Schwingungen vermeiden

Ventilatoren für den Einsatz in Luft-, Kälte- und Klimatechnik oder anderen industriellen Anwendungen werden in der Regel auf Herz und Nieren geprüft und müssen sich beim Hersteller in langen Dauertests und unter harten Bedingungen bewähren. Dennoch passiert es, dass es in der Praxis bereits nach deutlich weniger Betriebsstunden als in den technischen Unterlagen angegeben 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 präzise ausgewuchtet werden, etwa wie die Baureihe „RadiPac“ 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.

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 zuvor genannten Gesetzmäßigkeiten zu beachten.

Schwingungsmessung schützt vor Schäden
Wie geschildert, gibt es eine ganze Reihe von Gründen und Einflüssen, 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. infolge 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. 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 der in der Betriebsanleitung geforderten Zeitabstände.

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. Alternativ lassen sich die bei der Messung ermittelten Bereiche zu hoher Schwingwerte durch die Drehzahlsteuerung der Anlage meiden. Bei Bedarf stehen die Experten der Ventilatorhersteller, z. B. von ebm-papst, 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.

Autor: Hartmut Messerschmidt, Abteilungs­leiter Anwendungsentwicklung bei ebm-papst, Mulfingen
Bilder: ebm-papst

www.ebmpapst.de