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.
Lineare und nichtlineare Schwingungen, ihre Merkmale und Auswuchtmethoden
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
Die meisten dieser Probleme beruhen auf einer grundlegenden, aber oft unterschätzten Unterscheidung zwischen linearen und nichtlinearen Objekten. Ein lineares Objekt ist aus Sicht des Auswuchtens ein System, bei dem die Schwingungsamplitude bei konstanter Drehzahl proportional zur Menge der Unwucht, und die Schwingungsphase folgt der Winkelposition der unwuchtigen Masse auf streng vorhersagbare Weise. Unter diesen Bedingungen ist der Einflusskoeffizient ein konstanter Wert. Alle Standardalgorithmen zum dynamischen Auswuchten, einschließlich der im Balanset-1A implementierten, sind genau für solche Objekte ausgelegt.
Bei einem linearen Objekt ist der Auswuchtvorgang vorhersehbar und stabil. Das Anbringen eines Probegewicht erzeugt eine proportionale Änderung von Schwingungsamplitude und -phase. Wiederholte Starts liefern denselben Schwingungsvektor, und das berechnete Korrekturgewicht bleibt gültig. Solche Objekte eignen sich sowohl für das einmalige Auswuchten als auch für das serielle Auswuchten mit gespeicherten Einflusskoeffizienten.
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.
Grafische Darstellung der Linearität
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.
Diagramm 1: Der Zusammenhang zwischen Schwingungsamplitude (µm) und Unwuchtmasse (g) bei konstantem Korrekturradius und konstanter Drehzahl
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).
Ein Hinweis zu den Einheiten: die in diesen Beispielen verwendeten Verschiebungswerte in µm sind illustrativ und wurden für eine einfache Berechnung gewählt. Das Balanset-1A misst und zeigt die Schwinggeschwindigkeit in mm/s RMS an; das Linearitätsprinzip und die Einflusskoeffizientenmethode funktionieren in beiden Einheiten identisch.
Einflusskoeffizient (IC): Schlüsselparameter linearer Objekte
Ein entscheidendes Merkmal eines linearen Objekts ist die Einflusskoeffizient (IC). Er ist zahlenmäßig gleich dem Tangens des Steigungswinkels der Geraden im Diagramm Schwingung gegen Unwucht und gibt an, um wie viel sich die Schwingungsamplitude (in Mikrometern, µm) ändert, wenn eine Masseneinheit (in Gramm, g) in einer bestimmten Ausgleichsebene bei einer bestimmten Rotordrehzahl hinzugefügt wird. Mit anderen Worten: Der IC ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Objekts gegenüber Unwucht. Seine Maßeinheit ist µm/g, oder, wenn die Unwucht als Produkt aus Masse und Radius ausgedrückt wird, 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.
Direktes Problem:
Inverses Problem:
Wie der Einflusskoeffizient (IC) in der Praxis ermittelt wird:
Hier V0 ist der im Ausgangslauf (Run 0) gemessene Schwingungsvektor, V1 ist der nach einer Probemasse m gemessene Vektortrial installiert wird (Run 1), K der Einflusskoeffizient ist und mKorrektur ist die Korrekturmasse. All dies sind komplexe (vektorielle) Größen, die Amplitude und Phase kombinieren — genau deshalb spricht der Artikel weiter unten vom Argument des Einflusskoeffizienten.
In diesem Artikel wird die Masse in Gramm als Stellvertreter für die Unwucht verwendet: Sie entspricht der Unwucht in g·mm nur so lange, wie der Korrekturradius gleich bleibt. Ändert sich der Radius, verwenden Sie g·mm und einen Einflusskoeffizienten (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.
Auswuchten linearer Objekte
Wichtig zu beachten ist, dass bei einem linearen Objekt der aus dem Probelauf ermittelte Einflusskoeffizient als K = (V1 − V0) / mtrial hängt weder von der Größe noch vom Winkel der Anbringung der Probemasse noch von der Anfangsschwingung ab. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft der Linearität. Bleibt der IC unverändert, wenn die Parameter der Probemasse oder die Anfangsschwingung geändert werden, kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass sich das Objekt im betrachteten Unwuchtbereich linear verhält.
