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Ordnungs- und Nachlaufanalyse
Was ist eine Ordnungsanalyse?
Mithilfe der Ordnungs- aber auch der Nachlaufanalyse können insbesondere drehzahlabhängige Schwingungen von Maschinen detailliert untersucht werden.
Die bekannte Frequenzanalyse trägt die Schwingungsamplituden über der Frequenz auf und bildet somit ein Frequenzspektrum. Die Ordnungsanalyse hingegen trägt die Amplitudenwerte als Vielfache der Drehzahl, den sogenannten Ordnungen, auf. Das Spektrum heißt deshalb auch Ordnungsspektrum.
Wenn wir z.B. einen 2-poligen Asynchronmotor am 50 Hz Netz betrachten, beträgt dessen Drehzahl 3000 U/min. Dies ist damit die 1. Ordnung. Die zweite ist entsprechend 6000 U/min, die dritte 9000 U/min usw.
Der große Vorteil von Ordnungsspektren ist, dass bei sich ändernder Drehzahl Linien von drehzahl-synchronen Schwingungen ihre Lage auf der x-Achse nicht verändern, während bei einer FFT die Linien wandern.
In einem Ordnungsspektrum kann so unterschieden werden, ob eine Schwingung drehzahl-synchron ist oder andere Anregungsursachen besitzt.
Vorteilhaft ist auch, dass die Signalabtastung bei der Ordnungsanalyse nicht zeitsynchron, sondern winkelsynchron vorgenommen wird. D.h. statt eines Zeitfensters wird die Anzahl der einzusammelnden Umdrehungen vorgegeben. Praktisch wird dies durch die parallele Aufnahme eines Drehzahlsignals realisiert.
Dadurch kann bei sich ändernden Maschinendrehzahlen eine hohe Frequenz- und Amplitudengenauigkeit erreicht werden.
In VibroMatrix werden Ordnunganalysen im InnoAnalyzer durchgeführt.
Praxisbeispiel - Ordnungsanalyse
Nun wollen wir uns praktische Beispiele anschauen. Wie schon erwähnt wird ein Drehzahlaufnehmer benötigt. Hier ist es eine Reflexlichtschranke mit der dazugehörigen Marke. Wir messen 1-kanalig an einem Lagerbock.
Die Ordnungsanalyse wird mit dem manuellen FFT-Modus des InnoAnalyzers durchgeführt. Unter dem Reiter Anzeige braucht nur die Einstellung der Frequenzachse auf „Ordnung, Hz“ oder „Ordnung, 1/min“ umgestellt werden, je nach gewünschter Drehzahleinheit.
Der Reiter FFT erweitert sich zu FFT/Ordnung. Die Einstellungen entsprechen im Wesentlichen denen der Frequenzanalyse. Abweichend wird hier der Drehfrequenzbereich und die gewünschte Anzahl an darzustellenden Ordnungen eingetragen. Wir setzen die minimale Ordnung auf 0. Um die Auflösung zu erhöhen legen wir 50 Umdrehungen für 1 Spektrum fest. Des Weiteren wählen wir das Hann-Bewertungsfenster und die maximale Überlappung.
Das Maschinenmodell läuft mit maximaler Drehzahl und die Ordnungsanalyse kann gestartet werden. Die erste Ordnung weist eine hohe Amplitude auf. Höhere Ordnungen sind vernachlässigbar. Dies spricht für eine vorliegende Unwucht. Es sind aber auch Schwingungen zwischen den Drehzahlordnungen vorhanden, sogenannte Interharmonische. Ob diese mit den Drehzahlen zusammenhängen, lässt sich erst bei ändernden Drehzahlen herausfinden.
Darum wollen wir uns den Auslauf der Maschine anschauen. Zur Anschauung klonen wir den InnoAnalyzer und lassen eine Frequenzanalyse mitlaufen. Des Weiteren lassen wir uns die aktuelle Drehfrequenz in einem InnoMeter anzeigen. Nach Ausschalten der Maschine wird ein ca. 40s Auslauf durchgeführt. Die dominante 1. Ordnung sinkt in ihrer Amplitude.
In der Frequenzanalyse lässt sich das Sinken der Drehzahl ebenfalls beobachten. Allerdings ist die Analyse erschwert, da die Linien sich auf der x-Achse bewegen.
