Herausforderung: Drehzahlreglung – Resonanz – Wuchten

Frequenzgeregelte Lüfter zu wuchten ist eine Herausforderung. Anspruchsvoll wird es dann, wenn die Lüfter in ihrem Nutz-Drehzahl-Bereich noch eine oder mehrere Resonanzpunkte treffen. Das Ziel ist dabei immer, den Lüfter über alle Drehzahlen akzeptabel laufruhig mit geringer Schwingung zu wuchten.

Im folgenden werden die auftretenden Probleme beschrieben und Lösungsverfahren aufgezeigt.

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Problemstellung

Resonanz-Problem

In der Praxis ist es meist so, dass zumindest einige Resonanz-Frequenzen der Lüfter und ihrer Struktur nicht weit von der Drehfrequenz entfernt liegen. Ist der Lüfter nun drehzahl-geregelt und überdeckt beispielsweise einen Drehfrequenz-Bereich von 10-30 Hz, so liegen in diesem Bereich in fast immer bestimmte Resonanz-Frequezen. Wird der Lüfter von der Prozessreglung nun auf solch einer Frequenz gefahren, so läuft er “in Resonanz”: in diesem Bereich reichen schon kleine Restunwuchten, um hohe Schwinggeschwindigkeiten hervorzurufen.

Es ist daher nötig, diesen Lüfter besonders fein zu wuchten. Nur so kann verhindert werden, dass auch auf Resonanz-Drehzahlen der Lüfter unzulässig vibriert. Aber gerade dieses Feinwuchten wird durch einen zweiten Effekt erschwert.

Mehrfach-Resonanzen und 2-Ebenen-Unwucht: Ping-Pong bei zwei Drehzahlen

Häufig liegt im genutzen Drehzahlbereich nicht nur eine Resonanz-Mode, sondern zwei oder noch mehr. Jede Resonanz-Mode hat ihre eigene Schwingform und wird unterschiedlich stark von verschiedenen Masseverteilungen angeregt.

Man stelle sich folgendes Beispiel vor:

  • Mode 1: Bei 17 Hz schwingt der Lüfter in einer Kipp-Mode, bei der Vorder- und Hinterseite wie bei einer Wippe gegenphasig schwingen. Diese Mode wird besonders durch Momenten-Unwuchten angeregt, bei der die Unwucht ebenso gegenphasig (180° versetzt) auf der Vorder- und Hinterseite des Lüfterrades sich befinden
  • Mode 2: Bei 25 Hz vibriert der Lüfter in einer globalen Auf-und-Ab-Bewegung, Vorder- und Hinterseite schwingen in Phase hoch und runter. Verständlicherweise wir diese Mode besonders durch statische Unwucht angeregt, bei der die Unwucht vorne und hinten am Lüfterrad auf den gleichen Winkel sich befinden.

Das Problem liegt nun besonders darin, dass bei bestimmten Drehzahlen die Schwingung ganz überwiegend nur von entweder der statischen Unwucht oder andererseits nur von der Momentenunwucht hervorgerufen werden.

Blinder Fleck für Unwuchts-Mode

Führt man Betriebswuchten bei solch einer Drehzahl durch, ist man für die kaum-anregende Unwuchts-Form nahezu blind. Leider ist kaum möglich zu sagen, ob man gerade eine solche Drehzahl “erwischt” hat: selbst außerhalb von Resonanzen kann man gerade eine “Anti-Resonanz” treffen, bei der man zwar keine Überhöhung hat, aber bei der man dennoch für eine Unwuchts-Mode blind ist.

Dieses “Blind-Sein” für die jeweils andere Unwuchts-Form führt beim Betriebswuchten häufig dazu, dass man die dominierende Unwuchts-Form bei dieser Betriebswuchte-Frequenz zwar verbessert; bei dieser Drehzahl sinkt dann auch die Vibration. Im gleichen Zug trägt man dann aber durch schon kleine Fehler zusätzlich Unwucht in jener Mode ein, für die man gerade blind ist.

