Rotorwuchten: statische und dynamische Unwucht, Resonanz und praktisches Verfahren
Diese Anleitung erklärt das Auswuchten von Rotoren. starre Rotoren: was “Unwucht” bedeutet, wie sich statische und dynamische Unwucht unterscheiden, warum Resonanz und Nichtlinearität ein qualitativ hochwertiges Ergebnis verhindern können und wie der Ausgleich typischerweise in einer oder zwei Korrekturebenen durchgeführt wird.
Inhalt
- Was ist ein Rotor und was wird durch Auswuchten korrigiert?
- Rotortypen und Unwuchtarten
- Schwingungen von Mechanismen: Was lässt sich durch Auswuchten beseitigen und was nicht?
- Resonanz: ein Faktor, der das Gleichgewicht verhindert
- Lineare vs. nichtlineare Modelle: Wann Berechnungen nicht mehr funktionieren
- Auswuchtgeräte und Auswuchtmaschinen
- Auswuchten starrer Rotoren (praktische Hinweise)
- Wie die dynamische Auswuchtung durchgeführt wird (Drei-Lauf-Methode)
- Kriterien zur Beurteilung der Balancequalität
- Normen und Referenzen
- FAQ
Was ist ein Rotor und was wird durch Auswuchten korrigiert?
Der Rotor ist ein Körper, der sich um eine Achse dreht und durch seine Lagerflächen in den Stützen gehalten wird. Die Lagerflächen des Rotors übertragen die Lasten über Wälz- oder Gleitlager auf die Stützen. Die Lagerflächen sind die Flächen der Zapfen oder die Flächen, die sie ersetzen.
Bei einem perfekt ausgewuchteten Rotor ist seine Masse symmetrisch um die Rotationsachse verteilt, d. h., jedes Rotorelement entspricht einem anderen, symmetrisch zur Rotationsachse angeordneten Element. In einem ausgewuchteten Rotor gleicht sich die auf ein beliebiges Rotorelement wirkende Zentrifugalkraft durch die auf das symmetrische Element wirkende Zentrifugalkraft aus. Beispielsweise wirken auf die Elemente 1 und 2 (grün in Abb. 1) die betragsmäßig gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Zentrifugalkräfte F1 und F2. Dies gilt für alle symmetrischen Rotorelemente, sodass die gesamte auf den Rotor wirkende Zentrifugalkraft null beträgt und der Rotor ausgewuchtet ist.
Ist die Symmetrie des Rotors jedoch gebrochen (das asymmetrische Element ist in Abb. 1 rot markiert), wirkt eine Unwuchtkraft F3 auf den Rotor. Bei Rotation ändert diese Kraft ihre Richtung mit der Rotordrehung. Die daraus resultierende dynamische Belastung wird auf die Lager übertragen und führt zu beschleunigtem Verschleiß.
Außerdem kommt es unter dem Einfluss dieser veränderlichen Richtungskraft zu einer zyklischen Verformung der Stützen und des Fundaments, auf denen der Rotor befestigt ist, d. h. zu Schwingungen. Um die Unwucht des Rotors und die damit verbundenen Schwingungen zu beseitigen, müssen Ausgleichsmassen installiert werden, um die Symmetrie des Rotors wiederherzustellen.
Das Auswuchten eines Rotors ist ein Vorgang, bei dem die Unwucht durch Hinzufügen von Ausgleichsmassen korrigiert wird.
Die Aufgabe des Auswuchtens besteht darin, die Größe und Lage (Winkel) einer oder mehrerer Ausgleichsmassen zu bestimmen.
Rotortypen und Unwuchtarten
Unter Berücksichtigung der Festigkeit des Rotormaterials und der Größe der auf ihn wirkenden Zentrifugalkräfte können Rotoren in zwei Arten unterteilt werden – starre und flexible Rotoren.
Starre Rotoren verformen sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft bei den Betriebsarten nur unwesentlich, und der Einfluss dieser Verformung auf die Berechnungen kann vernachlässigt werden.
Die Verformung flexibler Rotoren darf nicht länger vernachlässigt werden. Sie erschwert die Lösung des Auswuchtproblems und erfordert im Vergleich zur Auswuchtung starrer Rotoren die Anwendung anderer mathematischer Modelle. Es ist zu beachten, dass sich derselbe Rotor bei niedrigen Drehzahlen starr und bei hohen Drehzahlen flexibel verhalten kann. Im Folgenden betrachten wir daher ausschließlich die Auswuchtung starrer Rotoren.
