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Fachhochschule DüsseldorfInstitut für StrömungsmaschinenStudiengang KonstruktionstechnikDiplomarbeitTheoretische und experimentelle Untersuchung zum S

1. Einleitung 81.3 Aufbau des WindungslegersDie wichtigsten Komponenten des Windungslegers sind:• die Hohlwelle mit Antriebsritzel,• die Dornwelle,•

1. Einleitung 91.4 VariantenUm die Schwingung des Windungslegers und die Wechselzeit des Rohrhalters zu reduzieren,ist der Rohrhalter fortlaufend verb

1. Einleitung 10CDie zweite Legerrohrrippe mit demRundstab wurde durch eine massiveRippe ersetzt. Als Ersatz für dasAbweisblech wurde eineAuswurfschne

2. Theoretische Schwingungsanalyse 112. Theoretische SchwingungsanalyseDie theoretische Schwingungsanalyse für den Windungsleger soll als Parameterstu

2. Theoretische Schwingungsanalyse 122.1 ModellierungFür die Modellierung des Windungslegers werden drei Modellvarianten verglichen. Dies sinddas:1.

2. Theoretische Schwingungsanalyse 13FG1FG2FG6FG5FG4s1s2s3s4s5s60FG3x1x2x3x4c1c2I1, A1I2, A2I3, A3I4, A4Bild 12: Balkenmodell ohne Masse.Im nächsten M

2. Theoretische Schwingungsanalyse 14I2, A2, m2I3, A3, m3I4, A4, m4, m5, m60 x1x2x3x4c1c2I1, A1, m1Bild 13: Balkenmodell mit Masse.Bei dem dritten Mod

2. Theoretische Schwingungsanalyse 152.2 Modellauswahl und ParameterintervalleAufgrund der Erfahrungen, die bei SMS in der Vergangenheit mit FEM-Model

2. Theoretische Schwingungsanalyse 16Parameter Modellwerte IntervallStartwert Endwert SchritteI1[m4] 80.00E-6 60.0E-6 100.0E-6 20I2[m4] 2.80E-3 1.0E-3

2. Theoretische Schwingungsanalyse 172.3 ErgebnisDie kleinste ermittelte Eigenform ist horizontal. Sie tritt im Modell bei einer Frequenz von59,3 Hz a

InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis1. Einleitung...

2. Theoretische Schwingungsanalyse 18Die Vielzahl der Parameterdiagramme (Bild 16 – Bild 35) und deren unterschiedlicheSkalierung erschwert die Aus

2. Theoretische Schwingungsanalyse 19Rang Parameter rel. Parameteränderung [%]∆f [Hz]abs. Parameteränderung1 x4-1 0.629 -2.65E-022 x1-1 0.237 -3.20E-0

2. Theoretische Schwingungsanalyse 20In Bild 14 kann man erkennen, daß die Parameter x4, x1, x2, I1, x3, m5, m4, m6 und c2 einendeutlichen Einfluß auf

2. Theoretische Schwingungsanalyse 2100.511.522.530 0.5 1 1.5 2 2.5 3ω ω / ννx0 / xstaResonanzstellemit Dämpfung (k/kkr = 0,25)ohne Dämpfungx2 = 0,522

2. Theoretische Schwingungsanalyse 22Um festzustellen, ob eine Superposition (Überlagerung) einzelner Parameter möglich ist,wurden drei Parameterpaare

2. Theoretische Schwingungsanalyse 23Im folgenden werden die Parameter und deren Einfluß auf die Eigenformen des Modells fürden Typ D dargestellt.Darg

2. Theoretische Schwingungsanalyse 2450556065707550,0E-6 62,5E-6 75,0E-6 87,5E-6 100,0E-6I1 [m4]f [Hz]180190200210220230240250260270f [Hz] (3. Eigenfo

2. Theoretische Schwingungsanalyse 25586062646668701,0E-3 2,0E-3 3,0E-3 4,0E-3 5,0E-3I3 [m4]f [Hz]224225226227228229230f [Hz] (3. Eigenform)1. Eigenfo

2. Theoretische Schwingungsanalyse 264050607080901001101200,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00x1 [m]f [Hz]05010015020025030035040045

2. Theoretische Schwingungsanalyse 274045505560657075801,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4x3 [m]f [Hz]215217219221223225227229f [Hz] (3. Eigenform)1. Eigenform:

1. Einleitung 11. EinleitungBei der Walzung von Draht geht die Tendenz zu immer höheren Walzgeschwindigkeiten.Heute werden für neue Drahtstraßen schon

