Balance Quality Grade (G-Grade): Definition, Zweck und Anwendung
Was ist ein Gleichgewichtsqualitätsgrad (G-Grad)?
A Balance-Qualitätsgrad, G-Grad“ ist eine standardisierte Klassifizierung, die in den Normen ISO 1940-1 und ISO 21940-11 definiert ist und die maximal zulässige Restunwucht eines Rotors angibt. Mit anderen Worten: Der G-Grad gibt an, wie genau ein Rotor ausgewuchtet werden muss. Sie misst nicht direkt das Schwingungsniveau, sondern definiert vielmehr eine Unwuchttoleranz, die auf der Masse des Rotors und der maximalen Betriebsdrehzahl basiert.
Die Zahl hinter dem Buchstaben G (z. B. G6.3, G2.5) entspricht der maximalen Schwingungsgeschwindigkeit des Rotorschwerpunkts, ausgedrückt in Millimeter pro Sekunde (mm/s). So bedeutet beispielsweise die Güteklasse G6.3, dass der Massenschwerpunkt des Rotors bei maximaler Betriebsdrehzahl nicht mehr als 6,3 mm/s schwingen darf, während die strengere Güteklasse G2.5 diese Geschwindigkeit auf 2,5 mm/s begrenzt. Je niedriger die G-Zahl, desto strenger sind die Auswuchtanforderungen: geringere Unwuchttoleranz und höhere Auswuchtgenauigkeit.
Der Zweck des G-Grade-Systems
Das G-Grade-System wurde entwickelt, um einen universellen Standard festzulegen, der definiert, wie gut ein Rotor ausgewuchtet sein muss. Anstelle von vagen Aussagen wie “der Rotor muss gut ausgewuchtet sein” können Ingenieure ein präzises, überprüfbares Ziel angeben, z. B. “Auswuchten nach G6,3”. Diese Norm bietet eine gemeinsame Sprache für Hersteller, Servicetechniker und Kunden und stellt sicher, dass die Geräte die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards erfüllen. Die Hauptziele des G-Grade-Systems sind:
Begrenzung der durch Unwucht verursachten Vibrationen auf ein akzeptables Niveau. Unwucht verursacht Fliehkräfte und Schwingungen, die zu Lärm, Ermüdungserscheinungen und Unfällen führen können. Durch die Anwendung von Standard-Auswuchtgraden können diese Schwingungen innerhalb sicherer Grenzen kontrolliert werden.
Minimierung der dynamischen Belastung der Lager und Verlängerung ihrer Lebensdauer. Ständige Vibrationen wirken auf Lager wie ein Hammer und beschleunigen ihren Verschleiß. Durch die Begrenzung der Unwucht durch den erforderlichen G-Grad werden die Kräfte, die auf die Lager einwirken, reduziert und ihre Lebensdauer verlängert.
Gewährleistung eines sicheren Rotorbetriebs bei maximaler Auslegungsdrehzahl. Je höher die Drehzahl ist, desto stärker wirkt sich selbst eine kleine Unwucht aus. Ein strenger Auswuchtgrad garantiert, dass der Rotor bei seiner Betriebsdrehzahl keine zerstörerischen Schwingungen erfährt. Dies ist besonders wichtig für Hochgeschwindigkeitsmaschinen (Turbinen, Kompressoren usw.), bei denen eine übermäßige Unwucht zu Ausfällen führen kann.
Bereitstellung eines klaren, messbaren Akzeptanzkriteriums. Anhand einer G-Grad-Norm kann während der Herstellung und Reparatur überprüft werden, ob das erforderliche Auswuchtniveau erreicht wurde. Wenn die Restunwucht nach dem Auswuchten den zulässigen Wert für die jeweilige G-Güteklasse nicht überschreitet, gilt der Rotor als geprüft. Dieser Ansatz verwandelt das Auswuchten von einer Kunst in eine präzise Wissenschaft mit überprüfbaren Kriterien.
Wie werden die Güteklassen für die Balance bestimmt?
