m+p Analyzer: Betriebsschwingformanalyse (ODS) – ein Beispiel

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Reihe “m+p Analyzer Grundlagen”

Ausgabe 10: Betriebsschwingformanalyse (ODS) – ein Beispiel

Bisherige Ausgaben

In der letzten Folge unserer Reihe m+p Analyzer Grundlagen haben wir uns mit den Grundlagen der Betriebsschwing­formanalyse (Operating Deflection Shapes ODS) befasst. Heute demonstrieren wir an einem Beispiel, wie Betriebsschwingformen mit dem m+p Analyzer gemessen und extrahiert werden.

Beispiel: Betriebsschwingformanalyse einer rotierenden Maschine

Wir messen die Betriebsschwingformen unserer rotierenden Demomaschine. Sie besteht aus einer rechteckigen Aluminiumgrundplatte, auf der ein Motor und eine rotierende Welle montiert sind (siehe Foto). Ziel ist es, die Betriebsschwingformen des Maschinenfundaments (die Grundplatte) durch Messung der Schwingungen, die während des Betriebs auftreten, zu ermitteln.

Demomaschine Motor Messhardware

Festlegen der Geometrie

Die erste Grundvoraussetzung für die ODS-Animation ist eine Geometrie des zu untersuchenden Systems. Der Einfachheit halber analysieren wir nur die Grundplatte der Demomaschine. Es werden acht Messpunkte auf der Grundplatte definiert und eine Geometrie im m+p Analyzer Geometrieeditor erstellt (Lizenz AN-ODS/AN-eODS erforderlich):

Screenshot m+p Analyzer Geometrien

Zur Messung der acht Punkte auf der Grundplatte wählen wir eine teilweise Sensorbestückung mit vier Beschleunigungssensoren. Wir brauchen drei Messläufe für alle Punkte: Der Referenzsensor bleibt die ganze Zeit an der Position 1. Drei „roving"-Sensoren messen die Positionen 2, 3 und 4 im ersten Lauf, dann 5, 6, 7 im zweiten Lauf; und schließlich wird nur ein Sensor für die 8. Position benötigt.

Definieren der Messung

Zunächst konfigurieren wir die Sensoren mit ihrer jeweiligen Empfindlichkeit und wählen in unserem Fall IEPE-Versorgung. Wenn man den ersten Sensor auf „Excitation" stellt (während alle anderen auf „Response" stehen), wird er als Referenzsensor für die Phasenreferenz markiert. Wir wählen eine Abtastrate von 2048 Hz, weil eine maximale Frequenz von 800 Hz in den Spektren ausreichend ist. Auf der Seite zum Speichern der Konfiguration wählen wir „ODS-FRF", was uns phasenbezogene Spektren liefert. Hinweis: Dies sind „Pseudo"-Spektren. Da wir eine Amplitudenmittelwertbildung verwenden, haben die tatsächlichen Spektren keine brauchbaren Phaseninformationen mehr. Im Hintergrund werden Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen verwandt, um das „ODS-FRF" mit sinnvollen Amplituden und referenzierten Phasen zu erzeugen.

Screenshot Tabelle Werte

Datenerfassung

Als wir mit dieser Beispielmessung begannen, wollten wir die Maschine mit einer festen Drehzahl laufen lassen und die Schwingungen auf der Grundplatte messen. Wir dachten, dass der Motor genügend „zufällige" Schwingungen liefern würde, um die Biegemodi anzuregen, und dass wir daraus die Betriebsschwingformen extrahieren könnten. Nach dem Einrichten der Maschine, der Konfiguration des m+p Analyzers und dem Start der ersten Messung erhielten wir folgende Spektren:

Screenshot Kurven Zahlen rot blau

Das war nicht das, was wir erwartet hatten! Offensichtlich gibt es viele Spitzen im Spektrum, die keine Strukturschwingungen zu sein scheinen. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass alle diese Spitzen ganzzahlige Vielfache von 100 Hz sind. Es stellt sich heraus, dass immer, wenn der Motor unter Last steht (er also die Welle beschleunigen muss), diese Spitzen entstehen. Also mussten wir die Vorgehensweise ändern: Wir haben die Welle beschleunigt und den Motor abgeschaltet, um einen Nachlauf der Maschine zu messen. Das Ergebnis sieht vielversprechender aus:

 

Screenshot Kurve blau

Obwohl dies immer noch nicht das perfekte Spektrum ist, wird es für unseren Zweck reichen. Das zeigt, dass selbst eine einfache Demomaschine ihre Eigenheiten haben kann und der beste Weg, wie man Daten erfasst, ein Teil der Aufgabe ist, die oft durch Try and Error gelöst wird. Bei der Untersuchung dieses Spektrums finden wir zwei Bereiche: Im unteren Frequenzbereich (~ 0 - 100 Hz) sehen wir hohe Schwingungen durch die Rotation der Welle (~ 0 - 6000 U/min). Die Fläche ist ziemlich groß, weil wir einen Nachlauf gemessen haben. So werden nun alle unterschiedlichen Drehzahlen während des Betriebs erfasst und sind im Spektrum vorhanden. Der zweite Bereich von ~150 - 500 Hz ist für uns interessant, hier finden wir die Strukturschwingungen der Grundplatte.

Extrahieren der Betriebsschwingformen

Mit den durch das zuvor beschriebene Verfahren gewonnenen Messungen können wir nun damit beginnen, die Betriebsschwingformen zu extrahieren. Dazu verwenden wir den m+p Analyzer „Operating Deflection Shape" Wizard: In drei Fenstern (von links nach rechts) sehen wir alle gültigen Messungen, ein Diagramm zur Auswahl der Frequenz, in die die Betriebsschwingformen extrahiert wird, und die endgültigen Betriebsschwingformen. Hinweis: Das Animationsfenster enthält auch die Frequenz und ein geschätztes Dämpfungsverhältnis (gemäß der Half-Power-Methode).

Screenshot Kurve Schwingform

Als letzten Schritt können wir das extrahierte ODS im Arbeitsbereich speichern. Exemplarisch haben wir die Biegeformen für den ersten und zweiten Biegemodus der Grundplatte bei 153 Hz und 485 Hz extrahiert:

Beispiel

Schwingform ODS acht Punkte

 

 

Beispiel

Schwingform ODS acht Punkte

 

 

Schlussbemerkung

Betriebsschwingformen sind ein hervorragendes Werkzeug, um die dynamischen Eigenschaften einer Struktur unter Betriebsbedingungen zu analysieren. Es hilft Ingenieuren dabei, strukturelle und akustische Probleme zu finden und zu lösen. Das Verfahren basiert auf den „selbsterzeugten" Schwingungen der Strukturen (Maschinen), so dass die Ergebnisse nur für den gegebenen Betriebszustand gültig sind und nur unter dem gegebenen Zustand angeregte strukturelle Eigenschaften gefunden werden. D. h. ein anderer Betriebszustand (z. B. Drehzahl) kann zu anderen Struktur­antworten führen. Ein allgemeinerer Ansatz zur Analyse von Struktur­eigenschaften ist die Modalanalyse, die ein Thema in einem unserer nächsten m+p Analyzer Basics sein wird.

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