Abhängig von der Verteilung der Unwuchtmassen entlang der Rotorlänge lassen sich zwei Arten von Unwucht unterscheiden: statische und dynamische (momentane) Unwucht. Entsprechend spricht man von statischer und dynamischer Rotorwuchtung. Eine statische Rotorunwucht tritt ohne Rotation des Rotors auf, also im statischen Zustand, wenn der Rotor durch die Schwerkraft mit seinem Schwerpunkt nach unten geneigt ist. Ein Beispiel für einen Rotor mit statischer Unwucht ist in Abb. 2 dargestellt.
Dynamische Unwucht tritt nur auf, wenn sich der Rotor dreht.
Ein Beispiel für einen Rotor mit dynamischer Unwucht ist in Abb. 3 dargestellt.
In diesem Fall befinden sich die unausgewuchteten, gleich großen Massen M1 und M2 in unterschiedlichen Ebenen – an verschiedenen Stellen entlang der Rotorlänge. Im Ruhezustand, also wenn der Rotor nicht rotiert, wirkt nur die Schwerkraft auf ihn, und die Massen heben sich auf. Bei der Rotation des Rotors wirken die Zentrifugalkräfte Fc1 und Fc2 auf die Massen M1 und M2. Diese Kräfte sind betragsmäßig gleich und entgegengesetzt gerichtet. Da sie jedoch an verschiedenen Stellen entlang der Rotorwelle und nicht auf derselben Linie angreifen, kompensieren sie sich nicht. Die Kräfte Fc1 und Fc2 erzeugen ein Drehmoment, das auf den Rotor wirkt. Daher wird diese Unwucht auch als Momentenunwucht bezeichnet. Entsprechend wirken unkompensierte Zentrifugalkräfte auf die Lagerstellen, die die berechneten Werte deutlich überschreiten und die Lebensdauer der Lager verkürzen können.
Da diese Art von Unwucht nur dynamisch während der Rotorrotation auftritt, spricht man von dynamischer Unwucht. Sie lässt sich im statischen Zustand nicht durch Auswuchten mit Messern oder ähnliche Methoden korrigieren. Um die dynamische Unwucht zu beseitigen, müssen zwei Ausgleichsgewichte installiert werden, die ein Moment erzeugen, das betragsmäßig gleich und entgegengesetzt gerichtet ist zum Moment der Massen M1 und M2. Die Ausgleichsgewichte müssen nicht gleich groß und entgegengesetzt zu den Massen M1 und M2 sein. Entscheidend ist, dass ihr Moment das Unwuchtmoment vollständig kompensiert.
Im Allgemeinen sind die Massen M1 und M2 nicht gleich groß, sodass eine Kombination aus statischer und dynamischer Unwucht auftritt. Theoretisch ist bewiesen, dass bei einem starren Rotor zwei entlang seiner Länge verteilte Gewichte notwendig und ausreichend sind, um die Unwucht zu beseitigen. Diese Gewichte kompensieren sowohl das durch die dynamische Unwucht entstehende Drehmoment als auch die durch die Asymmetrie der Masse relativ zur Rotorachse verursachte Zentrifugalkraft (statische Unwucht). Typischerweise ist dynamische Unwucht charakteristisch für lange Rotoren, wie z. B. Wellen, und statische Unwucht für schmale Rotoren. Ist der schmale Rotor jedoch schräg zur Achse oder verformt (z. B. in Form einer Acht), lässt sich die dynamische Unwucht nur schwer beseitigen (siehe Abb. 4), da es in diesem Fall schwierig ist, Ausgleichsgewichte anzubringen, die das notwendige Kompensationsmoment erzeugen.
Die Kräfte F1 und F2 liegen nicht auf der gleichen Linie und kompensieren sich nicht gegenseitig.
Da der Hebelarm zur Drehmomenterzeugung aufgrund des schmalen Rotors klein ist, können große Ausgleichsgewichte erforderlich sein. Dies führt jedoch auch zu einer "induzierten Unwucht" aufgrund der Verformung des schmalen Rotors durch die Zentrifugalkräfte der Ausgleichsgewichte. (Siehe beispielsweise "Methodische Anweisungen zum Auswuchten starrer Rotoren (nach ISO 22061-76)", Abschnitt 10: Rotorlagerungssystem.)
