“. Das so aufgezeichnete Schwingungsfrequenzspektrum wird dann als Referenzwert genommen und ein Bump-Test kann nun bei laufender Maschine genau so durchgeführt werden, als ob die Maschine angehalten wäre. Dank der negativen Mittelwertbildung können wir die Eigenfrequenzen korrekt ermitteln.
Wenn wir das Schwingungsspektrum der laufenden Maschine messen und mit dem Spektrum aus dem Bump-Test vergleichen, können wir schnell feststellen, ob die Frequenzen der laufenden Maschine zu nahe an den Eigenfrequenzen liegen. Es wird davon ausgegangen, dass die sichere Marge +/- 20 % zwischen der Eigenfrequenz und der Frequenz der laufenden Maschine beträgt.
Abbildung 6: Überlagertes Spektrum des Pumpenbetriebs (blau) und Ergebnis des Bump-Tests (rot) in X-Richtung.
Die Abbildung zeigt einen akzeptablen Fall, bei dem die durch den BUMP TEST-Stoßtest ermittelte Eigenfrequenz von etwa 30 Hz um 5 Hz von der Betriebsfrequenz der Maschine, etwa 25 Hz, abweicht, was einer Marge von mehr als 20 % entspricht.
Abbildung 7: Überlagertes Spektrum von Pumpbetrieb (blau) und Bump-Test-Ergebnis (rot) in Y-Richtung – Resonanzbetrieb.
Die Abbildung veranschaulicht die nahezu perfekte Überlappung der Resonanzfrequenz (rote Kurve) mit der Betriebsfrequenz der Pumpe (blaue Kurve). Fehlen des erforderlichen Spielraums von 20 % und Betrieb bei Resonanz. Es sind Korrekturmaßnahmen erforderlich, da ein längerer Betrieb in Resonanz zu Ermüdungsrissen und zum Versagen der rotierenden Maschinen, der Rohrleitungen und vielleicht sogar der Struktur führen wird.
Wir haben also festgestellt, dass die Pumpe in Y-Richtung in Resonanz arbeitet, und was nun?
Ändern Sie die Drehzahl der Maschine (falls möglich) oder ändern Sie die Eigenfrequenz des Systems. Hierfür gibt es 2 Möglichkeiten:
Ändern der Masse, wobei eine Erhöhung der Masse die Eigenfrequenz senkt. Ähnlich wie bei einer Gitarre wird eine dickere Saite einen tieferen Ton erzeugen.
Änderung der Steifigkeit, wobei die Versteifung des Systems durch zusätzliche Verankerungen, Profile usw., Schweißnähte, die Eigenfrequenz anhebt. Nach dem Prinzip, dass eine straffere Saite einen höheren Ton erzeugt.
Und hier liegt die Versuchung, das Arrangement „anständig“ zu versteifen. Achten Sie nur darauf, dass es nicht zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz kommt, hin zu anderen Frequenzen, die in der Anlage auftreten, zum Beispiel von einer anderen Maschine, die auf einem gemeinsamen Rahmen montiert ist.
Zusammenfassung
Es empfiehlt sich, vor der Nachrüstung den Anlagenplaner zu konsultieren, und es ist immer sinnvoll, nach der Nachrüstung Kontrollmessungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Maßnahmen wie geplant durchgeführt wurden und die gewünschte Wirkung erzielt haben. Dies kann mit einem klassischen Schwingungsanalysator erfolgen oder mit dem Iris M-Kit visualisiert werden.
Es gibt noch weitere Methoden, um Resonanzen mit Hilfe von Schwingungsmessungen aufzuspüren. Bitte beachten Sie unsere Publikationsreihe, in der diese detaillierter beschrieben werden.
Wenn Sie ein Resonanzproblem vermuten und es nicht diagnostizieren können, helfen Ihnen die Ingenieure von VIMS gerne weiter, indem sie fortschrittliche Messungen durchführen, entweder mit einem Schwingungsanalysator oder durch Visualisierung des Problems mit der Motion Amplification® Technologie.
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