Konträre Anforderungen: Erschütterungsschutz - Eigenanregungœber uns... · 2019. 6. 5. · Seite...

d y n a m i k

imb-dynamik GmbH

Ingenieurbüro für Erschütterungsschutz und Baudynamik

-dynamik Messstelle §29b BImSchG D-82211-Herrrsching, Mühlfelder Str. 18a www.imb-dynamik.de

Konträre Anforderungen:

Erschütterungsschutz - Eigenanregung

Dr.-Ing. Holger Molzberger

imb-dynamik GmbH


[email protected]

www.imb-dynamik.de

Am Beispiel einer Maschine mit Linearantrieb

Seite 2

d y n a m i k

Konträre Anforderungen

Erschütterungsschutz - Eigenanregung imb-dynamik GmbH



imb-dynamik

Schienenverkehr

Bausektor

Industrie

Messe Innotrans 2018 Berlin Kunden von imb-dynamik

Seite 3

d y n a m i k





INHALT

Teil 1: Erschütterungsschutz einmal anders

Teil 2: Eigenanregung theoretische Überlegungen

Teil 3: Praxisbeispiel CNC-Maschine mit Linearantrieb

≠

Seite 4

d y n a m i k





Erschütterungsschutz: Einmassenschwinger (EMS)

Hyst. Materialdämpfung η

Viskose Dämpfung D

.2 f0 .2 f0

Nutzen

Nutzen

Seite 5

d y n a m i k





Boden- und Baudynamische Interaktion

Der Boden

Bodenschichtung

elastische Eigenschaften „Eijkl“

Dynamische Verhärtung bis Faktor 20

massebelegt, wellenleitend

Halbraumverhalten ≠ Bettung

plastische Eigenschaften

kohäsive Eigenschaften

seismik

dynamische Interaktion des Bodens mit

Fundament, Bodenplatte, Maschine

Seite 6

d y n a m i k





Beispiel 1: Erschütterungsschutz

durch die Gründung (Effekte)

2 K K

Nahfeld – Fernfeld

Kombinierte Wellenlängen

- Reflexion am Systemwechsel

- Amplitudenreduktion

Eigenverhalten

Schichtung

Interaktion Fund. - Boden

Emission Transmission Immission

Seite 7

d y n a m i k





Beispiel 1: Erschütterungsschutz durch die Gründung

Kombinierte Wellenlänge Boden-Beton

- Geschwindigkeitserhöhung

- Amplitudenabnahme

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1201

0.5

0

0.5

1

Reflexion

Maximalamplitude unter laufender Welle

Welle zum Zeitpunkt T = 0, w(x=0) = 1

Schichtübergänge

Dicke

Boden-

platte

Amplitude (normiert)

[m] Freifeld

Freifeld

Abstrahldämpfung

Seite 8

d y n a m i k





Berechnungsmethoden

Numerik

Integrale Transformationsmethode (kx,ky,ω)

Komplexe Bodensteifigkeit

Interaktion aller Kontaktpunkte

Boden – Struktur (vollbesetzte Matrix)

Näherungslösungen (Diss HM)

Seite 9

d y n a m i k





1 10 10020

10

0

10

20

30

40

Beispiel 2: Wurzel(2) Kriterium verbessern

Frequenz [Hz]

Einfügedämmung [dB]

8 dB (!)

.2 f0

Seite 10

d y n a m i k





1 10 1000

0.5

1resultierende Anregung vert. / Kippen

Freq uenz [Hz]

Ante

ilBeispiel 3: Abtasteffekt der elastischen Lagerung

Boden cs = 400 m/s, λ = 12 m (bei 33 Hz)

Resultierende vertikal und kippen

6 m

20%

Rayleighwelle

Seite 11

d y n a m i k





1 10 1000.1

1

10

100Schwingungsverstärkung

Freq uenz [Hz]

Fakto

r [ -

]

100

Fall A: Ohne Interaktion Fall B: Mit Interaktion

1 10 1000.1

1

10

100Schwingungsverstärkung

Freq uenz [Hz]F

akto

r [ -

]

