Axiale Schwingungen in rotierenden Maschinen verstehen
Axiale Schwingung (auch als Längs- oder Schubschwingung bezeichnet) ist die Hin- und Herbewegung eines Rotor in Richtung parallel zu seiner Drehachse. Wo Querschwingung Während es sich bei der seitlichen Schwingung um eine Bewegung senkrecht zur Welle handelt, bezeichnet man als axiale Schwingung die Bewegung der Welle entlang ihrer eigenen Länge, ähnlich wie bei einem Kolben. Die Amplitude ist dabei in der Regel geringer als Radialschwingung, ist jedoch für eine bestimmte Gruppe von Fehlern äußerst aussagekräftig – vor allem Fehlausrichtung, Axiallager Probleme und prozessbezogene Schwierigkeiten bei Pumpen und Kompressoren. Ein erfahrener Analytiker betrachtet dies als unverzichtbaren und nicht als optionalen Bestandteil eines vollständigen Messaufbaus.
1. Merkmale und Messung
Richtung und Bewegung
Axiale Schwingungen treten entlang der Mittellinie der Welle auf:
- Die Bewegung verläuft parallel zur Drehachse.
- Der Rotor bewegt sich hin und her.
- Sie wird in der Regel an Lagergehäusen oder Wellenenden gemessen.
- Ihre Amplitude ist in der Regel geringer als die der Radialschwingung, aber wenn sie auftritt, ist sie diagnostisch weitaus aussagekräftiger.
Messaufbau
Die Erfassung axialer Bewegungen erfordert eine sorgfältige Anordnung der Sensoren:
- Ausrichtung des Sensors: an Beschleunigungsmesser oder Geschwindigkeitsaufnehmer parallel zur Wellenachse montiert.
- Typische Messpositionen: Lagergehäuse-Endkappen, Motorendglocken oder Axiallagergehäuse.
- Berührungslose Wegaufnehmer: A Näherungssensor die dem Wellenende zugewandt ist, kann die axiale Position direkt messen.
- Bedeutung: Oft übersehen, aber entscheidend für die vollständige Maschinendiagnose
2. Hauptursachen für Axialschwingungen
Fehlausrichtung – die häufigste Ursache
Wellenversatz… und insbesondere der Winkelversatz ist die Hauptursache für Axialschwingungen:
- Symptom: hohe axiale Schwingungen (1- oder 2-fach) bei Betriebsdrehzahl.
- Mechanismus: Ein Winkelversatz zwischen den gekoppelten Wellen überträgt bei jeder Umdrehung eine oszillierende Axialkraft über die Kupplung.
- Diagnoseindikator: Eine axiale Amplitude von mehr als 50 % der radialen Amplitude deutet stark auf eine Fehlausrichtung hin.
- Phasenbeziehung: Die axialen Messwerte am Antriebs- und am nicht angetriebenen Ende liegen typischerweise um etwa 180° versetzt Phase.
Fehler bei Axiallagern
Probleme mit dem Axiallager die die axiale Lage der Welle fixieren, erzeugen charakteristische axiale Schwingungen:
- Verschleiß oder Beschädigung des Axiallagers.
- Unzureichende Axiallagersicherung preload.
- Ausfall des Axiallagers, der zu übermäßigem Axialspiel führt.
- Spezifische Schmierprobleme an den Druckflächen.
Hydraulische oder aerodynamische Kräfte
Prozesskräfte in Pumpen, Kompressoren und Turbinen erzeugen Axialkräfte:
- Pumpe Kavitation: Zusammenfallende Dampfblasen erzeugen axiale Stoßkräfte.
- Unwucht des Laufrads: Ein asymmetrischer Durchfluss erzeugt einen oszillierenden Axialschub.
- Turbulenzen bei Axialströmung: in Axialkompressoren und Turbinen.
- Wogend: Ein Kompressor-Surge verursacht heftige axiale Schwingungen.
- Umluft: Betrieb außerhalb des Auslegungsbereichs, der Strömungsinstabilitäten auslöst.
Mechanische Lose
Zu große Spielräume führen dazu, dass sich der Rotor axial verschiebt:
- Abgenutzte Axiallagerflächen.
- Lose Kupplungskomponenten.
- Unzureichende axiale Sicherung in der Lageranordnung.
- Abgenutzte Distanzstücke oder Unterlegscheiben.
Kupplungsprobleme
Verschleiß der Kupplung oder eine unsachgemäße Montage führen zu axialen Schwingungen:
- Abgenutzte Zähne der Zahnkupplung, die ein axiales Spiel zulassen.
- Falsch installierte flexible couplings.
- Fehler bei der Länge der Kupplungsdistanzstücke.
- Winkel der Kreuzgelenke, die Axialkraftkomponenten erzeugen.
