Quelle Nummer 436

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

SCHWINGUNGEN
HEINZ HOUBEN
ERZWUNGENE UND FREIE DREHSCHWINGUNGEN SOWIE IHRE IN-
STABILITAETEN ERSTER UND ZWEITER ART IN MASCHINEN-
SAETZEN MIT ANTREIBENDEM ASYNCHRONMOTOR
VDI-Z, ZEITSCHRIFT FUER DIE GESAMTE TECHNIK, REIHE 9
NR. 8, VDI-VERLAG, DUESSELDORF 1970, S.7-


001  Einleitung. Die Untersuchung des
002  Drehschwingungsverhaltens der angesprochenen Klasse
003  schwingungsfähiger rheolinearer Systeme bleibt meistens auf die
004  Untersuchung des verkürzten Gleichungssystems beschränkt.
005  Vielfach ist dabei auch die Antriebsmaschine aus den Betrachtungen
006  ausgeklammert. Zwischen der weitgehend durchgearbeiteten Theorie
007  der elastischen Bewegung rheolinearer Systeme und ihrer praktischen
008  Anwendung klafft eine Lücke, die durch den erforderlichen sehr
009  großen numerischen Rechenaufwand bedingt ist. So ist auch in[
010  2 ]die theoretische Ermittlung der Grenzen für die
011  Resonanzbereiche erster Art für beliebige Kurbeltriebwerke
012  ausgeführt; eine praktische Rechnung konnte aber nur für ein
013  Einzylindertriebwerk durchgeführt werden. Ferner ist nicht auf
014  die Resonanzen zweiter Art eingegangen, die bei den untersuchten
015  Systemen auftreten. Die erforderliche sehr umfangreiche numerische
016  Rechnung zur Bestimmung der Resonanzbereiche zweiter Art ist in
017  [4 ]angesprochen. Dort wird schließlich auf das von Grammel
018  vorgeschlagene Näherungsverfahren zurückgegriffen, die
019  Koeffizienten der Bewegungsgleichungen durch ihre zeitlichen
020  Mittelwerte zu ersetzen. Selbst bei der Berechnung der
021  Bereichsgrenzen eines Systems mit nur einem Freiheitsgrad sind die
022  Näherungen vielfach grob oder es wird versucht, die
023  Bewegungsgleichung auf eine Mathieusche Differentialgleichung -
024  den Sonderfall der Hillschen Differentialgleichung -
025  zurückzuführen. Die Grenzkurven der Mathieuschen
026  Differentialgleichung sind bekannt, wie auch für einige spezielle
027  Hillsche Differentialgleichungen inzwischen Grenzkurven berechnet
028  wurden. In der vorliegenden Arbeit soll mit Hilfe der inzwischen
029  zur Verfügung stehenden schnellen Datenverarbeitungsanlagen
030  großer Speicherkapazität die Beschränkung auf Näherungen
031  niedriger Ordnung fallen, ebenso sollen Systeme mit mehreren
032  Freiheitsgraden explizit behandelt werden. Dabei erfolgt die
033  Behandlung in erster Linie numerisch, da eine analoge Lösung
034  dieser Aufgabe wegen der Rechenkapazität der Analogrechner auf
035  Systeme mit wenigen Freiheitsgraden beschränkt bleiben muß.
036  Lösungsverfahren mit Analogrechnern sind in[ 7 ]beschrieben.
037  Ein Vergleich der Genauigkeit analoger und digitaler Verfahren
038  kann bei Houben nachgelesen werden. Schließlich kann das
039  Schwingungsverhalten eines Systems nur dann hinreichend genau
040  angegeben werden, wenn die Antriebsmaschinen mit in die
041  Betrachtung eingeschlossen wird. Für lineare Systeme mit
042  konstanten Koeffizienten ist das geschehen. Bei der folgenden
043  Untersuchung rheolinearer Systeme erweist sich dies als
044  unumgänglich notwendig. Wenn hier nur der Asynchronmotor als
045  Antriebsmaschine behandelt wird, so sei doch schon in der
046  Einleitung darauf hingewiesen, daß jegliche Art elektrischer
047  Antriebe das Schwingungsverhalten weitgehend beeinflußen kann.
048  Dies wurde u.a. bei der Untersuchung einer rotierenden
049  Säge am Ausgang eines Streck-Reduzier-Walzwerkes
050  erkannt. Die Drehzahl des Parallel-Kurbeltriebs, dessen
051  Koppel die Säge trägt, ist während eines Umlaufes von einem
052  Modellantrieb gesteuert. Drehschwingungen in den Antriebswellen,
053  die sich auch dem Anker der antreibenden Gleichstrommaschine
054  mitteilten, beeinflußten die Differenz zwischen Sollwert
055  und Istwert der Regelstrecke derart, daß von einer bestimmten
056  P-Verstärkung an Selbsterregung der Drehschwingungen zu
057  beobachten war. Die Differentialgleichungen der
058  Schwingungen. Alle Massen und Federsteifigkeiten seien auf
059  eine charakteristische Drehzahl bezogen. Der Index 1 bezeichne
060  die Antriebsmaschine, die über ein Übersetzungsgetriebe
061  oder Untersetzungsgetriebe mit der Maschine gekoppelt sei.