1

20

Beispiel 4: Dynamische Interaktion

Seite 12

d y n a m i k





Einkoppeln der bewegten Portalmasse in die Eigenformmethode

Mst, ω01, kst

Mges

h

Spektrale Übertragung, Interaktion

KMi tz

kh .Mges i tz

2kst

.H

2kh .kst h

kst

.H

2kh .kst h

k .khH

2

2

.Igy i tz

2 .kst h2

.kst h

kst

.kst h

.Mst i tz

2kst

Translation

Rotation Trägheit

2 Horiz.-Kipp-Eigenformen

um beide Drehpole mit ω01 und ω02

spektrale Berechnung (Index itz)

hysteretische und viskose Dämpfungen

Maschinenschwingung „tilgt“ Fundamentschwingung

Seite 13

d y n a m i k





Fall A: Ohne Interaktion, Mst ≈ 0 Fall B: Mit Interaktion, Mst ≈ 60 to

Spektrale Übertragung, Interaktion

1 10 1001 10

4

1 103

0.01

0.1

1 10 1001 10

4

1 103

0.01

0.1

[Hz]

[Hz]

Schwingweg [mm peak-peak]

Schwingweg [mm peak-peak]

Tilgung 2. EF

11Hz, η = 5%

abs.

rel.

abs.

rel.

9Hz

η=15%

Mst

infolge Kippanregung infolge Kippanregung

Seite 14

d y n a m i k





Eigenanregung – aktiver Part fB = 30 Hz

Ƞ = 10%

fhϕ = 3,6 Hz

D = 10%

Maschine ist aktiv und passiv beteiligt

1. Starrkörper-Eigenform „Wanken“

M2: Fundament + Maschine

M1: Querhaupt

verschiedene Antriebsprinzipien

M2 = 800 to

M1 = 40 to

± 0,3 mm

Maschine auf Schwingfundament

M2

M1

h

Beispielabbildung

Seite 15

d y n a m i k





Eigenanregung, passiver Part

ΔX aus Nachgiebigkeit z.B. ca. 1,01

Wankfrequenz 3,6 Hz

Masch. Eigenfrequenz 30 Hz

Maschine aktiv und passiv beteiligt

Starrkörper-Anregung bei „Wanken“ 3,6 Hz

Nachgiebigkeit

a) aus Antrieb

b) Struktur

„quasistatische Reaktion“ der

30 Hz Eigenform bei 3,6 Hz Anregung

M2*

M1*

fB = 30 Hz

Ƞ = 10%

fhϕ = 3,6 Hz

D = 10%

X

2

1 2

Vabs1

1 2

Seite 16

d y n a m i k





Eigenanregung, Einfluss der elastischen Lagerung

Wankfrequenz 3,6 Hz

30 Hz Masch.

Eigenfrequenz

Vergleichsbetrachtung mit doppelter Abstimmfrequenz

ΔX

Dämpfung in Maschineneigenfrequenz

bei Eigenanregung unerheblich

Weiche Aufstellung

z.B. Luftfedern

Steifere

Aufstellung

z.B. Stahlfedern

Abstimmfrequenz f0 2 x f0

modale Federsteifigkeit k* k* 4 x k*

Wankamplitude

w infolge F

w infolge Impulserh. M*v

1

1

1/4

(1/2)

η = Verh. Wank- zu

Maschineneigenfrequenz

η = 1/20 η = 1/10

Abweichung relativ Δ = 1/400 ΔX = 1/100

Abweichung ΔX = Δ * w

infolge F

infolge Impuls M*v

ΔX = 1

ΔX = 1

ΔX = 1

(ΔX = 2)

Seite 17

d y n a m i k





Eigenanregung, Einfluss der elastischen Lagerung

Im Simulationsmodell

Entwicklung nach Eigenformen Antwort auf Testprogramm in 1. EF

Seite 18

d y n a m i k





Eigenanregung, Einfluss elast. Aufstellung

Im Simulationsmodell

1 10 1001 10

5

1 104

1 103

0.01

0.1

1

10

Quadrat. Einfluss Abstand

Abstimmfrequenz – Maschineneigenfrequenz

etwa quadrat. Amplitudenreduktion

durch Aufstellsteifigkeit

Trend Differenzschnelle Fräskopf-Werkstück

Trend Differenzweg Fräskopf-Werkstück

Bestätigung durch externe Institute

Wichtiger: Höhere Dämpfung des Fundamentes!

