Viskoelastische Plattensysteme zum Aufstellen von Schwerstmaschinen

Schwerstmaschinen, insbesondere Umformmaschinen, erzeugen oftmals hohe dynamische Impulse und mechanische Schwingungen, die sich über den Boden oder das Erdreich fortpflanzen. Davon werden Feinbearbeitungsmaschinen und Gebäude negativ beeinflusst. Die von den Maschinen verursachten Erregungen sind Kräfte, die unkontrollierbare Wege gehen und mit der Dreh- oder Hubzahl zunehmen. Entsprechend verhält es sich mit freien Massenkräften und Momenten bei ungleichförmig bewegten Maschinenteilen.

Ein Gebäude, aber auch ein Messgerät, ist ein schwingungsfähiges System, das die Erregungen zusätzlich verstärkt. Die dabei auftretenden mechanischen Schwingungen – also Erschütterungen und Körperschall – wirken auf Menschen und Einrichtungen in den Gebäuden. Solche Belastungen sind für Menschen auf Dauer gesundheitsschädigend und für Geräte und Einrichtungen in den Gebäuden und Produktionshallen funktionsstörend. Ausschuss, kurze Werkzeugstandzeiten, Maschinen-, aber auch Gebäudeschäden sind die Folge. Schon aus rein wirtschaftlichen Gründen ist in solchen Fällen eine speziell ausgelegte Schwingungsisolation erforderlich.

Mechanische Schwingungen werden als störend empfunden

Erschütterungen sind mechanische Schwingungen, die vom Menschen spürbar sind und oftmals als störend empfunden werden. Zu den mechanischen Schwingungen gehört auch der Körperschall, der zum Beispiel von einem Stahlbeton-Baukörper abgestrahlt und als unangenehme Lärmquelle empfunden wird. Diese unguten Einflüsse können durch geeignete schwingungstechnische Maßnahmen wirksam reduziert werden. Dazu bedarf es allerdings einer speziell ausgelegten Schwingungsisolation und -dämpfung. Schwingungsdämpfung ist Energiedissipation: Durch Dämpfung wird dem System Energie entzogen. Zur Reduzierung der von einer Maschine ausgehenden Kräfte wird diese Maschine auf elastischen und dämpfenden Elementen gelagert. Diese Art der Schwingungsisolation wird als Quellenisolation (Emissionsschutz) bezeichnet.

Wird zum Beispiel eine Warmumformpresse mit hoher Abstrahlung von Impulsen gegen das Fundament oder den Gebäudekörper schwingungsisolierend gelagert, so spricht man von einer Quellenisolation, also vom Emissionsschutz. Sollen im umgekehrten Fall Feinbearbeitungsmaschinen oder Messgeräte gegen die Übertragung von Schwingungseinflüssen geschützt werden, handelt es sich um eine Empfängerisolation, also um Immissionsschutz. Um eine wirksame Reduzierung der Störungseinflüsse zu erreichen, sind unterschiedliche, problemspezifisch angepasste Maßnahmen erforderlich.

Es ist schwingungstechnisch gesehen gleichwertig, ob Schwingungsemissionen (Abstrahlung) oder Schwingungsimmissionen (Einstrahlung) die beschriebenen Störungen verursachen. Allerdings sind unterschiedliche Maßnahmen für die Reduzierung dieser Störungseinflüsse erforderlich. Die klassische Schwingungsisolation besteht aus den Elementen Masse, Feder und Dämpfer.

Masse wird durch Verwendung eines Fundamentes vergrößert

Die Masse ist im Allgemeinen durch die Maschine selbst gegeben. Jedoch wird sie häufig durch Verwendung eines Fundamentes vergrößert. Die Vorteile dieser Zusatzmasse sind je nach Maschinenart und -größe von entscheidender Bedeutung. Aufgrund einer Zusatzmasse und Zusatzfeder bei gleich bleibender Eigenkreisfrequenz wird das dynamische Verhalten einer schwingungsisoliert aufgestellten Maschine verbessert. Der Isolationsgrad ändert sich dadurch nicht. Die Vorteile sind:

-Die Schwingungsamplituden bei Einwirkung dynamischer Kräfte sind kleiner.

-Angeschlossene Elemente werden mechanisch weniger beansprucht.

-Die Zusatzmasse führt zu einer weiteren Versteifung der Maschine.

-Es wirken geringere Massenkräfte auf die Komponenten der Maschine.

-Der Maschinenstand ist weit weniger Amplituden ausgesetzt. Das wirkt sich positiv auf die elektronischen Maschinen- und Steuerungskomponenten aus.

-Eine patentierte Nivellierung – auch schwerster Lasten – erleichtert die Montage.