062  Dann wirkt an dieser Stelle das reduzierte Motormoment (Formel), und
063  an der Masse i greife das äußere Moment (Formel) an. Mit I sei das
064  Verhältnis von Antriebswinkelgeschwindigkeit zu
065  Abtriebswinkelgeschwindigkeit am Getriebe zwischen Motor und
066  Maschine bezeichnet. Das allgemeine System der
067  Bewegungsgleichungen für die Schwingungskette lautet (Formel) und (Formel).
068  Darin sind die (Formel) und (Formel) i.a. periodisch veränderlich.
069  Nun sind mehrere Stufen der Lösung dieses Gleichungssystems
070  möglich: Die einfachste Stufe beschränkt sich auf die
071  Untersuchung der dem Motor nachgeschalteten Schwingungskette.
072  Der Antriebsmotor wird nicht in die Rechnung mit einbezogen.
073  Hierbei werden die Bewegungsgleichungen so aufgestellt, als ob der
074  Motoranker ein unendlich großes Massenträgheitsmoment habe, wie
075  sich ja aus der dann notwendigen Folgerung ergibt, daß die
076  Drehzahl des Antriebes zeitlich nicht veränderlich ist, also
077  keinerlei Rückwirkungen von der Maschine auf den antreibenden
078  Motor ausgeübt werden. Das System ist dann völlig durch Gl.
079  (1) beschrieben. Gl. (2) verschwindet. die zweite
080  Näherung könnte die stationäre Kennlinie der antreibenden
081  Maschine mit in die Rechnung einbeziehen. Die Bewegungen werden
082  dann durch die Gln. (1) und (2) beschrieben. Hinzu käme
083  eine Beziehung für das Moment (Formel), die im Falle des Antriebs
084  durch einen Asynchronmotor durch (Formel) gegeben ist, wenn man die
085  Kennlinie durch eine Gerade annähert. Der dritte Schritt
086  bezieht die Gleichungen für die elektrischen Ausgleichsvorgänge
087  in Asynchronmaschinen in die Rechnung mit ein. Dem
088  Asynchronmotor wird neben einem konstanten Abtriebsmoment noch ein
089  weiteres, diesem überlagertes zeitlich veränderliches Moment
090  abverlangt. Hierin sind wieder zwei Stufen möglich:
091  Die Maschine arbeitet leistungsfrei, der Mittelwert des zeitlich
092  abgenommenen Momentes ist Null oder dieser Mittelwert ist von
093  Null verschieden. Als letztes fällt bei dieser
094  Untersuchung nebenbei noch das genaue Drehzahlverhalten der
095  Maschinenanlage an, denn die Bewegungsdifferentialgleichungen
096  enthalten auch den Sonderfall mit starren Getriebewellen. Alle
097  diese Möglichkeiten der theoretischen Behandlung des vorliegenden
098  Problems sollen im folgenden unter der erheblich erschwerenden
099  Voraussetzung zeitlich veränderlicher Koeffizienten in diesem
100  Gleichungssystem erörtert und miteinander verglichen werden. Es
101  wird dabei geprüft, ob wirklich der unter beschriebene
102  allgemeinste Fall zu untersuchen ist, um das Schwingungsverhalten
103  hinreichend genau beschreiben zu können. Die bekannten
104  Lösungsansätze für Hillsche Differentialgleichungen -
105  Fourierreihen, solange es sich um die Berechnung der
