Ausgabe 9: Betriebsschwingformanalyse (ODS)
In dieser Ausgabe unserer Serie m+p Analyzer Grundlagen erklären wir Ihnen die Grundlagen der Betriebsschwingformanalyse und wie Sie diese mit dem m+p Analyzer durchführen können.
Wozu dient die Betriebsschwingformanalyse?
Die Analyse von Betriebsschwingformen (engl. Operating Deflection Shapes oder kurz ODS genannt) gibt zusätzliche Einblicke in Schwingungsprobleme durch Visualisierung der Strukturschwingungen. Im Gegensatz zur Modalanalyse, die ähnliche Erkenntnisse liefert, werden die Betriebsschwingformen aus Messdaten, die während des Betriebs erfasst werden, extrahiert, daher der Name "Betriebs“schwingformanalyse. Typischerweise werden ODS im Frequenzbereich dargestellt, wie in dieser Animation eines Fahrzeugrahmens bei 16,4 Hz zu sehen ist:
Für eine gegebene Frequenz werden die Amplituden und relativen Phasen aller Messpunkte extrahiert und auf eine Geometrie übertragen, um das Verformungsmuster darzustellen. Schauen wir uns dazu ein sehr einfaches Beispiel an. Wir betrachten nur zwei Punkte, wobei sich die Phase von Punkt 2 auf Punkt 1 bezieht. Die beiden Spektren könnten so aussehen:
Wir sehen drei interessante Bereiche, die durch drei Cursors markiert sind:
1. Am ersten Cursor weisen beide Punkte etwa die gleiche Amplitude auf und ihre Phasen sind identisch. Die ODS aus dieser Konfiguration würde so aussehen:
Beide Punkte bewegen sich mit derselben Amplitude in Phase.
2. An der zweiten Cursorposition hat der zweite Punkt (rot) eine deutlich kleinere Amplitude als Punkt 1. Außerdem wird eine Phasenverschiebung von 90° beobachtet. Die ODS für diese Konfiguration sieht wie folgt aus:
Die Animation zeigt eine große Bewegung von Punkt 1 und nur eine sehr kleine Amplitude von Punkt 2.
3. An der dritten Cursorposition zeigen beide Punkte wieder die gleiche Amplitude, aber ihre Phasen sind um 180° verschoben. Das ODS sieht so aus:
Die Phasenverschiebung um 180° bedeutet, dass sich die beiden Punkte exakt gegenphasig zueinander bewegen.
Dies zeigt, dass eine Betriebsschwingformanalyse eigentlich nur eine Animation der Amplituden- und Phasenverhältnisse der Messpunkte ist. Man könnte argumentieren, dass es ziemlich einfach ist, diese Informationen direkt aus den Spektren abzulesen, was für dieses einfache Beispiel auch gilt. Bei komplexeren Geometrien wie z. B. der eingangs gezeigten ODS am Fahrzeugrahmen mit vielen Messpunkten wird es jedoch viel schwieriger.
Voraussetzung für die Betriebsschwingformanalyse
Geometrie: Es wird eine Geometrie benötigt, die aus den Positionen der Messpunkte auf der Struktur besteht. Typischerweise bedeutet dies, dass für jeden Messpunkt x-, y-, z-Koordinaten und Verbindungslinien zwischen diesen Punkten definiert werden. m+p Analyzer bietet für diese Aufgabe einen einfach zu bedienenden Geometrieeditor, der für einfache Geometrien ausreicht. Bei komplexeren Geometrien kann das .stl-Dateiformat (Standard Triangulation/Tesselation Language Format) verwendet werden, um Geometrien aus einer CAD-Software zu importieren.
Phasenbezogene Spektren: Da zur Betriebsschwingformanalyse eine Phaseninformation benötigt wird und "normale" Spektren im Allgemeinen eine zufällige Phase aufweisen, ist eine zusätzliche Bearbeitung zur Phasenreferenzierung erforderlich. Normalerweise geschieht dies, indem ein Referenzsensor ausgewählt und die Phasen aller Sensoren darauf bezogen werden. Das bedeutet, dass die Phase des Referenzsensors für alle Frequenzen Null wird, da sie auf sich selbst bezogen ist. Hinweis: Daten vom Referenzsensor und allen anderen Sensoren müssen gleichzeitig erfasst werden! Im m+p Analyzer werden phasenbezogene Spektren mittels Auto- und Kreuzleistungsspektren berechnet. Für einen gegebenen Messpunkt:
... ergibt das Autoleistungsspektrum das Amplitudenspektrum.
... liefert das Kreuzleistungsspektrum zur Referenz das phasenbezogene Spektrum.
Stationärer Betriebszustand: Je nachdem, wie die Daten erfasst werden, kann ein stationärer Betrieb (oder zumindest ein reproduzierbarer Zustand) der Maschine erforderlich sein. Üblicherweise kann zwischen zwei Vorgehensweisen zur Datenerfassung gewählt werden:
1. Komplette Sensorbestückung: Ein unkompliziertes Vorgehen, bei dem Sensoren an allen gewünschten Stellen angebracht werden. In einem einzigen Durchlauf werden die Daten aller Sensoren gleichzeitig erfasst. Der Vorteil ist, dass es schnell geht, da nur ein Messlauf erforderlich ist. Dafür ist unter Umständen eine hohe Anzahl von Sensoren und Eingangskanälen am Frontend erforderlich.
2. Teilweise Sensorbestückung mit mehrfacher Messung: Hierbei sind für die Messung mindestens zwei Sensoren notwendig. Ein Sensor - der Referenzsensor - bleibt während der gesamten Messkampagne an seiner Position. Der zweite Sensor - der „roving“ Sensor - wird nacheinander an die verbleibenden Messstellen angebracht und für jede Position wird eine Messung durchgeführt. Für dieses Vorgehen ist weniger Hardware erforderlich, allerdings muss die Maschine im stationären Zustand sein, damit die einzelnen Messungen "kompatibel" sind. Dies ist nötig, weil wir Messungen aus verschiedenen Läufen zusammenfügen; daher muss sichergestellt sein, dass das Schwingungsverhalten der Maschine für jeden Lauf identisch ist. Der einfachste Weg dafür ist, die Maschine mit konstanter Drehzahl zu betreiben.
Haben wir Ihr Interesse an der Betriebsschwingformanalyse geweckt? Lesen Sie mehr in der nächsten Ausgabe unserer m+p Analyzer Basics, wo wir Ihnen an einem Beispiel zeigen, wie Sie ODS mit dem m+p Analyzer messen und extrahieren können.