Was ist erzwungene Schwingung? Externe Anregungsreaktion • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist erzwungene Schwingung? Externe Anregungsreaktion • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist erzwungene Schwingung? Externe Anregungsreaktion

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Erzwungene Vibration verstehen

Definition: Was ist erzwungene Vibration?

Erzwungene Vibration ist eine oszillierende Bewegung, die durch eine externe periodische Kraft auf ein mechanisches System verursacht wird. Die Schwingung erfolgt mit der Frequenz der ausgeübten Kraft (Antriebsfrequenz), und die Amplitude ist proportional zur Größe der Antriebsfunktion und umgekehrt proportional zum Widerstand des Systems gegen die Bewegung bei dieser Frequenz. Die meisten Vibration in rotierenden Maschinen ist erzwungene Vibration mit gemeinsamen Antriebsquellen einschließlich Unwucht (rotierende Zentrifugalkraft), Fehlausrichtung (Kopplungskräfte) und aerodynamische/hydraulische Pulsationen.

Erzwungene Schwingung unterscheidet sich grundlegend von selbsterregte Schwingung (wobei das System seine eigene anhaltende Schwingung erzeugt) und freie Schwingung (Einschwingverhalten nach Impuls). Das Verständnis der Prinzipien erzwungener Schwingung ist von wesentlicher Bedeutung, da es erklärt, wie die Schwingungsamplitude mit der Schwere des Fehlers zusammenhängt und wie die Schwingung durch Reduzierung der Erzwingung oder Änderung der Systemreaktion kontrolliert werden kann.

Eigenschaften erzwungener Schwingungen

Frequenzanpassung

  • Schwingungsfrequenz ist gleich Antriebsfrequenz
  • Bei Forcierung mit 30 Hz, Vibration mit 30 Hz
  • Im Gegensatz zu selbsterregten Schwingungen, die bei Eigenfrequenz auftreten
  • Vorhersagbare Frequenz basierend auf der Antriebsquelle

Amplitudenproportionalität

  • Schwingungsamplitude proportional zur Kraftstärke
  • Doppelte Kraft → doppelte Vibration (lineares System)
  • Kraft entfernen → Vibration stoppt
  • Steuerbar durch Kraftreduzierung

Phasenbeziehung

  • Definitiv Phase Beziehung zwischen Kraft und Reaktion
  • Die Phase hängt von der Frequenz im Verhältnis zur Eigenfrequenz ab
  • Unterhalb der Resonanz: Schwingung in Phase mit der Kraft
  • Bei Resonanz: 90° Phasenverzögerung
  • Oberhalb der Resonanz: 180° Phasenverzögerung

Stabilität

  • Das System ist stabil – vibrationsfrei
  • Wächst nicht grenzenlos
  • Amplitude begrenzt durch Antrieb und Systemreaktion
  • Kontraste mit instabiler selbsterregter Schwingung

Gängige Antriebsfunktionen in Maschinen

1. Unwucht (1× Forcierung)

  • Gewalt: Rotierende Zentrifugalkraft durch Massenexzentrizität
  • Frequenz: Einmal pro Umdrehung (1× Wellendrehzahl)
  • Größe: F = m × r × ω² (proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit)
  • Am häufigsten: Primäre Vibrationsquelle in den meisten rotierenden Geräten

2. Fehlausrichtung (2× Forcing)

  • Gewalt: Koppelkräfte aus Winkel-/Parallelversatz
  • Frequenz: Zweimal pro Umdrehung (2× Wellengeschwindigkeit)
  • Merkmal: Hohe axiale Komponente

3. Aerodynamisch/hydraulisch (Blade/Vane Passing)

  • Gewalt: Druckpulsationen durch die Wechselwirkung zwischen Schaufel und Stator
  • Frequenz: Anzahl der Blätter × Wellendrehzahl
  • Beispiele: Lüfter, Pumpen, Kompressoren

4. Zahneingriffskräfte

  • Gewalt: Zahneingriff erzeugt periodische Belastung
  • Frequenz: Anzahl der Zähne × Wellendrehzahl
  • Größe: Bezogen auf das übertragene Drehmoment und die Zahnqualität

5. Elektromagnetische Kräfte

  • Gewalt: Magnetfeldpulsationen in Motoren/Generatoren
  • Frequenz: 2× Netzfrequenz (120/100 Hz)
  • Unabhängig: Der mechanischen Geschwindigkeit (asynchrone Erzwingung)