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: Lineare Objekte dienen als ideale Modelle zum Studium und zur praktischen Anwendung von Auswuchtmethoden. Ihre Eigenschaften ermöglichen es Ingenieuren und Diagnostikern, sich auf die Entwicklung grundlegender Fertigkeiten und das Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Arbeit mit Rotorsystemen zu konzentrieren. Obwohl das perfekt lineare Objekt eine Idealisierung ist, verhalten sich die meisten Maschinen in gutem mechanischem Zustand innerhalb des im Feldauswuchten anzutreffenden Unwuchtbereichs hinreichend linear — genau deshalb funktioniert die Einflusskoeffizientenmethode überhaupt. Das lineare Modell ist daher keine akademische Übung, sondern die normale Arbeitsannahme; Nichtlinearität ist die Ausnahme, die erkannt werden muss.
Serienauswuchten und gespeicherte Koeffizienten
Das serielle Auswuchten verdient besondere Aufmerksamkeit. Es kann die Produktivität erheblich steigern, jedoch nur bei linearen, schwingungsstabilen Objekten. In solchen Fällen können die am ersten Rotor ermittelten Einflusskoeffizienten für nachfolgende identische Rotoren wiederverwendet werden. Die Balanset-1A-Software unterstützt dies direkt: Koeffizienten aus einer früheren Auswuchtsitzung werden im Archiv gespeichert und können mit der Funktion Apply coefficients (F6 Reports, balancing archive) erneut auf einen identischen Rotor angewendet werden. Sobald sich jedoch die Stützensteifigkeit, die Drehzahl oder der Lagerzustand ändert, geht die Reproduzierbarkeit verloren, und der serielle Ansatz funktioniert nicht mehr.
Nichtlineare Objekte: wenn die Theorie von der Praxis abweicht
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 der Praxis verhalten sich nicht alle Objekte linear. Bei nichtlinearen Objekten ist der Zusammenhang zwischen Unwucht und Schwingung nicht direkt proportional. Das bedeutet, dass der Einflusskoeffizient nicht konstant ist und von Faktoren wie den folgenden abhängen kann:
- 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.
Temperaturänderungen und wechselnde äußere Lasten verändern ebenfalls die dynamischen Eigenschaften des Objekts, jedoch auf andere Weise: Sie machen das System instationär statt nichtlinear (siehe den Abschnitt über Schwingungsinstabilität weiter unten).
Warum sind nichtlineare Objekte eine Herausforderung?
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: Das Schwingungsspektrum kann höhere Harmonische (Vielfache der Drehfrequenz) und Subharmonische (Bruchteile der Drehfrequenz) aufweisen, die auf nichtlineare Effekte hinweisen. In der Balanset-1A-Software lassen sich diese auf dem Bildschirm F8 Charts, Reiter F5-Spectrum (Hz), überprüfen; beachten Sie, dass der Schwingungssensor seine Nenngenauigkeit bis etwa 550 Hz beibehält und sein Frequenzgang darüber hinaus abfällt, sodass höherfrequente Spektralkomponenten nur als indikativ zu betrachten sind.
- 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.
Wie man ein Objekt auf Linearität prüft
- Wiederholbarkeitsprüfung: Führen Sie Run 0 durch, stoppen Sie die Maschine, starten Sie sie neu und wiederholen Sie Run 0, ohne etwas zu verändern. Stimmt die Amplitude auf etwa 10 % und die Phase auf etwa 10–15° überein, ist das Objekt stabil genug für das Auswuchten.
- Entfernungskontrolle: Entfernen Sie nach dem Probelauf das Probegewicht und wiederholen Sie Run 0. Kehrt der Schwingungsvektor nicht zu seinem ursprünglichen Wert zurück, hat das Objekt eine Hysterese oder Lockerung.
- Doppelmassen-Kontrolle: Wiederholen Sie den Probelauf mit einem doppelt so schweren Probegewicht an derselben Stelle. Bei einem linearen Objekt ist die Vektoränderung (V1 − V0) muss sich im Betrag verdoppeln und die gleiche Richtung beibehalten. Jedes andere Ergebnis bedeutet, dass der Einflusskoeffizient von der Probemasse abhängt — das Objekt ist nichtlinear.
- 180°-Kontrolle: Dasselbe, um 180° verschobene Probegewicht muss die Vektoränderung um 180° drehen.
Grafische Darstellung der Nichtlinearität
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.
Diagramm 2. Nichtlineares Objekt (bei konstantem Korrekturradius und konstanter Drehzahl)
50 g; 40 µm (gelb), 100 g; 54,7 µm (blau).
