Rahmenresonanz verstehen

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Portabler Balancer & Schwingungsanalysator Balanset-1A

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Schwingungssensor

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Optischer Sensor (Laser-Tachometer)

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Balanset-4

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Magnetischer Ständer Größe-60-kgf

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Reflektierendes Band

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Dynamischer Balancer "Balanset-1A" OEM

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Definition: Was ist Rahmenresonanz?

Rahmenresonanz ist eine spezielle Art von Strukturresonanz wenn der eigene Rahmen, das Gehäuse oder die Umhüllung der Maschine an einer ihrer Schwingungsfrequenzen vibriert Eigenfrequenzen Als Reaktion auf die Anregung durch die rotierenden Bauteile. Im Gegensatz zu Fundament- oder Sockelresonanzen, die die Tragkonstruktion betreffen, betrifft die Rahmenresonanz den Maschinenkörper selbst – die Gusseisen- oder Stahlkonstruktion, die die rotierenden Elemente umschließt.

Rahmenresonanz tritt häufig bei Maschinen mit großen, relativ leichten Gehäusen wie Ventilatoren, Gebläsen, Pumpen und Motoren auf. Sie äußert sich typischerweise durch übermäßige Geräuschentwicklung, sichtbare Vibrationen von Abdeckungen oder Paneelen und hohe Schwingungsfrequenzen. Vibration Die Messwerte am Rahmen stehen in keinem Verhältnis zur tatsächlichen Rotorschwingung.

Häufige Resonanzsituationen im Rahmen

Motor- und Generatorrahmen

• Natürliche Frequenzen: Typischerweise 50–400 Hz, abhängig von Größe und Bauart.
• Erregung: 1× (Unwucht), 2× Netzfrequenz (120 Hz für 60-Hz-Motoren), elektromagnetische Kräfte
• Symptome: Rahmenvibrationen wesentlich höher als Lagervibrationen; hörbares Brummen oder Summen.
• Schwere: Die Vibrationen am Rahmen können 5- bis 10-mal höher sein als an den Lagern.

Lüfter- und Gebläsegehäuse

• Natürliche Frequenzen: 20-200 Hz für typische Industrielüfter
• Erregung: Schaufelpassierfrequenz (Anzahl der Schaufeln × Drehzahl)
• Symptome: Gehäuseplatten vibrieren heftig; lautes aerodynamisches Geräusch
• Merkmal: Kann nur bei bestimmten Geschwindigkeiten oder Strömungsbedingungen auftreten.

Pumpengehäuse

• Natürliche Frequenzen: 30–300 Hz je nach Gehäuseausführung
• Erregung: Schaufelpassierfrequenz, hydraulische Pulsationen
• Symptome: Gehäuseschwingungen, Geräusche, Risiko von Ermüdungsrissen
• Hydraulische Kupplung: Das flüssigkeitsgefüllte Gehäuse kann Rotor- und Gehäuseschwingungen koppeln

Getriebegehäuse

• Anregung der Zahneingriffsfrequenz
• Die Eigenfrequenzen des Rahmens überlappen sich häufig mit den Eigenfrequenzen des Netzes.
• Charakteristisches lautes Getriebegeräusch bei Resonanz

Vibrationssignatur und -erkennung

Charakteristische Symptome

• Standortabhängig: Die Vibrationen variieren über die Rahmenoberfläche hinweg dramatisch (10-fache Unterschiede sind üblich).
• Lager vs. Rahmen: Rahmenschwingung >> Lagerschwingung (möglicherweise 3-10-mal so groß)
• Frequenzspezifisch: Nur bei Resonanzfrequenz; andere Frequenzen normal
• Geschwindigkeitsempfindlich: Schwerwiegend in einem engen Geschwindigkeitsbereich (±10-20% der Resonanzgeschwindigkeit)
• Visuelle Bewegung: Bildbewegungen sind oft mit bloßem Auge sichtbar

Diagnosetests

Aufpralltest (Stoßtest)

• Schlagrahmen mit Gummihammer oder Instrumentenhammer
• Reaktion messen mit Beschleunigungsmesser
• Ermitteln Sie die Eigenfrequenzen des Rahmens anhand der Maxima im Frequenzgang.
• Vergleichen Sie mit den Betriebsfrequenzen (1×, 2×, Schaufeldurchgang usw.)