Probleme im Zusammenhang mit thermischer Ausdehnung
Unterschiedliche thermische Ausdehnung kann zu axialen Kräften führen:
- Die thermische Ausdehnung der Rohrleitungen übt Druck oder Zug auf die Anlagen aus.
- Ungleichmäßige thermische Ausdehnung zwischen gekoppelten Maschinen.
- Fundamentsetzungen, die die axiale Ausrichtung beeinträchtigen.
3. Diagnostische Bedeutung
Fehlausrichtung diagnostizieren
Axiale Schwingungen sind der beste Indikator für eine Fehlausrichtung:
- Faustregel: Wenn die axiale Schwingung 50 % der radialen Schwingung übersteigt, ist ein Fluchtungsfehler zu vermuten.
- Frequenzanteile: vorwiegend 2× bei paralleler Versetzung; sowohl 1× als auch 2× bei Winkelversatz.
- Phasenanalyse: Eine Phasendifferenz von 180° zwischen den axialen Messwerten an den gegenüberliegenden Enden bestätigt eine Fehlausrichtung.
- Bestätigung: starke axiale Schwingungen, die nach der Präzisionsausrichtung stark abnehmen Wellenausrichtung bestätigt die Diagnose.
Diagnose von Pumpen und Kompressoren
Für rotierende Anlagen zur Förderung von Flüssigkeiten:
- Kavitation: hochfrequente, zufällige, breitbandige axiale Schwingungen.
- Hydraulische Unwucht: 1× axiale Schwingung aufgrund einer asymmetrischen Belastung des Laufrads.
- Anstieg: Axiale Schwingung mit großer Amplitude und niedriger Frequenz.
- Schaufeldurchgangsfrequenz: Eine axiale Komponente bei der Schaufeldurchgangsfrequenz deutet auf Strömungsprobleme hin.
Beurteilung des Lagerzustands
- Ein plötzlicher Anstieg der Axialschwingungen kann auf eine Verschlechterung des Axiallagers hindeuten.
- Axiale Schwingungen bei den Schadensfrequenzen des Axiallagers bestätigen ein Lagerproblem.
- Übermäßiges Axialspiel, gemessen mit Näherungssensoren, weist auf Lagerverschleiß hin
4. Zulässige Werte und Normen
Allgemeine Leitlinien
Die allgemeinen Normen für Maschinenvibrationen – die modernen ISO 20816 Die Normenreihe, die die ISO 10816 abgelöst hat, konzentriert sich hauptsächlich auf Radialschwingungen, sodass die axialen Grenzwerte in der Regel im Verhältnis dazu festgelegt werden:
- Im Vergleich zu radial: Unter normalen Bedingungen sollte die axiale Schwingung unter 50 % der radialen Schwingung bleiben.
- Absolute Grenzwerte: in der Regel 25–50 % des Radialgrenzwerts für die Maschinenklasse.
- Vergleich der Ausgangswerte: ein Anstieg um 50–100 % gegenüber Basislinie erfordert eine Untersuchung, unabhängig vom absoluten Wert.
Gerätespezifische Normen
- API 610 (Kreiselpumpen): legt sowohl die Grenzwerte für radiale als auch für axiale Schwingungen fest.
- API 617 (Zentrifugalkompressoren): umfasst Akzeptanzkriterien für axiale Schwingungen.
- Turbomaschinen: oftmals kontinuierlich mit speziellen Sensoren zur Erfassung der axialen Position und der axialen Schwingungen überwacht, häufig um API 670 Maßnahmen zum Maschinenschutz.
5. Korrektur- und Abhilfemaßnahmen
Bei Fehlausrichtung
- Präzise Wellenausrichtung: Verwenden Sie Laserausrichtungsgeräte, um Winkel- und Parallelversatz zu korrigieren.
- Soft-Foot-Korrektur: Stellen Sie sicher, dass alle Befestigungsfüße flach aufliegen, bevor Sie die Ausrichtung vornehmen – siehe weicher Fuß.
- Ausgleich für thermische Ausdehnung: Berücksichtigen Sie bei der Festlegung der Ausrichtungsziele die Ausdehnung bei Betriebstemperatur.
- Entlastung von Rohrleitungskräften: Verhindern Sie, dass Rohrleitungen Kräfte ausüben, die zu einer Fehlausrichtung der Anlagen führen.
Bei Problemen mit Axiallagern
- Ersetzen Sie verschlissene Axiallagerkomponenten.
- Überprüfen Sie die korrekte Vorspannung und die Spielmaße der Axiallager.
- Sorgen Sie für eine ausreichende Schmierung der Druckflächen.
- Überprüfen Sie, ob die Montage korrekt ist und die Ausgleichsscheiben richtig gesetzt sind.
Für prozessbedingte Axialkräfte
- Kavitation beseitigen: Den Einlassdruck erhöhen, die Flüssigkeitstemperatur senken, Verstopfungen am Einlass beseitigen.