106  Stabilitätsbereiche erster Art ganzer und halber Ordnung handelt
107  - verlangen bei der praktischen Rechnung ein Abbrechen dieser
108  Reihen nach einer endlichen Anzahl von Gliedern. Daher soll die
109  folgende Untersuchung ebenfalls klären, wieviele Glieder für
110  eine Ingenieurrechnung mitzunehmen sind. Es zeigt sich, daß es
111  im allgemeinen nicht nötig sein wird, vier oder mehr Harmonische
112  zu berücksichtigen. Im folgenden Absatz sollen noch die
113  Gleichungen des elektrischen Teils der Anlage für die
114  Rechenschritte und zusammengestellt werden: Der
115  Asynchronmotor als Antriebsmaschine. Das Ersatzschaltbild der
116  Asychronmaschine ist in Bild 5 (Abb.) gezeigt. Mit den vorne
117  aufgeführten Bezeichnungen lauten die Gleichungen für die
118  elektrischen Größen (Formel). Daraus folgt das für Gl. (2)
119  erforderliche elektrische Moment (Formel). (Formel) ist das Motormoment,
120  Während (Formel) (math.Op.) (Formel) ist. Nach Einsetzen von Gl. (4) in Gl.
121  (3) lauten diese Gleichungen: (Formel). Die Gl. (3)
122  gelten unter folgenden einschränkenden Voraussetzungen: Die
123  Maschine ist symmetrisch in Bezug auf die 3 Phasen aufgebaut.
124  Die Magnetisierungskurve des Eisens sei eine Gerade
125  (Eisenverluste werden vernachlässigt). Die Maschine habe
126  einen Zylinderläufer, und die Erregungen sind am Umfang
127  sinusförmig verteilt, d. h. die räumlichen Oberharmonischen
128  werden vernachlässigt. Die an den Ständer angelegte
129  Netzspannung sei eine symmetrische, mitlaufende Dreiphasenspannung
130  mit genau konstanter Amplitude und Frequenz. Die in den Formeln
131  (3) und (2b) vorkommenden beiden Vektoren müssen auf das
132  gleiche Koordinatensystem bezogen werden. Gl. (3) und (2b)
133  sind für zweipolige Maschinen gültig; im Falle von Maschinen
134  mit mehreren Polpaaren sind sie noch mit der Zahl der Polpaare zu
135  multiplizieren. Damit und mit den Definitionen für Schlupf und
136  Kippschlupf und weiter mit (Formel) (math.Op.) O (Kurzschlußläufer) lauten
137  die Gln. (3a): (Formel). Es sollen nun folgende Beziehungen
138  gelten: Die Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine ist (Formel)
139  Weiter seien (Formel). Die Trennung des konstanten und des zeitlich
140  veränderlichen Anteils der Flußverkettungen führt für den
141  veränderlichen Anteil auf (Formel). Ebenso folgt der veränderliche
142  Teil des Motormomentes zu (Formel). Im allgemeinen kann noch der
143  Ständerwirkwiderstand vernachlässigt werden. Es ist also (Formel) (math.Op.)
144  O D.h.: im folgenden ist (Formel) (math.Op.) O. Dann vereinfachen
145  sich die Gln. (3c) noch weiter. Erzwungene
146  Schwingungen und Instabilität erster Art der freien Schwingung
147  Der Vergleich der angedeuteten Berechnungsverfahren soll an
148  dem in Bild 6 skizzierten Maschinensatz als Beispiel (Abb.)