2. Theoretische Schwingungsanalyse 2855606570000,0E+0 20,0E-3 40,0E-3 60,0E-3 80,0E-3 100,0E-3A1 [m2]f [Hz]226227228f [Hz] (3. Eigenform)1. Eigenform:

2. Theoretische Schwingungsanalyse 2955606570000,0E+0 50,0E-3 100,0E-3 150,0E-3 200,0E-3A3 [m2]f [Hz]150160170180190200210220230240250f [Hz] (3. Eigen

2. Theoretische Schwingungsanalyse 305560657010 30 50 70 90 110 130 150m1 [kg]f [Hz]227,0227,2227,4227,6227,8228,0f [Hz] (3. Eigenform)1. Eigenform: h

2. Theoretische Schwingungsanalyse 31556065700 50 100 150 200 250m3 [kg]f [Hz]220222224226228230232f [Hz] (3. Eigenform)1. Eigenform: horizontal2. Eig

2. Theoretische Schwingungsanalyse 325055606570758085200 300 400 500 600 700 800 900 1000m5 [kg]f [Hz]190200210220230240250260270280290f [Hz] (3. Eige

2. Theoretische Schwingungsanalyse 3355606570000,0E+0 500,0E+9 1,0E+12 1,5E+12 2,0E+12c1 [N/m]f [Hz]150160170180190200210220230240250f [Hz] (3. Eigenf

2. Theoretische Schwingungsanalyse 342.4 ProgrammDie Parametervariation wird durch das MS-Excel-Programm (s. unten) ausgeführt. Es erstelltfür jede Pa

2. Theoretische Schwingungsanalyse 35Private Const Pattern As String = "#.0####E+0"Dim Pfad, Prog, Locked As StringDim I1, I2, I3, I4Dim x1,

2. Theoretische Schwingungsanalyse 36Tabelle5.Cells(8, 2) = Me.Cells(7, 4)Tabelle5.Cells(9, 2) = Me.Cells(8, 4)Tabelle5.Cells(10, 2) = Me.Cells(9, 4)T

2. Theoretische Schwingungsanalyse 37c2 = Me.Cells(26, 4)' Die Modellwerte von x1-x4 müssen erhalten bleiben,' um die Massen skalieren zu kö

1. Einleitung 21.1 Position und Aufgabe des WindungslegersDen Walzgerüsten einer Drahtstraße schließen sich Kühl- und Adjustageeinrichtungen an, dieau

2. Theoretische Schwingungsanalyse 38m4 = curCase "m5"m5 = curCase "m6"m6 = curCase "c1"c1 = curCase "c2"c2 =

2. Theoretische Schwingungsanalyse 39Do While Not EOF(3)Line Input #3, ZeileIf Left(Zeile, 15) = " MODE SHAPE" ThenLine Input #3, Zeile&

2. Theoretische Schwingungsanalyse 40End SubPrivate Sub SchreibeHeader()Print #1, "C Modelldaten"Print #1, "C"Print #1, "C

2. Theoretische Schwingungsanalyse 41Private Sub SchreibeElements()Print #1, "ELEMENTS"Print #1, "GROU=1"Print #1, " NUMB E

2. Theoretische Schwingungsanalyse 42Private Sub SchreibeRestraints()Print #1, "RESTRAINTS"Print #1, "NODE DIRE"Print #1, "C

2. Theoretische Schwingungsanalyse 43Print #1, "* MU K SH BULK"Print #1, "C"Print #1, &q

2. Theoretische Schwingungsanalyse 44Exists = 0On Error GoTo Fehlerfn_test = FreeFileOpen filename For Input As fn_testClose fn_testExit FunctionFehle

3. Experimentelle Untersuchung 453. Experimentelle Untersuchung3.1 Versuchsaufbau und DatenakquirierungAm 17.08.99 wurde am Windungsleger (Ader 1) der

3. Experimentelle Untersuchung 463.2 MotordrehzahlBei einem Vergleich der gemessenen Motordrehzahl mit der Angabe von STFS konnte einUnterschied festg

3. Experimentelle Untersuchung 47Deutlich kann man dabei sehen, daß die gemessene Drehzahl (TTL) nicht der Einstellung(STFS) entspricht. Wenn die Walz

1. Einleitung 3Bild 2: Wasserkühlstrecke, Treiber (Motor), Windungsleger, Transportsystem [10].Der Windungsleger hat also die Aufgabe, den ungebogenen

3. Experimentelle Untersuchung 483.3 Korrelation zwischen Motorleistung und WalzgeschwindigkeitZur Abschätzung der Leistungsaufnahme im Leerlauf bei h

3. Experimentelle Untersuchung 49=∑∑∑∑====n1i4in1i6in1i2in1i4ivvvvA⋅⋅=∑∑==n1ii3in1iiiyvyvBFür die vi muß man die Walzgesch