Dies macht sich bei schmalen Laufrädern von Ventilatoren bemerkbar, bei denen neben der Kraftunwucht auch die aerodynamische Unwucht wirksam ist. Dabei ist zu beachten, dass die aerodynamische Unwucht bzw. die aerodynamische Kraft direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist und zu ihrem Ausgleich die Zentrifugalkraft der Ausgleichsmasse, die proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ist, eingesetzt wird. Die Ausgleichswirkung kann daher nur bei einer bestimmten Ausgleichsfrequenz stattfinden. Bei anderen Drehfrequenzen ergibt sich ein zusätzlicher Fehler.
Das Gleiche gilt für die elektromagnetischen Kräfte in einem Elektromotor, die ebenfalls proportional zur Winkelgeschwindigkeit sind. Es ist also nicht möglich, durch Auswuchten alle Ursachen für Schwingungen in einer Maschine zu beseitigen.
Schwingungen von Mechanismen
Vibration ist die Reaktion der Konstruktion eines Mechanismus auf die Wirkung einer zyklischen Erregerkraft. Diese Kraft kann von unterschiedlicher Natur sein.
Die durch den Unwuchtrotor verursachte Zentrifugalkraft ist eine unkompensierte Kraft, die auf den "Schwerpunkt" wirkt. Diese Kraft und die dadurch verursachten Vibrationen können durch Auswuchten des Rotors beseitigt werden.
Wechselwirkungskräfte geometrischer Natur entstehen durch Fertigungs- und Montagefehler der zusammenpassenden Teile. Diese Kräfte können beispielsweise durch Unrundheiten der Wellenhälse, Fehler im Zahnprofil von Zahnrädern, Welligkeit der Lagerlaufbahnen, Fluchtungsfehler der zusammenpassenden Wellen usw. verursacht werden. Bei nicht kreisrunden Zapfen verschiebt sich die Wellenachse abhängig vom Drehwinkel der Welle. Obwohl diese Schwingung auch bei Rotordrehzahl auftritt, lässt sie sich durch Auswuchten kaum beseitigen.
Aerodynamische Kräfte, die sich aus der Drehung der Laufräder von Ventilatoren und anderen Schaufelmechanismen ergeben. Hydrodynamische Kräfte, die sich aus der Drehung von Laufrädern von Hydraulikpumpen, Turbinen usw. ergeben.
Elektromagnetische Kräfte, die sich aus dem Betrieb elektrischer Maschinen ergeben, z. B. asymmetrische Rotorwicklungen, kurzgeschlossene Wicklungen usw.
Die Größe der Schwingung (z. B. ihre Amplitude Av) hängt nicht nur von der Erregerkraft Fv ab, die mit der Kreisfrequenz ω auf den Mechanismus wirkt, sondern auch von der Steifigkeit k des Mechanismus, seiner Masse m sowie dem Dämpfungskoeffizienten C.
Zur Messung von Vibrationen und Unwuchtmechanismen können verschiedene Arten von Sensoren eingesetzt werden, darunter:
- Absolutschwingungssensoren zur Messung der Schwingungsbeschleunigung (Beschleunigungsmesser) und Schwinggeschwindigkeitsmesser;
- Sensoren für relative Schwingungen – Wirbelstrom- oder kapazitive Sensoren, die zur Messung der Schwingungsamplitude entwickelt wurden;
- In einigen Fällen (wenn die Konstruktion des Mechanismus dies zulässt) können auch Kraftsensoren zur Beurteilung der Schwingungsbelastung eingesetzt werden; insbesondere werden sie häufig zur Messung der Schwingungsbelastung von Hartlager-Auswuchtmaschinenstützen verwendet.
Schwingungen sind also die Reaktion einer Maschine auf die Einwirkung äußerer Kräfte. Das Ausmaß der Schwingungen hängt nicht nur von der Größe der auf den Mechanismus wirkenden Kraft ab, sondern auch von der Steifigkeit der Konstruktion des Mechanismus. Ein und dieselbe Kraft kann zu unterschiedlichen Schwingungen führen. In einer hart gelagerten Maschine können die Lager, selbst wenn die Schwingungen gering sind, erheblichen dynamischen Belastungen ausgesetzt sein. Aus diesem Grund werden beim Auswuchten hartgelagerter Maschinen eher Kraft- als Schwingungssensoren (Schwingungsbeschleunigungsmesser) verwendet.
