Exzentrizität in rotierenden Maschinen verstehen

Definition: Was ist Exzentrizität?

Im Kontext der Rotordynamik Exzentrizität bezeichnet den radialen Abstand bzw. Versatz zwischen dem Schwerpunkt eines Rotors (auch Schwerpunkt genannt) und seinem geometrischen Mittelpunkt (dem wahren Mittelpunkt seiner Form oder Welle). Bei einem perfekt ausgewuchteten Rotor würden diese beiden Mittelpunkte zusammenfallen. Aufgrund von Fertigungsfehlern und ungleichmäßiger Materialdichte besteht jedoch fast immer eine gewisse Exzentrizität. Wenn sich ein exzentrischer Rotor dreht, erzeugt der versetzte Schwerpunkt eine Zentrifugalkraft, die die Ursache für Vibrationen ist. Unwucht.

Die direkte Beziehung zwischen Exzentrizität und Unwucht

Exzentrizität und Unwucht hängen grundsätzlich zusammen. Die Unwucht ist das Maß für die Auswirkung der Exzentrizität bei einer bestimmten Drehzahl, während die Exzentrizität die physikalische Ursache darstellt. Das Ausmaß der Unwucht ist direkt proportional zur Masse des Rotors und seiner Exzentrizität.

Die Formel ist einfach:

Unwucht (U) = Masse (M) × Exzentrizität (e)

Dieser Zusammenhang verdeutlicht, warum die Exzentrizität so entscheidend ist. Selbst eine sehr kleine Exzentrizität (nur wenige Mikrometer) kann bei einem schweren, schnell laufenden Rotor eine enorme Unwucht erzeugen, die zu starken Vibrationen und schnellem Lagerverschleiß führt.

Arten der Exzentrizität

Es ist wichtig, zwischen verschiedenen Formen der Exzentrizität und den damit verbundenen geometrischen Unvollkommenheiten zu unterscheiden:

1. Massenexzentrizität

Dies ist die wahre Exzentrizität, wie oben definiert – der Versatz zwischen dem Massenmittelpunkt und dem geometrischen Mittelpunkt. Diese Art der Unwucht verursacht Unwucht und ist das Ziel aller Auswuchtverfahren. Sie kann bei stillstehendem Rotor weder direkt mit einer Messuhr gesehen noch gemessen werden.

2. Geometrische Exzentrizität (Runout)

Dies bezieht sich auf die Abweichung der Rotoroberfläche von einem perfekten Kreis. Es ist ein Maß dafür, wie „unrund“ eine Welle oder ein Rotor ist. Dies wird auch als mechanischer RundlaufBeispielsweise kann ein Wellenzapfen leicht oval sein oder eine Riemenscheibe leicht außermittig auf einer Welle bearbeitet sein. Diese Art von Unregelmäßigkeit *kann* bei langsamer Drehung mit einer Messuhr gemessen werden. Obwohl sie nicht direkt eine Massenunwucht darstellt, trägt eine exzentrische geometrische Form oft zu einer Massenunwucht bei.

3. Elektrischer Rundlauf

Dies ist kein physikalischer Fehler, sondern ein Messfehler, der bei berührungslosen Näherungssensoren auftritt. Wenn die Rotoroberfläche Schwankungen in der magnetischen Permeabilität oder der elektrischen Leitfähigkeit aufweist, kann der Sensor einen falschen Messwert ausgeben, der einen geometrischen Rundlauf vortäuscht. Dieses „Rauschen“ muss bei der Rotordynamikprüfung berücksichtigt werden.

Ursachen der Exzentrizität

Die Massenexzentrizität wird auf verschiedene Weise in Rotoren eingebracht:

• Fertigungstoleranzen: Kein Herstellungsprozess ist perfekt. Bei der Bearbeitung, beim Gießen und bei der Montage kommt es immer zu kleinen Fehlern.
• Ungleichmäßige Materialdichte: Einschlüsse, Hohlräume oder Porosität in einem Guss- oder Schmiedeteil bedeuten, dass das Material nicht vollkommen homogen ist, was zu einer Verschiebung des Massenschwerpunkts führt.
• Asymmetrisches Design: Komponenten wie Kurbelwellen sind von Natur aus asymmetrisch.
• Montagefehler: Eine Riemenscheibe oder ein Lager, das nicht perfekt auf einer Welle zentriert ist, erzeugt eine exzentrische Masse.
• Thermische Verformung: Ungleichmäßiges Erhitzen oder Abkühlen kann dazu führen, dass sich ein Rotor verbiegt und sein Schwerpunkt vorübergehend verlagert. Dies wird als thermischer Vektor bezeichnet.

Wie Exzentrizität angegangen wird

Da die Massenexzentrizität die Ursache für die Unwucht ist, wird sie durch den Prozess der BilanzierungDurch Hinzufügen oder Entfernen kleiner Gewichtsmengen erzeugt ein Techniker eine Gegenkraft, die die Massenmittellinie des Rotors effektiv wieder in die Ausrichtung mit seiner geometrischen Mittellinie zieht und so die Nettozentrifugalkraft und die daraus resultierende Vibration minimiert.

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