Am Ende hat man dann die Vibration bei der aktuell betriebs-gewuchteten Drehzahl verbessert… fährt man dann aber eine andere Resonanz-Frequenz an, schlägt die neu eingetragene Unwucht zu, und die Vibration ist höher als zuvor, oder zumindest nicht weniger. Dies kann dann zu einer Art Ping-Pong-Effekt werden, bei dem man ein ums andere Mal bei der einen und anderen Frquenz wuchtet, und es immer nur an einem Punkt besser und an einem anderen schlechter macht. Das Zusatz-Bürde, dass Resonanzen schon kleine Unwuchten überhöhen, macht alles noch anspruchsvoller.

Lösungs-Ansätze

Multi-Drehzahl-Wuchten

Der Haupt-Ansatz in dieser Problemstellung ist es, bei mehreren Drehzahlen gleichzeitig zu wuchten. Dazu werden die Schwingungswerte (als Amplitude und Phase) nicht nur bei einer Drehzahl gemessen, sondern bei zwei oder mehr Drehzahlen. In der Praxis hat es sich bewährt, gerade in den Resonanz-Drehzahlen zu messen, denn hier möchte man ja besonders eine Verbesserung erreichen.

Dieser Ansatz, Schwingunsvektoren aus mehreren Drehzahl gleichzeigtig zu verrechnen, klingt zunächst abenteuerlich, ist aber bei genauerer Betrachtung der Mathematik völlig legitim und richtig.

Als weitere flankierende Maßnahme sollte man möglichst vier statt nur zwei Schwingungs-Sensoren setzten. Man erhält dadurch dann acht Schwingungs-Vektoren aus jedem Wuchtelauf (vier Sensoren mal zwei Drehzahlen).

Der Sinn dieses Vorgehens ist, dass man keine Blinden Flecken beim Betriebswuchten mehr hat. Man bekommt Einfluss-Koeffizienten von allen Unwuchts-Moden für (fast) alle Schwingungs-Moden. Wenn man dann einen mathematisch leistungsstarken Solver auf das Wuchteproblem loslässt, so werden beide Unwuchts-Formen (statische wie Momenten-Unwucht) gleichzeitig optimal ausgeglichen.

Andere Masse-Sätze

Meist setzt man als Probegewicht entweder auf Wuchtebene 1 oder Wuchtebene 2 genau ein Gewicht. Damit regt man dann jeweils gleichzeitig die statische Unwucht und die Momentenunwucht an. Häufig liegen die Schwingungs-Moden aber so, dass eine bestimmte Mode nicht vornehmlich von Wuchtebene 1 oder Wuchtebene 2 angeregt wird, sondern diskret von statischer Unwucht oder Momentenunwucht.

Möchte man die einzelnen Schwingungs-Moden also getrennt definiert anregen, ist es oft besser als “Probe 1” einen Masse-Satz als reine statische Unwucht auf beide Wuchtebenen zu setzten und als “Probe 2” einen reinen Momenten-Wucht-Massesatz. Man setzte also gleichzeitg z.B. 20g bei 0° auf Ebene 1 und 20g bei 180° auf Ebene 2.

In der idealen Theorie des Betriebswuchten sollte es zwar egal sein, welche Massesätze man wählt. Führt man aber eine Fehlerrechnung durch, so erkennt man, dass Betriebswuchten mit diskret-moden-spzifischen Massesätzen viel weniger störanfällig ist als bei solchen, die alle Moden gleichzeitig anregen.

Dies gilt umso mehr bei Lüftern, die nur ein schmales Laufrad haben, und bei denen sich aufgrund dieses schmalen Hebelarms nur schwer überhaupt eine relevante Momentenunwucht als Probegewicht einbringen lässt.

Erfolgs-Verfahren

Für beide Lösungs-Ansätze ist eine leistungsfähige Wuchtesoftware nötig, die dieses fortgeschrittene Vorgehen unterstützt. Wir bei conplatec haben über Jahre die verwendeten Algorhitmen immer weiter verbessert.

Als Erfolg können wir damit auch “schwiereige” und anspruchsvolle Lüfter definiert wuchten. Gerade bei den angesprochenen, drehzahl-geregelten Lüftern ist das sehr hilfreich. Am Ende zählt, dass der Lüfter über den ganzen Drehzahlbereich mit gut-akzeptierter niedriger Vibration läuft: Nur so ist ein langes Lüfter- und Lager-Leben garantiert.

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Rundown-Kurve

Resonanz-Kurve (“Rundown”) eines Lüfters