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Schäden durch Schwin­gungen vermeiden

Venti­la­toren für den Einsatz in Luft-, Kälte- und Klima­technik oder anderen indus­tri­ellen Anwen­dungen müssen sich beim Hersteller in langen Dauer­tests bewähren. Dennoch passiert es, dass es in der Praxis deut­lich schneller zu Ausfällen kommt. Ein typi­scher Schaden sind beispiels­weise zerstörte Motor­lager. Ursache dafür sind meist Schwin­gungen, bedingt durch die Einbau­si­tua­tion.


Das Herz schlägt, Flügel vibrieren, Musik wird erzeugt und empfangen – das Leben ist ohne Schwin­gungen kaum denkbar. Obwohl Schwin­gungen allge­gen­wärtig und nutz­brin­gend ange­wendet werden, wirken sie an anderer Stelle zerstö­re­risch. Eine Unwucht an den PKW­-Rädern lässt das Lenkrad wackeln und Vibra­tionen können Schraub­ver­bin­dungen lösen oder Kugel- und Wälz­lager beschä­digen.

Selbst Bauwerke können zusam­men­fallen, wenn sie rhyth­misch mit der Reso­nanz­fre­quenz ange­regt werden, denn dabei nimmt ein schwin­gungs­fä­higes System große Mengen an Energie auf, was dann zur Reso­nanz­ka­ta­strophe führen kann. Genau das geschah beispiels­weise 1940 beim Einsturz der Tacoma Narrow Bridge, die nur wenige Monate nach ihrer Einwei­hung aufgrund beson­derer Wind­ver­hält­nisse ange­regt wurde und einstürzte.

Die Einbau­si­tua­tion entscheidet

Vor reso­nanz­be­dingten Schäden sind auch Venti­la­toren nicht gefeit, obwohl sie von den Herstel­lern bei der Ferti­gung nach allen Regeln der Kunst präzise ausge­wuchtet werden, wie die RadiPac Baureihe von ebm-papst (Bild 1). Eine entschei­dende Rolle spielt die Einbau­si­tua­tion in der Anwen­dung und die lässt sich leider weder vorher­sehen noch berück­sich­tigen. Durch den Einbau eines Venti­la­tors in eine Anlage entsteht immer eine neue schwing­fä­hige Anord­nung mit einer spezi­fi­schen Struk­tur­re­so­nanz­fre­quenz.

Des Weiteren ändert sich bei fester Einbau­weise das Reso­nanz­ver­halten des Venti­la­tors. Durch den mitt­ler­weile verbrei­teten Dreh­zahl­re­gel­be­trieb steigt die Wahr­schein­lich­keit eines zeit­weisen Betriebes in Reso­nanz deut­lich. Weitere Einflüsse sind Trans­port und Hand­ha­bung. So darf das Laufrad nicht durch Stöße, unge­eig­nete Hebe­vor­rich­tungen usw. beschä­digt, und die Venti­la­toren nur auf geeig­neten Unter­lagen abge­legt werden.

Nicht selten werden während des Betriebs Schwin­gungen von externen Anla­gen­teilen auf den Venti­lator über­tragen, z. B. von einem Kompressor. Im Betrieb können zudem noch Verschmut­zungen am Laufrad zu einer Unwucht oder strö­mungs­be­dingte Oszil­la­tionen zu Schwin­gungen führen, z. B. wenn der Abstand zwischen Laufrad und Wand zu gering ist oder durch ungüns­tige Ansaug­ver­hält­nisse Verwir­be­lungen entstehen.

Schwing­ele­mente und Dreh­zahl­be­reich

Um den Venti­lator von Schwin­gungen der Umge­bung zu entkop­peln, helfen Schwing­ele­mente (Bild 2), also entspre­chend ausge­legte Federn oder Gummi­ele­mente. Aller­dings gilt es bei ihrer Auswahl einiges zu beachten. Zusätz­lich zur Eigen­fre­quenz des Venti­la­tor­auf­baus selbst entsteht durch den Anbau von Schwing­ele­menten ein weiteres Feder-Massen-System mit eigener Reso­nanz­fre­quenz.

Bild 3: Prin­zi­pi­eller Verlauf der Schwing­schnelle über das Dreh­zahl­band eines Venti­la­tors mit Schwing­ele­menten: Bereich unter­halb der Reso­nanz­fre­quenz (1), Bereich in der Nähe der Reso­nanz­fre­quenz (2) und Bereich ober­halb der Reso­nanz­fre­quenz (3). (Quelle: ebm-papst)

Beim Hoch­lauf werden drei schwin­gungs­tech­nisch rele­vante Bereiche durch­fahren (Bild 3): Im Bereich unter der Reso­nanz­fre­quenz liegt die Schwing­stärke unter­halb des zuläs­sigen Grenz­wertes von 3,5 mm/s (gemäß ISO 14694). Ein Betrieb des Venti­la­tors ist in diesem Bereich möglich, aller­dings sind die Schwing­ele­mente hier physi­ka­lisch bedingt wirkungslos.

Im daran anschlie­ßenden Reso­nanz-Dreh­zahl­be­reich liegt die Schwing­ge­schwin­dig­keit teil­weise deut­lich über dem zuläs­sigen Grenz­wert. Das Gerät nimmt zwar nicht unmit­telbar Schaden, aber ein längerer Betrieb in diesem Bereich redu­ziert die Gesamt­le­bens­dauer. Außerdem kommt es zu einer starken Geräusch­ent­wick­lung. Dieser Dreh­zahl­be­reich ist also so schnell wie möglich zu durch­fahren und ein dauer­hafter Betrieb in diesem Bereich sollte unbe­dingt vermieden werden.