Ergebnistrend: ΔX ~ 1

f0

Qual. Auswirkungen [ - ]

Wankfrequenz [Hz]

Seite 19

d y n a m i k





Situation nach Inbetriebnahme

Fräsergebnis / Oberflächenqualität nicht i.O.:

Schleppfehler ca. 100 µm p-p

größte Werte in X-Richtung

Wankfrequenz des Fundamentes

zeichnet sich im Ergebnis ab (3,6 Hz)

Antriebsprinzip Linearmotor

Messung Maschinenhersteller

Praxisbeispiel:

Schwingfundament – Linearantrieb

Abb. wurde entfernt

Seite 20

d y n a m i k





Situation nach Inbetriebnahme

Situation Beschreibung Schleppfehler

X-Bett [µm p-p]

bei Frequenz

[Hz]

1 Federelemente z.T. nicht

entspannt

77 5,4 Hz

2 Auf Federn

(div. Messungen)

114 / 100 / 110 / 71 3,7 Hz

3 Holzkeile verkeilt 108 unsymmetrisch (8,1 Hz fraglich)

4 Ruck reduziert auf 50% 68 3,7 Hz

5 Ruck reduziert auf 25% 59 3,7 Hz

6 Ruck reduziert auf 10% 22 (3,3 Hz fraglich)

Vermutung: Steifere Aufstellung führt tendenziell zu kleinerem Schleppfehler.

Fräsergebnis / Oberflächenqualität nicht i.O.:

Antriebsprinzip Linearmotor

Seite 21

d y n a m i k





Eigenanregung, Schleppfehler Relativweganregung

Übertragungsfunktion Maschine

ΔX = ± 4,2 µm aus Maschinenstruktur / Antriebsfeder

skaliert auf 300 µm Wankamplitude auf Höhe X-Betten

Betrieb mit 6 m/min, 1,5 m/s², 30 m/s³

(zzgl. Steuerungseinflüsse ca. 8,5 … 12 … 15 µm p-p)

Wankfrequenz 3,6 Hz

Masch. Eigenfrequenz 30 Hz

Konventioneller Antrieb mit mech. Kopplung

Seite 22

d y n a m i k





1 10 1001 10

7

1 108

1 109

1 1010

Eigenanregung, Schleppfehler Relativkraftanregung

Frequenz [Hz]

Wankfrequenz 3,6 Hz

CM1* (Querhaupt 42 to)

C2* (530 to)

Dyn. Steifigkeiten [N/m]

Schwingwiderstand

auf Höhe Querhaupt

C2*

w2

CM1*

w1

F_rel

Entspricht ca. „Schleppfehler“

Linearantrieb Kraft – Gegenkraft

w2 .wrelCM1

itzL

CM1itzL

C2itzL

Ausweichen des Widerlagers

Seite 23

d y n a m i k





Ziele Messungen imb-dynamik

Erfassen Erschütterungs-Situation am Aufstellort (Dualität!)

Modale Größen Ermitteln für Maßnahmen

Relativwege TCP – Werkstück ≡ Genauigkeit (Nebenprodukt)

Prinzipielles Problem: Grenzwert nicht vorhanden

Maßnahmen Schwingfundament

Optimierung der elastischen Lagerung (Steifigkeit / Dämpfung erhöhen)

Erfolg im Simulationsmodell

gemessener Schleppfehler

Untersuchungen anderer Institute / Lehrstühle

Großversuch mit provisorischen Änderungen an der Lagerung

Seite 24

d y n a m i k





Fundamentversteifung – Varianten

Weich Mittel „Starr“

Stahlfeder-Dämpfer Elastomer Holzklötze

Seite 25

d y n a m i k





Varianten

„Weich“ „Mittel“ „Starr“

horiz. / vert. ähnlich horiz. sehr weich horiz. weich

Dämpfung hoch Dämpfung niedrig Dämpfung niedrig

kein Durchrutschen, keine Nichtlinearität


Seite 26

d y n a m i k





Beschleunigungssensoren an Fundament und Maschine

X / Y / Z Frässtößel

X / Y / Z Tisch

Bodenplatte & Hallenboden

horiz. / vert.