149  gezeigt werden, und für die Entwicklung der Bewegungsgleichungen
150  werden zweckmäßigerweise die Lagrangeschen
151  Differentialgleichungen 2.Art herangezogen. Es sei hier noch
152  bemerkt, daß als Untersetzungsgetriebe Zahnradgetriebe zugelassen
153  seien. Alle Antriebswinkelgeschwindigkeiten der
154  Verabeitungsmaschine seien durch entsprechend gestufte Getriebe
155  erzielt. Dabei soll die Masse des Zwischengetriebes wie die
156  Masse des Motorankers auf die Eingangsdrehzahl der angetriebenen
157  Maschine reduziert sein. Die Anwendung der Lagrangeschen
158  Differentialgleichungen zweiter Art ist damit zulässig, da es
159  sich so um ein holonomes Problem handelt. Wäre ein stufenlos
160  einstellbares Getriebe zwischengeschaltet, das auch noch im
161  Betrieb verstellt werden soll, so läge mit (Formel) ein nicht-
162  holonomes Problem vor, so daß die Anwendung der Lagrangeschen
163  Gleichungen zweiter Art nicht zulässig wäre. Diese
164  Problemstellung sei hier ausgeklammert. Die Arbeitsmaschine sei
165  ein Viergelenkgetriebe (Verpackungsmaschine, Kolbenmaschine),
166  wie es in Bild 7 mit folgenden Bezeichnungen dargestellt
167  ist: (Formel) Antriebsglied 1 * (Formel) Abtriebsglied 3 * (Formel) Koppel
168  2 * (Formel) Steg (Formel) Schwerpunkte (Der Index mit Stern
169  unterscheidet die Numerierung des Getriebes von der Numerierung
170  des Schwingungssystems). *ya Antriebswinkel *yb Abtriebswinkel
171  *yg Koppelwinkel. Die Gesamtenergie einer solchen Maschine,
172  die auf die Welle mit der Federsteifigkeit (Formel) reduziert sei,
173  setzt sich aus der kinetischen Ernergie (Formel) und der potentiellen
174  Energie oder Federenergie U zusammen. Es seien nur
175  schnellaufende Maschinen untersucht, daher ist das Gewicht
176  vernachlässigt. (Formel) (Formel) ist das auf (Formel) reduzierte
177  Massenträgheitsmoment des periodisch übersetzten Getriebes. Aus
178  diesen Energien und mit Hilfe der oben erwähnten Lagrangeschen
179  Differentialgleichungen zweiter Art erhält man schließlich bei
180  Berücksichtigung auch der Materialdämpfung unter Einführung
181  einer Dissipationsfunktion die Bewegungsgleichungen. Unter
182  Berücksichtigung der geschwindigkeitsproportional angenommenen
183  Materialdämpfung und mit (Formel) lauten diese (Formel). Lösung
184  der Schwingungsgleichungen ohne Berücksichtigung der
185  Antriebsmaschine. In diesem Falle wird (Formel) und Gl. (7)
186  verschwindet. Die beschreibende Bewegungsdifferentialgleichung
187  lautet somit (Formel). Bei dem üblichen Lösungsansatz zerfällt
188  das daraus entstehende Gleichungssystem in die beiden Teile für
189  Resonanzen ganzer und halber Ordnung erster Art. *yr lautet:
190  (Formel) Darin ist (Formel) der sog. charakteristische Exponent der
191  Lösung. Er beschreibt die drei möglichen Lösungen: (Formel)
192  die Amplitude der Lösung (Formel) nimmt mit der Zeit ab, d.h.