Die ISO-Normen enthalten Empfehlungen für die Auswahl von G-Graden für Hunderte von typischen Rotoren und Maschinen. In den Normtabellen (z. B. ISO 1940-1, jetzt ersetzt durch ISO 21940-11) sind die empfohlenen G-Grade für verschiedene Gerätekategorien aufgeführt. Die Auswahl einer bestimmten Güteklasse hängt von mehreren Faktoren ab:
Art und Zweck der Maschine. Eine Hochgeschwindigkeitsturbine oder eine Präzisionsspindel muss viel präziser ausgewuchtet werden (geringeres G) als eine langsam laufende landwirtschaftliche Maschine. Die Konstrukteure berücksichtigen, wie empfindlich ein bestimmter Maschinentyp auf Vibrationen reagiert und welche Folgen eine Unwucht haben kann.
Masse und Abmessungen des Rotors. Leichtere Rotoren reagieren im Allgemeinen empfindlicher auf Unwucht und können strengere Anforderungen haben. Die Rotormasse fließt direkt in die Berechnung der zulässigen Unwucht ein - ein schwerer Rotor kann im Vergleich zu einem leichteren eine etwas größere absolute Unwucht “tolerieren”, ohne dass die Schwingungen zunehmen.
Maximale Drehgeschwindigkeit. Dies ist einer der Schlüsselfaktoren: Je höher die Geschwindigkeit, desto strenger muss der Ausgleich sein. Bei gleicher Unwucht nehmen die Kräfte proportional zum Quadrat der Drehzahl zu. Daher wird für Hochgeschwindigkeitsrotoren eine niedrigere G-Kategorie gewählt, um den Geschwindigkeitseffekt zu kompensieren.
Trägerstruktur und Montagebedingungen. Ein Rotor, der auf flexiblen (elastischen) Lagern montiert ist, muss in der Regel sorgfältiger ausgewuchtet werden als ein Rotor auf einem starren Fundament, da ein flexibles System Schwingungen weniger gut dämpft. So können beispielsweise für dieselbe Kurbelwelle unterschiedliche Güteklassen (G16 gegenüber G40) gelten, je nachdem, ob der Motor auf elastischen Schwingungsdämpfern oder starr montiert ist.
Beispiele für gängige Qualitätsstufen der Waage
| G-Klasse | Max. Geschwindigkeit (mm/s) | Typische Anwendungen |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Autoräder und Felgen; Kurbelwellen für langsam laufende Verbrennungsmotoren (niedrige Drehzahl). |
| G 16 | 16 mm/s | Teile für Brecher und Landmaschinen; Antriebswellen (Gelenkwellen); große Bauteile von Mehrzweckmaschinen mit mäßigen Anforderungen. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Standardgüte für die meisten Industrieanlagen: Elektromotorrotoren, Pumpenräder, Ventilatoren, langsam laufende Turbokompressoren, allgemeine Prozessmaschinen. G6.3 ist eine der am häufigsten spezifizierten Güten. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsrotoren: Gas- und Dampfturbinen, Turbokompressorrotoren, Werkzeugmaschinenantriebe, Hochpräzisionsspindeln und elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschinen. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Sehr präzises Auswuchten für Präzisionsmechanismen: Schleifmaschinenantriebe, kleine Hochgeschwindigkeits-Elektromotoren und Turbolader für Kraftfahrzeuge. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | Höchste Auswuchtpräzision für besonders empfindliche und schnelle Geräte: Gyroskope, Präzisionsspindeln (z. B. für Präzisionsbearbeitungsmaschinen oder mikroelektronische Geräte), Festplattenlaufwerke und andere Komponenten, die minimale Vibrationen erfordern. |
Anmerkung: Der Geschwindigkeitswert in mm/s in der Sortenbezeichnung entspricht dem Produkt aus spezifischer Exzentrizität und Winkelgeschwindigkeit: G = epro-ω. Die G-Zahl gibt also die Grenzgeschwindigkeit der Bewegung des verschobenen Massenschwerpunkts während des Rotorbetriebs an. In der Praxis kann die Wahl der Güteklasse je nach den spezifischen Anforderungen und Betriebsbedingungen um eine Stufe nach oben oder unten abweichen.
