Identifizierung von Erschütterungsquellen in Gießereibetrieben

Übermäßige Bodenerschütterungen in Gießereibetrieben können zu Beschwerden von Anwohnern sowie zu Produktionsrisiken führen. In einem deutschen Eisengusswerk setzten Ingenieure daher eine umfassende Schwingungsüberwachung ein, um Maschinen zu identifizieren, die maßgeblich zu diesen Erschütterungsemissionen beitragen. Mithilfe von Messausrüstung von Dewesoft konnten sie die kritischen Quellen identifizieren und gezielte Gegenmaßnahmen zur Reduzierung der Auswirkungen vorschlagen.

Einleitung

In Gießereien kommen zahlreiche verschiedene schwere Maschinen und Anlagen zum Einsatz, darunter: 

• Schmelzöfen, 

• Pfannen, 

• Gießsysteme, 

• Sandformmaschinen, 

• Kernschieß- bzw. Kernblasmaschinen, 

• Kühlförderer, 

• Ausschlagmaschinen, 

• Strahlanlagen, 

• Schleifstationen, 

• Trennsägen, 

• Vibrationsförderer, 

• Becherwerke und pneumatische Fördersysteme sowie 

• Roboter-Handhabungsarme.

Unser Kunde betreibt eine Gießerei in Deutschland, die ein breites Sortiment an Eisengussprodukten herstellt. Die Produktionsschritte umfassen das Schmelzen, Gießen, Kühlen, Reinigen und Fertigbearbeiten von Metallteilen, insbesondere aus Gusseisen, Stahl, Aluminium und verschiedenen Legierungen.

Während verschiedener Prozessschritte kommen dabei Schwermaschinen mit leistungsstarken Antriebssystemen zum Einsatz, die während ihres Betriebs Schwingungen erzeugen. Dadurch werden die schweren Strukturen und Fundamente der Gießerei angeregt und schwingen häufig im Niederfrequenzbereich. 

Da niedrigere Frequenzen bei ihrer Ausbreitung im Boden naturgemäß weniger gedämpft werden, bergen sie das Risiko, in der Umgebung Belästigungen hervorzurufen oder den Betrieb schwingungskritischer technischer Anlagen zu beeinträchtigen. In diesem Fall befindet sich die Produktionsanlage in der Nähe eines Wohngebiets, in dem Anwohner über starke Erschütterungen klagten, die angeblich vom Produktionsstandort des Kunden ausgingen.

Übersicht der Problematik

Im Gießereiprozess zur Herstellung von Gusseisenteilen ist das Entsanden der gefertigten Bauteile ein zentraler Arbeitsschritt. Während der Produktion wird flüssiges Metall in eine Sandform gegossen. Nach dem Abkühlen und Erstarren weist das Gussteil naturgemäß eine harte, festhaftende Sandschicht auf. 

Ziel des Entsandens ist es, diesen Sand vollständig zu entfernen, ohne das Bauteil zu beschädigen, und es so für nachfolgende Bearbeitungsschritte vorzubereiten. Um dies zu erreichen, werden in die Produktionslinie integrierte Vibrationsmotoren kontrolliert angeregt, um gezielte Schwingungen zu erzeugen.

Somit zählen Ausschlagmaschinen, Vibrationsförderer und große Schleifstationen aufgrund ihrer Masse, ihrer Unwuchtbewegung und ihrer Betriebsfrequenzen nahe der Bodenresonanz häufig zu den Hauptverursachern von Erschütterungen:

• Ausschlagmaschinen, die als Schwingungs- oder Rotationssysteme Sandformen aufbrechen und von den Gussteilen trennen, stellen eine bedeutende Quelle von Erschütterungsemissionen dar.

• Vibrationsförderer, die im Prozess Gussteile oder Sand transportieren, tragen ebenfalls erheblich zu niederfrequenten Erschütterungen bei.

• Schleifstationen erzeugen durch ihre hochdrehenden Schleifscheiben sowie durch Aufprall- und Reibkräfte zwischen Werkzeug und Gussmaterial mittel- bis hochfrequente Schwingungen.

Wenn die beschriebenen Probleme auftreten, ist es daher notwendig, die einzelnen Maschinen zu untersuchen und jene zu identifizieren, die während des Betriebs zu erhöhten Bodenerschütterungen beitragen, um dann fundierte Gegenmaßnahmen zur Reduzierung unnötiger Erschütterungen zu ergreifen. Die möglichen Gegenmaßnahmen umfassen: 

• die elastische Entkopplung einzelner Maschinen zur Vermeidung der Schwingungsübertragung, 

• die Anpassung der Betriebsfrequenzen einzelner Maschinen zur Vermeidung von Resonanzeffekten,

• den Ersatz ganzer Maschinen durch andere mit geringerer Erschütterungsemission,

• den Austausch kritischer Bauteile durch schwingungsärmere Komponenten.

Ziel unserer Untersuchung war es, jene Maschinen auf dem Werksgelände zu identifizieren, die die kritischsten Erschütterungen erzeugen.

Die Herausforderung

Aus wirtschaftlichen Gründen ist es für den Kunden entscheidend, dass der Produktionsbetrieb – sowohl tagsüber als auch nachts – ununterbrochen aufrechterhalten werden kann. Dadurch steigt jedoch das Risiko, Anwohner in der näheren Umgebung zu stören oder zu belästigen.