-Die dynamische Beanspruchung ist geringer. Somit wird der Verschleiß von Maschinenkomponenten reduziert.

-In den meisten Fällen ist eine befestigungsfreie Aufstellung – ohne Bodenverletzung infolge Steinschrauben – möglich. Das sichert die Mobilität des Maschinenparks.

-Die Fertigungsqualität wird erhöht. Die reduzierten Montagekosten (um etwa 50%) führen zu erheblichen

Umwandlung mechanischer in Bewegungsenergie

Die Isolierpakete von Isoloc verwandeln die mechanische Energie in Bewegungsenergie des elastisch gelagerten, schwingenden Systems. Um die aufgrund des Maschinenbetriebs verursachten Schwingungen zu isolieren, ist die abgestrahlte Störungsenergie zumindest teilweise durch die „Federn“ in Bewegungsenergie umzusetzen. Infolge der Bewegungen auf den elastischen Elementen entstehen Massenkräfte, die gegen die Erregerkräfte wirken, so dass eine Massenkraftkompensation – also Schwingungsisolation – erreicht wird.

Dieser Isolator mit einer relativ hohen Dämpfung bewirkt die Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in Wärmeenergie. Dabei wird die Maschine in die ursprüngliche Ruhelage zurückversetzt. Bei optimaler Kombination der Isolationssysteme werden die dynamischen Kräfte der Maschine selbst reduziert. Das bedeutet in der Praxis eine Begrenzung der Schwingungsamplituden und eine merkliche Stabilisierung der damit ausgerüsteten Maschinen. Daraus folgen logischerweise bessere Arbeitsergebnisse bei geringerer Lärmentwicklung und – nicht zu unterschätzen – in vielen Fällen eine deutliche Verlängerung der Werkzeugstandzeiten.

Werden die von einer Maschine ausgehenden Kräfte auf den stoßartigen Impuls an dieser Maschine bezogen und dieses Verhältnis in Abhängigkeit von den Frequenzen (Amplitudenfrequenzgang) dargestellt, so lassen sich bei Schwingungsisolation zwei Frequenzbereiche lokalisieren: der Verstärkungs- und der Isolationsbereich. Es muss bei einer Isolation erreicht werden, dass die niedrigste Erregerfrequenz größer ist als das √2-Fache der Eigenfrequenz der Schwingungsisolation. Dies gilt für einen Ein-Freiheitsgrad-Schwinger. Unterhalb der Frequenz, die dem √2-Fachen der Eigenfrequenz entspricht, ergibt sich eine Schwingungsverstärkung.

Mit zunehmendem Dämpfungsgrad werden die Amplituden des Systems kleiner

Die Größe der Verstärkung hängt von der Dämpfung des schwingungsisoliert gelagerten Systems ab. Mit zunehmendem Dämpfungsgrad werden die Amplituden dieses Systems kleiner. Jedoch verringert sich die Isolationswirkung bei höheren Dämpfungsgraden (größer als 30%) auch deutlich. Bis zu einem Dämpfungsgrad von 30% wird die Schwingungsisolation durch die Dämpfung nur geringfügig beeinflusst.

Feder und Dämpfer werden als Schwingungsisolatoren entweder als getrennte Elemente oder als viskoelastisches Material eingesetzt. Ist der Isolator aufgrund unterschiedlicher Aufbaustoffe so gemischt oder konstruiert, dass er gute Dämpfungseigenschaften zeigt, so wird von einer inneren Dämpfung gesprochen. Gute Dämpfungseigenschaften haben zum Beispiel Isoloc-Isolierplatten und -pakete. Die Dämpfungswerte dieser Speziallagerungselemente liegen in der Größenordnung von 6 bis 20%. Unter einer Dämpfung von 6% ist die Isolationswirkung höher, jedoch nimmt die Aufschaukelungsgefahr im Resonanzbereich zu.

Reibung und Dämpfung sorgen für stabilen Stand

Die beschriebenen Schwingungsisoliersysteme zeigen eine sehr gute Dämpfungswirkung. Dieser Effekt resultiert aus der Reibarbeit während der Verformungszyklen und aus der Materialdämpfung. Die freien Schwingungen einer Maschine müssen bei einer Anfangsstörung – aber auch bei einer stoßartigen Erregung –möglichst schnell abklingen. Ferner besteht die Gefahr, dass die Schwingungen einer elastisch gelagerten Maschine bei der Isolationseigenfrequenz verstärkt werden. Um diese Verstärkungen zu begrenzen und um den Einschwingvorgang zu verkürzen, müssen die Isolationselemente zustätzlich zu den elastischen auch hohe dämpfende Eigenschaften haben.

