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Vibrationen verstehen, Ausfälle vermeiden: Mit ZAset Vibration Client monitoren Sie das Vibrationsverhalten einzelner oder mehrerer Ventilatoren.
“Mechanische Schwingung” beschreibt eine zeitlich veränderliche Bewegung eines mechanischen Systems um einen Gleichgewichtspunkt oder eine Ruhelage, die durch das Zusammenwirken von Masse (Trägheit) und rücktreibenden Kräften entsteht. Diese kann periodisch oder quasiperiodisch auftreten.
Vibration wird in der ISO 2041:2018 definiert als “mechanische Schwingung eines Körpers um eine Gleichgewichtslage”. Im praktischen Kontext Maschinen- und Anlagenbau meint der Begriff häufig eine unerwünschte, negativ bewertete Form einer mechanischen Schwingung, die Bauteile belasten, Geräusche verursachen oder sogar die Funktion der Anlage beeinträchtigen kann.
Die Begriffe Vibration, Schwingung und Oszillation beschreiben im Wesentlichen alle drei dasselbe physikalische Grundprinzip einer zeitlich veränderlichen Bewegung, bzw. Zustandsänderung um eine Gleichgewichtslage.
Der Unterschied liegt daher nicht in der Physik, sondern primär im Anwendungsbereich und dem Kontext:
Die Amplitude A quantifiziert die Stärke einer Schwingung und damit die maximale Auslenkung eines Systems von der Gleichgewichtslage. Sie ist von zentraler Bedeutung bei der Bewertung von vibrationsbedingten Belastungen und Verschleiß. Die Amplitude steht in direktem Zusammenhang mit der im System gespeicherten Schwingungsenergie. Mit zunehmender Energie nimmt auch die Amplitude der Schwingung zu.
Die Frequenz f gibt an, wie oft eine Schwingung pro Zeiteinheit auftritt und wird in Hertz (Hz) angegeben. Sie ist als Kehrwert der Periodendauer T definiert. Sie ist eine der zentralen Kenngrößen in der Schwingungsanalyse, da viele technische Ursachen charakteristische Frequenzen erzeugen.
Grundsätzlich gilt:
Die Periodendauer T ist die Zeit, die eine vollständige Schwingung benötigt. Sie errechnet sich aus der Wellenlänge λ und der Wellengeschwindigkeit v und steht damit in direktem Zusammenhang mit der Frequenz.
Gemessen wird die Periodendauer T in Sekunden (s).
Die Phase φ beschreibt die zeitliche Lage einer Schwingung relativ zu einem Referenzzeitpunkt. Sie ist insbesondere in der Analyse beim Vergleich mehrerer Schwingungen relevant.
Mechanische Schwingungen lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen. Für das Verständnis technischer Anwendungen ist insbesondere die Unterscheidung nach Anregungsart, Dämpfung und Ursache relevant.
In der Ventilatorentechnik treten mechanische Schwingungen infolge mechanischer Bewegung überwiegend als erzwungene, gedämpfte Schwingungen auf. Die Anregung erfolgt typischerweise durch eine Kombination aus rotordynamischen Ursachen (z.B. Unwucht) und strömungsbedingten Einflüssen (z.B. Turbulenzen). Das Zusammenwirken der Anregung mit den strukturellen Systemeigenschaften bestimmt das resultierende Vibrationsverhalten.
Die Eigenfrequenz ist eine systemspezifische physikalische Größe und beschreibt die Frequenz, mit der ein mechanisches System nach einer einmaligen Auslenkung frei schwingt. Sie wird ausschließlich durch die physikalischen Eigenschaften eines Systems bestimmt, insbesondere durch dessen Masse und Steifigkeit. Für ein einfaches lineares System ergibt sich die Eigenfrequenz fe aus dem Verhältnis von Steifigkeit k zu Masse m:
Grundsätzlich gilt:
Reale Systeme können gleichzeitig mehrere Eigenfrequenzen besitzen, die von der Geometrie und den Randbedingungen abhängen. Jede dieser Eigenfrequenzen ist mit einer charakteristischen Schwingungsform (Mode) verbunden.
Diese Mode beschreibt das räumliche Bewegungs- und Deformationsmuster des Systems während der Schwingung. Je nach Eigenform treten dabei an unterschiedlichen Stellen des Systems unterschiedlich große Auslenkungen auf. Dadurch kann es vorkommen, dass bestimmte Bereiche eines Bauteils besonders stark beansprucht werden, während andere nahezu unbewegt bleiben.
Resonanz ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn sich die Frequenz einer äußeren Anregung der Eigenfrequenz eines Systems annähert:
fAnregung ≈ fe
In diesem Fall wirkt die dem System zugeführte Energie besonders effizient, wodurch die Schwingungsamplitude stark ansteigen kann.
In rotierenden Maschinen stehen die Anregungsfrequenzen häufig in direktem Zusammenhang mit der Drehzahl. Kritische Drehzahlen bezeichnen dabei jene Drehzahlbereiche, in denen Resonanz auftreten kann. In diesen Bereichen können erhöhte Schwingungsamplituden auftreten, die zu verstärktem Verschleiß, Geräuschen oder Schäden an Komponenten führen können.