Schwingungssensoren werden bei Mechanismen mit relativ biegsamen Trägern eingesetzt, wenn die Einwirkung unausgewogener Fliehkräfte zu einer spürbaren Verformung der Träger und zu Schwingungen führt. Kraftsensoren werden für starre Halterungen verwendet, wenn selbst erhebliche Kräfte aufgrund von Unwucht nicht zu nennenswerten Schwingungen führen.
Resonanz ist ein Faktor, der den Ausgleich verhindert
Wir haben bereits erwähnt, dass Rotoren in starre und flexible Rotoren unterteilt werden. Die Steifigkeit oder Flexibilität des Rotors darf nicht mit der Steifigkeit oder Beweglichkeit der Stützen (Fundament) verwechselt werden, auf denen der Rotor installiert ist. Ein Rotor gilt als starr, wenn seine Verformung (Biegung) unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte vernachlässigt werden kann. Die Verformung eines flexiblen Rotors ist relativ groß und kann nicht vernachlässigt werden.
In diesem Artikel wird nur das Auswuchten von starren Rotoren betrachtet. Ein starrer (nicht verformbarer) Rotor kann wiederum auf starren oder beweglichen (biegsamen) Trägern montiert sein. Es ist klar, dass diese Steifigkeit/Schwebefähigkeit der Lager ebenfalls relativ ist, abhängig von der Rotordrehzahl und der Größe der resultierenden Fliehkräfte. Eine bedingte Randbedingung ist die Frequenz der Eigenschwingungen der Rotorlager.
Bei mechanischen Systemen werden die Form und die Frequenz der Eigenschwingungen durch die Masse und die Elastizität der Elemente des mechanischen Systems bestimmt. Das heißt, die Frequenz der Eigenschwingungen ist eine interne Eigenschaft des mechanischen Systems und hängt nicht von äußeren Kräften ab. Aus dem Gleichgewichtszustand ausgelenkte Stützen neigen aufgrund ihrer Elastizität dazu, in die Gleichgewichtslage zurückzukehren. Aufgrund der Trägheit des massiven Rotors hat dieser Vorgang jedoch den Charakter von gedämpften Schwingungen. Diese Schwingungen sind die Eigenschwingungen des Rotor-Träger-Systems. Ihre Frequenz hängt vom Verhältnis zwischen der Masse des Rotors und der Elastizität der Lager ab.
Wenn der Rotor zu rotieren beginnt und die Frequenz seiner Rotation sich der Frequenz der Eigenschwingungen annähert, steigt die Amplitude der Schwingungen stark an, was zur Zerstörung der Struktur führen kann.
Es tritt das Phänomen der mechanischen Resonanz auf. Im Resonanzbereich kann eine Änderung der Drehzahl um 100 U/min zu einem Anstieg der Schwingungen um das Zehnfache führen. Gleichzeitig ändert sich (im Resonanzbereich) die Schwingungsphase um 180°.
Wenn die Konstruktion des Mechanismus nicht erfolgreich ist und die Betriebsfrequenz des Rotors nahe der Frequenz der Eigenschwingungen liegt, wird der Betrieb des Mechanismus aufgrund der unzulässig hohen Schwingungen unmöglich. Dies ist auf herkömmliche Weise nicht möglich, da schon eine kleine Drehzahländerung eine drastische Veränderung der Schwingungsparameter bewirkt. Für das Auswuchten im Bereich der Resonanz werden spezielle, in diesem Artikel nicht berücksichtigte Methoden eingesetzt.
Es ist möglich, die Frequenz der Eigenschwingungen des Mechanismus im Leerlauf (beim Abschalten der Rotordrehung) oder durch die Stoßmethode mit anschließender Spektralanalyse der Systemantwort auf den Stoß zu bestimmen.
Bei Mechanismen, deren Arbeitsfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz liegt, d. h. die im Resonanzbereich arbeiten, werden die Träger als beweglich betrachtet, und für die Messung werden Schwingungssensoren, hauptsächlich Vibroacelerometer, verwendet, die die Beschleunigung der Strukturelemente messen. Bei Mechanismen, die im Vorresonanzmodus arbeiten, werden die Halterungen als starr betrachtet. In diesem Fall werden Kraftsensoren verwendet.