Diese Isoliersysteme bestehen aus verschiedenen Werkstoffen, die unterschiedliche statische und dynamische Eigenschaften haben. Diese hochwertigen, aufgrund jüngster Forschungsergebnisse entwickelten Isolierplatten bieten ausgezeichnete Eigenschaften sowohl im Federungs- als auch im Dämpfungsbereich. Durch die Variation der Druckbeanspruchung (Belastung pro Lagerungsfläche) und aufgrund der Variation der Lagerungsfläche ist sowohl die nötige Einfederung zu einer optimal wirksamen Schwingungsisolation als auch die erforderliche Dämpfung zur Begrenzung der Amplituden ohne Weiteres möglich. Beides wird individuell „eingestellt“.

Fundamentierung determiniert die Leistungsfähigkeit einer Maschine

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Isoloc untersucht die wichtigen Kennwerte, zum Beispiel die statische Durchsenkung, die Eigenfrequenz, die Dämpfung, die dynamische Steifigkeit und die Belastbarkeit sowie das Kriechverhalten der Elemente. Bei der Entwicklung besserer Werkstoffqualitäten werden die steigenden Anforderungen an Maschinen und Lagerungselemente schon berücksichtigt. Eines ist jedoch klar: Von einer guten Fundamentierung hängt die Leistungsfähigkeit der Maschine ab. Das wird häufig unterschätzt. Mit einfachen Stellfüßen ist es bei hochwertigen und anspruchsvollen Fertigungsmaschinen nicht mehr getan.

Das Ergebnis der Forschung ist die Bereitstellung entsprechender Werkstoffe, die vielfältige Anforderungen erfüllen. Sie ist die Basis für die Problemlösung mit Garantiezusage aus einer Hand – im Hinblick auf die Notwendigkeit einer störungsfreien Produktion, aber auch bezüglich ungünstiger Aufstellungsbedingungen, aus denen zum Beispiel Nachbarschaftsbeschwerden aufgrund eines 3-Schicht-Betriebs resultieren. Dies bezieht sich auch auf Anforderungen im Großmaschinenbau, wo Isoloc-Werkstoffe seit vielen Jahren im härtesten Einsatz sind und Erfahrungen vorliegen. Besonders hervorzuheben ist ferner das Dämpfungsverhalten dieser Materialien.

Angabe von Störfrequenzen bei Großmaschinen schwierig

Schwingungsisolation ist immer ein Kompromiss hinsichtlich Wirkungsgrad und Stabilität der Maschine. Aufgrund der genannten Einflüsse der Dämpfung und der Steifigkeit auf das dynamische Verhalten eines Schwingungssystems ist die Dimensionierung einer Schwingungsisolation eine Optimierungsaufgabe. Je nach Maschinenart und Aufstellungsort ist immer zu beurteilen, welche Maßnahme sich für eine wirksame Schwingungsisolation am besten eignet.

Die Beurteilungskriterien sind: Art und Funktion der Maschine, Größe der auftretenden Erregerkräfte, Aufstellungsort (lokale Gegebenheiten wie Stockwerk oder gewachsener Grund), Störfrequenzen (dynamische Einflüsse von weiteren Maschinen), zulässige dynamische Schwingungsamplitude, Funktionalität und Schwerpunkt der Maschine.

Bei Rotationsdruckmaschinen und anderen Großmaschinen ist die Angabe der Störfrequenz nicht einfach. Die angegebenen Erregerfrequenzen resultieren aus den Drehzahlen der einzelnen Maschinenkomponenten und werden demnach als Störfrequenz betrachtet. Jedoch zeigen die messtechnischen Untersuchungen, dass sich bei höheren Frequenzanteilen ausgeprägte Erregerfrequenzen bilden können.

Mit kleiner werdender Dämpfung nimmt die Wirkung der Schwingungsisolation zu. Jedoch treten im Resonanzbereich erhebliche Vergrößerungen im Amplitudenfrequenzgang auf. Der Vergrößerungs- oder Überhöhungsfaktor ist bei allen Isoloc-Elementen bekannt und aus Datenblättern ersichtlich. Ein Vergleich zwischen diesen Elementen und anderen Isolatoren mit gleichem Wirkungsgrad zeigt erstaunlich kleine Überhöhungsfaktoren der Isoloc-Werkstoffe.

Infolge von Zahn-, Lager- und Massenkräften bei einer Maschine treten hochfrequente Schwingungen und Körperschallabstrahlungen auf. Solche Maschinen sind also erhebliche Lärmquellen. Eine Körperschallisolation mit einer vertikalen Eigenfrequenz f0v bis 40 Hz ist in diesem Fall aber völlig ausreichend und auch vom Kostenfaktor her für den Maschinenbetreiber sehr interessant.

