Anlaufschwingungen in rotierenden Maschinen verstehen
Anlaufschwingung beschreibt die Vibration Verhalten von rotierenden Maschinen während der Beschleunigung vom Stillstand bis zur normalen Betriebsdrehzahl. Es umfasst sowohl die zu erwartenden vorübergehende Schwingung während die Maschine ihre kritische Drehzahlen sowie alle für die Anlaufphase typischen ungewöhnlichen Erscheinungen — Thermobogen, Lagerinstabilitäten, Reibungenoder mechanische Setzung. Die Überwachung ist wichtig, da sich viele Schwingungsprobleme am deutlichsten während des Anlaufs zeigen und die Anlaufphase häufig den mechanisch anspruchsvollsten Moment im gesamten Betriebszyklus einer Maschine darstellt.
1. Definition: Warum der Anlauftransient etwas Besonderes ist
Bei der stationären Überwachung wird eine Maschine erfasst, die mit einer festen Drehzahl läuft, während beim Anlaufen der Rotor den gesamten Drehzahlbereich durchläuft – wodurch jede Eigenfrequenz die beim Hochfahren unterhalb der Betriebsdrehzahl liegt. Bei jedem Durchlauf durch eine Resonanz verstärkt vorübergehend die Reaktion, und der Rotor ist gleichzeitig kalt, erwärmt sich ungleichmäßig und setzt sich auf seinen Lagern fest. Diese Kombination macht den Anlauf zu einem besonders aufschlussreichen – und besonders anspruchsvollen – Einblick in den Zustand der Maschine, weshalb spezielle Anlaufanalyse ist ein Standardwerkzeug für kritische Anlagen.
2. Typische Schwingungseigenschaften beim Anlaufen
Normaler Startablauf
Bei einer einwandfrei funktionierenden Maschine folgen die Schwingungen beim Anlaufen einem vorhersehbaren Muster, das der Analytiker als Maßstab heranziehen kann.
Anfangsphase (0–20 % Drehzahl)
- Sehr geringe Vibration von Unwucht, da die Zentrifugalkraft mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt.
- Jede stärkere Vibration an dieser Stelle deutet auf ein mechanisches Problem oder eine thermische Durchbiegung hin.
- Die Messung bei langsamer Drehung liefert einen Anhaltspunkt für den rein mechanischen Zustand des Rotors (z. B. Restkrümmung oder Rundlaufabweichung).
Beschleunigung durch kritische Drehzahlen
- Die Amplitude steigt an, je näher man der jeweiligen kritischen Geschwindigkeit kommt.
- Er erreicht seinen Höchstwert bei der kritischen Drehzahl, bei der der Rotor in Resonanz ist.
- Sie nimmt rapide ab, sobald die Geschwindigkeit den kritischen Wert überschreitet.
- Etwa 180° Phase Diese Verschiebung begleitet das Durchlaufen jeder kritischen Geschwindigkeit – ein charakteristisches Merkmal.
- Es treten mehrere Spitzen auf, wenn mehrere kritische Drehzahlen unterhalb der Betriebsdrehzahl liegen.
Annäherung an die Betriebsdrehzahl
- Die Schwingungen stabilisieren sich auf einem stationären Pegel.
- Es wird von der 1×-Komponente aus Restunwucht.
- Die thermische Stabilisierung kann in den ersten 30 bis 60 Betriebsminuten zu allmählichen Veränderungen führen.
3. Häufige Probleme mit Vibrationen beim Starten
Thermischer Verzug
Der thermische Wellenverzug ist das häufigste anlaufspezifische Problem:
- Symptom: Starke Vibrationen während der anfänglichen Beschleunigung, die allmählich nachlassen, sobald sich die Maschine warmgelaufen ist.
- Ursache: asymmetrische Erwärmung, die zu einer vorübergehenden Krümmung der Welle führt.
- Frequenz: 1× synchron.
- Verhalten: selbst bei niedrigen Rollgeschwindigkeiten hoch und nimmt dann ab, sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist.
- Lösung: erweiterte Aufwärmverfahren und Drehwerk-Betrieb vor dem Start.
