Strukturelle Resonanz verstehen

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Portabler Balancer & Schwingungsanalysator Balanset-1A

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Dynamischer Balancer "Balanset-1A" OEM

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Definition: Was ist Strukturresonanz?

Strukturelle Resonanz ist ein Zustand, in dem die Vibration Frequenz von rotierenden Maschinen (wie 1× Laufgeschwindigkeit, 2× von Fehlausrichtung, oder Schaufeldurchgangsfrequenz) entspricht einem Eigenfrequenz der nicht rotierenden Trägerstruktur – einschließlich Maschinenrahmen, Grundplatte, Sockel, Fundament oder sogar nahe gelegene Strukturen. Wenn diese Frequenzanpassung auftritt, Resonanz verstärkt die strukturellen Vibrationen auf ein Niveau, das weit über das hinausgeht, was die rotierenden Komponenten selbst erfahren.

Strukturresonanz ist besonders problematisch, da sie den Eindruck erwecken kann, dass eine gut ausbalancierte und korrekt ausgerichtete Maschine starke Vibrationsprobleme aufweist. Die starken Vibrationen sind in der Struktur begründet und weisen nicht unbedingt auf Rotorprobleme hin. Die Strukturbewegung kann jedoch das Rotorverhalten beeinflussen und mit der Zeit echte mechanische Schäden verursachen.

Wie Strukturresonanz entsteht

Der Resonanzmechanismus

1. Anregungsquelle: Rotierende Maschinen erzeugen periodische Kräfte (von Unwucht, Fehlausrichtung usw.)
2. Kraftübertragung: Diese Kräfte werden durch Lager auf die Stützstruktur übertragen
3. Frequenzübereinstimmung: Wenn Anregungsfrequenz ≈ Struktureigenfrequenz
4. Energiespeicherung: Struktur absorbiert Energie über mehrere Zyklen
5. Verstärkung: Die Schwingungsamplitude baut sich auf, begrenzt nur durch strukturelle Dämpfung
6. Beobachteter Effekt: Die Struktur vibriert mit einer 5- bis 50-fach höheren Amplitude als die Eingangskraft normalerweise erzeugen würde

Typische Frequenzbereiche

• Foundation-Modi: Normalerweise 5-30 Hz für typische Industriefundamente
• Grundplattenmodi: 20-100 Hz je nach Größe und Bauweise
• Sockelmodi: 30–200 Hz für typische Lagerhalterungen
• Rahmen-/Cover-Modi: 50-500 Hz für Blechpaneele und Abdeckungen

Häufige Resonanzszenarien

1X Laufgeschwindigkeitsresonanz

• Beispiel: Maschine läuft mit 1800 U/min (30 Hz), Fundament-Eigenfrequenz bei 28–32 Hz
• Symptom: Sehr hohe Vibration trotz guter Balance
• Wirkung: Schon kleine Restunwuchten erzeugen große Strukturbewegungen
• Lösung: Ändern Sie die Fundamentsteifigkeit, fügen Sie Dämpfung hinzu oder ändern Sie die Betriebsgeschwindigkeit

2X Resonanz (Fehlausrichtungsfrequenz)

• Fehlausrichtung erzeugt 2× Frequenzanregung
• Wenn 2× dem Strukturmodus entspricht, erfolgt eine Verstärkung
• Hohe Vibrationen können fälschlicherweise als schwere Fehlausrichtung diagnostiziert werden
• Eine verbesserte Ausrichtung hilft, beseitigt die Resonanz jedoch nicht

Resonanzfrequenz bei Schaufel-/Leitschaufeldurchgang

• Lüfter, Pumpen und Turbinen erzeugen eine Schaufeldrehfrequenz (N × U/min, wobei N = Anzahl der Schaufeln)
• Oft im Bereich von 50-500 Hz
• Kann Strukturmoden in diesem Frequenzbereich anregen
• Hochfrequentes Rasseln oder Summen

Diagnostische Identifizierung

Symptome der Strukturresonanz

• Unverhältnismäßige Vibration: Strukturschwingungen viel stärker als Lagerschwingungen
• Enger Geschwindigkeitsbereich: Hohe Vibrationen nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit (±5-10%)
• Richtungsabhängigkeit: Stark in einer Richtung, minimal in der senkrechten Richtung (entsprechende Eigenform)
• Standortabhängigkeit: Die Vibration variiert stark über die Strukturoberfläche (Bäuche vs. Knoten)
• Minimaler Lagereffekt: Lager und Rotor können akzeptable Vibrationen aufweisen, während die Struktur stark

Diagnosetests

1. Aufprallprüfung (Bump-Test)

• Struktur mit Hammer anschlagen, Reaktion messen
• Identifiziert alle strukturellen Eigenfrequenzen
• Vergleichen Sie mit den Betriebsfrequenzen der Maschine
• Der zuverlässigste Test für Strukturresonanz