193  die Lösung ist stabil (Formel) die Lösung ist periodisch (Formel)
194  die Amplitude der Schwingung nimmt mit der Zeit zu, die Lösung
195  ist dynamisch instabil. Hier beschreibt gerade der zweite Fall
196  (Formel), die Grenze zwischen stabilem und instabilem Verhalten der
197  Schwingung. Nach dem Floquetschen Theorem nimmt die Lösung (Formel)
198  nach jeder Periode T des periodischen Koeffizienten von (Formel) den 6
199  -fachen Betrag an, nach p Perioden ist also (Formel). Daraus
200  folgen die Werte für *ym auf den Grenzen zwischen stabilem und
201  instabilem Verhalten zu (Formel). Führt man nun für die
202  Koeffizienten und die rechte Seite der Differentialgleichungen
203  ebenfalls Fourier-Reihen ein, mit (Formel) und (Formel), so lautet Gl.
204  (6a): (Formel). Diese Gl. (6b) wird durch (Formel) dividiert.
205  Wie leicht nachzuprüfen ist, können die Doppelsummen in der
206  Form (Formel) und (Formel) geschrieben werden. Damit hat Gl. (6b) die
207  Form (Formel). Man erkennt sofort, daß dieses Gleichungssystem in
208  zwei Teilsysteme zerfällt. Für (Formel) und (Formel) entsteht ein
209  inhomogenes Gleichungssystem mit ganzzahligen Potenzen von e
210  auf beiden Gleichungsseiten. Da die e-Funktionen nicht
211  identisch verschwinden, ist als Lösungsbedingung zu fordern, daß
212  die Koeffizienten aller Potenzen von e zu Null werden. Das
213  inhomogene Gleichungssystem hat also - wie leicht durch
214  Koeffizientenvergleich der beiden Seiten festzustellen ist - die
215  Gestalt (Formel) usw.. Eine Änderung von (Formel) macht sich also
216  lediglich in einer Verschiebung der rechten Gleichungsseite
217  bemerkbar. Für (Formel) und (Formel) erhält man auf der linken
218  Gleichungsseite ganzzahlige Potenzen von e, während rechts nur
219  gebrochene Potenzen von e auftreten. Der Koeffizientenvergleich
220  liefert also ein homogenes Gleichungssystem für die (Formel).
221  Dieses Ergebnis war von vornherein zu erwarten. Für die (Formel)
222  existiert ein inhomogenes Gleichungssystem, das die erzwungenen
223  Schwingungsamplituden und die Resonanzbereiche erster Art ganzer
224  Ordnung zu berechnen gestattet. Die (Formel) führen auf ein homogenes
225  Gleichungssystem zur Berechnung der Instabilitätsbereiche erster
226  Art halber Ordnung. Dort tritt keine erzwungene Vergrößerung
227  der Ausschläge auf. Lediglich die Eigenschwingung geht dort
228  gegen Unendlich. Die Eigenform ist aber nur - bei Kenntnis des
229  charakteristischen Exponenten *ym - bis auf einen konstanten
230  Faktor zu berechnen. Die Bereiche halber Ordnung können also
231  nur ihrer Lage nach angegeben werden. Die Amplitudenfunktion der
232  erzwungenen Schwingung im ganzen Frequenzbereich ist durch das
233  inhomogene Gleichungssystem gegeben. Das verkürzte inhomogene
234  System liefert darüberhinaus - wie oben schon erwähnt - als
235  Nullstellen der Nennerdeterminante die Grenzen der
236  Instabilitätsbereiche erster Art ganzer Ordnung. Wesentlich
237  erscheint an dieser Stelle noch, daß der zur Lösung zu nehmende
238  Ausschnitt aus dem unendlichen Gleichungssystem auch für die
239  Berechnung der durch höhere Harmonische verursachten
240  Schwingungsamplituden nicht entsprechend der Ordnung der
241  Harmonischen anwachsen muß. Durch die Wahl des Exponenten (Formel)
242  wird die rechte Gleichungsseite verschoben, bis die erregende
243  Harmonische in den gewählten Ausschnitt fällt. Der bisher
244  geschilderte Zerfall des Gleichungssystems gilt auch für
245  gekoppelte Hillsche Differentialgleichungen, da dort die
246  charakteristischen Exponenten der einzelnen Lösungen einander
247  gleichgesetzt werden können, wie in[ 8 ]gezeigt wird.
