2. Fachtagung TestRig - September 2024 63 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation Bernhard Toebe FABREEKA GmbH, 64572 Büttelborn, Deutschland Zusammenfassung 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. In Wohn- und Mischgebieten in der Nähe von Industrieanlagen entstehen eventuell unerwünschte oder auch unzulässig starke Erschütterungen, welche sogar zum Erlöschen der Anlagenund/ oder Betriebsgenehmigung führen können. 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. Durch Schwingungen steigt der sekundäre Luftschall, da Bauteile wie Decken oder Wände dadurch angeregt werden. In konstruktiven Bauteilen treten oft Schäden wie z.B. Risse in Decken, Wänden und Böden auf. 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, gegeben als Schwingwege, Schwinggeschwindigkeiten oder -beschleunigungen, gehen auf die Maschine oder Anlage in reduzierter Form über. [1] In der Praxis nennt man ein aktives System oder aktiven Isolator oft fälschlicherweise auch selbst nivellierende Isolatoren. Passive Isolatoren werden nicht selten mit einfachen Elastomer-Lagern verwechselt. Quellerregung Empfangserregung 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 Messergebnissen 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 VDI 2057 [5] „Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf Menschen“ Empfindliche Mess- und Produktionsgeräte können durch die Empfangserregung in ihrer Funktion gestört werden. Die Maximalimmissionen können der Hersteller-Betriebsanleitung oder den VC-Kurven (Vibration-Criteria, VC-Linien) entnommen werden. [6] Grundsätzlich sollten bei solchen Maschinen am geplanten Aufstellungsort Schwingungsmessungen durch Fachfirmen durchgeführt werden. 64 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation 3. Systeme der Isolation Luftfeder Einkammer 0,6 - 1,3 Hz Membranluftfeder 1,5 - 2,7 Hz Stahlfeder 2,5 - 6 Hz [B1] Gummi-Metall-Isolatoren > 4,5 Hz [B2] Elastomerplatten > 6 Hz 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 Auf bau eines Prüfstandes eignen sich vorwiegend Eisen-Gussplatten im Werkstoff EN- GJL oder EN-GJS. Durch die vorhandene Nutzung nach DIN 650 [7] und einer Oberflächenbearbeitung nach DIN 876/ III [8] lassen sich Prüflinge und Aktuatoren einfach verschieben und befestigen. Durch das hervorragende Dämpfungsvermögen, hohe Belastbarkeit und einer relativ hohen Eigenmasse (Dichte 7200 kg/ m³) hat sich der Werkstoff EN-GJL-250 (GG25) [9] seit vielen Jahren bewährt. 4.1 Aufspannplatten können als Module im standardisierten Raster von 500-mm (ab einer Plattengröße von 2 × 1-m) 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. 2. Fachtagung TestRig - September 2024 65 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation [B4] Für das notwendige Masse-Federsystem hat sich die Faustformel „Masse des Prüfstandes ist 100-mal bewegte Masse“ als Abschätzung durchgesetzt. Eine ingenieurtechnische Bewertung durch einen Baudynamiker ist jedoch empfehlenswert. [B5] 4.2 Kombination aus Spannplatte und Stahlbeton Wird die notwendige Masse nicht erreicht, kann diese durch eine Kombination mit Stahlbeton (StB) realisiert werden. StB eignet sich hier ebenfalls als Tragstruktur. Diese Kombination ist in Fällen notwendig großer Massen sehr wirtschaftlich, jedoch mit erhöhtem bautechnischem Aufwand verbunden. Ein geeignetes Verankerungssystem ist hier einzuplanen. Beton-Fertigteile sind oft eine Option. [B6] Geeignete Ankersysteme zur Befestigung der Spannplatte auf StB sind in Schal- und Bewehrungs-pläne einzuplanen. [B7] [B8] 66 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation [B9] 4.3 Zementgebundener Mineralguss und Stahl- Verbundwerkstoff Anwendungsoptimierte Materialrezepturen sorgen für eine individuelle Anpassung des Bauteils an die Prüfanforderung. Der Formgebung des Bauteils sind kaum Grenzen gesetzt. Steifigkeit, Dämpfung und Bauteilgewicht sind variabel. Prüflingsaufnahmen z.B. Spannschienen, Aussparungen und Leistenkanäle sind im Vorfeld konstruktiv einzuplanen und beeinflussen die Bauteileigenschaften nur gering. 