Erhöhung der Betriebsdrehzahl einer Produktionsmaschine

mksModell

Die Anforderungen an moderne Produktionsmaschinen hinsichtlich Produktivität und Effizienz steigen stetig. Die Steigerung der Betriebsdrehzahl ist dabei eine Möglichkeit, die Produktivität zu erhöhen. Dabei darf die Qualität des Produkts nicht gemindert werden. Unerwünschte Vibrationen der Maschine können die Güte des Endprodukts maßgeblich verschlechtern. Aus diesem Grund muss bei einer Erhöhung der Betriebsdrehzahl unter Umständen eine Überarbeitung der Maschine bezüglich schwingungstechnischer Aspekte erfolgen. Bei der untersuchten Maschine wurde mittels eines neuen Antriebsmotors eine Erhöhung der Betriebsdrehzahl realisiert. Bedingt durch diese Drehzahlsteigerung erhöhten sich die unerwünschten Schwingungen signifikant. Im Folgenden wird das Vorgehen, das zur Verringerung der Schwingungen der Maschine angewandt wurde, beschrieben.

 

Messung

Die Messung der Schwingungen an der Maschine wurde mit einem 3D Koordinatenmesssystem durchgeführt. Hierbei wird die Bewegung auf der Maschine angebrachter Dioden aufgezeichnet und in einer speziellen Software ausgewertet. Zusätzlich wurden Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erstellt. Zur Lokalisierung der Schwingungsquelle(n) wurde ein Hochlauf der Maschine mit Hilfe des Koordinatenmesssystems aufgezeichnet. Anschließend wurden verschiedene Teile des Mechanismus abgekoppelt. Auch für diese Anordnungen wurden Messungen über das gesamte Drehzahlspektrum durchgeführt.
Nach der Filterung und Aufbereitung der Messdaten wurden diese ausgewertet. Dabei konnte ein Teilmechanismus der Produktionsmaschine als maßgeblicher Verursacher der Schwingungen identifiziert werden.

 

Simulationsmodell

Der im Zuge der Messdatenauswertung als Hauptverursacher für die Schwingungen identifizierte Teilmechanismus wurde anschließend als Mehrkörpersimulations-Modell (MKS-Modell) aufgebaut. Bei dem betrachteten Mechanismus handelt es sich um ein ungleichmäßig übersetzendes Getriebe. Bedingt durch die ungleichmäßige Übersetzung ergeben sich wechselnde Massenkräfte und Momente. Diese führen wiederum zu Schwingungen der Gesamtmaschine, sowie einem schwankenden Bedarfsmoment am Antrieb. Das Drehmoment des Antriebsmotors muss ständig an dieses Bedarfsmoment angepasst werden. Die hierzu notwendige Motorregelung gestaltet sich umso schwieriger, je größer die relativen Momentenschwankungen sind. Durch diese Regelung können unter Umständen neue Schwingungen in den Antriebsstrang eingeleitet werden. Im Zuge der Modellbildung erfolgte der Aufbau eines parametrisierten Mehrkörpersimulationsmodells (MKS-Modell) des relevanten Teilmechanismus. Beim Abgleich der Simulations-Ergebnisse für verschiedene Hochläufe mit den Messergebnissen konnte eine gute Korrelation festgestellt werden.

 

Schwingungsanalyse

massInertia

Im Rahmen der Schwingungsanalyse wurden mit Hilfe des MKS-Modells verschiedene Betriebszustände und Hochläufe simuliert. Die Durchführung einer Sensitivitätsanalyse konnte anschließend Aufschluss über den Einfluss der verschiedenen Bauteile auf das Gesamtschwingungsverhalten geben. Im Anschluss erfolgten die Schritte

  • Massenreduktion und
  • Optimierung der Kinematik.

Im Simulationsmodell wurde hierbei eine deutliche Minderung der Vertikalschwingungen der Maschine sichtbar. Auch die Schwankung des Bedarfsmoments sowie dessen Mittelwert konnten gesenkt werden. Zur weiteren Reduzierung der relativen Schwankung wurde im nächsten Schritt eine Ausgleichsmasse auf der Antriebswelle angebracht (Leistungsausgleich). Aufgrund des gesunkenen Bedarfsmoments konnte diese ohne die Notwendigkeit der Erhöhung des Motormoments angebracht werden.

 

Schwingungsminderung

Im letzten Schritt folgte die Umsetzung der aus dem Simulationsmodell abgeleiteten Maßnahmen. Dabei wurden durch Materialtausch und Überarbeitung der Konstruktion die Massen verschiedener Bauteile reduziert, sowie die Kinematik des Getriebes abgeändert. Durch abschließende Messungen konnte quantitativ eine Schwingungsreduktion bei höherer Betriebsdrehzahl der Maschine bestätigt werden.

KONTAKT


Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik

RWTH Aachen

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