Übermäßige Schwingungen bei kritischer Drehzahl
- Symptom: sehr hohe Spitzenwerte beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl.
- Ursachen: schlechte Dämpfung, eine hohe Unwucht oder ein Betrieb zu nahe an der kritischen Drehzahl.
- Risiko: mögliche Schäden an Lagern und Dichtungen bei jedem Start.
- Lösung: die Wuchtgüte verbessern, die Beschleunigung in kritischen Bereichen steigern und für mehr Dämpfung sorgen.
Reiben beim Beschleunigen
- Symptom: plötzliche, unregelmäßige Vibrationen und das Auftreten von subsynchron Komponenten.
- Ursache: unzureichende Abstände oder übermäßige Schwingungen bei kritischer Drehzahl, die dazu führen, dass der Rotor aufschlägt.
- Risiko: lokale thermische Schäden und Zerstörung der Dichtung.
- Lösung: den Abstand überprüfen, die Wuchtgüte verbessern und die Beschleunigung verlangsamen.
Lagerinstabilität beim Anlaufen
- Symptom: eine subsynchrone Schwingung, die während der Beschleunigung auftritt, häufig nahe der halben Betriebsgeschwindigkeit.
- Ursache: A Gleitlager noch nicht auf Betriebstemperatur, sodass die Steifigkeit und Dämpfung des Ölfilms noch nicht optimal sind – ein Vorbote für Ölwirbel.
- Verhalten: kann verschwinden, sobald sich das Lager erwärmt hat.
- Lösung: Ausgedehntes Aufwärmen bei mittlerer Geschwindigkeit vor der Vollbeschleunigung
4. Entwurf des Startvorgangs
Optimierung der Beschleunigungsrate
Das Beschleunigungsprofil sollte an die maschineneigene Dynamik angepasst und nicht einheitlich angewendet werden.
Langsame Beschleunigungszonen
- Anlaufphase (0–10 % Drehzahl): sehr langsam, um thermische Verformungen oder mechanische Probleme zu erkennen.
- Unterhalb der ersten kritischen Drehzahl: eine moderate Geschwindigkeit, um das Aufwärmen zu ermöglichen.
- Oberhalb aller kritischen Drehzahlen: Die Beschleunigung auf Betriebsgeschwindigkeit kann zügiger erfolgen.
Schnelle Durchfahrtszonen
- Kritische Drehzahlbereiche: schnell auf etwa ±15–20 % um jede kritische Drehzahl herum beschleunigen.
- Typische Rate: das 2- bis 5-fache der normalen Beschleunigung.
- Zweck: die Verweildauer bei Resonanz minimieren und den Anstieg der Schwingungsamplitude begrenzen.
Haltepunkte
- Einwärm-Haltedrehzahlen: bei großen Turbinen bei 30 %, 50 % und 70 % belassen.
- Dauer: 10–30 Minuten pro Halteposition.
- Zweck: ermöglichen eine thermische Stabilisierung und verringern Temperaturunterschiede.
- Vibrationsprüfung: Vergewissern Sie sich, dass die Vibrationen im akzeptablen Bereich liegen, bevor Sie fortfahren.
5. Überwachung und Abnahmekriterien
Echtzeitüberwachung
Beobachten Sie während des Startvorgangs:
- Gesamtschwingungspegel: sie sollte nicht über Alarmgrenze bei jeder Drehzahl
- Lagertemperaturen: Ein allmählicher Anstieg ist akzeptabel; ein rascher Anstieg deutet auf Probleme hin.
- Drehzahlverfolgung: Vergewissern Sie sich, dass die Maschine gleichmäßig beschleunigt.
- Phasenwinkel: Achten Sie auf unerwartete Veränderungen, die auf mechanische Probleme hindeuten.
Abnahmekriterien
- Spitzenwerte bei kritischer Geschwindigkeit: sollten den Vorhersagen innerhalb von ±10–15 % entsprechen.
- Spitzenamplituden: sollten innerhalb der Auslegungsgrenzen bleiben, die in der Regel in den Gerätespezifikationen festgelegt sind und anhand von ISO 20816 Leitlinien zur Schwingungsstärke.