Berechnung der zulässigen Restunwucht
Wenn Sie die erforderliche G-Güteklasse kennen, können Sie die maximal zulässige Restunwucht berechnen, d. h. den Betrag der Unwucht, der nach dem Auswuchten verbleiben darf, ohne die vorgegebene Güteklasse zu überschreiten. Die ISO-Norm liefert die folgende Formel:
Upro (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [U/min]
Wo:
- Upro - zulässige Restunwucht in Gramm-Millimetern (g-mm)
- G — Auswuchtgütegrad (mm/s)
- m - Masse des Rotors (kg)
- n - maximale Betriebsdrehzahl (RPM)
Beispiel: Für einen Rotor mit einer Masse von 100 kg, der sich mit einer Höchstdrehzahl von 3000 U/min dreht und nach Güteklasse G6.3 ausgewuchtet werden muss, beträgt die zulässige Restunwucht:
Upro = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Das bedeutet, dass für diesen Rotor eine Gesamtunwucht von etwa 2005 g-mm zulässig ist, ohne dass G6.3 überschritten wird. In der Praxis wird diese Restunwucht auf die Ausgleichsebenen verteilt. Beim (dynamischen) Auswuchten in zwei Ebenen wird die berechnete Upro wird gleichmäßig oder proportional zur Rotorkonfiguration auf die Ebenen aufgeteilt. So erhält der Auswuchttechniker ein bestimmtes numerisches Ziel, das er erreichen muss.
Praktisches Auswuchten und Ausrüstung
Um die erforderliche Wuchtgüte in der Praxis zu erreichen, werden spezielle Geräte eingesetzt. Unter Produktionsbedingungen werden in der Regel stationäre Auswuchtmaschinen eingesetzt, in denen der Rotor gedreht und korrigiert wird, bis die Restunwucht auf die Norm für die gewählte G-Güteklasse fällt.
Unter Feldbedingungen (z. B. wenn Vibrationen in einem bereits installierten Ventilator oder einer Pumpe auftreten) können jedoch tragbare Auswuchtgeräte verwendet werden. Ein Beispiel ist das Balanset-1A Gerät - ein tragbares Zweikanal-Vibrometer-Auswuchtgerät. Es ermöglicht das dynamische Auswuchten in einer oder zwei Ebenen direkt am Gerät (vor Ort, ohne Ausbau des Rotors).
Abb. 1: Balanset-1A, ein tragbarer Vibrometer-Auswuchtapparat, angeschlossen an einen Laptop. Dieses kompakte Gerät enthält ein elektronisches Messmodul, zwei Schwingungssensoren und einen Lasertachometer, wobei die Steuerung und Unwuchtberechnung über eine PC-Software erfolgt.
Abb. 1: Fenster zur Berechnung der Auswuchttoleranz in der Balanset-Software. Das Programm enthält einen eingebauten Rechner, der automatisch die zulässige Restunwucht nach ISO 1940 berechnet, basierend auf der Rotormasse, der Betriebsdrehzahl und der gewählten G-Kategorie.
Das Gerät wird an einen Laptop angeschlossen, misst die Schwingungen und die Unwuchtphase mit Hilfe von Sensoren und einem optischen Tachometer, woraufhin die Software automatisch die erforderlichen Ausgleichsgewichte berechnet. Zu den Merkmalen von Balanset-1A gehört die automatische Berechnung der zulässigen Unwucht gemäß ISO 1940 (G-Grade) - das Gerät bestimmt selbst, auf welches Niveau die Schwingungen reduziert werden müssen, um z. B. den Grad G6,3 oder G2,5 zu erreichen.
Mit modernen Auswuchtgeräten wie dem Balanset-1A lässt sich die erforderliche Auswuchtgüte schneller und zuverlässiger erreichen. Durch die Verwendung der standardisierten G-Grad-Terminologie und die integrierten Toleranzberechnungen kennen Ingenieure und Techniker genau das Kriterium für erfolgreiches Auswuchten. Die Standardisierung der Auswuchtqualität durch G-Grade hat somit eine gemeinsame Sprache ermöglicht, um zu beschreiben, wie “ruhig” ein bestimmter Rotor laufen sollte, und um dieses Niveau an Schwingungssicherheit mit Methoden zu erreichen, die weltweit verständlich und überprüfbar sind.
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