Lineare und nichtlineare Modelle eines mechanischen Systems. Nichtlinearität ist ein Faktor, der den Ausgleich verhindert
Beim Auswuchten starrer Rotoren werden mathematische Modelle, so genannte lineare Modelle, für Auswuchtberechnungen verwendet. Ein lineares Modell bedeutet, dass in einem solchen Modell eine Größe proportional (linear) zu einer anderen ist. Wenn beispielsweise die unkompensierte Masse des Rotors verdoppelt wird, verdoppelt sich auch der Schwingungswert. Für starre Rotoren kann ein lineares Modell verwendet werden, da sie sich nicht verformen.
Für flexible Rotoren kann das lineare Modell nicht mehr verwendet werden. Wenn bei einem flexiblen Rotor die Masse des schweren Punktes während der Drehung zunimmt, kommt es zu einer zusätzlichen Verformung, und zusätzlich zur Masse vergrößert sich auch der Radius der Position des schweren Punktes. Daher erhöht sich bei einem flexiblen Rotor die Schwingung um mehr als das Doppelte, und die üblichen Berechnungsmethoden funktionieren nicht.
Auch die Änderung der Elastizität der Stützen bei ihren großen Verformungen, zum Beispiel, wenn bei kleinen Verformungen der Stützen einige Strukturelemente wirken und bei großen andere Strukturelemente beteiligt sind. Aus diesem Grund kann man keine Mechanismen ausbalancieren, die nicht auf einem Fundament befestigt sind, sondern zum Beispiel einfach auf dem Boden stehen. Bei starken Vibrationen kann die Kraft der Unwucht den Mechanismus vom Boden abheben, wodurch sich die Steifigkeitseigenschaften des Systems erheblich verändern. Die Motorfüße müssen sicher befestigt sein, die Schraubenbefestigungen müssen fest angezogen sein, die Dicke der Unterlegscheiben muss eine ausreichende Steifigkeit der Befestigung gewährleisten usw. Wenn die Lager gebrochen sind, kann es zu einer erheblichen Fehlausrichtung der Welle und zu Stößen kommen, was ebenfalls zu einer schlechten Linearität und zur Unfähigkeit führt, einen Qualitätsausgleich durchzuführen.
Auswuchtgeräte und Auswuchtmaschinen
Wie bereits erwähnt, ist Auswuchten der Prozess, bei dem die zentrale Trägheitsachse des Rotors mit dessen Rotationsachse ausgerichtet wird.
Dieser Vorgang kann mit zwei Methoden durchgeführt werden.
Bei der ersten Methode werden die Drehzapfen des Rotors so bearbeitet, dass die durch die Mittelpunkte der Drehzapfen verlaufende Achse den Querschnitt mit der zentralen Hauptträgheitsachse des Rotors schneidet. Eine solche Technik wird in der Praxis nur selten angewandt und wird in diesem Artikel nicht näher erläutert.
Die zweite (gängigste) Methode besteht darin, Korrekturgewichte auf dem Rotor zu verschieben, anzubringen oder zu entfernen, die so platziert werden, dass die Trägheitsachse des Rotors so nahe wie möglich an seiner Drehachse liegt.
Das Verschieben, Hinzufügen oder Entfernen von Ausgleichsgewichten während des Auswuchtens kann durch verschiedene technologische Vorgänge erfolgen, z. B. durch Bohren, Fräsen, Auftragen, Schweißen, Schrauben oder Abschrauben, Laser- oder Elektronenstrahlbrennen, Elektrolyse, elektromagnetisches Auftragen usw.
Der Ausgleichsprozess kann auf zwei Arten durchgeführt werden:
- Auswuchten von montierten Rotoren (in ihren eigenen Lagern) mit Hilfe von Auswuchtmaschinen;
- Auswuchten von Rotoren auf Auswuchtmaschinen. Zum Auswuchten von Rotoren in ihren eigenen Lagern werden in der Regel spezielle Auswuchtgeräte (Bausätze) verwendet, die es ermöglichen, die Schwingungen des ausgewuchteten Rotors bei seiner Drehfrequenz in Vektorform zu messen, d.h. sowohl die Amplitude als auch die Phase der Schwingungen zu messen. Heutzutage werden die oben genannten Geräte auf der Basis von Mikroprozessortechnologie hergestellt und ermöglichen (neben der Schwingungsmessung und -analyse) die automatische Berechnung der Parameter von Ausgleichsgewichten, die auf dem Rotor installiert werden sollten, um seine Unwucht auszugleichen.