In ausrei­chendem Abstand zur Reso­nanz­spitze beginnt dann der Dreh­zahl­be­reich, in dem der Schwin­gungs­pegel deut­lich unter­halb des Grenz­wertes liegt. Nur in diesem Bereich, ober­halb der Mindest­dreh­zahl, können die Schwing­ele­mente den Venti­lator von der Anlage bzw. dem Gebäude schwin­gungs­tech­nisch isolieren. Um die rich­tigen Schwing­ele­mente auszu­wählen, muss also die Betriebs­dreh­zahl des Venti­la­tors in der Anwen­dung bekannt sein. Im Katalog findet man für jeden Venti­lator bereits richtig dimen­sio­nierte Schwing­ele­mente und die zuge­hö­rige Mindest­dreh­zahl. Sollen andere verwendet werden, sind die o. g. Gesetz­mä­ßig­keiten zu beachten.

Schwin­gungs­mes­sung schützt vor Schäden

Wie geschil­dert, gibt es eine ganze Reihe von Gründen und Einflüsse, welche zu über­höhten Schwin­gungs­pe­geln führen können, die aber weder alle vorher­sehbar und oft nicht vermeidbar sind. Deshalb sollte nach dem Einbau des Venti­la­tors in die Anwen­dung immer eine Schwin­gungs­mes­sung, bzw. Reso­nanz­stel­len­suche im ganzen Dreh­zahl­re­gel­be­reich durch­ge­führt werden. Auf diese Weise erhält man einen Gesamt­ein­druck vom Schwin­gungs­ver­halten der Anlage und erkennt dabei alle unvor­her­seh­baren Einflüsse und auch even­tu­elle Fehler, die bis zur Inbe­trieb­nahme unbe­ab­sich­tigt einge­flossen sind.

Im Blick auf das Errei­chen einer langen Lebens­dauer ist dies notwendig, denn die Folgen einer zu hohen Schwing­stärke z. B. in Folge einer Struk­tur­re­so­nanz oder unge­eig­neter Schwing­ele­mente können verhee­rend sein. Falsch dimen­sio­nierte Schwing­ele­mente verhin­dern zudem die Über­tra­gung von Körper­schall nur unzu­rei­chend. Dies kann die gesamte Lüftungs­an­lage in Vibra­tion versetzen, was zu einem hohen Geräusch­pegel und durch Rück­kopp­lungs­ef­fekte zu einer Beschä­di­gung des Venti­la­tor­la­ger­sys­tems führt.

Bild 6: Rich­tiger Aufbau von mehreren Venti­la­toren: Jeder Venti­lator steht mit speziell ausge­legten Schwing­ele­menten (z. B. Federn oder Gummi­ele­menten) auf einer stabilen Rahmen­kon­struk­tion, die fest mit dem Boden verbunden ist. (Quelle: ebm-papst)

Da das Mess­ergebnis auch stark vom Befes­ti­gungsort der Schwin­gungs­sen­soren abhängt, müssen die Schwin­gungs­sen­soren wie in den Bildern 4 und 5 darge­stellt, befes­tigt sein. Wegen der mögli­chen Einflüsse während des Betriebes, z. B. Anla­ge­rung von Staub, muss man diese Schwin­gungs­über­prü­fung immer wieder durch­führen, mindes­tens inner­halb den in der Betriebs­an­lei­tung gefor­derten Zeit­ab­ständen.

Auf der sicheren Seite

Für die Schwing­ana­lyse der RadiPac Radi­al­ven­ti­la­toren empfiehlt ebm-papst beispiels­weise die Messung der Vibra­tion in allen drei Achsen (Bild 4), zumin­dest jedoch in zwei Achsen (Bild  5) radial zur Dreh­achse bzw. axial, mit einem übli­chen Schwin­gungs­mess­gerät. Werden bei den Messungen Bereiche mit zu hohen Schwin­gungen fest­ge­stellt, kann der Venti­lator z. B. mobil nach­ge­wuchtet werden. Im Ideal­fall unter­stützt das Schwin­gungs­mess­gerät auch eine mobile Wuch­tung.

Reicht diese Maßnahme nicht aus, lässt sich die Anlage durch konstruk­tive Maßnahmen, z. B. durch Verstär­kungs­streben modi­fi­zieren. Prüfen kann man auch, ob die Schwing­ele­mente korrekt arbeiten und die Mindest­dreh­zahl nicht unter­schritten ist. Sind mehrere Venti­la­toren im Einsatz, sollte man zudem auf ausrei­chend Abstand zuein­ander achten und dafür sorgen, dass sie sich nicht gegen­seitig beein­flussen (Bild 6).

Alter­nativ lassen sich die bei der Messung ermit­telten Bereiche zu hoher Schwing­werte durch die Dreh­zahl­steue­rung der Anlage meiden. Bei Bedarf stehen die Experten von ebm-papst dem Kunden bera­tend zur Seite, denn schwin­gungs­tech­ni­sche Aspekte beim Venti­la­to­ren­einbau zu beachten, lohnt sich in jedem Fall. Richtig instal­lierte Venti­la­toren arbeiten über die gesamte Betriebs­zeit zuver­lässig, uner­war­tete Ausfälle werden vermieden und oben­drein profi­tiert der Anwender von einer geringen Geräusch­emis­sion.

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