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 um jeden Preis verhindert werden. Obwohl die meisten rotierenden Maschinen so konstruiert sind, dass die Resonanzfrequenz niemals mit der Drehzahl der Maschine zusammenfällt, kann es dennoch aufgrund von Konstruktionsfehlern, Drehzahländerungen oder äußeren Einflüssen (wie der Eigenfrequenz des Fundaments) zu Resonanz kommen.
Kritische Frequenzen
Jede Maschine (Anlage) weist eine oder mehrere Eigenfrequenzen auf; dies ist die Frequenz, bei der ein System dazu neigt, ohne Einwirkung einer Antriebs- oder Dämpfungskraft zu schwingen. Wenn eine rotierende Maschine in Betrieb ist, entsteht eine bestimmte Schwingungsfrequenz. Wenn diese Schwingungsfrequenz mit der Eigenfrequenz der Maschine (Konstruktion) 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 zerstörerische Auswirkungen auf die Maschine haben.
Die Ursachen für Schwingungen in rotierenden Maschinen können vielfältig sein. Erfahren Sie mehr unter „Ursachen von Schwingungen“.
Lösung
Es ist klar, dass Resonanz vermieden werden muss. Hierfür können Beschleunigungssensoren zur Überwachung von Maschinenschwingungen eingesetzt werden. Mithilfe eines Messumformers kann der Beschleunigungssensor mit einer SPS, einem DCS oder einem SCADA-System kommunizieren, was bei Bedarf schnelle und angemessene Maßnahmen ermöglicht. Es ist wichtig, die kritischen (Resonanz-)Frequenzen zu kennen, da diese zur Festlegung von Alarmwerten herangezogen werden. Diese Alarmwerte sollen verhindern, dass eine rotierende Maschine die Resonanzfrequenz erreicht.
Weitere Informationen zu Beschleunigungssensoren und deren Einsatz finden Sie auf den folgenden Seiten:
- Vermeidung von Maschinenschäden durch ein Schwingungsüberwachungssystem
- Schwingungsmessungen mit Beschleunigungssensoren
- 11 Tipps zur Auswahl des richtigen industriellen IEPE-Beschleunigungssensors
- Beschleunigungsmesser (Produkte)
Methoden zur Bestimmung der Resonanzfrequenz
Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung der Resonanzfrequenz einer Maschine. Die am häufigsten verwendeten Methoden werden im Folgenden erläutert.
Bump-Test (Schlagprüfung)
Ein Stoßtest hilft dabei, die kritischen Frequenzen von Maschinen zu ermitteln. Es gibt verschiedene Methoden zur Durchführung eines Stoßtests. Er kann so einfach sein wie ein Stoß mit einem Gummihammer gegen das Material (die Maschine). Das Messgerät kann dann eine Messung von wenigen Sekunden Dauer vornehmen (Zeitbereichsdiagramm), was der Dauer einer Umdrehung einer rotierenden Maschine entspricht. Die Messdauer hängt von den ermittelten Resonanzfrequenzen ab. Es ist wichtig, die Maschine an mehreren Stellen zu prüfen; Messungen sollten sowohl am Antriebspunkt als auch am Übertragungspunkt vorgenommen werden, um die Resonanzfrequenz der Maschine zu bestimmen. Für diesen Test muss die Maschine außer Betrieb sein, um fehlerhafte Daten zu vermeiden und die Bestimmung der Eigenfrequenz der Maschine zu erleichtern.
Anlauf-/Auslauf-Test
Beim sogenannten „Coast-Down-Peak-Hold“ wird die Schwingung vom Zeitpunkt des Maschinenbetriebs bis zum Abschalten überwacht. Ohne Resonanz wird erwartet, dass der Schwingungspegel konstant bleibt. Steigt der Schwingungspegel während des Abschaltvorgangs an, kann die Drehzahl, mit der die Amplitude zunimmt, auf die Eigenfrequenz hinweisen. Zusätzlich zu diesem Test gibt es den umfassenderen „Coast-Down-Peak-Phase“-Test, bei dem 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 besteht darin, die Eigenfrequenz einfach anhand einer Formel zu berechnen. 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. Insbesondere ist die Bestimmung der Steifigkeit einer Struktur sehr schwierig. Zudem ändert sich die Eigenfrequenz, wenn sich einer der beiden Parameter ändert. Daher wird diese Methode nur selten angewendet.
Änderung der Eigenfrequenz
Die Eigenfrequenz kann beispielsweise durch eine Änderung der Steifigkeit oder der Masse der Maschine verändert werden. Durch eine Erhöhung der Masse oder eine Verringerung der Steifigkeit sinkt die Eigenfrequenz. Umgekehrt führen 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 der Maschine angepasst werden. Dies ist jedoch oft keine Option; eine Maschine dreht sich aus gutem Grund mit einer bestimmten Drehzahl. Es besteht auch die Möglichkeit, einen dynamischen Stoßdämpfer an der Maschine anzubringen, der dazu dient, die Schwingungspegel deutlich zu reduzieren.
Da dies eine der häufigsten Ursachen für außergewöhnliche Maschinenschwingungen ist, 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, Fehlausrichtung oder beschädigte Komponenten oft eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von abnormalem Schwingungsverhalten.
