Schwingung
Im modernen Maschinenbau ist die Dämpfung und Isolierung von Schwingungen von großer Bedeutung. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen ist die genaue Messung und Untersuchungen mechanischer Schwingungen unabdingbar. Die regelmäßige Überwachung der Maschinenschwingung verlängert die Lebensdauer und erhöht dadurch die Anlagen- und Betriebssicherheit. So können hohe Kosten, die durch den Ausfall industrieller Maschinen oder Maschinenteile entstehen, vermieden werden.
Was sind Schwingungen
Ein Körper schwingt, wenn er sich relativ zu seiner Bezugslage hin- und herbewegt. Die Anzahl dieser Bewegungen pro Zeiteinheit wird Frequenz genannt – die Maßeinheit ist Hertz (Hz).
Es ist durchaus möglich, dass sich einer Bewegung eine einzelne Frequenz zuordnen lässt, im Normalfall sind es aber mehrere simultane Frequenzen, z. B. bei der Kolbenbewegung eines Verbrennungsmotors.
Bei vielen gleichzeitig auftretenden Frequenzen lässt sich aus dem Amplituden-Zeit-Diagramm nicht unmittelbar ablesen, wie hoch ihre Frequenzen und die dazugehörigen Amplituden sind.
Diese Bewertung ist erst möglich, indem die Schwingungsamplitude in einem Spektrogramm über der Frequenz aufgetragen wird. Die Zerlegung der Schwingungssignale in die einzelnen Frequenzanteile wird Frequenzanalyse genannt und bildet die Grundlage der diagnostischen Schwingungsmessung.
Bei genauen Untersuchung von Maschinenschwingungen mithilfe der Frequenzanalyse kann meistens eine Anzahl dominierender periodischer Frequenzanteile ermittel werden, die wiederum mit den Bewegungen verschiedener Maschinenteile im Zusammenhang stehen. Die Frequenzanalyse ist daher ein wichtiges Instrument, um Quellen unerwünschter Schwingungen aufspüren zu können.
Wo enstehen Schwingungen
In der Praxis ist es so gut wie unmöglich, unerwünschte Schwingungen zu vermeiden. Sie entstehen oft durch Fertigungstoleranzen oder Lagerspiele, durch Berührungen von Maschinenteilen oder durch Unwuchten rotierender und pendelnder Bauteile. Häufig regen schon kleine Schwingungen Resonanzfrequenzen anderer Bauteile an und führen so zu starken Vibrationen und zusätzlicher Lärmentwicklung.
Mechanische Schwingungen sind allerdings mitunter auch erwünscht. In Förderanlagen, Betonrüttlern oder Bohrhämmern sind Schwingungen das Funktionsprinzip. Eine Grundvoraussetzung für jede Arbeit mit Schwingungen ist, dass sich die dabei erzeugten Bewegungsvorgänge mithilfe von Messungen und Auswertungen genau beschreiben lassen.
Quantitative Beschreibung von Schwingungen
Außer über die Amplitude lässt sich der Schwingweg auch mithilfe der Geschwindigkeit und der zeitlichen Änderung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, mathematisch beschreiben. Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung stehen in einem mathematischen Zusammenhang, der sich für rein sinusförmige Signale zu einem einfachen Faktor vereinfacht. Dieser ist der Frequenz bzw. ihrem Quadrat proportional.
Bei der Messung von Schwingungen wird häuffig die Beschleunigung gemessen, die einfach in Geschwindigkeit und Weg (Ausschlag) umgerechnet werden kann.
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren
Die Schwingungsamplitude lässt sich auf verschiedene Weisen quantitativ beschreiben.
Im Diagramm ist der Zusammenhang zwischen dem Spitze-Spitze-Wert, dem Spitzenwert (auch Scheitelwert), dem arithmetischen Mittelwert und dem Effektivwert (quadratischen Mittelwert) dargestellt.
Der Spitze-Spitze-Wert gibt die maximale Auslenkung der Schwingungskurve an und wird etwa bei der Untersuchung mechanischer Spannungen oder Zwischenräume von Schwingungsausschlägen von Maschinenteilen angewendet.
Der Spitzenwert ist für die Beurteilung der Stärke eines kurzzeitigen Stoßes wichtig.
Der arithmetische Mittelwert der absoluten Ausschläge über eine Periode ist praktisch nur begrenzt anwendbar, da er sich auf keine verwertbare physikalische Größe bezieht.
Das wichtigste Maß für die Bewertung von Schwingungen ist der Effektivwert, weil er sowohl den zeitlichen Verlauf der Schwingung berücksichtigt als auch einen Wert liefert, der sich direkt auf deren Energiegehalt bezieht und damit auf das zerstörerisch wirkende Element einer Schwingung.
Weg, Beschleunigung und Geschwindigkeit
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren sind die am häufigsten für Schwingungsmessungen eingesetzten Aufnehmer. Sie sind sehr universell einsetzbar, denn sie sind für breite Frequenz- und Dynamikbereiche verfügbar. Sie sind zuverlässig und robust und besitzen über den gesamten Messbereich ein nahezu lineares Verhalten.
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren sind aktive Geber, denn sie benötigen keine Energieversorgung zur Erzeugung des elektrischen Signals.
Das Herzstück eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors ist eine Scheibe aus piezoelektrischem Material, meistens aus polarisierter ferroelektrischer Keramik. Wird das Material durch Zug, Druck oder Schub mechanisch belastet, erzeugt es auf seinen Polflächen eine elektrische Ladung, die proportional zu den angreifenden Kräften ist.
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