- Den Betriebspunkt optimieren: Pumpen und Kompressoren innerhalb ihres Nennbereichs betreiben.
- Hydraulische Kräfte ausgleichen: Verwenden Sie Ausgleichsbohrungen oder Rückenschaufeln an Laufrädern.
- Pumpgrenzregelung: einen wirksamen Pumpgrenzschutz an Kompressoren umsetzen.
Bei mechanischen Problemen
- Ersetzen Sie verschlissene Kupplungen und Kupplungskomponenten.
- Lose mechanische Verbindungen festziehen.
- Überprüfen Sie, ob die Abstandshalter und Unterlegscheiben die richtigen Maße haben.
- Montieren Sie die Kupplungen gemäß den Herstellerangaben.
6. Bewährte Verfahren für die Messung
Sensorinstallation
- Feste Montage: Verwenden Sie bei axialen Messungen nach Möglichkeit lieber Gewindestifte oder Klebstoff anstelle von Magneten – siehe Sensormontage.
- Ausrichtung überprüfen: Stellen Sie sicher, dass der Sensor wirklich parallel zur Wellenachse ausgerichtet ist und nicht schräg steht.
- Both ends: Messen Sie die Axialschwingung sowohl an der Antriebsseite als auch an der Nicht-Antriebsseite, damit die Phasen verglichen werden können.
- Berührungslose Wegaufnehmer: Installieren Sie für kritische Geräte permanente axiale Positionssensoren
Datenerfassung
- Erfassen Sie neben den horizontalen und vertikalen Radialmessungen stets auch die Axialdaten.
- Erfassen Sie die Phasenbeziehung zwischen den axialen Messwerten an verschiedenen Stellen.
- Vergleichen Sie die Verhältnisse von axialer zu radialer Amplitude.
- Trend die axialen Schwingungen im Zeitverlauf, um aufkommende Probleme frühzeitig zu erkennen.
7. Axiale vs. radiale Schwingungen
Die klare Unterscheidung zwischen diesen beiden Richtungen ist für die Fehlererkennung von zentraler Bedeutung:
| Aspekt | Radiale (seitliche) Schwingung | Axiale Schwingung |
|---|---|---|
| Richtung | Senkrecht zur Wellenachse | Parallel zur Wellenachse |
| Typische Amplitude | Höher | Geringer (in der Regel < 50 % des Radialen) |
| Primary causes | Unwucht, gebogene Welle, Lagerfehler | Fehlausrichtung, Probleme mit Axiallagern, Prozesskräfte |
| Diagnostischer Wert | Allgemeiner Maschinenzustand | Speziell für Fehlausrichtungs- und Schubprobleme |
| Überwachungspriorität | Hauptaugenmerk | Sekundär, aber entscheidend für die Diagnose |
8. Praktische Diagnose vor Ort
In der Praxis erfolgt die entscheidende Prüfung der Axialschwingungen im Vergleich: Man misst die Amplitude und die Phase axial an beiden Lagerenden und vergleicht diese Werte mit den radialen Messwerten. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät Schwingungsanalysator such as the Balanset-1A eignet sich hierfür gut, da seine beiden Kanäle beide Enden gleichzeitig über ein gemeinsames Drehzahlmesser Phasenreferenz – die charakteristische axiale Phasendifferenz von 180° bei einer Fehlausrichtung sowie das Verhältnis 1×/2× harmonisch pattern in the FFT Spektrum, sofort erkennbar. Genau dieser Vergleich bewahrt vor einem kostspieligen Fehler: Eine hohe radiale 1×-Schwingung wird leicht auf Unwucht, doch eine starke, dazu passende axiale Komponente deutet vielmehr auf eine Fehlausrichtung hin, die sich durch keine noch so große Bilanzierung wird das Problem beheben. Die Überprüfung der Bewegungsrichtung, bevor man zu den Probegewichten greift, ist der entscheidende Unterschied zwischen einer dauerhaften Reparatur und einem vergeudeten Nachmittag.
9. Industrielle Anwendungen
Die Überwachung von Axialschwingungen ist besonders wertvoll für:
- Kreiselpumpen: Erkennung von Hydraulikkräften und Kavitation.
- Kompressoren: Überwachung von Axiallagern und Erkennung von Verdichtersurge.
- Turbinen: Axialkräfte auf die Schaufeln und Zustand des Axiallagers.
- Gekuppelte Maschinen: Überprüfung der Ausrichtung und des Kupplungszustands.
- Prozessanlagen: Überwachung der Strömungsbedingungen.
Obwohl axiale Schwingungen oft vom auffälligeren radialen Signal überschattet werden, schätzen erfahrene Analytiker ihren diagnostischen Wert. Zahlreiche Fehler, die bei rein radialen Messungen übersehen würden, werden durch das axiale Muster sichtbar – und genau deshalb ist eine gründliche Zustandsüberwachung Das Programm misst immer in allen drei Richtungen.
