Selbsterregte Schwingungen verstehen

1. Definition: Was ist selbsterregte Schwingung?

Selbsterregte Schwingung (auch als selbstinduzierte oder instabile Schwingung bezeichnet) ist eine besonders gefährliche Art von Schwingung, bei der die Bewegung eines Systems Kräfte erzeugt, die wiederum diese Bewegung aufrechterhalten oder verstärken. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, in der die Schwingungsamplitude ansteigen kann, manchmal bis zu einem katastrophalen Ausmaß, ohne dass eine entsprechende Erhöhung der externen Antriebsfrequenz erfolgt.

Dies unterscheidet sich grundlegend von einer erzwungenen Schwingung, wie Unwucht oder Fehlausrichtung, wobei die Schwingung eine direkte Reaktion auf einen bestimmten, periodischen Input (die Antriebsfrequenz) ist. In einem selbsterregten System erzeugt die Schwingung ihre eigene Antriebskraft.

2. Der Rückkopplungsschleifenmechanismus

Der Mechanismus der selbsterregten Schwingung lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Ein System (z. B. ein Rotor in einem Lager) ist in Bewegung.
2. Eine kleine, zufällige Störung verursacht eine leichte Verschiebung oder Geschwindigkeitsänderung.
3. Diese Bewegungsänderung verändert die auf das System wirkenden Kräfte (z. B. den Flüssigkeitsdruck in einem Lager oder die Schnittkraft eines Werkzeugs).
4. Entscheidend ist, dass diese veränderte Kraft dem System *Energie hinzufügt* und die Komponente weiter in die Richtung drückt, in die sie sich bereits bewegte.
5. Diese verstärkte Bewegung erzeugt eine noch größere Kraft, die mehr Energie hinzufügt und so weiter.

Diese Rückkopplungsschleife führt dazu, dass die Vibration zunimmt, bis sie entweder durch Nichtlinearitäten im System begrenzt wird (wie etwa das Auftreffen auf einen harten Anschlag) oder zu einem Ausfall führt.

3. Häufige Beispiele für selbsterregte Schwingungen

Mehrere bekannte Phänomene in der Maschinendiagnose sind klassische Beispiele für selbsterregte Schwingungen:

• Ölwirbel und Ölpeitsche: Die häufigsten Beispiele sind rotierende Maschinen. In einem Gleitlager mit Flüssigkeitsfilm erzeugt die rotierende Welle einen Ölkeil. Eine Störung kann dazu führen, dass der Ölkeil selbst um das Lager rotiert (wirbelt). Der Druck dieses wirbelnden Keils drückt auf die Welle, was dem Wirbel zusätzliche Energie verleiht. Die resultierende Vibration tritt nicht mit der Betriebsgeschwindigkeit auf, sondern mit einer subsynchronen Frequenz (typischerweise 0,42-0,48X Laufgeschwindigkeit).
• Rattern bei der Bearbeitung: Beim Metallschneiden (Drehen oder Fräsen) entsteht Rattern, wenn das Schneidwerkzeug zu vibrieren beginnt. Diese Vibration führt zu Schwankungen der Spandicke. Die variierende Spandicke wiederum führt zu Schwankungen der Schnittkraft. Diese schwankende Kraft kann Energie in die Vibration des Werkzeugs zurückpumpen, was zu heftigem Rattern führt.
• Aerodynamisches Flattern: Die Vibration eines Flugzeugflügels, bei der die Biege- und Drehbewegung des Flügels sein aerodynamisches Profil verändert. Diese Profiländerung verändert den Luftdruck so, dass der Flügelbewegung zusätzliche Energie zugeführt wird. Unkontrolliertes Versagen kann zu einem katastrophalen Ausfall führen.
• Rotorreiben: Ein Zustand, bei dem ein Rotor mit einem stationären Teil in Kontakt kommt. Die Reibung kann den Rotor erhitzen und ihn verbiegen. Diese Verbiegung erhöht die Reibkraft, was wiederum die Hitze und die Verbiegung erhöht. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, die zum Festfressen führen kann.

4. Wichtige Merkmale und Diagnose

Selbsterregte Schwingungen haben oft ausgeprägte Charakteristika in der FFT-Spektrum:

• Nicht synchrone Frequenzen: Die Vibration ist typischerweise kein ganzzahliges Vielfaches oder eine Harmonische der Laufgeschwindigkeit. Sie tritt oft bei einem subsynchron Frequenz.
• Instabilität: Die Amplitude kann sehr instabil sein und bei kleinen Änderungen der Betriebsbedingungen (Drehzahl, Temperatur, Last) schnell ansteigen.
• Plötzlicher Beginn: Die Vibration ist möglicherweise erst dann vorhanden, wenn die Maschine eine bestimmte Geschwindigkeits- oder Lastschwelle überschreitet. Ab diesem Zeitpunkt kann sie plötzlich und mit hoher Amplitude auftreten.

Zur Diagnose selbsterregter Schwingungen müssen diese charakteristischen nicht synchronen Spitzen identifiziert und die physikalischen Mechanismen verstanden werden, die eine solche Instabilität in der jeweiligen Maschine verursachen könnten.

← Zurück zum Hauptindex