Grundlegendes zu Impact-Tests
Schlagprüfung — auch als Impulstest oder Stoßmodalanalyse bezeichnet — ist eine Modaltests Verfahren, bei dem mithilfe eines instrumentierten Impulshammers breitbandige Kraftimpulse auf eine Struktur ausgeübt werden, während die daraus resultierenden Vibration Antwort mit Beschleunigungsaufnehmer. Aus den Kraft- und Antwortsignalen berechnet es Frequenzgangfunktionen (FRFs), die zeigen, wie die Struktur bei jeder Frequenz reagiert, und so ihre Eigenfrequenzen, Eigenformen, und Dämpfung Kennzahlen – die Informationen, die zum Verständnis des dynamischen Verhaltens und zur Diagnose erforderlich sind Resonanz Probleme.
Die Stoßprüfung ist die praktische Alternative zur Modalanalyse mit Schwingungserregern und liefert ähnliche Informationen, ohne dass die schweren, teuren elektromagnetischen Schwingungserreger und komplexen Befestigungsvorrichtungen erforderlich sind, die für eine Schwingungserregerprüfung benötigt werden. Sie wird häufig zur Fehlerbehebung bei Resonanzproblemen, zur Validierung von Konstruktionsänderungen und zur Abgleichung von Finite-Elemente-Modellen in der Maschinenbau- und Strukturdynamik eingesetzt. Sie steht in engem Zusammenhang mit der einfacheren Impulshammertest, das dasselbe Impulsprinzip nutzt, um eine einzelne Eigenfrequenz zu ermitteln.
1. Das zugrunde liegende Prinzip
Die Methode beruht auf einer einfachen Tatsache: Ein kurzer, heftiger Schlag regt ein breites Frequenzband auf einmal an. Ein Hammerschlag, der nur ein oder zwei Millisekunden dauert, enthält Energie, die ziemlich gleichmäßig über einen breiten Frequenzbereich verteilt ist, sodass er jeden Modus innerhalb dieses Bereichs gleichzeitig in Schwingung versetzt. Durch die Messung sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsreaktion und deren Division im Frequenzbereich isoliert der Test das eigene Verhalten der Struktur von dem jeweiligen Schlag – das Ergebnis, die FRF, ist eine Eigenschaft der Struktur allein und unabhängig davon, wie stark man sie trifft.
2. Ausrüstung
Instrumentierter Schlaghammer
- Kraftaufnehmer: Ein piezoelektrischer Sensor im Hammerkopf misst die Aufprallkraft.
- Hammermasse: 0,1–5 kg, ausgewählt entsprechend der Größe der Struktur und dem gewünschten Frequenzbereich.
- Austauschbare Aufsätze: hart (Stahl), mittel (Kunststoff) und weich (Gummi).
- Ausgabe: ein Kraftsignal, das mit der Antwortmessung synchronisiert ist.
- Typische Kosten: etwa $500–3000.
Reaktionssensoren
- An den relevanten Stellen angebrachte Beschleunigungssensoren.
- Entweder ein einzelner mobiler Beschleunigungsmesser oder mehrere fest installierte Sensoren.
- Ein Frequenzbereich, der den Testanforderungen problemlos gerecht wird.
Datenerfassung
- Mindestens zwei Kanäle – Kraft und Reaktion.
- Eine gleichzeitige Abtastung dieser Kanäle ist unerlässlich.
- Ein FFT Analysator oder spezielle Software für die Modalanalyse.
- Berechnung der Übertragungsfunktion und die Kohärenz.
3. Prüfverfahren
Einzelpunkt-FRF
- Den Beschleunigungsmesser montieren an der Antwortposition.
- Wählen Sie die Hammerspitze aus um der Struktur und dem Zielfrequenzbereich zu entsprechen.
- Die Struktur anschlagen mit einem kräftigen, schnellen Schlag auf den Erregungspunkt.
- Aufzeichnung der Daten — Kraft- und Antwortsignale gemeinsam.
- Berechnen Sie die FRF: H(f) = Reaktion(f) / Kraft(f).
- Durchschnitt indem man den Vorgang 3–10 Mal wiederholt und den Mittelwert der FRFs bildet.
- Kohärenz prüfen um die Datenqualität zu überprüfen (Kohärenz > 0,9).
Mehrpunktprüfung
- Beweglicher Hammer: auf viele Punkte einwirken, während der Beschleunigungsmesser feststeht.
- Beweglicher Beschleunigungsmesser: Schlagen Sie auf einen festen Punkt, während Sie den Beschleunigungsmesser bewegen.
- Ergebnis: FRFs von mehreren Messpunkten zeigen die Eigenformen.
- Gittertests: Ein systematisches Punktraster liefert einen vollständigen Überblick über die Struktur.
4. Auswahl der Hammerspitzen
Auswirkung auf den Frequenzinhalt
- Harte Spitze (Stahl): Kurze Aufpralldauer, hoher Frequenzanteil, gut für steife Strukturen und hohe Frequenzen (bis 10+ kHz)
- Mittlere Spitze (Nylon/Delrin): Mittlere Dauer, ausgewogenes Spektrum, allgemeiner Zweck (bis 2–5 kHz)
- Weiche Spitze (Gummi): Lange Dauer, Betonung der tiefen Frequenzen; eignet sich für große, flexible Strukturen (bis 500–1000 Hz).
Die Logik dahinter entspricht dem zugrunde liegenden Prinzip: Ein kürzerer, härterer Kontakt bündelt die Energie in einem breiteren, höheren Frequenzband, während ein weicherer, längerer Kontakt sie auf die tiefen Frequenzen konzentriert. Die Spitze wird daher so gewählt, dass die Energie genau dort eingebracht wird, wo die relevanten Schwingungsmoden liegen.