248  Weiter seien jetzt die Stabilitätsgrenzen und
249  Amplitudenfunktionen unter der Annahme (Formel) = konst. berechnet.
250  Es soll leistungsloser Abtrieb vorausgesetzt sein. Weiter sei
251  hier nicht mehr die Konvergenz des im folgenden geschilderten
252  Verfahrens untersucht. Sie ist in[ 6, insbes. S. 31 ]
253  nachgewiesen. Nach Division des Gleichungssystems durch (Formel) und
254  mit (Formel) folgt (Formel). Explizit und in Matrizenschreibweise hat
255  diese Gl. die Form nach Schema 1. Wie man aus Gl.
256  (11) erkennt, ist in der Koeffizientenmatrix dieses algebraischen
257  Systems für die (Formel) jeder Platz besetzt. Ab hier sei jeweils die
258  numerische Rechnung für ein Beispiel angeschlossen. Für dieses
259  Beispiel mit den folgenden Daten sind verschiedene Näherungen der
260  Lösung dieses Systems berechnet worden. Die Daten sind: (Formel).
261  Die Bezeichnungen durch Großbuchstaben entsprechen den
262  Bezeichnungen in den FORTRAN-Programmen des Anhangs.
263  Zuerst wurden die Funktionen nach Gl. (9) gebildet und
264  analysiert. Das reduzierte Massenträgheitsmoment (Formel) für dieses
265  Beispiel ist in Bild 8 wiedergegeben. Die Analyse der
266  periodischen Koeffizienten nach Gl. (9) bis zur 6.
267  Harmonischen ist in Bild 9 graphisch dargestellt. Man
268  erkennt daraus sofort, daß die Mitnahme nur der ersten
269  Harmonischen, also eine Reduzierung des Problems auf die Lösung
270  von Mathieuschen Differentialgleichungen, nicht zulässig ist.
271  Eine genügend genaue Lösung dürfte bei Berücksichtigung der
272  ersten vier Harmonischen in den periodischen Koeffizienten gefunden
273  werden. In der Systemdeterminante des zu lösenden
274  Gleichungssystems bedeutet dies: Die Mathieusche
275  Differentialgleichung besetzt nur die Hauptdiagonale und die beiden
276  Nebendiagonalen, während bei der Berücksichtigung von vier
277  Harmonischen der periodischen Beiwerte die Hauptdiagonale und auf
278  jeder Seite der Hauptdiagonalen noch vier Nebendiagonalen besetzt
279  sind. Der Unterschied zwischen beiden Lösungen ist in[ 19 ]
280  sehr anschaulich dargestellt. Die Berechnung der Daten bis
281  hierher erfolgte in einem FORTRAN-Hauptprogramm,
282  während weitere Größen durch die entsprechenden Unterprogramme
283  gewonnen wurden; so folgen die Beiwerte in Schema 1 aus dem
284  Koeffizientenschema gemäß den Eulerschen Gleichungen zu (Formel).
285  Diese Größen, die Nennerdeterminante und (Formel) als Funktion vom
286  Frequenzverhältnis *yl wurden schließlich in einem Unterprogamm
287  berechnet.

Zum Anfang dieser Seite