Komponenten Schwingungsprobleme noch vor Ort für die kritische Struktur konfiguriert werden können. Dadurch können Schwingungsprobleme „just in time“ noch während der messtechnischen Untersuchung gelöst werden. Das Design des Schwingungstilgers wurde dabei möglichst simpel gehalten. Ein zylindrisches, hermetisch geschlossenes Gehäuse beinhaltet sämtliche funktionsrelevanten Bauteile zur Einstellung des Schwingungstilgers. Nach Festlegung der Konfiguration wird das Gehäuse versiegelt und kann absolut wartungsfrei an Ort und Stelle installiert werden. Abb. 5: Baugrößenübersicht Abb. 4: Installation eines Schwingungstilgers der Baugröße M mit Distanzmodul an isolierter Rohrleitung Für die universelle und vor allem kurzfristige Installation wurde ein Montagekonzept auf Basis von Spannschellen entwickelt. Dieses Montagekonzept ermöglicht die Installation des Schwingungstilgers an Rohrleitungen mit beliebigen Nennweiten. Eine sinnvolle Ergänzung für die häufige Anwendung an Rohrleitungen stellt beispielsweise das Distanzmodul dar (siehe Abb. 4), welches die Installation an isolierten Bauteilen ermöglicht. Aber auch bei abweichenden Anwendungen, wie zum Beispiel der Installation an Hochdruckventilen, können kurzerhand universelle Halterungskonzepte umgesetzt werden. Da es sich um ein passives System handelt, ist grundsätzlich nichts weiter zu berücksichtigen. Der Schwingungstilger arbeitet autark ohne irgendeine Zufuhr von Fremdenergie und kompensiert die an der Struktur angreifenden dynamischen Kräfte. Anwendungsbereiche Als Pilot wurde zunächst der Schwingungstilger in der Baugröße M entwickelt. Der erfolgreiche Einsatz in den letzten Jahren insbesondere an zahlreichen Rohrleitungsabschnitten hat gezeigt, dass der Bedarf nach kurzfristigen Lösungen von Schwingungsproblemen sehr präsent ist. Daher wurde 2020 direkt eine kleinere Baugröße in XS entwickelt. Diese eignet sich insbesondere für den Einsatz an filigraneren Strukturen. Bisherige Anwendungen finden sich an Armaturen oder zum Beispiel Schaugläsern zur Füllstandsanzeige. Beide Baugrößen decken den für derartige Anwendungen relevanten Frequenzbereich umfänglich ab. Eine Einordnung bzgl. typischer Anwendungen der Baugrößen ist der Abb. 5 zu entnehmen. Um zukünftig auch bei schweren Strukturen kurzfristig Lösungen anbieten zu können, gibt es aktuell Überlegungen, eine noch größere Baugröße in XL zu entwickeln. Denkbare Einsatzbereiche sind hier beispielsweise größere Behälter, wie Pulsationsdämpfer oder etwa Filterabscheider. Konfiguration eines Schwingungstilgers Bevor die Entscheidung für den Einsatz eines Schwingungstilgers getroffen wird, muss in jedem Fall zunächst das Schwingungsniveau ermittelt werden. Wenn beim Betrieb einer Anlage ein erhöhtes Schwingungsniveau messtechnisch erfasst wird, erfolgt daraufhin die Analyse der Schwingungsursache. Um zu prüfen, ob die Eigenfrequenz der Struktur kritisch angeregt wird und somit ein Resonanzfall vorliegt, können unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt werden. Erfahrungsgemäß eignen sich hierzu so genannte „Anschlagversuche“ besonders gut. Hierbei wird über einen speziellen Impulshammer ein Kraftimpuls in die zu untersuchende Struktur eingeleitet. Die eingeleitete Kraft wird über eine Kraftmessdose an der Hammerspitze synchron mit der Schwingungsantwort des Systems (zum Beispiel in Form einer Schwinggeschwindigkeit) erfasst. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt. Anschließend wer den die aufgezeichneten Daten mit Bezug auf das Schlagereignis separiert und über ein spektrales Analyseverfahren wird die Systemantwort in Abhängigkeit der Erregerkraft ermittelt. Über das auf diese Weise berechnete Übertragungsverhalten kann direkt die Abb. 6: Zeitsignale während eines Anschlagversuchs und daraus ermittelte Übertragungsfunktion der untersuchten Struktur sowie der analytischen Ersatzmodelle zur Auslegung des Schwingungstilgers 92 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021