3. Experimentelle Untersuchung 50Somit kann mit der nachstehenden Formel die Leerlaufleistung auch für höhereGeschwindigkeiten abgeschätzt werden.w3w5

3. Experimentelle Untersuchung 513.4 StömungswiderstandZur Reduzierung der Leerlaufleistung erfolgt eine Untersuchung der Strömungsverluste. Mitdem Er

3. Experimentelle Untersuchung 5205101520253035400 20 40 60 80 100 120 140 160vw [m/s]P [kW]StrömungswiderstandLagerreibungSumme4,560 · 10-6 · vW30,11

3. Experimentelle Untersuchung 533.4.1 Theoretischer StrömungswiderstandOb ein Reduktionspotential des Strömungswiderstandes und damit der Leerlauflei

3. Experimentelle Untersuchung 54Weiterhin kann davon ausgegangen werden, daß es zu Ablösungen am Rohrhalter kommt.Den Leistungsverlust durch die Ablö

3. Experimentelle Untersuchung 55Um die Beiwerte cf und cM zu ermitteln, muß man die Art der Grenzschicht kennen. Mit derReynoldszahl läßt sich diese

3. Experimentelle Untersuchung 56Unter der Annahme, daß die Strömungsverluste halbiert werden können, ergeben sich diefolgenden Leerlaufverluste für d

3. Experimentelle Untersuchung 573.5 FrequenzanalyseFür die Abnahme des Windungslegers durch den Betreiber bezüglich der Schwingung wirddie VDI-Richtl

1. Einleitung 4Rollgang mit geschlossenem Deckel, wie er für die verzögerte Abkühlung eingesetzt wird,dargestellt.Bild 4: Windungskühltransport in Mod

3. Experimentelle Untersuchung 58erhält man die Funktion für die Schwinggeschwindigkeit:)tcos(1Av ⋅⋅⋅−= ωω)tcos(V)tcos(f21Av ⋅⋅−=⋅⋅⋅⋅⋅−= ωωπ .Da in de

3. Experimentelle Untersuchung 59Bild 44: Frequenzspektrum bei 90 m/s.Bild 45: Frequenzspektrum bei 102 m/s.2M2R3M4M3R4R6M5R6R9M5M7R1R2M1R2R3M4M3R4R6M

3. Experimentelle Untersuchung 60Bild 46: Frequenzspektrum bei 104 m/s.Bild 47: Frequenzspektrum bei 106 m/s.2M1R2R3M4M3R4R6M5R6R9M5M2M1R2R3M4M3R4R6M5

3. Experimentelle Untersuchung 613.6 FehlerrechnungMeßwerte mit zufälligen Fehlern sind meistens „normalverteilt“ (nach einer GaußschenGlockenkurve B

3. Experimentelle Untersuchung 62Es wurde für die Drehzahlmessung des Windungslegers der Fehler bei einer statistischenSicherheit von 99% berechnet. S

3. Experimentelle Untersuchung 633.7 Meßwerte MotorUm Auswertungen zum Strömungswiderstand vornehmen zu können, wurde dieaufgenommen Motorleistung erm

3. Experimentelle Untersuchung 64Auswertung der Messung vom 17.08.99 bei STFS in Esch/Luxemburg:DornwelleMotor Walzgeschwindigkeit Shunt-Spannung Stro

4. Zusammenfassung 654. ZusammenfassungDie theoretische Schwingungsanalyse führte zu dem Ergebnis, daß die Parameter x4, x1, x2, I1,x3, m5, m4, m6 und

5. Literaturverzeichnis 665. Literaturverzeichnis[1] Bohl, Willi: Technische Strömungslehre, Vogel Verlag, Würzburg 1991[2] Schade H., Kunz E.: Strö

Beilage zur DiplomarbeitName: KleinefeldtVorname: AndreasMatr.-Nr.: 316748ErklärungIch erkläre hiermit an Eides Statt, daß ich die vorgelegte Diplomar

1. Einleitung 5Bild 5: Bundbildestation am Auslauf des Windungskühltransportes [10].Vor dem Versand bzw. Lagerung werden die Bunde gepreßt und gebunde

1. Einleitung 61.2 Historischer RückblickZum Haspeln bzw. Winden von Draht hinter dem letzten Walzgerüst gibt es die Drehrohr-und die Drehkorbhaspeln.

1. Einleitung 7Bild 7: Edenborn-Haspel [5].1 Antrieb durch Elektromotor2 Zuführung des Drahts3 rotierendesWindungslegerohr4 Gliedertransportband5