Mobile Beschleunigungsmesser-Umfrage

• Messen Sie die Vibrationen an vielen Punkten des Rahmens während des Betriebs.
• Erstellen Sie eine Vibrationskarte, die die Bereiche mit hohem und niedrigem Vibrationsniveau anzeigt.
• Das Muster offenbart die Schwingungsform (Biegung, Verdrehung, Plattenflexion).
• Identifiziert Schwingungsbäuche (maximale Bewegung) und Schwingungsknoten (minimale Bewegung)

Übertragungsfunktionsmessung

• Messung der Kohärenz zwischen Lagerschwingung (Eingang) und Rahmenschwingung (Ausgang)
• Hohe Kohärenz bei einer bestimmten Frequenz bestätigt Resonanz
• Die Übertragungsfunktion zeigt den Verstärkungsfaktor

Lösungen und Schadensbegrenzung

Versteifungsmodifikationen

Fügen Sie strukturelle Rippen oder Knotenbleche hinzu

• Erhöhung der Rahmenbiegesteifigkeit
• Erhöht die Eigenfrequenzen über den Anregungsbereich hinaus
• Relativ wirtschaftlich und effektiv
• Kann an bestehende Geräte nachgerüstet werden

Materialstärke erhöhen

• Rahmenwände oder Paneele verstärken
• Erhöht die Steifigkeit und Frequenz signifikant.
• Möglicherweise sind Konstruktionsänderungen und neue Gussteile/Fertigungen erforderlich.

Strukturelle Verbindungen und Aussteifungen

• Verbinden Sie gegenüberliegende Seiten des Rahmens, um ein Durchbiegen zu verhindern.
• Die Kreuzverstrebung erhöht die Torsionssteifigkeit
• Kann ohne interne Änderungen von außen hinzugefügt werden.

Massenzunahme

• Niedrigere Eigenfrequenz: Durch Hinzufügen von Masse wird die Frequenz unter den Anregungsbereich reduziert.
• Strategische Platzierung: Für maximale Wirkung Masse an den Schwingungsbäuchen anbringen.
• Abgestimmte Masse: Sorgfältig berechnete Massenzunahme zur Verschiebung eines bestimmten Modus
• Abtausch: Ein erhöhtes Gewicht ist möglicherweise nicht für alle Anwendungen wünschenswert.

Dämpfungsbehandlungen

Dämpfung eingeschränkter Schichten

• Viskoelastisches Material zwischen Metallschichten eingebettet
• Anwendung auf großen, flachen Oberflächen (Paneelen, Abdeckungen)
• Reduziert die Resonanzspitzenamplitude um 50-80%
• Wirksam im Frequenzbereich von 20-500 Hz

Dämpfung der freien Schicht

• Dämpfungsmaterial, das direkt auf die vibrierende Oberfläche geklebt ist
• Einfacher als eine eingeschränkte Schicht, aber weniger effektiv
• Gut geeignet für Anwendungen mit eingeschränkter Barrierefreiheit

Betriebliche Änderungen

• Geschwindigkeitsänderung: Arbeiten Sie mit einer Drehzahl, bei der keine Resonanz auftritt.
• Zwang reduzieren: Verbesserung des Gleichgewichts und der Ausrichtung zur Reduzierung der Erregungsamplitude
• Prozessänderungen: Durch Ändern von Durchfluss, Druck oder Last lassen sich die Anregungsfrequenzen verschieben.

Prävention im Design

Designprinzipien

• Ausreichende Steifigkeit: Rahmenkonstruktion mit Eigenfrequenzen > 2× höchster Anregungsfrequenz
• Massenverteilung: Vermeiden Sie konzentrierte Massen, die niederfrequente Moden erzeugen.
• Rippen und Verstärkungen: Integrieren Sie von Anfang an Versteifungsmerkmale.
• Modalanalyse: FEA während der Konstruktion zur Vorhersage und Optimierung der Eigenfrequenzen

Designverifizierung

• Prototypentests mit Wirkungsanalyse
• Betriebsdurchbiegungsformmessung an ersten Einheiten
• Ändern Sie das Design vor der Produktion, falls Resonanzen festgestellt werden

Fallbeispiel

Situation: 75 PS starker Motor treibt Radialventilator an, übermäßige Geräuschentwicklung und Vibrationen

• Symptome: Motorgehäusevibration 12 mm/s; Lagervibration nur 2,5 mm/s
• Frequenz: 120 Hz (2× Netzfrequenz für 60-Hz-Motor)
• Aufpralltest: Die ermittelte Eigenfrequenz des Rahmens beträgt 118 Hz.
• Grundursache: Rahmen schwingt bei elektromagnetischer Anregungsfrequenz
• Lösung: Vier zusätzliche Winkelprofile aus Eisen verbinden die Motorfüße mit den Endkappen.
• Ergebnis: Die Eigenfrequenz des Rahmens wurde auf 165 Hz verschoben, die Vibration sank auf 3,2 mm/s.
• Kosten: $200 bei den Materialien vs. $8000 beim Motoraustausch

Rahmenresonanz ist ein häufiges, aber oft falsch diagnostiziertes Vibrationsproblem. Die Erkennung der charakteristischen Symptome (hohe Rahmenvibration im Verhältnis zur Lagervibration, frequenzspezifisch, ortsabhängig) und die Anwendung geeigneter Diagnoseverfahren (Schlagprüfung, ODS-Analyse) ermöglichen gezielte Lösungen, die Vibrationen kostengünstig und deutlich reduzieren können.

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