Telemetriesystem ermittelt Schwingungsverhalten von Großventilatoren

Zwei Großventilatoren aus Deutschland sorgen für die Belüftung der russischen Nickel- und Kupfererzmine Severny Gluboky. Um die Drehzahlregelung der Ventilatoren zu optimieren, reisten die Ingenieure zur Inbetriebnahme in die entlegene Region Murmansk, nördlich des Polarkreises. Mit Hilfe eines neuen Funk-Telemetriesystems konnten sie das Eigenschwingverhalten der Motorwelle in kurzer Zeit bestimmen.

Das Unternehmen Howden Ventilatoren projektiert und entwickelt Großventilatoren für Bergwerke, Tunnel, Windkanäle und Kraftwerke. Die Produktpalette reicht von einfachen Axialventilatoren mit festem Schaufelwinkel bis zu hoch entwickelten Axialventilatoren mit verstellbarem Schaufelwinkel. Bereits seit den 50er Jahren befasst sich das schwäbische Unternehmen auch mit Belüftungsanlagen im Bergbau. Die weltweite Ausrichtung macht dabei Service-Einsätze zur Inbetriebnahme und Wartung der gewaltigen Anlagen rund um den Globus erforderlich.

Verifikation des Eigenschwingverhaltens

Dabei verschlägt es die Ingenieure zuweilen auch in entlegene Gegenden, wie beispielsweise in die Region Murmansk auf der russischen Halbinsel Kola nördlich des Polarkreises. Dort sind zwei Großventilatoren aus Heidenheim bei der Grubenlüftung in der Nickel- und Kupfererzmine Severny Gluboky unter arktischen Bedingungen im Einsatz.
    Eine typische Messaufgabe im Rahmen einer solchen Inbetriebnahme ist die Bestimmung des Eigenschwingverhaltens der Motorwelle des Ventilators. Bereits während der Auslegung und Konstruktion der Anlage erhält der Anlagen-Betreiber mittels Wellenstrangberechnung Aufschluss über kritische Frequenzen bzw. Drehzahlen, die der Ventilator während des Betriebs erreichen kann. Sind Betriebszustände möglich, bei denen die Drehzahl des Ventilators diese Eigenfrequenzen durchläuft, so sind geeignete Gegenmaßnahmen zur Vermeidung unerwünschter Resonanzeffekte zu treffen. Beim Projekt in Severny Gluboky ergab die rechnerische Modalanalyse eine erste Eigenfrequenz für die Torsionsschwingung im Bereich unterhalb der Nenndrehzahl von 750 rpm (entspricht 12,5 Hz). Diese Frequenz muss die Anlage demnach beim Start- und Stoppvorgang durchlaufen.

Allerdings lässt sich der Hochlauf des Ventilators gezielt so regeln, dass dieser kritische Bereich schnell und problemlos durchfahren wird. Die gewünschte Optimierung der Drehzahlregelung machte es aber notwendig, die Vorhersagen der rein rechnerischen Schwingungsanalyse durch eine experimentelle Schwingungsmessung im laufenden Betrieb vor Ort zu verifizieren.

Schwingungsmessung im großen Maßstab

Die Messung des Torsionsmoments auf der Antriebswelle erfolgte in klassischer Weise mittels Dehnmessstreifen (DMS) in Vollbrückenschaltung. Durch Applikation der DMS-Rosette in einem Winkel von 45° zur Wellenachse wird die Messung der reinen Torsion gewährleistet, da sich eventuell vorhandene Biegespannungskomponenten dabei automatisch eliminieren. Für die Übertragung des Messsignals von der rotierenden Welle setzten die Howden-Ingenieure in Russland erstmals ein neues modulares Funk-Telemetriesystem ein - bestehend aus der Signalaufbereitung und dem Sendemodul einschließlich Akku-Versorgung auf der Welle sowie einer stationären Empfangs- und Bedieneinheit außerhalb des Wellentunnels. Ein Problem dabei: Da der Sender mit rotiert, wird immer ein Teil des Funkbereichs durch die mächtige Welle selbst abgeschattet. Zur Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Übertragung mussten deshalb zwei Empfangsantennen um 180° versetzt gegenüberliegend auf der Innenseite des Wellenschutzrohres vorgesehen werden. Der Telemetrie-Empfänger ist dafür ausgelegt und wertet die beiden Antennensignale selbständig so aus, dass kontinuierlich fehlerfreie Messwerte für die Auswertung bereit stehen. Eine weitere Anforderung an das Messsystem: Die Frequenzanalyse der Messdaten mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) erfordert eine relativ hohe Abtastrate - bei dieser Anwendung 2.000 Hz -, damit alle relevanten Schwingungsanteile ermittelt werden können.

Ein Sendemodul - sechs Sensoren

Die Vorteile der bei Howden Ventilatoren eingesetzten voll digitalen Dx-Telemetrie aus dem Hause Caemax Technologie liegen neben der störsicheren Übertragung vor allem in der einfachen Handhabung. Das System lässt sich über die bidirektionale Funkstrecke bequem fernsteuern. Die Parametrierung kann am Bedienpanel der Empfangseinheit selbst oder über einen angeschlossenen PC erfolgen. Dazu benötigt man keine spezielle Software - das erledigt dank integrierter Webserver-Technologie jeder Internet-Browser.
Mit einem Sendemodul SCT lassen sich Signale von bis zu sechs Sensoren - davon zwei DMS-Vollbrücken oder vier DMS-Halbbrücken, außerdem elektrische Spannungs- und Temperatursignale - erfassen und übertragen. Zusätzlich auch die Umgebungstemperatur der Messstelle sowie die Spannung der Energieversorgung, um den Ladezustand der Akkus zu überprüfen. Die Abtastrate in Summe und pro Kanal kann bis zu 5 kHz betragen. Die Versorgung der Sendeelektronik (auch die Geberversorgung) über Akkus gewährleistet über mehrere Stunden hinweg einen sicheren Betrieb. Alternativ steht für den Dauerbetrieb auch eine induktive Versorgung über einen Induktivkopf oder einen Ring­stator zur Verfügung.
Zur Wiedergabe der übertragenen Signale stehen sechs frei nutzbare Analogausgänge sowie eine Ethernet- und eine CAN-Schnittstelle für die digitale Übertragung der Messdaten zur Verfügung. Dabei werden sämtliche Daten schon umgerechnet als physikalische Größe angezeigt und ausgegeben. Mittels SD-Speicherkarte lässt sich das System sogar als kleiner autarker Datenlogger aufrüsten.

Synchrone Datenübertragung

Das Dx-Telemetriesystem leistet bei Bedarf noch mehr: Ein einzelner Empfänger kann die Daten von bis zu vier verteilten Sendern gleichzeitig empfangen und parallel verarbeiten. Neuartig ist die absolut synchrone Datenübertragung mit mehreren Sendern in einem Frequenzband. Dies ist für die Messtechnik von Bedeutung, weil international nur bestimmte Frequenzbereiche - die sog. ISM-Bänder (ISM steht für „Industrial, Scientific and Medical") - für derartige experimentelle Anwendungen freigegeben sind. Die Dx-Telemetrie bietet hier für den weltweiten Einsatz eine hohe Flexibilität. Das System steht in ­Varianten für das 433 MHz oder 866 MHz Band (für Europa einschließlich Russland), das 915 MHz Band (beispielsweise für Amerika) oder auch das 2,4 GHz Band zur Verfügung. Letzteres wird u.a. auch für das weltweit genehmigungsfreie WLAN genutzt.
    Der Einsatz im russischen Bergwerk verlief erfolgreich: Durch die Modularität und die einfache Handhabung des Telemetriesystems konnte die Messaufgabe an beiden Ventilatorwellen einschließlich Auswertung innerhalb von zwei Tagen vor Ort durchgeführt werden.

Der Theorie folgt die Praxis

Die Ergebnisse zeigten zudem eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis: Die messtechnisch ermittelten Eigenfrequenzen wichen um weniger als zwei Prozent von den zuvor berechneten ab. Der kritische Drehzahlbereich kann damit nunmehr für den Betrieb sehr viel genauer eingegrenzt und die Drehzahlregelung damit weiter optimiert werden.
Aufgrund der guten Erfahrungen mit dem neuen Messsystem denkt man bei Howden Ventilatoren für zukünftige Aufgaben bereits weiter: So wird das Dx-Telemetriesystem derzeit mit zwei Satellitenempfängern (RSU) erweitert. Im Unterschied zu herkömmlichen Antennenkabeln erlauben diese eine wesentlich größere Entfernung zwischen Messpunkt und Empfangseinheit (bis zu 30 m). In den Satelliten wird das empfangene Funksignal bereits unmittelbar aufbereitet und über einen digitalen Bus weitergeleitet. Damit ist man zukünftig auch für taktsynchrone Messungen an noch größeren Anlagen mit schwierigen Einbauverhältnissen und den daraus resultierenden Abschattungen gut gerüstet.

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