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. Weich-Steif-Nichtlinearität
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. Elastische Nichtlinearität
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. Reibungsbedingte Nichtlinearität
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
Die häufigsten Ursachen für Nichtlinearität sind erhöhtes Lagerspiel, Lagerverschleiß, Trockenreibung, gelockerte Stützen und Risse in der Struktur. Der Betrieb in der Nähe einer Resonanz ist ein eigenständiges Problem: Es macht das Objekt nicht nichtlinear, zerstört aber die Reproduzierbarkeit der Messungen und ist daher für die Einflusskoeffizientenmethode ebenso fatal. Häufig zeigt das Objekt eine sogenannte weich-hart-Nichtlinearität. Bei geringen Unwuchtwerten verhält sich das System nahezu linear, aber mit zunehmender Schwingung kommen steifere Elemente der Stützen oder des Gehäuses ins Spiel. In solchen Fällen ist ein Auswuchten nur innerhalb eines schmalen Betriebsbereichs möglich und liefert keine stabilen Langzeitergebnisse.
Schwingungsinstabilität
Ein weiteres ernstes Problem ist die Schwingungsinstabilität. Selbst ein formal lineares Objekt kann im Laufe der Zeit Änderungen in Amplitude und Phase zeigen. Ursache dafür sind thermische Effekte, Änderungen der Schmierstoffviskosität, Wärmeausdehnung, instabile Reibung in den Stützen und wechselnde äußere Belastungen der Maschine. Dadurch können Messungen, die nur Minuten auseinanderliegen, unterschiedliche Schwingungsvektoren liefern. Unter diesen Bedingungen wird ein sinnvoller Vergleich der Messwerte unmöglich, und die Auswuchtberechnung verliert an Zuverlässigkeit.
Beachten Sie den Unterschied: ein nichtlineares Objekt liefert für eine andere Probegewichtsmasse einen anderen Einflusskoeffizienten; ein instationäres (instabile) Objekt liefert für dasselbe Probegewicht, gemessen zu einem anderen Zeitpunkt, einen anderen Einflusskoeffizienten. Beide bringen die Berechnung durcheinander, aber die Abhilfen unterscheiden sich — Nichtlinearität wird mechanisch behoben, Instabilität wird durch Stabilisierung des Betriebsregimes und schnelle Messung behoben.
Auswuchten in der Nähe der Resonanz
Das Auswuchten in der Nähe der Resonanz ist besonders problematisch. Liegt die Rotationsfrequenz nahe an einer Eigenfrequenz des Systems erzeugt schon eine kleine Unwucht einen starken Anstieg der Schwingung, und sowohl Amplitude als auch Phase werden äußerst empfindlich gegenüber kleinen Drehzahlschwankungen. Beachten Sie, dass Resonanz selbst keine Nichtlinearität ist: Ein lineares System besitzt Resonanzen, und bei Resonanz bleibt die Schwingung weiterhin proportional zur Unwucht. Was verloren geht, ist die Reproduzierbarkeit — eine Streuung der Drehzahl von ±1% in der Nähe der kritischen Drehzahl verändert den gemessenen Vektor weit stärker als das Probegewicht, sodass der in dieser Zone gemessene Einflusskoeffizient in der Praxis unbrauchbar ist. (Eine starke Resonanzantwort kann die Lager zusätzlich in einen wirklich nichtlinearen Bereich drängen — das ist jedoch eine Folge, keine Definition.) In solchen Fällen muss die Auswuchtdrehzahl von der Eigenfrequenz weg verschoben oder die mechanische Struktur geändert werden, bevor ein Auswuchten versucht wird.
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.
Auswuchten nichtlinearer Objekte: eine komplexe Aufgabe mit unkonventionellen Lösungen
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.
- Auswuchtung bei mehreren Drehzahlen: Einflusskoeffizienten sind drehzahlabhängig, sodass ein Rotor, der über einen weiten Drehzahlbereich laufen muss, möglicherweise Koeffizienten benötigt, die bei mehr als einer Drehzahl gemessen wurden. Dies ist die Domäne des modalen (Mehrdrehzahl-)Auswuchtens flexibler Rotoren und erfordert ein lineares, reproduzierbares Objekt, mehrere Ausgleichsebenen und in der Regel eine Auswuchtmaschine. Es ist kein Behelf für ein nichtlineares Objekt und bedeutet auch nicht, in der Nähe einer Resonanz auszuwuchten — die Messdrehzahlen müssen weiterhin abseits der kritischen Drehzahlen gewählt werden. Der Balanset-1A implementiert die Einzeldrehzahl-Einflusskoeffizientenmethode: Alle Läufe (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) müssen bei derselben Drehzahl durchgeführt werden.