Komponenten Schwingungsprobleme Eigen frequenz ermittelt werden (siehe Abb. 6). Da die Konfiguration des Schwingungstilgers nicht nur von der Lage der Eigenfrequenz abhängig ist, sind anschließend weiterführende Analysen notwendig. Um die für die Schwingungsform repräsentative schwingende Masse der Struktur sowie die modale Dämpfung der Eigenform zu ermitteln, wird ein abzustimmendes Ersatzmodell des Ein-Massen-Schwingers betrachtet. Dieses erfolgt über ein iteratives Verfahren, bei dem die Parameter des Ein-Massen-Schwingers ermittelt und die bestmögliche Übereinstimmung mit der messtechnisch erfassten Übertragungsfunktion bestimmt wird (siehe Abb. 6). Die berechneten Parameter stellen anschließend die Basis für die anschließende Auslegung des Schwingungstilgers dar. Dieser wird auf Basis bekannter Zusammenhänge [1] so ausgelegt, dass er für den gegebenen Anwendungsfall das bestmögliche Übertragungsverhalten der modifizierten Struktur liefert. Auslegungsrelevante Parameter stellen hier das Frequenzverhältnis, das Massenverhältnis und die Dämpfung des Tilgers dar. Ausführungsbeispiel Originalsituation Mit Schwingungstilger Installationsbeispiele Um einen Eindruck davon zu erhalten, in welchen Bereichen der Schwingungstilger bereits erfolgreich eingesetzt wurde, sind nachfolgend einige Applikationen und der dort erzielte Minderungserfolg dargestellt (siehe Abb. 7). Um den Minderungserfolg einheitlich bewerten zu können, wurden ausschließlich Installationen an Rohrleitungsabschnitten gewählt. Diese können einheitlich gemäß der VDI-Richtlinie 3842 [2] bewertet werden. Die Bewertung basiert auf einer spektralen Betrachtung der maximalen Schwingungsanteile bei den dazugehörigen Schwingfrequenzen. Die Kategorisierung des Schwingungsniveaus erfolgt üblicherweise in die Bereiche unzulässig, noch zulässig und brauchbar. Die Bewertung erfolgt frequenz selektiv auf Basis der gemessenen Schwinggeschwindigkeiten. Abb. 7: Einsatzbeispiele und erzielte Schwingungsreduktion Die Schwinggeschwindigkeit hat sich als Messgröße etabliert, da sie sowohl für tief- als auch für hochfrequente Schwingungen eine hohe Aussagekraft besitzt. Die frequenzabhängige Bewertung berücksichtigt in diesem Zusammenhang, dass bei tieffrequenten Schwingungen größere Schwingwege bei gleichen Schwinggeschwindigkeiten vorliegen und der Schwingweg proportional mit der dynamischen Materialspannung zusammenhängt. Die gezeigten Installationsbeispiele geben nur einen ersten Eindruck von dem vielfältigen Einsatzpotential von Schwingungstilgern. Unsere Erfahrungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die gezielte Modifikation des strukturdynamischen Übertragungsverhaltens eine wesentliche Verbesserung der Anlagensicherheit und Zuverlässigkeit mit sich bringt. Literatur [1] Den Hartog, J. P.: Mechanische Schwingungen. 2. Auflage. Springer Verlag. Berlin. 1952. [2] VDI-Richtlinie 3842: Schwingungen in Rohrleitungssystemen. 2004-06. Autoren: Dr.-Ing. Patrick Tetenborg, Fachgebietsleiter Maschinendynamik, Dr.-Ing. Johann Lenz, Managing Director, beide KÖTTER Consulting Engineers GmbH & Co. KG, Rheine, Deutschland PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021 93