4.3.1Mineralguss Ultra-High Performance Concrete Sowohl epoxidharzgebundener Polymerbeton als auch zementgebundener Ultra-High-Performance Concrete -UHPC wird ausschließlich in spezialisierten Werken verarbeitet. Hierzu ist neben einer industriellen Mischanlage eine Form oder Schalung notwendig. Wenn diese für mehrere Abgüsse ausgelegt ist, wird bei größeren Stückzahlen eine beachtliche Wirtschaftlichkeit erzielt. [B11] 4.3.2 Verbundwerkstoff Stahl und Mineralguss Bei diesem kombinierten Verfahren dient die Stahlstruktur als tragendes Element und gleichzeitig als Schalkörper. Eine gewünschte Aufspannfläche kann somit leicht integriert werden. [B12] Einzelanfertigungen in spezialisierten Herstellbetrieben sind wirtschaftlich und die Bauweise erlaubt auch nachträgliche Änderungen. Für eine Do-It-Yourself -Verfüllung für vorhandene Stahlschweißkonstruktionen, welche aus Gründen der Stabilität und Steifigkeit nachträglich ausgefüllt werden müssen, bietet der Markt hochfeste, selbstverdichtende, zementgebundene Mineralguss-Materialien an. Alle notwendigen Arbeiten können ohne Spezialkenntnisse direkt beim Endkunden mittels handelsüblicher Werkzeuge z.B. mit einem Bohrmaschinenquirl und ohne Rütteln ausgeführt werden. [B13] Eine signifikante Erhöhung der Eigenfrequenzen infolge einer nachträglichen Verfüllung ist bei den derzeit gebräuchlichen Aufspannplatten (auf Epoxidharz - oder Zementbasis) nicht zu erwarten. Bis Vergussmassen mit einem höheren E-Modul verfügbar sein werden, stellt das schubfeste Aufschrauben einer Stahlplatte auf der Unterseite die einfachste Lösung zur Steuerung der Eigenfrequenz dar. Allerdings ist für zahlreiche Anwender die Eigenfrequenz nicht von Belang, da bei zahlreichen Prüfanordnungen das Durchfahren der Eigenfrequenzen nicht zu vermeiden ist. In jedem Fall wirkt sich das Verfüllen positiv aus, da die hohe Dämpfung der mineralischen Verfüllmasse zu einer deutlichen Dämpfung der Spitzenamplituden und einer effektiven Begrenzung der Ausschläge führt. 2. Fachtagung TestRig - September 2024 67 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation Regelsystem die Eigenfrequenz der Luftfedern anzupassen. 5. Adaption der Luftfederfrequenzen auf Prüfprofile Die Regelsysteme der Aktuatoren sind mit allen gängigen Prüfprofilen vertraut und somit in der Lage, vor Beginn des Tests über das Regelsystem die Eigenfrequenz der Luftfedern anzupassen. (Frequenzumschaltung/ angepasste Frequenz). Dies ist sogar im Rahmen laufender Testprozesse, beispielsweise im Falle eines Rauschens, durchführbar. Zufällig eingeleitete Shocks werden mit der angepassten Eigenfrequenz der Feder optimal isoliert. 6. Aus der Praxis Korrosion der Aufspannplatte vermeiden/ entfernen Prüfstände zur Umweltsimulation sind besonderen Bedingungen ausgesetzt. Tauwasserbildung oder Salzsprühnebel fördern Korrosionen an der Aufspannplatte. Zur Vermeidung können Sphäroguss-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 Spezialschmierstoffen Korrosionsschutzmittel auf pflanzlicher Basis 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. [B14] Quellennachweise: [1] VDI 2062 Blatt 1 - 2011-05 Schwingungsisolierung - 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 Einwirkungen. [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. [B11] OPV Engineering GmbH 76227 Karlsruhe. [B12] framag Industrieanlagenbau GmbH 4873 Frankenburg/ AT. [B13] durcrete GmbH 65549 Limburg an der Lahn. [B14] Ox4S GmbH 32351 Stemwede.