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Schwingungs- und Schallisolierung in der T&D-Technik

Die Nachfrage für geräuscharme Geräte mit guter Langzeitleistung. Artikel

Die Trends und Anforderungen der Mittel- und Hochspannungsindustrie haben eine große Nachfrage nach geräuscharmer Ausstattung mit guter Langzeitleistung ausgelöst. Amorim Cork Composites als weltweiter Lieferant der Mittel- und Hochspannungsindustrie hat in Forschung und Entwicklung investiert, seine VC-Produktpalette (Schwingungsisolierung) etabliert und Lösungen zur Geräuschreduzierung durch Schwingungsisolierung erfolgreich umgesetzt.

Es kommt häufig, dass ein „einfaches Einbringen von Gummi‟ zur Isolierung ein ineffizientes oder gar ein Problem der Schwingungsisolierung darstellt, wenn Eigenschaften des Systems nicht vollständig berücksichtigt werden. Dazu gehört die Umgebung und Temperatur, Materialfestigkeit in Anpassung an die auftretenden Lasten, Oberfläche, Materialdurchlässigkeit sowie Lagerdimensionierung mit Formfaktor-Konformität, die für eine korrekte Auswahl von Material unerlässlich ist, damit Schwingungen wirksam aufgenommen werden können und damit verbundene Geräuschreduzierung effektiv wirksam werden.

Aufgrund der Erfahrungen mit der Mittel-&Hochspannungsindustrie hat Amorim Cork Composites ein 4-stufiges Prioritätensystem als Ansatz entwickelt, der die Analyse und Behandlung von „geräuschintensiver‟ Ausrüstung ermöglicht. Unser 4-stufiger Ansatz konzentriert sich auf die Notwendigkeit, die Schwingung zu isolieren, bevor sie die Tankstruktur erreicht (und damit näher an der Schwingungsquelle), was verhindert, dass Strukturschwingungen am Tank durch die Amplitudenschwingung der als „Lautsprecher‟ fungierenden Tankwände in Luftschall umgewandelt werden. Typische Rauschunterdrückungsgewinne (kumulative Gewinne) können auch bei der Konstruktion mit der ACC-Methodik (Werte basierend auf Projektstatistiken) beobachtet werden.

Das Rätsel vom Schall

Da die Mittel-&Hochspannungsausrüstung aufgrund der Komplexität des Stromnetzes und der natürlichen Energiequellen größer und leistungsfähiger wird, ist der allgemeine Tankbau auf Festigkeit und Steifigkeit angewiesen, um die Amplitude der Schwingungen zu reduzieren, die an die Tankwand gelangen und dann als Luftschallemissionen freigesetzt werden. 
Während die Erhöhung der Steifigkeit des Tanks durch den Einsatz von U-Trägern und Profilen erreicht wird, erhöht dies auch die tatsächliche Eigenfrequenz (fn) der Tankstruktur, die sich auf die Lücke zwischen der Störfrequenz des aktiven Teils schließt. Die Nähe dieser beiden Frequenzen führt zu einer Verstärkung der Übertragbarkeit und damit zu einem Anstieg des Schalls.
Obwohl eine optimale mechanische Konstruktion für die Funktionsmerkmale der Geräte unerlässlich ist, sind Lärmpegelbegrenzungen aufgrund der Nachfrage des Endverbrauchers bereits heute Teil der Versorgungsanforderungen.

 

Eigenfrequenz

Alle schwingungsisolierenden Lager/Materialien, Komponenten und Systeme haben eine Eigenfrequenz (fn). Im Falle des schwingungsisolierenden Lagers ist die Eigenfrequenz, fn, abhängig von der Steifigkeit des Lagermaterials, K, und der Masse der Last, die es trägt (M). Bei elastomeren Werkstoffen wird das fn nicht nur durch das eigentliche Material, sondern auch durch seine Dicke und Form definiert (siehe Formfaktor). ACC hat die Eigenfrequenz in verschiedenen Dicken unter dynamischen Bedingungen für seine Materialien definiert.

Dämpfung

Dämpfung ist die Ableitung von Energie, meist durch Freisetzung in Form von geringer Wärme. Der Verlustfaktor quantifiziert den Grad der Dämpfung eines Materials. Er ist das Verhältnis der vom System abgeleiteten Energie zur im System für jeden Zyklus gespeicherten Energie.