Schwingfundament

horiz. / vert.

Seite 27

d y n a m i k





Betriebszustände

Erschütterungen von außen

Kranfahrt (mit und ohne Last)

Last absetzen Hallenkran

EAP und allg. Grundgeräusch

Schruppen Nachbarmaschinen

EAP Notaus (Sonderfall)

Interne Betriebszustände

(Feed Forward X und Y)

(Rautenprofil)

± 500 mm mit max.

6 m/min, ca. 1,5 m/s², 30 m/s³

Einstellungen Maschine

Maschine an, nicht optimiert

Maschine an, optimiert (AVD)

Maschine aus

nicht bei allen

Betriebszuständen

Seite 28

d y n a m i k





Daten für Dimensionierung Maßnahmen (Modellanpassung)

fh .1

2

.Igyf

Igyfh

2f

2 .1

4

.Igyf

Igyfh

2f

22

.fh2

f2

fh .1

2

.Igyf

Igyfh

2f

2 .1

4

.Igyf

Igyfh

2f

22

.fh2

f2

Seite 29

d y n a m i k





Varianten: Schleppfehler


Messung Maschinenhersteller

Ausschwingen

wurde entfernt

wurde entfernt

wurde entfernt

Seite 30

d y n a m i k





Übertragungsfunktionen Maschine

Maschine aus ohne Optimierung mit Optimierung

Lagerung hart, Anregung durch Kran

Reaktion der Steuerung

Seite 31

d y n a m i k





Übertragungsfunktionen Fundament / Hallenboden

Weich Mittel Starr

Seite 32

d y n a m i k





Relativschwingwege TCP – Werkstück (gemessen)

Sonderlastfall

Seite 33

d y n a m i k





Konstruktive Maßnahmen

Erhöhung Steifigkeit bzw. Wankfrequenz, Verringerung Amplitude

Erhöhung Dämpfung

unter Einhaltung des Erschütterungsschutzes – jedoch ohne belastbare Grenzwerte.

2 mögliche Varianten:

Messung Schleppfehler durch den CNC-Hersteller bestätigt Theorie:

1-D Dämpfer (X-Richtung)

3-D Dämpfer oder

3-D Feder-Dämpfer-Elemente

Seite 34

d y n a m i k





Maßnahmen: Vorgehensweise

Elemente in den 4 Ecken

so hoch wie möglich

Seite 35

d y n a m i k





Maßnahmen Vorschlag

Imperfektionen Dämpfer

Messung Federelementhersteller

Seite 36

d y n a m i k





Maßnahmen Vorschlag

Erschütterungschutz

Seite 37

d y n a m i k





Schlussfolgerungen

Es wurde unwissentlich Neuland betreten (Schwingfundament – Linearantrieb)

Unterscheidung mech. Antrieb – Linearantrieb war sinnvoll

Elementare Mechanik führte zum Verständnis der Problematik

Mit Elektronik („AVD“) Reduktion des Schleppfehlers von 100 µm auf 13 µm

Kraftanregung Relativweganregung

Mechanische kontruktive Maßnahme kann nicht ersetzt werden

Rechnerische Verbesserung 40-50% durch 4 optimierte Zusatzdämpfer

(Einbau in den nächsten Wochen)

Generell: Maßnahmen des Erschütterungsschutzes und Eigenanregung in

vereinfachtem Gesamtmodell optimieren

Seite 38

d y n a m i k





Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

Konträre Anforderungen: Erschütterungsschutz - Eigenanregungœber uns... · 2019. 6. 5. · Seite...

Documents

Transcript of Konträre Anforderungen: Erschütterungsschutz - Eigenanregungœber uns... · 2019. 6. 5. · Seite...