Anpassung an die Struktur
- Leichte Konstruktionen: ein kleiner Hammer mit weicher Spitze, um Beschädigungen und Nachschwingen zu vermeiden.
- Schwere Konstruktionen: ein großer Hammer mit einer härteren Spitze, um eine ausreichende Anregung zu gewährleisten.
- Faustregel: Die Konstruktion sollte deutlich, aber nicht übermäßig reagieren – eine Spitzenbeschleunigung von etwa 1–10 g ist typisch.
5. Datenqualität
Gute Schlagtechnik
- Ein schneller, sauberer Schlag ohne Doppelschläge.
- Der Hammer wird sofort zurückgezogen, sodass er nicht in Kontakt bleibt.
- Ein senkrechter Schlag auf die Oberfläche.
- Eine gleichbleibende Schlagposition.
- Ein angemessenes Kraftniveau.
Kohärenzvalidierung
- Die Kohärenz Die Funktion gibt die Messqualität an.
- Ein Kohärenzwert nahe 1,0 (> 0,9) deutet auf gute Datenqualität hin.
- Eine geringe Kohärenz deutet auf einen schlechten Anschlag, Rauschen oder Nichtlinearität hin.
- Verwerfen Sie schlechte Anschläge und wiederholen Sie den Test.
Ein Doppelschlag ist der häufigste Störfaktor: Er führt zwei Impulse in das System ein und verfälscht das Eingangsspektrum – genau die Art von Fehler, die die Kohärenz so gut aufdecken kann. Ein Einbruch der Kohärenz bei einer für Sie relevanten Frequenz ist ein Signal, diesen Mittelwert zu verwerfen und einen neuen Versuch zu starten.
6. Ergebnisse und Interpretation
Frequenzgangfunktion
- Das Amplitudendiagramm zeigt die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz.
- Spitzen markieren Eigenfrequenzen und Resonanzen.
- Die Spitzenhöhe spiegelt den Verstärkungsfaktor wider, der in umgekehrtem Verhältnis zur Dämpfung steht.
- Die Phase Die Grafik zeigt die 180°-Verschiebung bei jeder Resonanz.
Ermittlung der Eigenfrequenz
- Führen Sie alle Peaks im FRF auf.
- Die erste Schwingungsform ist in der Regel die mit der niedrigsten Frequenz.
- Höhere Schwingungsformen liegen bei höheren Frequenzen.
- Vergleichen Sie diese mit den Betriebsfrequenzen, um zu prüfen, ob Störungen auftreten.
Bestimmung der Schwingungsmoden
- Abgeleitet aus Mehrpunktmessungen.
- Die relativen Schwingungsamplituden bei Resonanz bestimmen das Auslenkungsmuster.
- Die Software kann die Form animieren.
- Dies bezeichnet die Knotenpunkte sowie die Schwingungsbäuche jeder Schwingungsmode.
7. Anwendungen bei der Fehlerbehebung an Maschinen
Untersuchung der Rahmenresonanz
- Schlagen Sie auf ein Motor- oder Lüftergehäuse.
- Identifizieren Sie die Eigenfrequenzen des Rahmens.
- Vergleichen Sie sie mit Schaufeldurchgangsfrequenz sowie elektromagnetische Frequenzen von Motoren.
- Wird eine Übereinstimmung gefunden, liegt das Problem in der Resonanz.
Fundamentprüfung
- Schlagen Sie auf die Grundplatte oder das Fundament.
- Bestimmen Sie seine Eigenfrequenzen.
- Angemessenheit prüfen Steifigkeit und Frequenztrennung.
Vorher/Nachher-Vergleiche
- Vor einer baulichen Änderung testen.
- Führen Sie anschließend erneut einen Test durch – nach einer Versteifung, einer zusätzlichen Dämpfung oder einer Änderung der Masse.
- Überprüfen Sie, ob die Änderung den gewünschten Effekt erzielt hat.
- Messen Sie die Verbesserung.
8. Schlagprüfung im Feld
Da hierfür lediglich ein Messhammer und ein Zweikanal-Analysator benötigt werden, gehört die Schlagprüfung neben den routinemäßigen Schwingungsmessungen ganz selbstverständlich zum Werkzeugkasten eines Außendiensttechnikers. Wenn eine Maschine hohe Laufgeschwindigkeit Bei Vibrationen stellt sich oft zunächst die Frage, ob die Ursache eine Kraft ist, wie zum Beispiel Unwucht oder eine strukturelle Resonanz, die eine gewöhnliche Kraft verstärkt. Ein tragbares Messgerät wie das Balanset-1A dient dazu, diese zu messen und, falls die Ursache eine Unwucht ist, diese zu beheben, indem Feldauswuchten; Ein Schlagversuch am Rahmen oder Fundament klärt dann, ob eine hartnäckige Restschwingung durch eine nahegelegene Eigenfrequenz verstärkt wird – was die Entscheidung zwischen dem Auswuchten des Rotors und der Versteifung der Konstruktion bestimmt.
Die Schlagprüfung ist eine praktische und kostengünstige Methode der Modalanalyse, die auch für Vibrationsspezialisten vor Ort gut umsetzbar ist. Mit nichts weiter als einem Impulshammer und einem Schwingungsanalysator lassen sich damit Strukturresonanzen identifizieren, Modifikationen validieren und die dynamische Charakterisierung ermitteln, die zur Lösung von Resonanzproblemen und zur Optimierung von Konstruktionen in Maschinen- und Bauanwendungen erforderlich ist.