Aufgrund der mit Luft gefüllten, geschlossenen Korkenzellenstruktur hat Kork einen höheren Verlustfaktor als Gummi, der für die Dämpfungsfunktion und die damit verbundene Energieabfuhr wesentlich ist. Unsere spezifischen Polymerformulierungen und die Einbindung von Kork, mit einzigartigen Kompressibilitäts- und Formrückgewinnungseigenschaften, absorbieren Energie und ergeben hohe Verlustfaktoren des Materials. 

Schwingungsisolierung

Die Leistung eines Isolationssystems wird durch die Übertragbarkeit des Systems bestimmt - das Verhältnis der in das System eintretenden Energie zu der aus dem System kommenden Energie. Ziel des schwingungsisolierenden Designs ist es, die Störfrequenz des Systems in den Isolationsbereich zu bringen. Der Dämpfungsgrad im Isolationssystem bestimmt die Höhe der maximalen Durchlässigkeit (fn) für das System. Mit zunehmender Dämpfung sinkt der Spitzenwert.

Die schwingungsisolierenden Materialien von Amorim weisen signifikante Verlustfaktoren des Materials auf, die zu einer geringeren Verstärkung bei Resonanz (fd=fn) führen, sodass sie über einen weiten Frequenzbereich einsatzfähig sind.

 

 

Formfaktor

Sf ist das geometrische Maß für die Form eines Schwingungen entgegenwirkenden Lagers, welches durch das Verhältnis der belasteten Fläche und der Fläche der Summe der Umfangsflächen definiert wird. Das korrekte Design des Formfaktors ist für den Erhalt der korrekten Steifigkeit wichtig.

Während Gummi als nicht komprimierbar gilt und Platz benötigt, um das komprimierte Volumen zu verschieben, verdrängt Kork-Gummi durch die Korkverdichtung in sich selbst viel weniger Volumen (niedrigeres Poisson-Verhältnis), was eine größere Sf-Toleranz ermöglicht, wodurch wiederum die Robustheit des Designs beeinflusst wird.

Auswahl der Lager zur Schwingungsisolierung und Design-Roadmap

HINWEIS: Eine sorgfältige Analyse des Systems ist von entscheidender Bedeutung; außergewöhnliche Belastungen wie Ölmasse, Belastungen durch Verankerung oder signifikante Verbindungen, welche die gesamte Sitzbeanspruchung des Lagers zur Schwingungsisolierung beeinflussen können, sollten berücksichtigt werden.
Als Faustregel gilt, wenn möglich, die Konstruktion am unteren Ende des Materialbeanspruchungsbereichs vorzunehmen, um Lastschwankungen und langfristige Kriecheffekte zu berücksichtigen.

Entkopplung der aktiven Bauteilgestaltung

Aufgrund der Tatsache, dass jeder Hersteller einzigartige Design- und Klemmanforderungen hat, die sich dann in seiner Produktpalette widerspiegeln, muss jede Bauteilgestaltung individuell bewertet werden.

Die Bedeutung einer ausreichenden Entkopplung an den Klemmstellen erhöht die Wirksamkeit der inneren Lager zur Schwingungsisolierung erheblich und verhindert Flankierungswege vom aktiven Bauteil zur Tankstruktur. Amorim VC2100 wird für die Entkopplungsfunktion verwendet.

Gestaltung der Strukturdämpfung

Die Strukturdämpfung bietet ein Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie (Schwingungen) in geringfügiger Wärme. Wenn sie richtig eingesetzt wird kann sie den Schall erheblich reduzieren.
Die Dicke des CLD wird durch die Tankwand definiert, in einem optimierten Design sollte die CLD-Dicke der Tankwandstärke ähnlich sein. Ist diese zu dünn, hat sie minimale oder gar keine Wirkung. Sie sollte in der Innenwand eingesetzt werden. Amorim VC2100 ist das für den CLD ausgewählte Material

HINWEIS: In Geräten, in denen eine Nebenschlusswand vorhanden ist, kann die tatsächliche Shunt-Wand als Verdichtungselement des CLD gegen die innere Tankwand dienen. Diese Konstruktion reduziert auch die Schwingungen, die von der Nebenschlusswand aufgrund der Verlustströme vom aktiven Bauteil auf die Tankstruktur übertragen werden.

HINWEIS: In Geräten, in denen eine Nebenschlusswand vorhanden ist, kann die tatsächliche Shunt-Wand als Verdichtungselement des CLD gegen die innere Tankwand dienen. Diese Konstruktion reduziert auch die Schwingungen, die von der Nebenschlusswand aufgrund der Verlustströme vom aktiven Bauteil auf die Tankstruktur übertragen werden.

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