Zu diesen Geräten gehören:
- eine Mess- und Recheneinheit, die auf einem Computer oder einer industriellen Steuerung basiert;
- Zwei (oder mehr) Vibrationssensoren;
- Ein Phasenwinkelsensor;
- Zubehör für die Montage der Sensoren auf der Baustelle;
- spezialisierte Software, die einen vollständigen Zyklus zur Messung der Rotorschwingungsparameter in einer, zwei oder mehreren Korrekturebenen durchführt.
Derzeit sind zwei Arten von Auswuchtmaschinen am weitesten verbreitet:
- Soft-Bearings-Maschinen (mit weicher Auflage);
- Hart gelagerte Maschinen (mit starrer Lagerung).
Maschinen mit weichen Lagern verfügen über relativ nachgiebige Lager, beispielsweise solche mit Flachfedern. Die Eigenfrequenz dieser Lager ist üblicherweise 2-3 Mal niedriger als die Rotationsfrequenz des darauf montierten Auswuchtrotors. Zur Messung der Schwingungen der resonanzfreien Lager der Maschine werden in der Regel Schwingungssensoren (Beschleunigungsmesser, Schwingungsgeschwindigkeitssensoren usw.) eingesetzt.
Bei Vorresonanz-Auswuchtmaschinen werden relativ starre Lager verwendet, deren Eigenschwingungsfrequenzen 2-3 mal höher sein sollten als die Rotationsfrequenz des auszuwuchtenden Rotors. Zur Messung der Schwingungsbelastung der Lager der Vorresonanzmaschine werden in der Regel Kraftaufnehmer verwendet.
Der Vorteil von Vorresonanz-Auswuchtmaschinen besteht darin, dass das Auswuchten mit ihnen bei relativ niedrigen Rotordrehzahlen (bis zu 400 - 500 U/min) durchgeführt werden kann, was die Konstruktion der Maschine und ihres Fundaments erheblich vereinfacht und die Produktivität und Sicherheit des Auswuchtens erhöht.
Auswuchten von starren Rotoren
Wichtig!
- Das Auswuchten beseitigt nur Schwingungen, die durch eine asymmetrische Verteilung der Rotormasse relativ zu seiner Drehachse verursacht werden. Andere Arten von Schwingungen werden durch Auswuchten nicht beseitigt!
- Technische Mechanismen, deren Konstruktion die Abwesenheit von Resonanzen bei der Betriebsfrequenz der Rotation gewährleistet, die zuverlässig auf dem Fundament befestigt und in betriebsfähigen Lagern installiert sind, unterliegen dem Auswuchten.
- Defekte Maschinen müssen vor dem Auswuchten repariert werden. Andernfalls ist ein qualitatives Auswuchten nicht möglich.
Auswuchten ist kein Ersatz für Reparatur!
Die Hauptaufgabe des Auswuchtens besteht darin, die Masse und die Lage der Ausgleichsgewichte zu bestimmen, die den ausgleichenden Fliehkräften ausgesetzt sind.
Wie bereits erwähnt, ist es bei starren Rotoren im Allgemeinen notwendig und ausreichend, zwei Ausgleichsgewichte zu installieren. Dadurch wird sowohl die statische als auch die dynamische Unwucht des Rotors beseitigt. Das allgemeine Schema für die Messung von Schwingungen beim Auswuchten lautet wie folgt.
An den Punkten 1 und 2 werden Schwingungssensoren an den Lagerstützen angebracht. Auf dem Rotor ist eine Drehzahlmarkierung angebracht, in der Regel mit reflektierendem Klebeband. Die Drehzahlmarkierung wird vom Lasertachometer zur Bestimmung der Rotordrehzahl und der Phase des Schwingungssignals verwendet.
Wie die dynamische Auswuchtung durchgeführt wird (Drei-Lauf-Methode)
In den meisten Fällen wird das dynamische Auswuchten nach der Methode der drei Anläufe durchgeführt. Die Methode beruht darauf, dass Prüfgewichte mit bekanntem Gewicht in Reihe in Ebene 1 und 2 auf dem Rotor angebracht werden und die Gewichte und die Position der Auswuchtgewichte anhand der Ergebnisse der Änderungen der Schwingungsparameter berechnet werden.
Die Stelle, an der die Gewichte angebracht werden, wird als Korrekturebene bezeichnet. Üblicherweise werden die Korrekturebenen im Bereich der Lagerstützen gewählt, auf denen der Rotor montiert ist.
