Steifheit verstehen
1. Definition: Was ist Steifheit?
Steifheit ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft, die beschreibt, inwieweit ein Objekt oder eine Struktur einer Verformung oder Durchbiegung als Reaktion auf eine ausgeübte Kraft widersteht. Im Kontext von Schwingungsanalyse, Steifigkeit (oft mit dem Buchstaben 'k' bezeichnet) ist eine der drei Schlüsseleigenschaften, zusammen mit Masse (m) und Dämpfung (c), die das Schwingungsverhalten jedes mechanischen Systems bestimmen.
Ein Bauteil mit hoher Steifigkeit verformt sich unter einer bestimmten Belastung nur sehr wenig, während sich ein Bauteil mit geringer Steifigkeit deutlich verformt. Beispielsweise weist ein dicker, kurzer Stahlstab eine hohe Steifigkeit auf, während ein langes, dünnes Gummiband eine sehr geringe Steifigkeit aufweist.
2. Die entscheidende Rolle der Steifigkeit bei Vibrationen
Die Steifigkeit eines Systems ist ein primärer Faktor bei der Bestimmung seiner EigenfrequenzenDie Eigenfrequenz ist die Frequenz, mit der ein System schwingt, wenn es gestört wird und dann frei schwingen kann. Die Beziehung wird durch die Grundformel definiert:
Eigenfrequenz (ωn) ≈ √(k / m)
Dabei ist „k“ die Steifigkeit und „m“ die Masse. Diese Beziehung zeigt:
- Erhöhung der Steifigkeit Wille Zunahme die Eigenfrequenz.
- Abnehmende Steifheit Wille verringern die Eigenfrequenz.
- Zunehmende Masse Wille verringern die Eigenfrequenz.
3. Steifheit und Resonanz
Diese Beziehung ist von entscheidender Bedeutung, da das Phänomen Resonanz. Resonanz tritt auf, wenn eine erzwungene Frequenz (wie die Laufgeschwindigkeit einer Maschine) mit einer der Eigenfrequenzen des Systems übereinstimmt. Wenn dies geschieht, wird die Schwingungsamplitude drastisch verstärkt, was häufig zu vorzeitigem Verschleiß und katastrophalen Ausfällen führt.
Das Verständnis der Steifigkeit ist daher für die Diagnose und Lösung von Resonanzproblemen von entscheidender Bedeutung:
- Problemdiagnose: Wenn sich eine Maschine in Resonanz befindet, weiß der Analytiker, dass die Antriebsfrequenz zu nahe an einer Eigenfrequenz liegt.
- Lösungsdesign: Um das Problem zu beheben, muss der Analytiker die Eigenfrequenz des Systems ändern. Da es oft schwierig ist, die Masse einer Maschine oder die Antriebsfrequenz (die Laufgeschwindigkeit) zu ändern, besteht die gängigste Lösung darin, die Steifigkeit zu ändern. Durch das Hinzufügen von Verstrebungen, Knotenblechen oder die Verbesserung des Maschinenfundaments wird die Steifigkeit des Systems erhöht. Dadurch wird die Eigenfrequenz erhöht, von der Antriebsfrequenz wegbewegt und der Resonanzzustand beseitigt. Ein Frequenzgangfunktion (FRF) Durch Messung wird die Änderung der Eigenfrequenz bestätigt.
4. Steifheit in der Maschinendiagnose
Auch Veränderungen der Steifigkeit können ein direkter Hinweis auf einen sich entwickelnden Fehler sein:
- Lockerheit: Eine lose Befestigungsschraube oder ein Riss im Rahmen oder Fundament einer Maschine bedeuten einen erheblichen Verlust an lokaler Steifigkeit. Dies führt zu einer Erhöhung der Schwingungsamplitude der Maschine. Im FFT-Spektrum, mechanische Lockerheit erzeugt oft eine Reihe von Obertöne (1X, 2X, 3X usw.) der Laufgeschwindigkeit.
- Weicher Fuß: Dieser Zustand, bei dem ein Maschinenfuß nicht flach auf seiner Basis sitzt, erzeugt ein verzerrtes und nichtlineares Steifigkeitsprofil, das zu starken Vibrationen führen und die Ausrichtung erschweren kann.
- Lagerverschleiß: Mit zunehmendem Lagerverschleiß vergrößert sich das Spiel zwischen den Wälzkörpern und den Laufringen. Dies kann als Verringerung der Gesamtsteifigkeit des Rotorstützsystems angesehen werden, was wiederum die kritischen Drehzahlen des Rotors senken kann.
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