Die beschriebenen Isoloc-Elemente werden variabel den jeweils technischen Erfordernissen angepasst. Mit diesen Speziallagerungselementen wird eine vertikale Eigenfrequenz von 4,0 Hz erreicht, so dass sich diese Art der Isolierung nicht nur für die elastische Lagerung von Maschinen, sondern auch von Gebäuden verwenden lässt. Seit Jahren steht ein großes Gebäude auf diesen Elementen: der Neubau der Schweizer Botschaft in Berlin, unweit des Bundeskanzleramtes.

Um zu den gewünschten Ergebnissen zu kommen, sind solchen Maßnahmen umfangreiche messtechnische Untersuchungen mit modernsten Geräten vorgeschaltet, einschließlich der Analyse für die jeweilige Problemstellung mit kompletter Abhilfemaßnahme und Vorschlag der erforderlichen Werkstoffe. Dies gilt auch für im Stockwerk aufgestellte Maschinen. Der Grund dafür liegt in den schwingungstechnischen Eigenschaften der Elemente, die im höherfrequenten Körperschallbereich (über 60 Hz) einen guten Kompromiss zwischen Körperschallisolation und Niveaustabilität ermöglichen.

In der Praxis stehen schwerste Schmiedepressen für den Dreischichtbetrieb (Eigengewicht der Maschinen rund 500 t) auf diesen Schwingungsisolierpaketen. Im rauen Alltagsbetrieb bieten diese Pakete einen hohen Erschütterungsschutz und eine wirksame Schwingungs- und Körperschallisolierung. Das Ergebnis ist: Die Maschinen und Gebäude werden geschont, die Standzeiten der wertvollen Werkzeuge verlängert sowie Gebäudeschäden vorgebeugt. Nicht zuletzt entsteht eine ruhigere Arbeitsatmosphäre infolge Körperschallentkopplung der gesamten Anlagen vom Gebäudekörper.

Heute stehen Nivelliersysteme mit integrierter Schwingungsdämpfung (UMS) zur Verfügung, mit denen schwerste Lasten mühelos und mit wenig Zeitaufwand ausjustiert werden können. Es ergeben sich interessante Kostenvorteile im Vergleich zu herkömmlichen Justierverfahren. Diese Systeme haben sich bei der Einrichtung kompletter neuer Warmpresswerke schon seit Jahren bewährt, wo die Maschinen rund um die Uhr betrieben werden. Das lässt sich anhand einer Anwendung in der Praxis zeigen.

In der Vergangenheit verursachte eine Eumuco-Schmiedepresse (statisches Gewicht 300 t, Presskraft 40000 kN) in einem Presswerk so starke Impulse, dass wirksame Abhilfe zwingend erforderlich war. Ansonsten hätte aufgrund behördlicher Anordnung die Maschine stillgelegt werden müssen. Die Erschütterungen waren von solcher Intensität, dass die in der Nachbarschaft stehenden Wohnhäuser in Mitleidenschaft gezogen wurden und die Gläser in den Wohnzimmerschränken klirrten.

Aufgabe war es, die von der Presse ausgehenden Kräfte und die dadurch hervorgerufenen Bodenschwingungen so wirksam zu isolieren, dass die Presse nicht stillgelegt werden musste, was enorme Kosten verursacht hätte, weil die Maschine im Drei-Schicht-Betrieb produziert. Eingesetzt wurden aufgrund von Schwingungsmessungen und Analysen vor Ort speziell dimensionierte Isoloc-Lager, die auch die geologischen Gegebenheiten am Aufstellungsort berücksichtigten.

Die dynamischen Eigenschaften des Bodens wurden experimentell erfasst, um die erforderlichen Steifigkeiten und Dämpfungskoeffizienten des Bodens zu bestimmen. Auf dieser Grundlage war es möglich, die Einflüsse des viskoelastischen Bodens auf das dynamische Verhalten der elastisch und dämpfend gelagerten Eumuco-Presse zu bestimmen und somit die durchgeführten experimentellen und rechnerischen Untersuchungen optimal zu nutzen.

Die Fußpunktkräfte und die dadurch hervorgerufenen Bodenschwingungen wurden in vertikaler und insbesondere in horizontaler Richtung mit hervorragendem Wirkungsgrad vermindert. Die KB-Werte wurden so stark reduziert, dass die Wohnhäuser in der Nachbarschaft nicht mehr gestört wurden und man die Stilllegung der Maschine verhinderte. Der Kunde hat daraufhin eine zweite Großpresse ebenfalls auf diese Weise aufgestellt.

Dr.-Ing. Süleyman Güney ist technischer Geschäftsführer der Isoloc Schwingungstechnik GmbH in Stuttgart.