- 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.
Wie man nichtlineare Objekte mit einem für lineare Objekte konzipierten Werkzeug auswuchtet
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.
Als Nächstes bestimme ich die Resonanzfrequenzen, da es unmöglich ist, einen Rotor bei Drehzahlen in der Nähe der Resonanz auszuwuchten. Dazu verwende ich die Stoßmethode zur Resonanzbestimmung (die Funktion Bump Test in der Balanset-1A-Software) oder ein Auslaufdiagramm des Rotors (die Funktion RunDown).
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.
Die Kunst und Wissenschaft des Auswuchtens rotierender Anlagen
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
Dies ist ein Anzeichen für ein nichtlineares Objekt. Bei einem linearen Objekt ist die Schwingungsamplitude proportional zur Größe der Unwucht, und die Phase ändert sich um denselben Winkel wie die Winkelposition des Gewichts. Werden diese Bedingungen verletzt, ist der Einflusskoeffizient nicht mehr konstant, und der Standard-Auswuchtalgorithmus beginnt, Fehler zu produzieren. Typische Ursachen sind Lagerspiel, gelockerte Stützen, Reibung und Betrieb in der Nähe einer Resonanz — was an sich keine Nichtlinearität ist, aber die Schwingung verstärkt und die Reproduzierbarkeit der Messwerte zunichtemacht (prüfen Sie dies mit dem 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 der Resonanzzone verursacht bereits eine kleine Unwucht einen starken Anstieg der Schwingung, und sowohl Amplitude als auch Phase reagieren extrem empfindlich auf kleine Drehzahlschwankungen. Resonanz selbst ist keine Nichtlinearität — ein lineares System hat Resonanzen, und bei Resonanz bleibt die Schwingung weiterhin proportional zur Unwucht. Was verloren geht, ist die Reproduzierbarkeit: Die normale Streuung der Drehzahl in der Nähe der kritischen Drehzahl verändert den gemessenen Vektor weit stärker als das Probegewicht, sodass der in dieser Zone gemessene Einflusskoeffizient in der Praxis unbrauchbar ist. Die Auswuchtdrehzahl muss von der Eigenfrequenz weg verschoben werden, bevor das Auswuchten versucht wird.
Typische Anzeichen sind ein starker Anstieg der Schwingung bei kleinen Drehzahländerungen, instabile Phase, breite Höcker im Spektrum und eine hohe Empfindlichkeit der Schwingung gegenüber geringen Drehzahlschwankungen. Ein Schwingungsmaximum wird häufig beim Hoch- oder Auslaufen beobachtet. Der zuverlässigste Indikator ist die Phase: Beim Durchlaufen einer Resonanz geht die Phasenverschiebung im Maximum durch etwa 90° und dreht sich darüber um rund 180°. Beobachten Sie die Phasenanzeige während eines langsamen Hoch- oder Auslaufens — ein 180°-Sprung zusammen mit einem Amplitudenmaximum lokalisiert die kritische Drehzahl.
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.
Die Schwinggeschwindigkeit spiegelt den Energiepegel der Schwingung über einen breiten Frequenzbereich wider und eignet sich gut zur Beurteilung des Gesamtzustands von Maschinen gemäß ISO-Normen wie 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.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko ist Schwingungsanalyse-Ingenieur sowie Gründer und Geschäftsführer von Vibromera. Seit mehr als 15 Jahren wuchtet er rotierende Maschinen direkt vor Ort aus statt auf dem Prüfstand: Mulchgeräte, Industrieventilatoren, Brecher, Zentrifugen, Wellen und Spindeln. Aus dieser Arbeit sind die Balanset-Geräte entstanden — sie wurden als Werkzeug konzipiert, das ein Fachmann zur Maschine mitnehmen und dort allein einsetzen kann, nicht als Laborausrüstung. Vibromera wurde 2017 gegründet und hat seinen Sitz seit 2023 in Porto, Portugal. Entwicklung, Montage und Support der Balanset-Reihe finden hier statt. Das Flaggschiffgerät ist das Balanset-1A, ein tragbares Analysegerät für ein- und zweiebeniges Auswuchten sowie für Schwingungsdiagnose. Nikolai ist persönlich in den Kundensupport eingebunden, arbeitet schwierige Auswuchtfälle durch und ist an der Softwareentwicklung beteiligt. Er arbeitet mit Kunden weltweit, in jeder Sprache.
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