Axiale Schwingungen in rotierenden Maschinen verstehen

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Definition: Was ist Axialschwingung?

Axiale Schwingung (auch Längsschwingung oder Schubschwingung genannt) ist die Hin- und Herbewegung eines Rotor in einer Richtung parallel zu seiner Rotationsachse. Im Gegensatz seitliche Vibration Bei der axialen Vibration handelt es sich um eine seitliche Bewegung senkrecht zur Welle. Bei der axialen Vibration bewegt sich die Welle entlang ihrer Länge vor und zurück, ähnlich der Bewegung eines Kolbens.

Obwohl die Amplitude der axialen Schwingung typischerweise geringer ist als die der seitlichen Schwingung, ist sie sehr aussagekräftig für bestimmte Arten von Maschinenfehlern, insbesondere Fehlausrichtung, Axiallagerprobleme und prozessbezogene Probleme bei Pumpen und Kompressoren.

Eigenschaften und Messung

Richtung und Bewegung

Axiale Vibrationen treten entlang der Mittelachse der Welle auf:

• Die Bewegung erfolgt parallel zur Wellendrehachse
• Der Rotor bewegt sich hin und her wie eine Hin- und Herbewegung
• Typischerweise gemessen an Lagergehäusen oder Wellenenden
• Die Amplitude ist normalerweise kleiner als die radiale Schwingung, aber von hoher diagnostischer Bedeutung

Messaufbau

Axiale Vibrationen erfordern eine spezielle Sensormontage:

• Sensorausrichtung: Beschleunigungsmesser oder Geschwindigkeitswandler parallel zur Wellenachse montiert
• Typische Standorte: An Lagergehäuse-Endkappen, Motorendglocken oder Axiallagergehäusen
• Näherungssonden: Kann die axiale Position direkt messen, wenn es mit der Vorderseite zur Wellenendfläche montiert wird
• Bedeutung: Oft übersehen, aber entscheidend für die vollständige Maschinendiagnose

Hauptursachen für Axialschwingungen

1. Fehlausrichtung (häufigste Ursache)

Wellenversatz, insbesondere Winkelversatz, ist die Hauptursache für axiale Vibrationen:

• Symptom: Hohe 1X- oder 2X-Axialvibration bei Betriebsgeschwindigkeit
• Mechanismus: Der Winkelversatz zwischen den gekoppelten Wellen erzeugt oszillierende Axialkräfte, die durch die Kupplung übertragen werden
• Diagnoseanzeige: Eine axiale Schwingungsamplitude von > 50% oder eine radiale Schwingung deutet stark auf eine Fehlausrichtung hin
• Phasenbeziehung: Axiale Vibrationen an Antriebs- und Nichtantriebsseite typischerweise um 180° phasenverschoben

2. Axiallagerdefekte

Probleme mit Axiallagern, die die axiale Wellenposition steuern, verursachen charakteristische axiale Vibrationen:

• Verschleiß oder Beschädigung des Axiallagers
• Unzureichende Vorspannung des Axiallagers
• Axiallagerfehler, der übermäßiges axiales Spiel ermöglicht
• Schmierungsprobleme speziell bei Axiallagern

3. Hydraulische oder aerodynamische Kräfte

Prozesskräfte in Pumpen, Kompressoren und Turbinen erzeugen Axialkräfte:

• Pumpenkavitation: Der Kollaps der Dampfblase erzeugt axiale Stoßkräfte
• Laufradunwucht: Asymmetrische Strömung erzeugt oszillierenden Axialschub
• Axiale Strömungsturbulenzen: In Axialkompressoren und Turbinen
• Wogend: Kompressorstöße erzeugen heftige axiale Vibrationen
• Umluft: Off-Design-Betrieb verursacht Strömungsinstabilitäten

4. Mechanische Lockerheit

Zu große Abstände ermöglichen axiale Bewegungen:

• Abgenutzte Axiallagerflächen
• Lose Kopplungskomponenten
• Unzureichende axiale Einspannung in der Lagerkonstruktion
• Abgenutzte Distanzstücke oder Unterlegscheiben

