1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 91 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Grundlagen von Schwingisolierung, bis Aufbau eines Schwingfundamentes in der Praxis Alexander Eisfeld EISFELD-IMS GmbH, Römerstraße 3a, 85247 Schwabhausen Bernhard Toebe FABREEKA GmbH, 64572 Büttelborn, Deutschland Einleitung Produktions- und Fertigungsbereiche, Entwicklungs- und Messräume zur QS rücken in technisierten Betrieben immer näher zusammen. Das Nebeneinander der unterschiedlichen Interessen bringt Beeinträchtigungen durch Vibrationen mit sich. Präzise und wiederholbare Datenaufnahmen durch Messinstrumente und Aufnehmer werden erschwert bzw. unmöglich gemacht. Ebenfalls beeinträchtigen unerwünschte Schwingungen das Wohlbefinden und die Gesundheit des Bedien- und Büropersonals in den umliegenden Messwarten und Büroräumen. Vor der Umnutzung oder dem Neubau einer Anlage oder eines Prüfstandes sind mögliche Emissionen durch Schwingungen vom Planer und Betreiber ingenieurtechnisch zu ermitteln und von allen Beteiligten zu bewerten. Ein späteres Nachbessern bereits aufgestellter problematischer Anlagen ist oft umständlich und mit erhöhten Baukosten verbunden. Abhilfe kann hier durch geeignete bautechnische Maßnahmen, z.B. den Einbau von wirkungsvollen Isolatoren geschaffen werden. 1. Begriffsdefinition Aktiv / Passiv nach VDI 2062 Die Schwingungsisolierung wird unterteilt in: Quellenisolierung (Emissionsschutz): - Von einer Maschine oder Anlage ausgehende Kräfte werden an die Umgebung in reduzierter Form übertragen; - Empfänger-Isolierung (Immissionsschutz): Am betreffenden Aufstellungsort vorhandene Schwingungen, gehen auf die Maschine oder Anlage in reduzierter Form über. [1] 2. Wann ist eine Isolation sinnvoll oder notwendig Aktive Schwingungen beeinträchtigen umliegende Mitarbeiter, Anlagen und Gebäude. Zulässige Werte sind unter anderem in VDI-Regelwerken und dem Bundes-Immissionsschutzgesetz -BimSchGvorgegeben. [2] Durch Schwingungsmessungen vor Ort und deren Bewertung nach einschlägigen Normen und Regelwerken lässt sich feststellen, ob derartige Immissionen für Menschen als störende Einwirkungen anzusehen sind. Ob erschütterungsbedingte Belästigungen zu erwarten sind, zeigt der Vergleich von Mess-ergebnissen mit den Anhaltswerten der DIN 4150-2 [3] „Erschütterungen im Bauwesen, Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden“, der VDI 2038 [4] „Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden bei dynamischen Einwirkungen“ und der VDI2057[5] „Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf Menschen“ 92 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 3. Systeme der Isolation Einsatzbereich Isolation Alle Übertragungsfunktionen eines 1-Massen-Schwingers mit verschiedenen Dämpfungswerten verlaufen durch den Frequenzverhältniswert von √2. Ab diesem Punkt beginnt die eigentliche Isolation. Ein Abstimmverhältnis der Eigenfrequenz zur Anregungsfrequenz von 1: 3 ist anzustreben. Eine 80%ige Isolierwirkung ist in den meisten Fällen mit einem überschaubaren Aufwand realisierbar. Ab einem Abstimmverhältnis >3 fällt der Kosten-Nutzen-Faktor entsprechend ab. Bei Verhältnissen >4 kann die Isoliermaßnahme unwirtschaftlich werden. 4. Planerische / bautechnische Vorbereitung zum Einbau einer Aufspannplatte und seismische Massen Für den modularen Aufbau eines Prüfstandes eignen sich vorwiegend Eisen-Gussplatten im Werkstoff EN-GJL oder EN-GJS. Durch die vorhandene Nutzung und einer Oberflächenbearbeitung [8] lassen sich Prüflinge und Aktuatoren einfach verschieben und befestigen. Durch das hervorragende Dämpfungsvermögen, hohe Belastbarkeit und einer relativ hohen Eigenmasse hat sich der Werkstoff EN-GJL-250 (GG25) [9] seit vielen Jahren bewährt. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 93 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 4.1 Aufspannplatten können als Module im Standardisierten Raster von 500 mm (ab einer Plattengröße von 2x1m) kostengünstig angefertigt und auf der Baustelle oder engen Prüfräumen biegesteif zusammengesetzt werden. [B3] Eine direkte Aufstellung auf einen Industrieboden ist generell unproblematisch, eine Aufständerung (StB-Stützen oder Stahlstützen) über ein Stockwerk ist realisierbar. [B4] Für das notwendige Masse-Federsystem hat sich die Faustformel „Masse des Prüfstandes ist 100mal bewegte Masse“ als Abschätzung durchgesetzt. Eine ingenieurtechnische Bewertung durch einen Baustatiker ist jedoch empfehlenswert. [B5] 4.2 Kombination aus Spannplatte und Stahlbeton Wird die notwendige Masse nicht erreicht, kann diese durch eine Kombination mit Stahlbeton realisiert werden. Stahlbeton eignet sich hier ebenfalls als Tragstruktur. Diese Kombination ist in Fällen von Notwendigkeit großer Massen erforderlich. Gleichzeitig durch die Kombination Stahlbeton und Aufspannfeld, Wirtschaftlich. Jedoch sind diese Fundamente, mit erhöhtem bautechnischem Aufwand, verbunden. Ein