Bei der ersten Inbetriebnahme wird die Anfangsschwingung gemessen. Dann wird ein Prüfgewicht mit bekanntem Gewicht auf dem Rotor näher an einem der Lager angebracht. Bei einer zweiten Inbetriebnahme werden die Schwingungsparameter gemessen, die sich durch die Anbringung des Prüfgewichts ändern sollten. Dann wird das Prüfgewicht in der ersten Ebene entfernt und in der zweiten Ebene angebracht. Es wird ein dritter Testlauf durchgeführt und die Schwingungsparameter werden gemessen. Das Prüfgewicht wird entfernt und die Software errechnet automatisch die Massen und Einbauwinkel der Ausgleichsgewichte.
Der Sinn des Einbaus der Prüfgewichte besteht darin, festzustellen, wie das System auf Änderungen der Unwucht reagiert. Da die Gewichte und die Positionen der Prüfgewichte bekannt sind, kann die Software so genannte Einflusskoeffizienten berechnen, die zeigen, wie sich die Einführung einer bekannten Unwucht auf die Schwingungsparameter auswirkt. Die Einflusskoeffizienten sind Eigenschaften des mechanischen Systems selbst und hängen von der Steifigkeit der Stützen und der Masse (Trägheit) des Rotor-Stütz-Systems ab.
Für dieselbe Art von Mechanismen mit derselben Konstruktion liegen die Einflusskoeffizienten nahe beieinander. Es ist möglich, sie im Computerspeicher zu speichern und sie für das Auswuchten von Mechanismen desselben Typs ohne Testläufe zu verwenden, was die Produktivität des Auswuchtens deutlich erhöht. Beachten Sie, dass die Masse der Prüfgewichte so gewählt werden sollte, dass sich die Schwingungsparameter beim Einbau der Prüfgewichte merklich ändern. Andernfalls steigt der Fehler bei der Berechnung der Einflusskoeffizienten und die Qualität des Auswuchtens verschlechtert sich.
Wie aus Abb. 1 ersichtlich, wirkt die Fliehkraft in radialer Richtung, d.h. senkrecht zur Rotorachse. Daher müssen die Schwingungssensoren so installiert werden, dass ihre Empfindlichkeitsachse ebenfalls in die radiale Richtung zeigt. Normalerweise ist die Steifigkeit des Fundaments in horizontaler Richtung geringer, so dass die Schwingungen in horizontaler Richtung höher sind. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, sollten die Sensoren daher so eingebaut werden, dass ihre Empfindlichkeitsachse auch in die horizontale Richtung zeigt. Es gibt jedoch keinen grundlegenden Unterschied. Zusätzlich zu den Schwingungen in radialer Richtung müssen auch Schwingungen in axialer Richtung, entlang der Rotordrehachse, überwacht werden. Diese Schwingungen werden in der Regel nicht durch Unwucht, sondern durch andere Ursachen verursacht, die vor allem mit Ausrichtungs- und Fluchtungsfehlern der über die Kupplung verbundenen Wellen zusammenhängen.
Diese Vibrationen lassen sich nicht durch Auswuchten beseitigen; in diesem Fall ist eine Ausrichtung erforderlich. In der Praxis weisen solche Maschinen üblicherweise sowohl eine Rotorunwucht als auch eine Wellenverkippung auf, was die Beseitigung der Vibrationen erheblich erschwert. In solchen Fällen muss die Maschine zunächst zentriert und anschließend ausgewuchtet werden. (Bei starker Drehmomentunwucht treten jedoch aufgrund der Verdrehung der Fundamentkonstruktion auch Vibrationen in axialer Richtung auf.)
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Kriterien zur Beurteilung der Qualität von Ausgleichsmechanismen
Die Auswuchtqualität von Rotoren (Mechanismen) kann auf zwei Arten bewertet werden. Bei der ersten Methode wird die während des Auswuchtvorgangs ermittelte Restunwucht mit der Toleranz für die Restunwucht verglichen. Diese Toleranzen für die verschiedenen Rotorklassen sind in ISO 1940-1-2007 festgelegt. Teil 1. Definition der zulässigen Unwucht.