- Stationäre Schwingung: sollten sich nach der thermischen Stabilisierung auf ein akzeptables Niveau einpendeln.
- Wiederholbarkeit: Aufeinanderfolgende Starts sollten sich einheitlich verhalten.
6. Behebung von ungewöhnlichen Vibrationen beim Starten
Hohe Anfangsschwingung
Mögliche Ursachen:
- Thermische Verformung, die von einem früheren Betrieb oder einer früheren Abschaltung zurückgeblieben ist.
- Eine mechanische Wellenbiegung oder gebogene Welle.
- Probleme mit den Lagern — Verschleiß oder Fehlausrichtung.
- Spiel oder andere mechanische Mängel.
Zunehmende Vibrationen während des Aufwärmens
Mögliche Ursachen:
- Eine sich entwickelnde thermische Wellenbiegung aufgrund asymmetrischer Erwärmung.
- Thermische Ausdehnung beeinträchtigt die Ausrichtung.
- Lagerspiel, das sich mit der Temperatur ändert.
- Wärmeausdehnung schließt Spielräume und führt zu Reibung
Unregelmäßige Vibrationen beim Beschleunigen
Mögliche Ursachen:
- Reibung oder zeitweiliger Kontakt.
- Lose Teile setzen sich oder verschieben sich.
- Kupplung Probleme.
- Variables Lagerverhalten.
7. Dokumentation und Basisdaten
Erstinbetriebnahme
Eine Basis-Anlaufsignatur festlegen:
- Erfassen Sie die vollständigen Anlaufdaten.
- Erzeugen Bode-Diagramme und Wasserfalldiagramme.
- Erfassen Sie jede kritische Drehzahl und deren Spitzenamplitude.
- Archivieren Sie es als Referenz für alle zukünftigen Vergleiche.
Periodischer Vergleich
- Vergleichen Sie jeden aktuellen Anlauf mit dem Referenzwert.
- Achten Sie auf Verschiebungen der Stellen, an denen die kritische Drehzahl auftritt, da diese auf mechanische Veränderungen wie einen sich bildenden Riss oder eine veränderte Steifigkeit der Lagerung hinweisen.
- Verfolgen Sie Änderungen der Spitzenamplitude, die auf Unwucht oder Änderungen der Dämpfung hinweisen.
- Achten Sie auf neue Schwingungskomponenten, die in der Grundlinie nicht vorhanden sind.
Um einen sauberen Anlauf zu erfassen, müssen Amplitude, Phase und Drehzahl während der Beschleunigung des Rotors kontinuierlich aufgezeichnet werden – genau die synchronisierte Messung, für die ein tragbarer Zweikanal-Analysator ausgelegt ist. Der Balanset-1A zeichnet während des Anlaufs die 1×-Amplitude und -Phase in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl auf, sodass ein Techniker kritische Drehzahlen lokalisieren, die 180°-Phasenumkehr bei jeder einzelnen Drehzahl bestätigen und – sofern es sich bei der Störung um eine 1×-Unwucht oder ein thermisches Verformungsproblem und nicht um einen strukturellen Fehler handelt – den Rotor in seinen eigenen Lagern auswuchten und die Maschine erneut hochfahren kann, um zu überprüfen, ob die Anlaufspitzen abgefallen sind. Um vorherzusagen, wo diese Spitzen liegen sollten, wird ein Rechner für die kritische Drehzahl eines Rotors schätzt die Eigenfrequenz der Welle, während ein Rechner für die Beschleunigungszeit eines Rotors hilft dabei zu berechnen, wie schnell der Antrieb eine Resonanzzone durchlaufen kann.
Die Schwingungsanalyse beim Anlaufen liefert Einblicke in den Zustand der Maschine, die eine reine Überwachung im stationären Betrieb allein nicht bieten kann. Da sich viele sich anbahnende Störungen erstmals während der Beschleunigungsphase bemerkbar machen, ist die zeitliche Auswertung der Anlaufsignatur eines der wertvollsten Instrumente der vorausschauenden Instandhaltung für kritische rotierende Anlagen.