Reaktion auf Erzwingen: Systemverhalten

Unterhalb der Eigenfrequenz (steifigkeitskontrolliert)

  • Schwingungsamplitude ≈ Kraft / Steifigkeit
  • Reaktion in Phase mit der Erzwingung
  • Bei geschwindigkeitsabhängigen Kräften nimmt die Amplitude mit der Geschwindigkeit zu
  • Typischer Betriebsbereich für die meisten starren Rotoren

Bei Eigenfrequenz (Resonanz)

  • Schwingungsamplitude ≈ Kraft / (Dämpfung × Eigenfrequenz)
  • Amplitude verstärkt durch Q-Faktor (typischerweise 10-50×)
  • 90° Phasenverzögerung
  • Kleine Kräfte erzeugen große Vibrationen
  • Dämpfung ist der einzige limitierende Faktor

Über der Eigenfrequenz (massenkontrolliert)

  • Schwingungsamplitude ≈ Kraft / (Masse × Frequenz²)
  • 180° Phasenverzögerung (Schwingung entgegen der Kraftrichtung)
  • Die Amplitude nimmt mit zunehmender Frequenz ab
  • Betriebsbereich für flexible Rotoren oberhalb der kritischen Drehzahl

Erzwungene Vibration im Vergleich zu anderen Arten

Erzwungene vs. freie Schwingung

  • Gezwungen: Kontinuierliche Krafteinwirkung, anhaltende Vibration, bei Krafteinwirkungsfrequenz
  • Frei: Impulsantwort, Schwingungsabklingen, bei Eigenfrequenz
  • Beispiel: Der Bump-Test erzeugt freie Vibration; die laufende Maschine erzeugt erzwungene Vibration

Erzwungene vs. selbsterregte Schwingung

  • Gezwungen: Äußere Kraft, Amplitude proportional zur Kraft, stabil
  • Selbstaufregend: Interne Energiequelle, Amplitude durch Nichtlinearität begrenzt, instabil
  • Beispiele: Ungleichgewicht wird erzwungen; Ölwirbel ist selbsterregt

Kontrolle und Minderung

Reduzieren Sie den Zwang

  • Ausgleichen: Reduziert direkt die Unwuchtbelastung
  • Ausrichtung: Reduziert Fehlausrichtungskräfte
  • Reparatur von Mängeln: Beheben Sie mechanische Probleme, die Kräfte erzeugen
  • Am effektivsten: Eliminieren oder minimieren Sie die Antriebsquelle

Systemantwort ändern

  • Steifigkeit ändern: Verschieben Sie Eigenfrequenzen weg von den erzwungenen Frequenzen
  • Dämpfung hinzufügen: Reduzieren Sie die Resonanzverstärkung
  • Masse ändern: Eigenfrequenzen verändern
  • Isolierung: Reduzieren Sie die Kraftübertragung auf die Struktur

Resonanz vermeiden

  • Stellen Sie sicher, dass die erzwungenen Frequenzen nicht mit den Eigenfrequenzen übereinstimmen
  • Trennungsspanne typischerweise ±20-30%
  • Analyse in der Entwurfsphase zur Überprüfung
  • Geschwindigkeitsbeschränkungen, wenn Resonanzen unvermeidbar sind

Praktische Bedeutung

Die meisten Maschinenvibrationen sind erzwungen

  • Unwucht, Fehlausrichtung, Zahneingriff – alles erzwungene Vibrationen
  • Vorhersehbar und kontrollierbar durch Zwangsreduzierung
  • Standardwartungsaktionen (Ausgleichen, Ausrichten) Adresserzwingung

Diagnostischer Ansatz

  • Identifizieren Sie die erzwungene Frequenz aus dem Spektrum
  • Anpassung an bekannte Antriebsquellen (1×, 2×, Zahneingriff usw.)
  • Diagnose der Zwangsquelle
  • Reduzieren Sie den Druck durch entsprechende Wartung

Erzwungene Schwingungen sind die grundlegende Schwingungsart in rotierenden Maschinen. Sie entstehen durch äußere, periodisch auf das System einwirkende Kräfte. Das Verständnis der Prinzipien erzwungener Schwingungen – Frequenzanpassung, Amplitudenproportionalität und Reaktionsverhalten – ermöglicht die korrekte Diagnose von Schwingungsquellen, geeignete Korrekturmaßnahmen (Reduzierung der erzwungenen Schwingung oder Anpassung der Reaktion) und Designstrategien zur Minimierung von Schwingungen durch Reduzierung der erzwungenen Schwingung und Vermeidung von Resonanzen.

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