2. Messortvergleich

• Messen Sie die Vibration am Lagergehäuse (in der Nähe der Quelle).
• Messen an Sockelfuß, Grundplatte, Fundament
• Wenn Strukturschwingung >> Lagerschwingung, deutet dies auf Strukturresonanz hin
• Eine Durchlässigkeit von > 2-3 deutet auf eine Resonanzverstärkung hin

3. Betriebsschwingform (ODS)

• Messen Sie die Vibrationen gleichzeitig an mehreren Punkten der Struktur
• Erstellen Sie eine animierte Visualisierung struktureller Bewegungen
• Zeigt an, welcher Strukturmodus aktiv ist
• Identifiziert Knoten und Bäuche

Lösungen und Schadensbegrenzung

Frequenztrennung

Betriebsgeschwindigkeit ändern

• Bei Geräten mit variabler Geschwindigkeit ist darauf zu achten, dass sie nicht in Resonanzzonen betrieben werden.
• Ändern Sie die Größe der Motorscheiben, um die Geschwindigkeit anzupassen
• Verwenden Sie VFD, um eine nicht resonante Geschwindigkeit auszuwählen
• Möglicherweise nicht praktikabel, wenn die Geschwindigkeit durch die Prozessanforderungen bestimmt wird

Strukturelle Eigenfrequenz ändern

• Masse hinzufügen: Senkt die Eigenfrequenz (f ∝ 1/√m)
• Steifheit hinzufügen: Erhöht die Eigenfrequenz (f ∝ √k)
• Material entfernen: In manchen Fällen kann die Reduzierung der Masse die Resonanz verschieben
• Strukturelle Modifikation: Fügen Sie Verstrebungen, Knotenbleche oder Verstärkungen hinzu

Dämpfungszusatz

Dämpfung eingeschränkter Schichten

• Viskoelastisches Dämpfungsmaterial, das mit der Struktur verbunden ist
• Wirksam für Blechplatten und Rahmen
• Reduziert die Resonanzspitzenamplitude
• Handelsübliche Dämpfungsbehandlungen

Schwingungstilger

• Fügen Sie ein sekundäres Masse-Feder-System hinzu, das auf die problematische Frequenz abgestimmt ist
• Absorbiert Energie und reduziert die Vibration der Hauptstruktur
• Effektiv, erfordert aber sorgfältige Planung und Abstimmung

Strukturdämpfungsmaterialien

• Gummipolster oder Isolatoren an strategischen Stellen
• Auf Oberflächen aufgetragene Dämpfungsmassen
• Reibungsdämpfer an Gelenken

Isolierung

• Installieren Sie Schwingungsisolatoren zwischen Maschine und Fundament
• Entkoppelt Maschinenschwingungen von der Struktur
• Wirksam, wenn die Eigenfrequenz des Isolators < 0,5× Anregungsfrequenz
• Erfordert sorgfältige Konstruktion, um neue Resonanzprobleme zu vermeiden

Erregung reduzieren

• Verbessern Balance-Qualität um die 1×-Erregung zu reduzieren
• Präzise Ausrichtung zur Reduzierung der 2-fachen Anregung
• Beheben Sie mechanische Probleme, indem Sie die Antriebsamplituden reduzieren
• Reduziert die Symptome, beseitigt jedoch nicht das Resonanzpotenzial

Prävention im Design

Kriterien für die Fundamentkonstruktion

• Fundamenteigenfrequenz > 2× maximale Betriebsfrequenz (Resonanz darüber vermeiden)
• Oder < 0,5× minimale Betriebsfrequenz (isoliertes Fundament)
• Vermeiden Sie den Bereich 0,5-2,0, wo Resonanz wahrscheinlich ist
• Integrieren Sie dynamische Analysen in die Entwurfsphase

Strukturelles Design

• Design für ausreichende Steifigkeit im Verhältnis zu den Antriebsfrequenzen
• Vermeiden Sie leicht belastete Strukturen, die zu Resonanzen neigen
• Verwenden Sie Rippen und Zwickel, um die Frequenz zu erhöhen
• Erwägen Sie die Hinzufügung einer Eigendämpfung (Verbundwerkstoffe, Verbindungen mit Reibung).

Strukturelle Resonanz kann durch Verstärkungseffekte kleine Vibrationsquellen in große Probleme verwandeln. Die Identifizierung struktureller Resonanzen durch Aufpralltests und Betriebsmessungen in Kombination mit geeigneten Minderungsstrategien ist entscheidend für das Erreichen akzeptabler Vibrationspegel in Anlagen, in denen die Strukturdynamik das Gesamtschwingungsverhalten der Maschine erheblich beeinflusst.

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