Schwingungsanalyse und Systemidentifikation mechanischer Systeme

Author(s):
Dr. Thomas Thurner - TU Graz
Dipl.-Ing. Markus Gölles - TU Graz

Industry:
University/Education, ATE/Instrumentation

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Im Rahmen einer Laborübung sollen den Studierenden die wesentlichen Komponenten eines Messsystems zur Schwingungsanalyse und Identifikation mechanischer Systeme vertraut werden, wobei besonderes Augenmerk auf die verwendete Sensorik und Aktuatorik sowie auf die notwendige digitale Signalverarbeitung gelegt wird.

The Solution:
Mit Hilfe von piezoelektrischen Beschleunigungssensoren und der ausgewählten „state-of-the-art“ Datenerfassungs-Hardware von National Instruments gelingt es, mechanische Schwingungen zu erfassen und im Digitalrechner verfügbar zu machen. Die nachfolgende Signalverarbeitung und Visualisierung – implementiert mit LabVIEW, dem Sound & Vibration Toolkit und dem Order Analysis Toolkit – vervollständigt das Mess- und Analysesystem. Im Einsatz in den realisierten Laborübungen ermöglicht das realisierte System eine sehr anschauliche und effiziente Vermittlung der Lehrinhalte zur Schwingungs- und Ordnungsanalyse mechanischer Komponenten.

Einleitung

In weiten Bereichen der Technik ist die Messung und Analyse mechanischer Schwingungen ein wichtiges Hilfsmittel geworden. In der Betriebsschwingungsanalyse ist es beispielsweise möglich, frühzeitig defekte Komponenten in komplexen mechanischen Systemen zu identifizieren. Weiters ist in der Entwicklung schwingfähiger mechanischer Komponenten, wie zum Beispiel beim Entwurf und der Realisierung eines Getriebes in der Automobilindustrie, die Identifikation mechanischer Systeme und die Modalanalyse ein unerlässliches Werkzeug in der Entwicklungs- und Testphase.

Um den Studentinnen und Studenten der TU Graz die Thematik rund um die Erfassung und Analyse mechanischer Signale und Systeme auch praktisch näher bringen zu können, wurden dafür zwei Laborübungen entworfen und realisiert:

• Identifikation eines mechanischen Systems (Biegebalken),
• Betriebsschwingungsanalyse an einem rotierenden Maschinensatz.

Beschreibung des Messaufbaus

Für die Durchführung der Systemidentifikation wurde ein mechanisches Biegebalken-System verwendet (Abb. 1). Zur mechanischen Anregung des Biegebalkens wird ein Impulshammer mit integriertem Kraftsensor oder ein elektronisch steuerbarer elektromechanischer Schwingungsanreger (Shaker) verwendet. An einem elektrischen Maschinensatz mit steuerbarer Drehzahl wird eine Schwingungsanalyse durchgeführt (Abb. 2). Die angeregten Schwingungen werden mittels piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer erfasst. Dazu versorgt die Datenerfassungshardware einerseits die Sensoren (ICP©-Aufnehmer der Fa. PCB) und setzt andererseits die Sensorsignale in digitale Werte um, die im PXI-Rechner mit LabVIEW verarbeitet bzw. analysiert werden.

Systemidentifikation

Für die Identifikation des mechanischen Biegebalken-Systems wurden unterschiedliche Methoden implementiert. Die Schätzung des Frequenzgangs (Amplitudengang dargestellt in Abb. 3) des gesuchten Systems erfolgt zum Beispiel durch Schätzung von Leistungsdichtespektren der erfassten Sensorsignale durch Periodogramm-Mittelungen. Dafür wird das System durch den elektromechanischen Schwingungsanreger mit näherungsweise weißem Rauschen angeregt.

Schwingungsanalyse:

Bei der Schwingungsanalyse werden an unterschiedlichen Positionen des Maschinensatzes Beschleunigungsaufnehmer angebracht (Abb. 2). Mit dem LabVIEW Sound & Vibration Toolkit und dem Order Analysis Toolkit können sowohl der stationäre Betriebszustand wie der instationäre Hochlaufvorgang (Abb. 4) des Maschinensatzes im Zeit- und Frequenzbereich genau analysiert werden.

Zusammenfassung:

Wir verwenden ein PXI System mit Embedded Controller und eine Dynamic Signal Acquisition Hardware mit 24 Bit zur computerbasierten Erfassung von piezoelektrischen Beschleunigungssignalen. Die digitale Signalverarbeitung für die Signalanalyse und die Visualisierung wurde mit LabVIEW 7 Express und dem LabVIEW Sound & Vibration Toolkit entworfen und implementiert. Das realisierte Messsystem dient zur Erfassung und Analyse von Vibrationssignalen sowie zur akustischen Systemidentifikation mechanischer Systemen und wird an der TU Graz im Rahmen der Lehrveranstaltung „Akustische Messtechnik, Labor“ verwendet. Die Lehrveranstaltung vermittelt die Grundzüge der Schwingungsanalyse und der mechanischen Systemidentifikation auf eine sehr anschauliche Art und Weise, wobei die graphische Bedienoberfläche der in LabVIEW erstellten Anwendungen es den Studierenden leicht macht, die Versuche selbständig und mit maximalem Lernerfolg durchzuführen.

 

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Dr. Thomas Thurner
TU Graz

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