Bleiben bei sich ändernden Drehzahlen die Linien im Ordnungsspektrum stehen sind diese durch die Drehzahl angeregt, sogenannte drehzahlsynchrone Schwingungen. Sich bewegende Linien besitzen eine andere Anregungsursache.
Was ist eine Nachlaufanalyse?
Bei einer Nachlaufanalyse wird Betrag und Phase einer Drehzahlordnung über der sich ändernden Maschinendrehzahl aufgetragen. Man nimmt gewissermaßen die Drehzahllinie aus der FFT und zeichnet deren Amplitude nach.
Nachlaufanalysen können im Hoch- oder Auslauf stattfinden. Dadurch lässt sich ein großer Drehzahlbereich erfassen, die Eigenfrequenzen von Maschinen und eventuelle, drehzahlabhängige Resonanzen werden sichtbar. Die Nachlaufanalyse kann auch genutzt werden um geeignete Drehzahlen für einen Auswuchtvorgang zu bestimmen. Das Softwaremodul InnoAnalyzer Speed bietet vielfältige Möglichkeiten Nachlaufanalysen durchzuführen.
Praxisbeispiel - Nachlaufanalyse
Der InnoAnalyzer Speed stellt Phase, Betrag und zusätzlich die Zeit über der Drehzahl dar. Gemessen werden können beliebige Ordnungen, vorgefilterte Ordnungen und Summenkennwerte von verschiedenen Messgrößen.
Im Reiter Messlauf kann festgelegt werden ob nur steigende bzw. fallende oder beide Drehzahlrichtungen verwendet werden, wie hoch die Drehzahlauflösung sein soll und in welchem Drehzahlbereich man sich bewegt. Rechts werden Vorschläge für Drehzahlrampen angezeigt, je nach Gewichtung auf kurzer oder genauer Messung.
Im Praxisbeispiel wird lediglich die maximale Drehzahl auf 3600 U/min geändert, das Instrument wird gestartet und der Hochlauf beginnt.
Bei niedrigen Drehzahlen ist die Kurve grau, dies deutet daraufhin, dass nur wenig Umdrehungen eingesammelt werden konnten. Ab ca. 500 U/min gibt es deutliche Struktur in Amplitude und Phase. Mit Rechtsklick auf die Gradeinteilung der Achse kann die Phasendarstellung geändert werden. Ein Peak in der Amplitude und eine starke Änderung im Phasenverlauf lässt auf Resonanzen schließen. Es lassen sich deutlich 2 solche Eigenfrequenzen bestimmen.
Ab ca. 1750 U/min ist die Phase konstant und die Amplitude wächst linear zur Drehzahl an. Dies stellt die typische durch Unwucht erzeugte Schwingung der 1. Ordnung dar.
Auch die Ordnungsanalyse stellt den Durchgang durch die Resonanz dar. Im Auslauf sieht man die Eigenfrequenz zu höheren Ordnungen wandern und bei Erreichen der 1 Ordnung wird die Drehzahl überhöht.
Geeignete Drehzahlen für einen Auswuchtvorgang starrer Rotoren lassen sich immer dort finden, wo der Phasenverlauf des Signals konstant ist. Hier also ab 1750 U/min. Im Besten Fall wird der Rotor bei Betriebsdrehzahl gewuchtet, sind allerdings die durch Unwucht erzeugten Schwingungen so hoch das ein gefahrloses Auswuchten nicht gewährleistet werden kann, muss der Vorgang zunächst bei niedrigen Drehzahlen begonnen werden.
Die Ordnungsanalyse bietet eine einfache Möglichkeit drehzahlfrequente Schwingungen festzustellen. So können auch bei sich ändernden Drehzahlen Frequenzen von Schwingungen sicher detektiert werden, da die Amplituden Ihre Lage auf der x-Achse beibehalten.
Die Nachlaufanalyse zeigt schnell Resonanzdrehzahlen von Maschinen auf und ist somit ein unerlässliches Werkzeug zum Bestimmen von geeigneten Auswuchtdrehzahlen. Auch können im Betrieb von Maschinen, solche kritischen Drehzahlen gezielt vermieden werden.
Der InnoAnalyzer und der InnoAnalyzer Speed bieten Ihnen eine große Zahl an Analysemöglichkeiten.
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