Die Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen kann jedoch nicht in vollem Umfang die Betriebszuverlässigkeit des Mechanismus in Verbindung mit dem Erreichen des Mindestschwingungsniveaus garantieren. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Schwingungsstärke des Mechanismus nicht nur durch die Größe der Kraft bestimmt wird, die mit der Restunwucht seines Rotors verbunden ist, sondern auch von mehreren anderen Parametern abhängt, darunter: die Steifigkeit k der Strukturelemente des Mechanismus, seine Masse m, der Dämpfungsfaktor sowie die Drehfrequenz. Um die dynamischen Eigenschaften des Mechanismus (einschließlich der Qualität seines Gleichgewichts) abzuschätzen, empfiehlt es sich daher in einer Reihe von Fällen, das Niveau der Restschwingung des Mechanismus abzuschätzen, das durch eine Reihe von Normen geregelt ist.
Die am weitesten verbreitete Norm, die die zulässigen Schwingungspegel von Mechanismen regelt, ist die ISO 10816-3-2002. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Toleranzen für alle Arten von Maschinen festzulegen, wobei die Leistung ihres elektrischen Antriebs berücksichtigt wird.
Neben dieser universellen Norm gibt es eine Reihe von Spezialnormen, die für bestimmte Maschinentypen entwickelt wurden. Zum Beispiel 31350-2007 , ISO 7919-1-2002, usw.
Normen und Referenzen
- ISO 1940-1:2007. Schwingungen. Anforderungen an die Auswuchtqualität starrer Rotoren. Teil 1. Bestimmung der zulässigen Unwucht.
- ISO 10816-3:2009. Mechanische Schwingungen — Bewertung von Maschinenschwingungen durch Messungen an nicht rotierenden Teilen — Teil 3: Industriemaschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 U/min und 15.000 U/min bei Messung vor Ort.
- ISO 14694:2003. Industrielüfter – Spezifikationen für Auswuchtqualität und Vibrationsniveaus.
- ISO 7919-1:2002. Schwingungen von Maschinen ohne oszillierende Bewegung — Messungen an rotierenden Wellen und Bewertungskriterien — Allgemeine Hinweise.
FAQ
Beseitigt das Auswuchten alle Vibrationen?
Nein. Durch Auswuchten werden Vibrationen beseitigt, die durch die asymmetrische Verteilung der Rotormasse relativ zu seiner Rotationsachse entstehen. Vibrationen aufgrund von Fluchtungsfehlern, Lagerdefekten, aerodynamischen/hydrodynamischen Kräften, elektromagnetischen Kräften und anderen Ursachen erfordern separate Diagnose- und Korrekturmaßnahmen.
Warum kann der Ausgleich in der Nähe der Resonanzfrequenz fehlschlagen?
Nahe der Resonanzfrequenz können bereits geringe Drehzahländerungen große Änderungen der Schwingungsamplitude und eine Phasenverschiebung von 180° bewirken. Unter solchen Bedingungen werden die Messergebnisse instabil, und herkömmliche Auswuchtverfahren konvergieren ohne spezielle Methoden möglicherweise nicht.
Wann benötigt man eine Ein-Ebenen-Auswuchtung und wann eine Zwei-Ebenen-Auswuchtung?
Bei einem starren Rotor sind in der Regel zwei entlang der Rotorlänge verteilte Gewichte notwendig und ausreichend, um die kombinierte statische und dynamische Unwucht zu beseitigen. Schmale Rotoren weisen oft hauptsächlich statische Unwucht auf, jedoch können Verformungen und die Geometrie eine dynamische Komponente hervorrufen, die eine Korrektur in zwei Ebenen erforderlich machen kann.
Was sollte vor dem Ausgleichen getan werden?
Stellen Sie sicher, dass die Maschine betriebsbereit ist: sichere Befestigung am Fundament, intakte Lager, kein gravierendes Spiel und keine offensichtlichen Ursachen für Nichtlinearitäten. Auswuchten ersetzt keine Reparatur.
Wichtigste Erkenntnisse
- Durch das Auswuchten werden massenbedingte (zentrifugale) Anregungen korrigiert; Fehlausrichtungen, Lagerschäden oder elektromagnetische/aerodynamische Fehlerquellen werden dadurch nicht behoben.
- Resonanz und Nichtlinearität können herkömmliche Ausgleichsmethoden unwirksam oder unsicher machen.
- Bei starren Rotoren ist das Auswuchten in zwei Ebenen die allgemeine Lösung für die kombinierte statische und dynamische Unwucht.
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