Vibrationen, bzw. mechanische Schwingungen entstehen, wenn ein System aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt wird und rücktreibende Kräfte wirken, die zusammen mit der Trägheit eine zeitlich veränderliche Bewegung hervorrufen.
Das Schwingungsverhalten eines Systems wird dabei maßgeblich durch das Zusammenwirken folgender physikalischer Eigenschaften bestimmt:
Zusätzlich wird das tatsächliche Schwingungsverhalten durch äußere Einflüsse bestimmt, insbesondere durch:
In technischen Anwendungen entstehen Schwingungen überwiegend durch äußere oder innere Anregungen, die das System während des Betriebs beeinflussen.
Vibrationen wirken sich in technischen Systemen auf unterschiedliche Weise aus und können sowohl die Funktion, die Lebensdauer als auch die Sicherheit von Maschinen beeinflussen. Die Auswirkungen hängen dabei wesentlich von der Amplitude, der Frequenz und der Dauer der Schwingungsanregung ab.
In der Ventilatorentechnik hängt das Vibrationsverhalten nicht nur vom Ventilatortyp, sondern maßgeblich auch von der Einbausituation und den Betriebsbedingungen ab.
Die beschriebenen Einflüsse bestimmen nicht nur die Stärke der auftretenden Vibrationen, sondern auch deren Bewegungsform. In der Praxis äußern sich diese Schwingungen in charakteristischen Bewegungsmustern, die als sogenannte Moden beschrieben werden.
Bei der Messung von Vibrationen werden insbesondere der Schwingweg (Auslenkung), die Schwingungsgeschwindigkeit und die Schwingbeschleunigung eines schwingenden Systems erfasst. Diese physikalischen Größen ermöglichen eine quantitative Beschreibung des Vibrationsverhaltens.
Zur Datenerfassung werden Sensoren typischerweise an schwingungsrelevanten Stellen montiert, wie z.B. als integrierte 3-Achsen-Sensoren in der Motorelektronik.
Die Analyse von Vibrationsdaten dient dazu, Ursachen von Schwingungen zu identifizieren, Betriebszustände zu bewerten und kritische Veränderungen frühzeitig zu erkennen. Dafür werden Messdaten softwaregestützt ausgewertet und visualisiert.
Fortschrittliche softwaregestützte Analysesysteme ermöglichen eine automatisierte Auswertung großer Datenmengen sowie eine reproduzierbare Bewertung komplexer Schwingungssysteme.
Die kontinuierliche Überwachung von Vibrationen ermöglicht eine frühzeitige Erkennung von Veränderungen im Betriebsverhalten und bildet die Grundlage für eine zustandsorientierte Instandhaltung (Condition Monitoring).
Durch fortlaufende Erfassung und Analyse von Vibrationsdaten können kritische Veränderungen im Betriebsverhalten frühzeitig erkannt und potenzielle Schäden bereits vor dem Auftreten kritischer Betriebszustände prognostiziert werden.
Bei Ventilatorwänden (Fan Arrays) muss das Vibrationsverhalten zusätzlich als Gesamtsystem betrachtet werden. Im Vergleich zu einzeln betriebenen Ventilatoren können sich die Schwingungen mehrerer Ventilatoren gegenseitig beeinflussen.
Die Wechselwirkungen entstehen insbesondere über gemeinsame Tragstrukturen, Gehäuse oder strömungsbedingte Kopplungen. Dadurch können sich Schwingungen lokal verstärken, überlagern oder auf andere Komponenten übertragen.
Werden mehrere Ventilatoren mit ähnlichen, aber nicht exakt identischen Drehzahlen betrieben, können zusätzlich Schwebungsphänomene auftreten. Dabei entstehen periodische Verstärkungen und Abschwächungen der Schwingungsamplituden.
Darüber hinaus besitzt die gesamte Ventilatorwand eigene strukturelle Eigenfrequenzen und Eigenmoden. Werden diese durch mehrere Ventilatoren gleichzeitig angeregt, können erhöhte dynamische Belastungen innerhalb des Gesamtsystems entstehen.
Für die Analyse und Überwachung ist daher nicht nur die Bewertung einzelner Ventilatoren relevant, sondern auch das dynamische Verhalten des Gesamtsystems. Fortschrittliche Monitoring-Systeme ermöglichen hierbei die synchrone Erfassung und Analyse mehrerer Ventilatoren innerhalb eines gemeinsamen Systems.
Zur Reduzierung kritischer Schwingungen kommen unter anderem Schwingungsisolatoren sowie die gezielte Vermeidung kritischer Resonanzbereiche im Betriebsbereich zum Einsatz.
Automatisierte Vibrationsmessung & Schwingungsanalyse für Ventilatoren - Mit ZAset Vibration Client
In der Praxis treten Schwingungsprobleme oft nicht isoliert, sondern durch das Zusammenwirken mehrerer Ursachen auf. Durch konstruktive, rotordynamische, strukturelle oder regelungstechnische Maßnahmen lassen sich Vibrationen reduzieren.
Die folgende Auswahl an Maßnahmen kann dabei helfen, Schwingungsanregungen zu minimieren, Resonanzen zu vermeiden und die Übertragung von Schwingungen auf die Umgebung zu begrenzen: