Nichtlineare Objekte beim Rotorwuchten
Warum das Auswuchten “nicht funktioniert”, warum sich Einflusskoeffizienten ändern und wie man unter realen Feldbedingungen vorgeht
Übersicht
In der Praxis beschränkt sich das Auswuchten von Rotoren fast nie allein auf die Berechnung und Montage eines Korrekturgewichts. Zwar ist der Algorithmus formal bekannt und das Gerät führt alle Berechnungen automatisch durch, doch das Endergebnis hängt weitaus stärker vom Verhalten des Objekts selbst als vom Auswuchtgerät ab. Daher kommt es im realen Betrieb immer wieder zu Situationen, in denen das Auswuchten nicht funktioniert, sich Einflussfaktoren ändern, die Schwingungen instabil werden und das Ergebnis nicht reproduzierbar ist.
Linear and nonlinear vibrations, their features, and balancing methods
Um erfolgreich auswuchten zu können, muss man verstehen, wie ein Objekt auf das Hinzufügen oder Entfernen von Masse reagiert. In diesem Zusammenhang spielen die Konzepte linearer und nichtlinearer Objekte eine Schlüsselrolle. Wenn man versteht, ob ein Objekt linear oder nichtlinear ist, kann man die richtige Auswuchtstrategie auswählen und das gewünschte Ergebnis erzielen.
Lineare Objekte nehmen in diesem Bereich aufgrund ihrer Vorhersagbarkeit und Stabilität eine besondere Stellung ein. Sie ermöglichen den Einsatz einfacher und zuverlässiger Diagnose- und Auswuchtmethoden, sodass ihre Untersuchung einen wichtigen Schritt in der Schwingungsdiagnostik darstellt.
Lineare vs. nichtlineare Objekte
Most of these problems are rooted in a fundamental but often underestimated distinction between linear and nonlinear objects. A linear object, from the balancing point of view, is a system in which, at a constant rotational speed, the vibration amplitude is proportional to the amount of Unwucht, and the vibration phase follows the angular position of the unbalanced mass in a strictly predictable way. Under these conditions, the influence coefficient is a constant value. All standard dynamic balancing algorithms, including those implemented in the Balanset-1A, are designed precisely for such objects.
For a linear object, the balancing process is predictable and stable. Installing a Probegewicht produces a proportional change in vibration amplitude and phase. Repeated starts give the same vibration vector, and the calculated correction weight remains valid. Such objects are well suited both for one-time balancing and for serial balancing using stored influence coefficients.
Ein nichtlineares Objekt verhält sich grundlegend anders. Die Grundlage der Auswuchtberechnung wird dadurch verletzt. Die Schwingungsamplitude ist nicht mehr proportional zur Unwucht, die Phase wird instabil, und der Einflusskoeffizient ändert sich in Abhängigkeit von der Masse des Probegewichts, dem Betriebsmodus oder sogar der Zeit. In der Praxis äußert sich dies in einem chaotischen Verhalten des Schwingungsvektors: Nach dem Anbringen eines Probegewichts kann die Schwingungsänderung zu gering, zu groß oder schlichtweg nicht reproduzierbar sein.
Was sind lineare Objekte?
Ein lineares Objekt ist ein System, bei dem die Schwingung direkt proportional zum Ausmaß der Unwucht ist.
Ein lineares Objekt ist im Kontext des Auswuchtens ein idealisiertes Modell, das durch eine direkte Proportionalität zwischen der Größe der Unwucht (Unwuchtmasse) und der Schwingungsamplitude gekennzeichnet ist. Das bedeutet: Verdoppelt sich die Unwucht, verdoppelt sich auch die Schwingungsamplitude, vorausgesetzt, die Drehzahl des Rotors bleibt konstant. Umgekehrt führt eine Verringerung der Unwucht zu einer proportionalen Verringerung der Schwingungen.
Im Gegensatz zu nichtlinearen Systemen, bei denen das Verhalten eines Objekts in Abhängigkeit von vielen Faktoren variieren kann, ermöglichen lineare Objekte ein hohes Maß an Präzision bei minimalem Aufwand.
Darüber hinaus dienen sie als Grundlage für Training und Übung für Balancer. Das Verständnis der Prinzipien linearer Objekte hilft bei der Entwicklung von Fähigkeiten, die später auf komplexere Systeme angewendet werden können.
Graphical representation of linearity
Stellen Sie sich ein Diagramm vor, in dem die horizontale Achse die Größe der Unwuchtmasse (Unwucht) und die vertikale Achse die Schwingungsamplitude darstellt. Bei einem linearen Objekt ist dieses Diagramm eine Gerade, die durch den Ursprung verläuft (den Punkt, an dem sowohl die Unwucht als auch die Schwingungsamplitude null sind). Die Steigung dieser Geraden charakterisiert die Empfindlichkeit des Objekts gegenüber Unwucht: Je steiler die Steigung, desto größer die Schwingungen bei gleicher Unwucht.
Graph 1: The Relationship Between Vibration Amplitude (µm) and Unbalanced Mass (g) at a constant correction radius and constant rotational speed
Grafik 1 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Schwingungsamplitude (µm) eines linearen Auswuchtobjekts und der Unwuchtmasse (g) des Rotors. Der Proportionalitätskoeffizient beträgt 0,5 µm/g. Eine einfache Division von 300 durch 600 ergibt 0,5 µm/g. Bei einer Unwuchtmasse von 800 g (UM=800 g) beträgt die Schwingung 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Beachten Sie, dass dies bei konstanter Rotordrehzahl gilt. Bei einer anderen Drehzahl ist der Koeffizient anders.
Dieser Proportionalitätskoeffizient wird Einflusskoeffizient (Empfindlichkeitskoeffizient) genannt und hat die Dimension µm/g oder, in Fällen mit Unwucht, µm/(g*mm), wobei (g*mm) die Einheit der Unwucht ist. Kennt man den Einflusskoeffizienten (IC), ist es auch möglich, das umgekehrte Problem zu lösen, nämlich die unausgeglichene Masse (UM) anhand der Schwingungsgröße zu bestimmen. Dazu teilt man die Schwingungsamplitude durch den IC.
Wenn beispielsweise die gemessene Vibration 300 µm beträgt und der bekannte Koeffizient IC=0,5 µm/g ist, dividieren Sie 300 durch 0,5, um 600 g zu erhalten (UM=600 g).
A note on units: the displacement values in µm used in these examples are illustrative and chosen for simple arithmetic. The Balanset-1A measures and displays vibration velocity, mm/s RMS; the linearity principle and the influence-coefficient method work identically in either unit.
Influence coefficient (IC): key parameter of linear objects
A critical characteristic of a linear object is the Einflusskoeffizient (IC). It is numerically equal to the tangent of the slope angle of the line on the graph of vibration versus imbalance and indicates how much the vibration amplitude (in microns, µm) changes when a unit of mass (in grams, g) is added in a specific correction plane at a specific rotor speed. In other words, IC is a measure of the object's sensitivity to imbalance. Its unit of measurement is µm/g, or, when imbalance is expressed as the product of mass and radius, µm/(g*mm).
Der Einflusskoeffizient (IC) ist im Wesentlichen die 'Pass'-Kenngröße eines linearen Objekts und ermöglicht Vorhersagen über sein Verhalten bei Hinzufügung oder Entfernung von Masse. Die Kenntnis des IC erlaubt die Lösung sowohl des direkten Problems – die Bestimmung der Schwingungsamplitude bei gegebener Unwucht – als auch des inversen Problems – die Berechnung der Unwucht aus der gemessenen Schwingung.
Direct problem:
Inverse problem:
How the IC is obtained in practice:
Here V0 is the vibration vector measured in the initial run (Run 0), V1 is the vector measured after a trial mass mVersuch is installed (Run 1), K is the influence coefficient, and mKorrektur is the correction mass. All of these are complex (vector) quantities combining amplitude and phase — which is exactly why the article speaks below about the argument of the influence coefficient.
Throughout this article, the mass in grams is used as a proxy for unbalance: it is equivalent to unbalance in g·mm only as long as the correction radius stays the same. When the radius changes, use g·mm and an IC in µm/(g·mm).
Schwingungsphase in linearen Objekten
Neben der Amplitude wird eine Schwingung auch durch ihre Phase charakterisiert, die die Position des Rotors im Moment der maximalen Abweichung von seiner Ruhelage angibt. Bei einem linearen Objekt ist die Schwingungsphase ebenfalls vorhersagbar. Sie ist die Summe zweier Winkel:
- Der Winkel, der die Position der gesamten Unwuchtmasse des Rotors bestimmt. Dieser Winkel gibt die Richtung an, in der die primäre Unwucht konzentriert ist.
- Das Argument des Einflusskoeffizienten. Dies ist ein konstanter Winkel, der die dynamischen Eigenschaften des Objekts charakterisiert und nicht von der Größe oder dem Winkel der Unwuchtanordnung abhängt.
Wenn man also das IC-Argument kennt und die Schwingungsphase misst, kann man den Winkel der Unwucht bestimmen. Dies ermöglicht nicht nur die Berechnung der Korrekturmasse, sondern auch ihre genaue Platzierung auf dem Rotor, um eine optimale Balance zu erreichen.
Balancing linear objects
It is important to note that for a linear object, the influence coefficient obtained from the trial run as K = (V1 − V0) / mVersuch does not depend on the magnitude or angle of the trial mass installation, nor on the initial vibration. This is a key characteristic of linearity. If the IC remains unchanged when the trial mass parameters or initial vibration are altered, it can be confidently asserted that the object behaves linearly within the considered range of imbalances.
Schritte zum Auswuchten eines linearen Objekts
- Messung der Anfangsschwingung: Zunächst wird die Schwingung im Ausgangszustand gemessen. Dabei werden Amplitude und Schwingwinkel ermittelt, die Aufschluss über die Unwuchtrichtung geben.
- Einbringen einer Probemasse: Am Rotor wird eine Masse mit bekanntem Gewicht angebracht. Dadurch lässt sich nachvollziehen, wie das Objekt auf zusätzliche Belastungen reagiert und die Schwingungsparameter können berechnet werden.
- Vibration erneut messen: Nach dem Einbau der Probemasse werden neue Schwingungsparameter gemessen. Durch den Vergleich mit den Ausgangswerten lässt sich feststellen, wie sich die Masse auf das System auswirkt.
- Berechnung der Korrekturmasse: Anhand der Messdaten werden Masse und Einbauwinkel des Ausgleichsgewichts ermittelt. Dieses Gewicht wird auf den Rotor aufgelegt, um die Unwucht zu beseitigen.
- Endgültige Überprüfung: Nach dem Einbau des Korrekturgewichts sollte die Vibration deutlich reduziert sein. Wenn die Restvibration immer noch das akzeptable Maß überschreitet, kann der Vorgang wiederholt werden.
Hinweis: Linear objects serve as ideal models for studying and practically applying balancing methods. Their properties allow engineers and diagnosticians to focus on developing basic skills and understanding the fundamental principles of working with rotor systems. Although the perfectly linear object is an idealization, most machines in good mechanical condition behave linearly enough within the range of unbalance encountered in field balancing — which is exactly why the influence-coefficient method works at all. The linear model is therefore not an academic exercise but the normal working assumption; nonlinearity is the exception that has to be recognized.
Serienauswuchten und gespeicherte Koeffizienten
Serial balancing deserves special attention. It can significantly increase productivity, but only when applied to linear, vibration-stable objects. In such cases, influence coefficients obtained on the first rotor can be reused for subsequent identical rotors. The Balanset-1A software supports this directly: coefficients from a previous balancing session are stored in the archive and can be re-applied to an identical rotor with the Apply coefficients function (F6 Reports, balancing archive). However, as soon as support stiffness, rotational speed, or bearing condition changes, repeatability is lost and the serial approach stops working.
Nonlinear objects: when theory diverges from practice
Was ist ein nichtlineares Objekt?
Ein nichtlineares Objekt ist ein System, bei dem die Schwingungsamplitude nicht proportional zur Größe der Unwucht ist. Im Gegensatz zu linearen Objekten, bei denen die Beziehung zwischen Schwingung und Unwuchtmasse durch eine gerade Linie dargestellt wird, kann diese Beziehung bei nichtlinearen Systemen komplexen Bahnen folgen.
In the real world, not all objects behave linearly. Nonlinear objects exhibit a relationship between imbalance and vibration that is not directly proportional. This means the influence coefficient is not constant and may vary depending on factors such as:
- Ausmaß der Unwucht: Eine Erhöhung der Unwucht kann die Steifigkeit der Rotorstützen verändern, was zu nichtlinearen Änderungen der Schwingungen führt.
- Vorhandensein von Spielen und Spalten: Spiel und Spalte in Lagern und anderen Verbindungen können unter bestimmten Bedingungen zu abrupten Schwingungsänderungen führen.
Temperature changes and varying external loads also alter the dynamic characteristics of the object, but in a different way: they make the system non-stationary rather than nonlinear (see the section on vibration instability below).
Why are nonlinear objects challenging?
Nichtlinearität führt viele Variablen in den Ausgleichsprozess ein. Erfolgreiches Arbeiten mit nichtlinearen Objekten erfordert mehr Messungen und komplexere Analysen. Beispielsweise liefern Standardmethoden, die auf lineare Objekte anwendbar sind, bei nichtlinearen Systemen nicht immer genaue Ergebnisse. Dies erfordert ein tieferes Verständnis der Physik des Prozesses und den Einsatz spezieller Diagnosemethoden.
Anzeichen von Nichtlinearität
Ein nichtlineares Objekt kann an folgenden Zeichen erkannt werden:
- Nichtproportionale Schwingungsänderungen: Mit zunehmender Unwucht können die Schwingungen schneller oder langsamer zunehmen als bei einem linearen Objekt erwartet.
- Phasenverschiebung bei Schwingungen: Bei Schwankungen der Unwucht oder der Drehzahl kann sich die Schwingungsphase unvorhersehbar ändern.
- Vorhandensein von Harmonischen und Subharmonischen: The vibration spectrum may exhibit higher harmonics (multiples of the rotational frequency) and subharmonics (fractions of the rotational frequency), indicating nonlinear effects. In the Balanset-1A software, these can be inspected on the F8 Charts screen, F5-Spectrum (Hz) tab; keep in mind that the vibration sensor maintains its rated accuracy up to about 550 Hz, and its response rolls off above that, so higher-frequency spectral components should be read as indicative only.
- Hysterese: Die Schwingungsamplitude kann nicht nur vom aktuellen Unwuchtwert, sondern auch von dessen Vorgeschichte abhängen. Wenn beispielsweise die Unwucht zunimmt und dann wieder auf den Anfangswert abnimmt, kehrt die Schwingungsamplitude möglicherweise nicht auf ihren ursprünglichen Wert zurück.
How to test an object for linearity
- Repeatability check: Perform Run 0, stop the machine, restart it, and repeat Run 0 without touching anything. If the amplitude agrees within about 10% and the phase within about 10–15°, the object is stable enough to balance.
- Removal check: After the trial run, remove the trial weight and repeat Run 0. If the vibration vector does not return to its original value, the object has hysteresis or looseness.
- Double-mass check: Repeat the trial run with a trial weight twice as heavy in the same location. For a linear object the vector change (V1 − V0) must double in magnitude and keep the same direction. Any other outcome means the influence coefficient depends on the trial mass — the object is nonlinear.
- 180° check: The same trial weight moved 180° must rotate the vector change by 180°.
Graphical representation of nonlinearity
In einem Diagramm, das Vibrationen im Vergleich zu Unwucht darstellt, wird Nichtlinearität durch Abweichungen von einer geraden Linie deutlich. Das Diagramm kann Biegungen, Krümmungen, Hystereseschleifen und andere Merkmale aufweisen, die auf eine komplexe Beziehung zwischen Unwucht und Vibration hinweisen.
Graph 2. Nonlinear Object (at a constant correction radius and constant rotational speed)
50 g; 40 µm (yellow), 100 g; 54.7 µm (blue).
Dieses Objekt weist zwei Segmente auf, zwei gerade Linien. Bei Unwuchten von weniger als 50 Gramm spiegelt die Grafik die Eigenschaften eines linearen Objekts wider, wobei die Proportionalität zwischen der Unwucht in Gramm und der Schwingungsamplitude in Mikrometern gewahrt bleibt. Bei Unwuchten von mehr als 50 Gramm verlangsamt sich das Wachstum der Schwingungsamplitude.
Beispiele nichtlinearer Objekte
Beispiele für nichtlineare Objekte im Zusammenhang mit dem Ausgleich sind:
- Rotoren mit Rissen: Risse im Rotor können zu nichtlinearen Steifigkeitsänderungen und infolgedessen zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Schwingung und Unwucht führen.
- Rotoren mit Lagerspiel: Spiel in Lagern kann unter bestimmten Bedingungen zu abrupten Schwingungsänderungen führen.
- Rotoren mit nichtlinearen elastischen Elementen: Manche elastische Elemente, wie zum Beispiel Gummidämpfer, können nichtlineare Eigenschaften aufweisen, die die Rotordynamik beeinflussen.
Arten der Nichtlinearität
1. Soft-stiff nonlinearity
In solchen Systemen werden zwei Segmente beobachtet: weich und steif. Im weichen Segment ähnelt das Verhalten der Linearität, wobei die Schwingungsamplitude proportional zur Unwuchtmasse zunimmt. Nach einem bestimmten Schwellenwert (Knickpunkt) wechselt das System jedoch in einen steifen Modus, bei dem das Amplitudenwachstum langsamer wird.
2. Elastic nonlinearity
Änderungen der Steifigkeit von Stützen oder Kontakten innerhalb des Systems machen die Beziehung zwischen Schwingung und Unwucht komplex. Beispielsweise kann die Schwingung beim Überschreiten bestimmter Belastungsschwellenwerte plötzlich zunehmen oder abnehmen.
3. Friction-induced nonlinearity
In Systemen mit erheblicher Reibung (z. B. in Lagern) kann die Schwingungsamplitude unvorhersehbar sein. Reibung kann die Schwingung in einem Geschwindigkeitsbereich verringern und in einem anderen verstärken.
Häufige Ursachen der Nichtlinearität
The most common causes of nonlinearity are increased bearing clearances, bearing wear, dry friction, loosened supports, and cracks in the structure. Operation near a Resonanz is a separate problem: it does not make the object nonlinear, but it destroys measurement repeatability and is therefore just as fatal for the influence-coefficient method. Often, the object exhibits so-called soft–hard nonlinearity. At small unbalance levels the system behaves almost linearly, but as vibration increases, stiffer elements of the supports or casing become involved. In such cases, balancing is possible only within a narrow operating range and does not provide stable long-term results.
Schwingungsinstabilität
Another serious issue is vibration instability. Even a formally linear object may show changes in amplitude and phase over time. This is caused by thermal effects, changes in lubricant viscosity, thermal expansion, unstable friction in the supports, and varying external loads acting on the machine. As a result, measurements taken only minutes apart can produce different vibration vectors. Under these conditions, meaningful comparison of measurements becomes impossible, and the balancing calculation loses reliability.
Note the distinction: a nonlinear object gives a different influence coefficient for a different trial-weight mass; a non-stationary (unstable) object gives a different influence coefficient for the same trial weight measured at a different time. Both break the calculation, but the remedies differ — nonlinearity is fixed mechanically, instability is fixed by stabilizing the operating regime and measuring quickly.
Auswuchten in der Nähe der Resonanz
Balancing near resonance is especially problematic. When the rotational frequency is close to a Eigenfrequenz of the system, even a small unbalance produces a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Note that resonance itself is not nonlinearity: a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability — a ±1% scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. (A large resonant response can, in addition, push the supports into a genuinely nonlinear range — but that is a consequence, not the definition.) In such cases the balancing speed must be moved away from the natural frequency, or the mechanical structure changed, before balancing is attempted.
Hohe Vibrationen nach “erfolgreicher” Auswuchtung
In der Praxis kommt es häufig vor, dass nach einem formal erfolgreichen Auswuchtvorgang der Gesamtschwingungsgrad weiterhin hoch bleibt. Dies deutet nicht auf einen Fehler des Messgeräts oder des Bedieners hin. Auswuchten beseitigt lediglich Massenunwuchten. Werden die Schwingungen durch Fundamentfehler, lockere Befestigungselemente, Fehlausrichtung oder Resonanz verursacht, lösen Ausgleichsgewichte das Problem nicht. In diesen Fällen hilft die Analyse der räumlichen Schwingungsverteilung an der Maschine und ihrem Fundament, die wahre Ursache zu ermitteln.
Balancing nonlinear objects: a complex task with unconventional solutions
Das Ausbalancieren nichtlinearer Objekte ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die spezielle Methoden und Ansätze erfordert. Die für lineare Objekte entwickelte Standardmethode der Versuchsmasse kann zu fehlerhaften Ergebnissen führen oder völlig unbrauchbar sein.
Auswuchtmethoden für nichtlineare Objekte
- Schrittweises Ausbalancieren: Bei diesem Verfahren wird die Unwucht schrittweise durch den Einbau von Ausgleichsgewichten in jeder Phase reduziert. Nach jeder Phase werden Schwingungsmessungen durchgeführt und anhand des aktuellen Zustands des Objekts ein neues Ausgleichsgewicht bestimmt. Dieses Verfahren berücksichtigt Änderungen des Einflusskoeffizienten während des Auswuchtprozesses.
- Balancing at several speeds: Influence coefficients are speed-dependent, so a rotor that must run over a wide speed range may need coefficients measured at more than one speed. This is the domain of modal (multi-speed) balancing of flexible rotors and requires a linear, repeatable object, several correction planes and, as a rule, a balancing machine. It is not a workaround for a nonlinear object, and it does not mean balancing near a resonance — measurement speeds must still be chosen away from the critical speeds. The Balanset-1A implements the single-speed influence-coefficient method: all runs (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) must be performed at the same rotational speed.
- Verwendung mathematischer Modelle: Für komplexe nichtlineare Objekte können mathematische Modelle verwendet werden, die die Rotordynamik unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte beschreiben. Diese Modelle helfen dabei, das Objektverhalten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und optimale Ausgleichsparameter zu bestimmen.
Die Erfahrung und Intuition eines Spezialisten spielen eine entscheidende Rolle beim Auswuchten nichtlinearer Objekte. Ein erfahrener Auswuchtspezialist erkennt Anzeichen von Nichtlinearität, wählt die geeignete Methode und passt sie an die jeweilige Situation an. Die Analyse von Schwingungsspektren, die Beobachtung von Schwingungsänderungen bei Variation der Betriebsparameter des Objekts und die Berücksichtigung der Konstruktionsmerkmale des Rotors tragen dazu bei, die richtigen Entscheidungen zu treffen und die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
How to balance nonlinear objects using a tool designed for linear objects
Das ist eine gute Frage. Meine persönliche Methode zum Auswuchten solcher Objekte beginnt mit der Reparatur des Mechanismus: Lager ersetzen, Risse schweißen, Schrauben festziehen, Anker oder Schwingungsisolatoren prüfen und sicherstellen, dass der Rotor nicht an stationären Strukturelementen reibt.
Next, I identify resonance frequencies, as it is impossible to balance a rotor at speeds close to resonance. To do this, I use the impact method for resonance determination (the Bump Test function in the Balanset-1A software) or a rotor coast-down graph (the RunDown function).
Dann bestimme ich die Position des Sensors am Mechanismus: vertikal, horizontal oder in einem Winkel.
Nach Probeläufen zeigt das Gerät Winkel und Gewicht der Korrekturlasten an. Ich halbiere das Korrekturlastgewicht, verwende aber die vom Gerät vorgeschlagenen Winkel für die Rotorplatzierung. Wenn die Restschwingung nach der Korrektur immer noch das akzeptable Maß überschreitet, führe ich einen weiteren Rotorlauf durch. Natürlich nimmt dies mehr Zeit in Anspruch, aber die Ergebnisse sind manchmal inspirierend.
The art and science of balancing rotating equipment
Das Auswuchten rotierender Geräte ist ein komplexer Prozess, der Elemente aus Wissenschaft und Kunst vereint. Bei linearen Objekten umfasst das Auswuchten relativ einfache Berechnungen und Standardmethoden. Die Arbeit mit nichtlinearen Objekten erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Rotordynamik, die Fähigkeit, Schwingungssignale zu analysieren, und die Fähigkeit, die effektivsten Auswuchtstrategien auszuwählen.
Erfahrung, Intuition und kontinuierliche Verbesserung der Fähigkeiten machen einen Auswuchtmeister zu einem wahren Meister seines Fachs. Denn die Qualität des Auswuchtens bestimmt nicht nur die Effizienz und Zuverlässigkeit des Anlagenbetriebs, sondern gewährleistet auch die Sicherheit von Menschen.
Messwiederholbarkeit
Messprobleme spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Eine fehlerhafte Installation der Schwingungssensoren, Änderungen der Messpunkte oder eine falsche Sensorausrichtung beeinflussen Amplitude und Phase direkt. Für das Auswuchten reicht die reine Schwingungsmessung nicht aus; Wiederholbarkeit und Stabilität der Messungen sind entscheidend. Daher müssen in der Praxis die Montageorte und Ausrichtungen der Sensoren streng kontrolliert werden.
Praktischer Ansatz für nichtlineare Objekte
Das Auswuchten eines nichtlinearen Objekts beginnt stets nicht mit der Installation eines Probegewichts, sondern mit der Analyse des Schwingungsverhaltens. Wenn Amplitude und Phase sich im Laufe der Zeit deutlich verändern, von einem Startpunkt zum anderen wechseln oder stark auf kleine Drehzahländerungen reagieren, besteht die erste Aufgabe darin, den stabilsten Betriebszustand zu erreichen. Andernfalls sind alle Berechnungen willkürlich.
Der erste praktische Schritt ist die Wahl der richtigen Drehzahl. Nichtlineare Objekte reagieren äußerst empfindlich auf Resonanzen, daher muss das Auswuchten mit einer Drehzahl erfolgen, die möglichst weit von den Eigenfrequenzen entfernt ist. Dies bedeutet häufig, unterhalb oder oberhalb des üblichen Betriebsbereichs zu arbeiten. Selbst wenn die Schwingung bei dieser Drehzahl höher, aber stabil ist, ist dies dem Auswuchten im Resonanzbereich vorzuziehen.
Als Nächstes ist es wichtig, alle zusätzlichen Quellen von Nichtlinearität zu minimieren. Vor dem Auswuchten sollten alle Befestigungselemente geprüft und festgezogen, Spiele so weit wie möglich beseitigt sowie Stützen und Lagereinheiten auf Lockerheit überprüft werden. Auswuchten kompensiert weder Spiel noch Reibung, ein Auswuchten ist jedoch möglich, wenn diese Faktoren in einen stabilen Zustand gebracht werden.
Bei der Arbeit mit nichtlinearen Objekten sollten kleine Testgewichte nicht aus Gewohnheit verwendet werden. Zu kleine Testgewichte führen oft nicht dazu, dass das System in einen reproduzierbaren Bereich gelangt, und die Schwingungsänderung wird vergleichbar mit Instabilitätsrauschen. Das Testgewicht muss groß genug sein, um eine deutliche und reproduzierbare Änderung des Schwingungsvektors zu bewirken, aber nicht so groß, dass es das Objekt in einen anderen Betriebsbereich zwingt.
Die Messungen sollten zügig und unter identischen Bedingungen durchgeführt werden. Je kürzer der Zeitraum zwischen den Messungen ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die dynamischen Systemparameter nicht verändern. Es empfiehlt sich, mehrere Kontrollläufe ohne Konfigurationsänderung durchzuführen, um das konsistente Verhalten des Objekts zu bestätigen.
Es ist äußerst wichtig, die Befestigungspunkte und die Ausrichtung des Vibrationssensors festzulegen. Bei nichtlinearen Objekten kann selbst eine geringe Sensorverschiebung merkliche Änderungen in Phase und Amplitude verursachen, die fälschlicherweise als Einfluss des Testgewichts interpretiert werden könnten.
Bei den Berechnungen sollte man nicht auf die exakte numerische Übereinstimmung, sondern auf die Trends achten. Wenn die Schwingungen mit aufeinanderfolgenden Korrekturen stetig abnehmen, deutet dies darauf hin, dass die Auswuchtung in die richtige Richtung geht, selbst wenn die Einflusskoeffizienten formal nicht konvergieren.
Es wird nicht empfohlen, Einflusskoeffizienten für nichtlineare Objekte zu speichern und wiederzuverwenden. Selbst wenn ein Ausgleichszyklus erfolgreich ist, kann das Objekt beim nächsten Start in einen anderen Zustand übergehen, und die vorherigen Koeffizienten sind dann nicht mehr gültig.
Man sollte bedenken, dass das Auswuchten eines nichtlinearen Objekts oft ein Kompromiss ist. Ziel ist nicht die geringstmögliche Vibration, sondern die Maschine in einen stabilen und reproduzierbaren Zustand mit einem akzeptablen Vibrationsniveau zu versetzen. In vielen Fällen handelt es sich dabei um eine Übergangslösung, bis Lager repariert, Stützen wiederhergestellt oder die Struktur modifiziert ist.
Das wichtigste praktische Prinzip besteht darin, das Objekt zunächst zu stabilisieren, dann auszubalancieren und erst anschließend das Ergebnis zu bewerten. Lässt sich eine Stabilisierung nicht erreichen, sollte das Ausbalancieren als Hilfsmaßnahme und nicht als endgültige Lösung betrachtet werden.
Technik mit reduziertem Korrekturgewicht
In der Praxis erweist sich beim Auswuchten nichtlinearer Objekte oft eine andere wichtige Technik als wirksam. Berechnet das Messgerät ein Korrekturgewicht mithilfe eines Standardalgorithmus, verschlimmert die Installation des vollständig berechneten Gewichts häufig die Situation: Die Vibrationen können zunehmen, die Phase kann springen und das Objekt kann in einen anderen Betriebsmodus wechseln.
In solchen Fällen ist die Verwendung eines reduzierten Korrekturgewichts – zwei- oder sogar dreimal kleiner als der vom Messgerät berechnete Wert – hilfreich. Dadurch wird vermieden, dass das System aus dem bedingt linearen Bereich in einen nichtlinearen Bereich “überführt” wird. Die Korrektur erfolgt somit sanft und schrittweise, ohne die dynamischen Parameter des Objekts abrupt zu verändern.
Nach dem Einbau des reduzierten Gewichts muss ein Kontrolllauf durchgeführt und der Schwingungsverlauf ausgewertet werden. Nimmt die Amplitude stetig ab und bleibt die Phase relativ stabil, kann die Korrektur mit demselben Verfahren wiederholt werden, um sich schrittweise dem minimal erreichbaren Schwingungsniveau anzunähern. Dieses schrittweise Vorgehen ist oft zuverlässiger als der sofortige Einbau des gesamten berechneten Korrekturgewichts.
Dieses Verfahren ist besonders effektiv bei Objekten mit Spiel, Trockenreibung und weich-harten Lagern, da eine vollständig berechnete Korrektur das System sofort aus dem bedingt linearen Bereich führt. Durch die Verwendung reduzierter Korrekturmassen bleibt das Objekt im stabilsten Betriebszustand, und es wird möglich, selbst dann ein praktisches Ergebnis zu erzielen, wenn ein Auswuchten formal als unmöglich gilt.
Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich hierbei nicht um einen “Instrumentenfehler” handelt, sondern um eine Folge der Physik nichtlinearer Systeme. Das Instrument berechnet korrekt für ein lineares Modell, während der Ingenieur das Ergebnis in der Praxis an das tatsächliche Verhalten des mechanischen Systems anpasst.
Abschließendes Prinzip
Erfolgreiches Auswuchten ist letztlich mehr als nur die Berechnung von Gewicht und Winkel. Es erfordert ein tiefes Verständnis des dynamischen Verhaltens des Objekts, seiner Linearität, Schwingungsstabilität und des Abstands zu Resonanzzuständen. Das Balanset-1A bietet alle notwendigen Werkzeuge für Messung, Analyse und Berechnung, doch das Endergebnis wird stets durch den mechanischen Zustand des Systems selbst bestimmt. Genau hierin liegt der Unterschied zwischen einem formalen Ansatz und der realen Ingenieurpraxis in der Schwingungsdiagnostik und Rotorwuchtung.
Fragen und Antworten
This is a sign of a nonlinear object. In a linear object, vibration amplitude is proportional to the amount of unbalance, and the phase changes by the same angle as the angular position of the weight. When these conditions are violated, the influence coefficient is no longer constant and the standard balancing algorithm starts to produce errors. Typical causes are bearing clearances, loosened supports, friction, and operation near resonance — which is not nonlinearity in itself, but amplifies the vibration and destroys the repeatability of the readings (check it with the Bump Test).
Ein lineares Objekt ist ein Rotorsystem, bei dem bei gleicher Drehzahl die Schwingungsamplitude direkt proportional zur Unwucht ist und die Schwingungsphase exakt der Winkelposition der Unwuchtmasse folgt. Bei solchen Objekten ist der Einflusskoeffizient konstant und unabhängig von der Masse des Probegewichts.
Ein nichtlineares Objekt ist ein System, in dem die Proportionalität zwischen Schwingung und Unwucht und/oder die Phasenbeziehung nicht mehr gegeben ist. Schwingungsamplitude und -phase hängen dann von der Masse des Probegewichts ab. Dies tritt meist im Zusammenhang mit Lagerspiel, Verschleiß, Trockenreibung, weichen oder harten Stützen oder dem Eingriff steiferer Bauteile auf.
Ja, aber das Ergebnis ist instabil und vom Betriebsmodus abhängig. Auswuchten ist nur in einem begrenzten Bereich möglich, in dem sich das Objekt bedingt linear verhält. Außerhalb dieses Bereichs ändern sich die Einflusskoeffizienten, und die Wiederholgenauigkeit des Ergebnisses geht verloren.
Der Einflusskoeffizient ist ein Maß für die Empfindlichkeit der Schwingung gegenüber Unwuchtänderungen. Er zeigt, wie stark sich der Schwingungsvektor ändert, wenn ein bekanntes Probegewicht in einer bestimmten Ebene bei einer bestimmten Drehzahl angebracht wird.
Der Einflusskoeffizient ist instabil, wenn das Objekt nichtlinear ist, die Schwingung zeitlich instabil ist oder Resonanz, thermische Erwärmung, gelöste Befestigungselemente oder sich ändernde Reibungsbedingungen vorliegen. In solchen Fällen führen wiederholte Starts zu unterschiedlichen Amplituden- und Phasenwerten.
Gespeicherte Einflusskoeffizienten dürfen nur für identische Rotoren verwendet werden, die mit gleicher Drehzahl, unter gleichen Einbaubedingungen und bei gleicher Lagersteifigkeit betrieben werden. Das Objekt muss linear und schwingungsstabil sein. Bereits geringfügige Änderungen der Bedingungen führen dazu, dass die alten Koeffizienten unzuverlässig werden.
Während der Aufwärmphase ändern sich Lagerspiel, Stützsteifigkeit, Schmierstoffviskosität und Reibungsniveau. Dies verändert die dynamischen Parameter des Systems und somit auch Schwingungsamplitude und -phase.
Schwingungsinstabilität bezeichnet eine zeitliche Änderung der Amplitude und/oder Phase bei konstanter Drehzahl. Da das Auswuchten auf dem Vergleich von Schwingungsvektoren beruht, verliert dieser Vergleich bei instabilen Schwingungen seine Aussagekraft und die Berechnung wird unzuverlässig.
Es gibt inhärente strukturelle Instabilität, langsame „kriechende“ Instabilität, Variationen von Start zu Start, aufwärmbedingte Instabilität sowie resonanzbedingte Instabilität beim Betrieb nahe den Eigenfrequenzen.
In the resonance zone, even a small unbalance causes a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Resonance itself is not nonlinearity — a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability: the normal scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. The balancing speed must be moved away from the natural frequency before balancing is attempted.
Typical signs are a sharp increase in vibration with small speed changes, unstable phase, broad humps in the spectrum, and high sensitivity of vibration to minor RPM variations. A vibration maximum is often observed during run-up or coast-down. The most reliable indicator is the phase: as the speed passes through a resonance, the phase lag goes through about 90° at the peak and reverses by roughly 180° above it. Watch the phase readout during a slow run-up or coast-down — a 180° swing together with an amplitude maximum locates the critical speed.
Starke Vibrationen können durch Resonanz, gelockerte Bauteile, Fundamentmängel oder Lagerprobleme verursacht werden. In solchen Fällen beseitigt eine Auswuchtung nicht die Ursache der Vibrationen.
Die Schwingungsamplitude wird durch die Schwingungsauslenkung, die Schwingungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit dieser Bewegung und die Schwingungsbeschleunigung durch die Beschleunigung charakterisiert. Diese Größen hängen zwar zusammen, eignen sich aber jeweils besser zur Erkennung bestimmter Fehlertypen und Frequenzbereiche.
Vibration velocity reflects the energy level of vibration over a wide frequency range and is convenient for assessing the overall condition of machines according to ISO standards such as ISO 10816-1.
Eine korrekte Umrechnung ist nur bei harmonischen Schwingungen mit einer einzigen Frequenz möglich. Bei komplexen Schwingungsspektren liefern solche Umrechnungen lediglich Näherungsergebnisse.
Mögliche Ursachen sind Resonanz, Fundamentfehler, gelöste Befestigungselemente, Lagerverschleiß, Fehlausrichtung oder Nichtlinearität des Objekts. Durch Auswuchten wird lediglich die Unwucht beseitigt, nicht aber andere Defekte.
Werden keine mechanischen Defekte festgestellt und nimmt die Vibration nach dem Auswuchten nicht ab, muss die Vibrationsverteilung an Maschine und Fundament analysiert werden. Typische Anzeichen sind starke Vibrationen des Gehäuses und des Fundaments sowie Phasenverschiebungen zwischen den Messpunkten.
Eine fehlerhafte Installation des Sensors verzerrt Amplitude und Phase, verringert die Wiederholbarkeit der Messung und kann zu falschen Diagnoseergebnissen und fehlerhaften Auswuchtergebnissen führen.
Die Schwingungen verteilen sich ungleichmäßig über die gesamte Struktur. Steifigkeit, Massen und Schwingungsformen unterscheiden sich, sodass Amplitude und Phase von Punkt zu Punkt erheblich variieren können.
Grundsätzlich nein. Verschleiß und vergrößerte Spiele führen zu einer Nichtlinearität des Objekts. Das Auswuchten wird instabil und liefert kein dauerhaftes Ergebnis. Ausnahmen sind nur bei konstruktiv vorgesehenen Spielen und stabilen Bedingungen möglich.
Das Anfahren erzeugt hohe dynamische Belastungen. Wenn die Struktur gelockert wird, verändern sich die relativen Positionen der Elemente nach jedem Anfahren, was zu Änderungen der Schwingungsparameter führt.
Eine serielle Auswuchtung ist für identische Rotoren möglich, die unter identischen Bedingungen mit Schwingungsstabilität und Resonanzfreiheit installiert sind. In diesem Fall können Einflusskoeffizienten des ersten Rotors auf die nachfolgenden Rotoren übertragen werden.
Dies ist üblicherweise auf Änderungen der Stützsteifigkeit, Montageunterschiede, Änderungen der Drehzahl oder den Übergang des Objekts in einen nichtlinearen Betriebszustand zurückzuführen.
Reduzierung der Vibration auf ein stabiles Niveau bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Wiederholbarkeit von Amplitude und Phase von Start zu Start sowie Abwesenheit von Anzeichen von Resonanz oder Nichtlinearität.
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