Für unsere Messungen verwendeten wir für die Schwinggeschwindigkeit Schwellenwerte gemäß einschlägigen Standards wie DIN 4150-2, der ISO-2631-Reihe und der britischen Norm BS 6472-1. Diese Normen dienen der Bewertung der Einwirkungen von Erschütterungen auf Menschen in Gebäuden.

Die in der DIN definierten Schwellenwerte ermöglichen es, zu beurteilen, ob Erschütterungen, die durch industrielle Tätigkeiten – etwa in einer Gießerei – erzeugt werden, geeignet sind, Anwohner zu belästigen oder bei ihnen Unbehagen hervorzurufen. Die Werte geben damit Hinweise darauf, ob betriebsbedingte Erschütterungen zu Beschwerden führen oder Minderungsmaßnahmen erforderlich machen können.

Betreiber müssen deshalb sicherstellen, dass die Richtwerte der DIN 4150-2 insbesondere nachts nicht überschritten werden, also zu Zeiten, für die die Norm verlangt, dass die in nahe gelegenen Wohngebäuden ankommenden Erschütterungen unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegen.

DIN 4150-2: Wichtige Richtwerte für Erschütterungen

Vor der Untersuchung wurden verschiedene Produktionsschritte – und damit verschiedene Maschinen – als potenzielle Quellen erhöhter Erschütterungen identifiziert.

Es kann jedoch schwierig sein, die genaue Herkunft von Erschütterungsemissionen zu bestimmen, insbesondere wenn man es mit einem komplexen System einzelner Maschinen zu tun hat, die mit ähnlichen Frequenzen arbeiten und daher Wellen erzeugen, die sich überlagern und eine schwer vorhersehbare Wirkung auf umliegende Objekte haben. 

Aus diesem Grund entschied sich der Kunde für eine Mehrkanaluntersuchung, bei der die einzelnen Maschinen unabhängig voneinander betrieben werden und Messtechniker die Erschütterungsemissionen erfassen, um ihre potenziellen negativen Einwirkungen auf das nahe Wohngebiet zu bewerten. 

Die Strategie

Zur Entwicklung einer Strategie zur Identifizierung der relevanten Maschinen in der Gießerei besprachen wir mit dem Kunden, welche Anlagenkomponenten das höchste Erschütterungspotenzial aufweisen. 

Wir identifizierten acht Maschinen auf dem Gelände als Primärquellen der messbaren Erschütterungsemissionen. Diese Maschinen und die Empfangsstellen der Erschütterungen wurden mit Beschleunigungssensoren ausgestattet.

Zunächst beschlossen wir, die Bodenerschütterungen sowohl während des regulären Betriebs als auch während Stillstandszeiten zu erfassen. Zusätzlich stellten wir sicher, dass die verschiedenen Maschinen – wann immer möglich – einzeln betrieben wurden. So wollten wir die Erschütterungsemissionen jeder Maschine quantifizieren und gleichzeitig verstehen, wie sich die Emissionen der einzelnen Maschinen gegenseitig beeinflussten und in welchem Ausmaß die Einwirkungen auf umliegende Wohngebäude auf Überlagerungen der erzeugten Wellen zurückzuführen sind. 

Die Datenerfassung erfolgte mit einem 16-kanaligen SIRIUS-HD-Modul von Dewesoft (Abb. 1) in Kombination mit industriellen Beschleunigungssensoren mit einer Empfindlichkeit von 0,1 V/g. 

Das Ergebnis

Die aufgezeichneten Daten wurden mithilfe der Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware DewesoftX unter Anwendung eines Algorithmus zur schnellen Fouriertransformation (FFT) in Echtzeit im Frequenzbereich analysiert. Drei der acht untersuchten Maschinen zeigten erhöhte Erschütterungsemissionen im Frequenzbereich von 5 Hz bis 9 Hz, die an den Empfangsstellen zeitweise wahrnehmbare Pegel erreichten.

Zwei der Maschinen erzeugten Erschütterungen bei leicht unterschiedlichen Frequenzen (ca. 8,72 Hz und 8,87 Hz), wodurch eine modulierte Wellenform mit einer Periodendauer von etwa 6,5 Sekunden entstand (Abb. 3). Dieser Effekt wird von Technikern als Schwebung bezeichnet. Die Spitzenwerte der Modulation überschritten an den Empfangsstellen die Wahrnehmungsschwellen.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden einzelne Verursacher sowie der Anregungsmechanismus identifiziert und der Kunde entsprechend unterrichtet.

Wir nutzten eine dreidimensionale Visualisierung des Spektrogramms (Abb. 4), um ihm die Zusammenhänge in Echtzeit zu veranschaulichen.al-time.

Fazit

Durch die Untersuchung konnten die primären Erschütterungsquellen auf dem Werksgelände identifiziert werden. Die für die Analyse erforderlichen Daten wurden mithilfe von Dewesoft-Geräten erfasst. 

Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse beschaffte der Kunde eine Ersatzmaschine zur Installation in der Produktionslinie. 

Wir erwarten, dass die Änderung aufgrund der Unterschiede in Betriebsfrequenz und Anregungskräften zu einer Minderung der Erschütterungen auf ein akzeptables Niveau führt. Es ist geplant, diese Erwartung nach der Nachrüstung in einem Abnahmetest zu überprüfen. Die Nachrüstung und die Abnahmetests stehen noch aus.