Experimenteller Aufbau für Schwingungsanalyse

Projektübersicht

Ich wurde beauftragt, einen experimentellen Aufbau zur Charakterisierung von Schaufelschwingungen in Zentrifugalverdichter-Laufrädern verschiedener Größenordnungen zu entwickeln. Von mechanischem Design bis Software-Steuerung erstellte ich ein integriertes System, das präzise Anregung und berührungslose Messung von Schwingungsmoden ermöglicht—validiert Simulationsergebnisse und informiert Betriebsgrenzen.

Kernbeiträge

Experimenteller Aufbau-Design

• Mechanische Befestigung & Shaker-Integration: Entwickelt eine robuste Basis zur Unterstützung von Laufrädern mit bis zu 1 t Gewicht, montiert einen elektrodynamischen Shaker unter der Nabe.
• Laser-Vibrometer-Deployment: Ausgewählt und konfiguriert ein Laser-Doppler-Vibrometer, installiert reflektierende Targets an mehreren Schaufelpositionen für berührungslose Geschwindigkeitsmessungen.
• Multi-Punkt-Scanning: Entwickelt ein manuelles Scanning-Protokoll um den Laufradumfang, gewährleistet Abdeckung aller Schaufeln und ermöglicht räumliche Moden-Kartierung.

Signalgenerierung & Datenerfassung

• MATLAB-gesteuerte Anregung: Geschrieben MATLAB-Skripte zur Ausgabe von Sinus-, Schritt-, Chirp- und benutzerdefinierten Wellenformen an den Shaker-Controller, Abstimmung von Frequenzbereichen zur Isolierung resonanter Peaks.
• NI DAQ-Integration: Verwendet National Instruments Hardware und LabVIEW/Python-Interfaces zur Synchronisation von Shaker-Antriebssignalen mit Laser-Vibrometer-Ausgängen und Verstärkerkanälen.
• Kalibrierung & Verstärkung: Ausgewählt geeignete Signalverstärker; durchgeführt Kalibrierungsroutinen zur Korrektur von Verstärkung und Phasenverschiebungen in der Messkette.

Datenanalyse & Visualisierung

• Modal-Analyse-GUI: Entwickelt eine MATLAB-GUI zur Anzeige von Schwingungsamplitude vs. Frequenz für jeden Messpunkt, überlagert Ergebnisse auf 3D-Laufradmodellen für intuitive Modenform-Visualisierung.
• Resonanzfrequenz-Extraktion: Angewandt Signalverarbeitungstechniken (FFT, Bandpassfilterung, Peak-Erkennung) zur Identifizierung dominanter Moden und Vergleich mit ANSYS-Simulationsvorhersagen.
• Betriebsumhüllungs-Empfehlungen: Analysiert Frequenzantwortkurven zur Empfehlung sicherer Betriebsgeschwindigkeiten—vermeidet Anregungsbänder, die hochamplitudige Schaufelbiegung induzieren könnten.

Automatisierungsvorschlag

• Rotierende Plattform-Konzept: Entworfen einen motorgesteuerten Drehteller zur Indizierung des Laufrads in präzisen Winkelinkrementen, gepaart mit einem Pan-Tilt-Laser-Mount für automatisiertes Scanning.
• Vision-gesteuertes Targeting: Vorgeschlagen Integration einer Machine-Vision-Kamera und OpenCV-Routinen zur dynamischen Lokalisierung reflektierender Targets, reduziert Setup-Zeit und menschliche Fehler.
• Software-Workflow: Umrissen eine End-to-End-Steuerungsarchitektur: von CAD-gesteuerter Scan-Punkt-Generierung durch automatisierte Testausführung und Datenarchivierung in einer Datenbank.

Technologien & Tools

• Software & Scripting: MATLAB (Skripte & GUI), LabVIEW, Python
• Hardware: Laser-Doppler-Vibrometer, Elektrodynamischer Shaker, NI DAQ-Module, Signalverstärker
• Mechanisches Design: CAD für Basis-Befestigung (SolidWorks/Fusion 360)
• Signalverarbeitung: FFT, Windowing, Peak-Erkennungsalgorithmen
• Simulationsvergleich: ANSYS-Modal-Analyse-Ergebnisse
• Vision & Automatisierung (Vorschlag): Pan-Tilt-Laser-Mount, OpenCV, Schrittmotor-Drehteller

Ergebnisse & Auswirkungen

• Etabliert ein wiederholbares Verfahren zur Erfassung von Schaufelschwingungsprofilen über eine breite Palette von Laufradgrößen.
• Identifiziert optimale Anregungssignale und minimale Messpunkt-Sets für genaue Modal-Charakterisierung.
• Geliefert ein MATLAB-basiertes Visualisierungstool, das Dateninterpretation und Simulationsvalidierung optimiert.
• Gelegt Grundlage für eine vollständig automatisierte Testbank—verspricht schnellere, zuverlässigere Schwingungstests in zukünftigen Entwicklungen.