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Frequenzanalyse
Da Maschinenschwingungen typischerweise aus einer Überlagerung vieler Einzelschwingungen bestehen, ist es oft nötig die Amplituden einzelner Frequenzen zu analysieren. So können charakteristische Bauteilschwingungen leicht identifiziert und bewertet werden.
Im Zeitsignal eines solches Schwingungsgemisches lassen sich einzelne Schwingungsanteile nur schwerlich erkennen. Daher nutzt man eine zweite Darstellungsweise um Stärke und Frequenzen der Schwingungsanteile zu bestimmen, die Frequenzanalyse. Diese Darstellung trägt die Amplitude der gemessenen Schwingungen statt über der Zeit nun über der Frequenz auf. Diese Art der Analyse wird Fouriertransformation oder in VibroMatrix kurz FFT genannt.
Praxisbeispiel am Maschinenmodell
In VibroMatrix wird das Softwaremodul InnoAnalyzer zur Frequenzanalyse genutzt. Nach dem Öffnen des Softwaremoduls werden zunächst die erweiterten Einstellungen aktiviert. Als Betriebsart stehen unter anderem FFT mit automatischen und manuellen Einstellungen zur Verfügung.
FFT mit automatischer Einstellung nach Frequenzachse
Beginnen wir zunächst mit dem automatischen Modus. Hier wird der Frequenzbereich vom Nutzer gewählt und daraufhin berechnet das Programm automatisch die optimale Frequenzauflösung. Änderungen im Frequenzbereich resultieren in einer Neueinrichtung der FFT.
Um eine praktische Frequenzanalyse durchzuführen, brauchen wir nur das Instrument zu starten. Als Messgröße wählen wir „Geschwindigkeit“. Das Maschinenmodell wird ebenfalls gestartet und beschleunigt nun bis zur Betriebsdrehzahl.
Im InnoAnalyzer sieht man sich zu höheren Frequenzen bewegende Linien. Dies sind einzelne Bauteilschwingungen bzw. Vielfache davon mit zunehmender Drehzahl. Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl bleiben die Linien stehen. Mithilfe der rechten Maustaste wird ein Bereich von 1-100Hz ausgewählt. Die FFT wird neu eingerichtet, der Datenfortschritt unten rechts erhöht sich. Bei 50 Hz sehen wir in der Abbildung eine starke Linie.
Dies ist die Betriebsdrehzahl von 3000 U/min. Statt der Anzeige in Hz kann auch auf U/min gewechselt werden. Dazu braucht nur unter „Anzeige“ die Einheit der Frequenzachse gewechselt werden.
Für einfache Frequenzanalysen bietet der automatische Modus eine schnelle Möglichkeit Frequenzen zu ermitteln.
FFT mit manueller Einstellung
Weitaus mehr Möglichkeiten bietet der manuelle Modus. Im manuellen Modus wird ein zusätzlicher Reiter „FFT“ eingefügt. Dort werden die Analyse-Parameter festgelegt.
Zunächst eine kurze Erklärung der verschiedenen Einstellmöglichkeiten.
- Das Zeitfenster für 1 Spektrum bestimmt die Frequenzauflösung. Mittels langer Zeitfenster können sehr nahe beieinanderliegende Frequenzen noch getrennt betrachtet werden.
- Die verschiedenen Bewertungsfenster beeinflussen die Amplituden- und Frequenzgenauigkeit. Wir wählen das Hann-Fenster. Dieses bietet einen guten Kompromiss zwischen genauer Amplitude und Frequenz.
- Die Überlappung bietet die Möglichkeit einzelne FFTs nicht erst nach jedem Zeitfenster angezeigt, sondern in jedem Anzeigetakt aktualisiert zu bekommen.
- Die Statistikfunktion kann zur Kombination von mehreren FFTs genutzt werden.
Führen wir auch hier eine praktische Messung durch. Wir sehen statt feiner Frequenzlinien kleine Kästchen im Spektrum. Diese stehen für aktuelle Frequenzauflösung von 0,73 Hz. Zum Erhöhen dieser Auflösung braucht nur das Zeitfenster verlängert werden, z.B. auf 10s. Die Frequenzkurve baut sich langsam auf, der Datenfortschritt wird angezeigt. Die Auflösung von unter 0,1 Hz erzeugt hoch-aufgelöste Frequenzlinien.
Das Auflösungsmaximum stellt 5,7mHz bei 175s Zeitfenster dar. Es erscheint zirka alle 1 s eine berechnete FFT. Durch Einschalten der maximalen Überlappung werden kontinuierlich Frequenzanalysen durchgeführt. Dadurch lassen sich dynamische Vorgänge, wie z.B. Hochläufe besser untersuchen.
Die einzelnen Frequenzbanden lassen sich bequem im InnoAnalyzer untersuchen. Dazu schalten wir die Amplitudenliste ein. Mithilfe der Markierungstoleranz lassen sich die anzuzeigenden Linien genau eingrenzen. Die Liste zeigt die Ergebnisse übersichtlich an und kann per Kopfdruck in die Zwischenablage geladen werden, um z.B. für Dokumentationszwecke in externen Anwendungen eingefügt zu werden.
Nun wollen wir eine breitbandige FFT von 1Hz -10kHz durchführen. Hochfrequente Schwingungen werden durch magnetische Ankopplung verfälscht wiedergegeben, deshalb sollten bei Analysen über 5 kHz Schraub- oder Klebeverbindung zur Sensorankopplung genutzt werden.
Wir geben den gewünschten Analysebereich ein und verkleinern das Zeitfenster, da keine so hohe Auflösung erforderlich ist. Des Weiteren wird als Messgröße Beschleunigung verwendet, da die Schwinggeschwindigkeit Signale mit hohen Frequenzen unterbewertet. Nach Starten des Softwaremoduls sehen wir bis ca. 3000 Hz zahlreiche Linien. Dies sind Anregungen eines defekten Wälzlagers, eine durch Unwucht überhöhte Drehzahlkomponente und zudem breitbandige Störungen der verbauten Klauenkupplung.
Der InnoAnalyzer kann neben der klassischen Frequenzanalyse auch zur Diagnose von Wälzlagern, zur Bestimmung von Frequenzgangfunktionen oder zur Anzeige akustischer Größen genutzt werden.
Die Analyse des Schwingungssignals in Hinblick auf Amplituden einzelner Frequenzen bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten.
So können aus Kenntnis der Maschinendrehzahl und des mechanischen Aufbaus, also Übersetzungen, Zahnzahlen, usw. gezielt Bauteilschwingungen oder Störeinflüsse identifiziert werden.
Mit dem InnoAnalyzer haben Sie ein Werkzeug mit umfangreichen Möglichkeiten zur Hand.
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