5. Kupplungsprobleme

Durch Kupplungsverschleiß oder fehlerhafte Installation entstehen axiale Vibrationen:

• Abgenutzte Zahnkupplungszähne ermöglichen axiales Spiel
• Falsch installierte flexible Kupplungen
• Längenfehler der Kupplungsdistanzstücke
• Kreuzgelenkwinkel erzeugen axiale Kraftkomponenten

6. Probleme mit dem thermischen Wachstum

Durch unterschiedliche Wärmeausdehnung können axiale Kräfte entstehen:

• Wärmeausdehnung der Rohrleitungen, die auf die Ausrüstung drückt/zieht
• Ungleichmäßige Wärmeentwicklung zwischen gekoppelten Maschinen
• Fundamentsetzungen beeinträchtigen die axiale Ausrichtung

Diagnostische Bedeutung

Fehlausrichtungsdiagnose

Axiale Vibrationen sind der wichtigste Indikator zur Diagnose einer Fehlausrichtung:

• Faustregel: Wenn die axiale Vibration > 50% der radialen Vibration ist, vermuten Sie eine Fehlausrichtung
• Frequenzinhalt: Überwiegend 2X für Parallelversatz; 1X und 2X für Winkelversatz
• Phasenanalyse: 180° Phasenunterschied zwischen axialen Messungen an gegenüberliegenden Enden bestätigt Fehlausrichtung
• Bestätigung: Hohe axiale Vibrationen, die sich deutlich verringern, nachdem die Diagnose durch eine präzise Ausrichtung bestätigt wurde

Pumpen- und Kompressordiagnose

Für rotierende Geräte, die Flüssigkeiten handhaben:

• Kavitation: Hochfrequente, zufällige Axialschwingung mit Breitbandcharakteristik
• Hydraulische Unwucht: 1X axiale Vibration durch asymmetrische Laufradbelastung
• Anstieg: Axiale Schwingung mit großer Amplitude und niedriger Frequenz
• Klingendurchgangsfrequenz: Die axiale Komponente bei der Schaufeldrehfrequenz weist auf Strömungsprobleme hin

Beurteilung des Lagerzustands

• Eine plötzliche Zunahme der axialen Vibration kann auf eine Verschlechterung des Axiallagers hinweisen
• Axiale Vibration mit Axiallagerdefektfrequenzen bestätigt Lagerproblem
• Übermäßiges Axialspiel, gemessen mit Näherungssensoren, weist auf Lagerverschleiß hin

Akzeptable Niveaus und Standards

Allgemeine Richtlinien

Während sich Normen wie ISO 20816 in erster Linie mit radialen Schwingungen befassen, werden die Grenzwerte für axiale Schwingungen üblicherweise wie folgt ausgedrückt:

• Relativ zum Radial: Axial sollte < 50% radiale Vibration unter normalen Bedingungen
• Absolute Grenzen: Typischerweise 25-50% der radialen Schwingungsgrenzwerte für die Maschinenklasse
• Basislinienvergleich: Erhöhungen von 50-100% gegenüber der Basisuntersuchung der Haftbefehle

Gerätespezifische Normen

• API 610 (Kreiselpumpen): Gibt sowohl radiale als auch axiale Schwingungsgrenzen an
• API 617 (Kreiselkompressoren): Enthält Akzeptanzkriterien für axiale Schwingungen
• Turbomaschinen: Häufig kontinuierliche Überwachung mit axialen Positions- und Schwingungssensoren

Korrektur- und Minderungsmethoden

Bei Fehlausrichtung

1. Präzise Wellenausrichtung: Verwenden Sie Laserausrichtungswerkzeuge, um Winkel- und Parallelfehlstellungen zu korrigieren
2. Kippfußkorrektur: Stellen Sie vor der Ausrichtung sicher, dass alle Montagefüße flach sitzen
3. Berücksichtigung des thermischen Wachstums: Berücksichtigen Sie die Ausdehnung bei der Ausrichtung aufgrund der Betriebstemperatur
4. Rohrzugentlastung: Eliminieren Sie Rohrleitungskräfte, die Geräte aus der Ausrichtung ziehen

Bei Problemen mit dem Axiallager

• Ersetzen Sie verschlissene Axiallagerkomponenten
• Überprüfen Sie die richtige Vorspannung und das Spiel der Axiallager
• Sorgen Sie für ausreichende Schmierung der Axiallagerflächen
• Überprüfen Sie, ob das Axiallager richtig eingebaut und unterlegt ist.