geeignetes Verankerungssystem ist hier einzuplanen. Beton-Fertigteile sind, bis zu einer gewissen Masse und Spannweite, eine beliebte Option. [B6] 4.3 Ankersysteme Geeignete Ankersysteme zur Befestigung der Spannplatte auf Stahlbeton Harpunenanker Eine beliebte Art zur Befestigung sind Harpunenanker. Diese brauchen eine spezielle Installation, bringen jedoch den Vorteil das diese auch auf bestehende Fundamente installieren werden können. [B7] 94 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Zugstangen Diese Befestigung ergibt die statisch stärkste Verbindung zwischen Fundament und Aufspannplatte muss jedoch schon im Bewährungsplan mit einberechnet und exakt aufgestellt werden. Die Planung und Installation erfordern einen besonderen Aufwand. [B8] Stellfüße Stellfüße werden vor der Installation eines Aufspannfeldes mit großer Genauigkeit aufgestellt. Diese Befestigung ist nach exakter Installation sehr genau und kann nach Installation des Aufspannfeldes noch minimal nachjustiert werden. Stellfüße können ebenfalls auf bestehende Fundamente installiert werden. Bei Umbau des Aufspannfeldes auf demselben Fundament könne die Stellfüße entfernt und neu angeordnet werden. Bei den Stellfüßen ergibt sich jedoch die geringste Steifigkeit zwischen Fundament und Platte. Diese werden nicht vergossen und ist somit die beste Lösung für jeden der im Voraus plant das Aufspannfeld nach gewisser Zeit umbauen zu wollen. [B9] Berechnungsgrundlage von Anker und Stellfüßen. Aus der Praxis 5. Korrosion der Aufspannplatte vermeiden / entfernen Prüfstände zur Umweltsimulation sind besonderen Bedingungen ausgesetzt. Tauwasserbildung oder Salzsprühnebel fördern Korrosionen an der Aufspannplatte. Zur Vermeidung können Platten mit Chemisch Nickel oder einem metallischen Zinküberzug versehen werden. Diese Beschichtungen haben sich jedoch auf Dauer nicht bewährt, da sie leicht mechanisch beschädigt werden könnten. Weiterhin bieten Hersteller von Spezial-schmierstoffen auch Korrosionsschutzmittel an. Diese können auf bereits korrodierten Oberflächen als auch prophylaktisch bei neuen Gussplatten einfach aufgetragen werden. Jedoch muss dies mittelfristig wiederholt werden. Langzeitversuche stehen noch aus. Die Produkte stehen für Transparenz, Begehbarkeit sowie eine gute Abreinigung der Oberflächen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 95 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 6. Anlieferung und Aufbau eines Schwingfundamentes 6.1 Freistehende Spannplatte: auf ein Autarkes Tragwerk Guss Spannplatten können statisch aufgrund der Systemausbildung als Stabwerk, Ein, Mehr oder Gelenkträger betrachtet werden. Die Auflager sind Punktlager. Weiter Tragkonstruktionen sind nicht erforderlich. Gussplatten sind in den Maximalgrößen Breite 3m und länge 5m möglich. Plattenfelder werden aus Segmenten zusammengesetzt (Gelenkträger). Einbau einer Einzelplatte 6.2 Hybrid Tragwerk aus Stahlbeton und Spannplatte Durch die Kombination von Spannplatte und Stahlbeton wird eine höhere Tragfähigkeit und Steifigkeit erreicht. Große Prüffelder (Spannweiten) sind damit realisierbar. Stahlbetonfundament Plattensegment mit Passfeder und Schrauben Durch die Verbindung, Fundament und der Plattensegmente wird eine hohe Seismische Masse erreicht diese wirkt sich positiv auf das Dynamischer Verhalten (Schwingweg) aus. 96 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Quellennachweise: [1] VDI 2062 Blatt 1 - 2011-05 Schwingungisolierung - Begriffe und Methoden [2] §3 Abs. 1 BlmSchG - Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge [3] DIN 4150 Teil 2: „Erschütterungen im Bauwesen - Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden“; Stand: Juni 1999 DIN 4180 Teil 3: „Erschütterungen im Bauwesen - Teil 3: Einwirkungen auf bauliche Anlagen“; Stand Dez. 2016 [4] VDI 2038 Blatt 2: 2013-01 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen - Untersuchungsmethoden und Beurteilungsverfahren der Baudynamik - Schwingungen und Erschütterungen - Prognose, Messung, Beurteilung und Minderung [5] VDI 2057 Blatt 1 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - Ganzkörper- Schwingungen [6] VC-Kurven: VDI 2038 Blatt 2 - 2013-01 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkunge [7] DIN DIN 650 - 1989-10 Werkzeugmaschinen; T- Nuten; Maße [8] DIN 876-2 - 1984-08 Prüfplatten; Prüfplatten aus Gusseisen; Anforderungen [9] EN GJL 150-300 nach DIN EN 1561 [B1] KTI Schwingungstechnik GmbHD-40822 Mettmann [B2] ACE Stoßdämpfer GmbH, DE - 40740 Langenfeld [B3] FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart [B4] MEUSELWITZ GUSS Eisengießerei GmbH, 04610 Meuselwitz [B5] FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart [B6] Technische Universität Graz [B7] LUDWIG FREYTAG GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, 26129 Oldenburg [B8] CVT Industriebedarf GmbH, 76676 Graben-Neudorf [B9] Fixatorenbau Bertuch & Co. GmbH, 51381 Leverkusen