Für prozessbedingte Axialkräfte

• Kavitation beseitigen: Erhöhen Sie den Eingangsdruck, senken Sie die Flüssigkeitstemperatur und prüfen Sie auf Eingangsblockaden.
• Betriebspunkt optimieren: Betreiben Sie Pumpen und Kompressoren innerhalb des Auslegungsbereichs
• Hydraulische Kräfte ausgleichen: Verwenden Sie Ausgleichslöcher oder Rückenschaufeln an Laufrädern
• Überspannungsschutz: Implementieren Sie einen wirksamen Druckstoßschutz für Kompressoren

Bei mechanischen Problemen

• Ersetzen Sie verschlissene Kupplungen und Kupplungskomponenten
• Lose mechanische Verbindungen festziehen
• Überprüfen Sie die korrekten Abmessungen der Abstandshalter und Unterlegscheiben
• Stellen Sie sicher, dass die Kupplung ordnungsgemäß gemäß den Herstellerspezifikationen installiert ist.

Best Practices für Messungen

Einbau des Sensors

• Feste Montage: Verwenden Sie für axiale Messungen nach Möglichkeit Bolzen oder Klebstoff anstelle von Magneten
• Ausrichtung überprüfen: Stellen Sie sicher, dass der Sensor wirklich parallel zur Wellenachse ist (nicht in einem Winkel).
• Beide Enden: Messen Sie die axiale Vibration sowohl am Antriebs- als auch am Nichtantriebsende zum Phasenvergleich
• Näherungssonden: Installieren Sie für kritische Geräte permanente axiale Positionssensoren

Datenerfassung

• Erfassen Sie axiale Daten immer zusammen mit horizontalen und vertikalen radialen Messungen
• Erfassen Sie die Phasenbeziehungen zwischen axialen Messungen an verschiedenen Standorten
• Vergleichen Sie die Verhältnisse der axialen und radialen Amplitude
• Verfolgen Sie die axiale Schwingung im Zeitverlauf, um entstehende Probleme zu erkennen

Vergleich axialer und radialer Schwingungen

Hauptunterschiede

Aspekt	Radiale (laterale) Vibration	Axiale Vibration
Richtung	Senkrecht zur Wellenachse	Parallel zur Wellenachse
Typische Amplitude	Höher	Niedriger (normalerweise < 50% radial)
Primäre Ursachen	Unwucht, verbogene Welle, Lagerdefekte	Fehlausrichtung, Probleme mit dem Axiallager, Prozesskräfte
Diagnosewert	Allgemeiner Maschinenzustand	Speziell für Fehlausrichtungs- und Schubprobleme
Überwachungspriorität	Hauptaugenmerk	Sekundär, aber entscheidend für die Diagnose

Industrielle Anwendungen

Die Überwachung axialer Schwingungen ist besonders wichtig für:

• Kreiselpumpen: Hydraulische Kräfte und Kavitationserkennung
• Kompressoren: Axiallagerüberwachung und Druckstoßerkennung
• Turbinen: Axialkräfte auf Turbinenschaufeln und Zustand des Axiallagers
• Gekoppelte Ausrüstung: Ausrichtungsprüfung und Kopplungszustand
• Prozessausrüstung: Überwachung des Strömungszustands

Obwohl axiale Schwingungen oft von den stärker ausgeprägten radialen Schwingungen überlagert werden, erkennen erfahrene Schwingungsanalytiker ihren entscheidenden diagnostischen Wert. Viele Maschinenprobleme, die bei der Untersuchung radialer Schwingungen allein übersehen werden könnten, werden durch axiale Schwingungsmuster deutlich sichtbar. Daher ist dies ein wesentlicher Bestandteil umfassender Programme zur Maschinenzustandsüberwachung.

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