Exzentrizität in rotierenden Maschinen verstehen
Unter Rotordynamik, Exzentrizität ist der radiale Versatz zwischen dem Massenschwerpunkt eines Rotors (seinem Schwerpunkt) und seinem geometrischen Mittelpunkt - dem wahren Mittelpunkt seiner Welle. Bei einem perfekt ausgewuchteten Rotor würden diese beiden Zentren zusammenfallen, aber Fertigungsmängel und ungleichmäßige Materialdichte garantieren, dass fast immer eine gewisse Exzentrizität verbleibt. Wenn sich ein exzentrischer Rotor dreht, erzeugt die außermittige Masse eine Zentrifugalkraft, und diese Kraft ist die Hauptursache für Unwucht Schwingungen. Mit anderen Worten: Die Exzentrizität ist die Geometrie, die dem häufigsten Maschinenfehler zugrunde liegt.
1. Definition: Was ist Exzentrizität?
Bei der Exzentrizität handelt es sich um einen senkrecht zur Drehachse gemessenen Abstand - in der Regel einige Mikrometer - zwischen dem tatsächlichen Schwerpunkt der Masse und dem Drehpunkt der Welle. Da es sich um eine Eigenschaft der Massenverteilung und nicht um eine Eigenschaft des Aussehens der Oberfläche handelt, ist die tatsächliche Exzentrizität der Masse nicht sichtbar und kann auch nicht mit einer Messuhr an einem stehenden Rotor abgelesen werden. Sie zeigt sich erst, wenn sich der Rotor dreht und die versetzte Masse einmal pro Umdrehung eine Zentrifugalkraft nach außen ausübt.
2. Die direkte Beziehung zwischen Exzentrizität und Unwucht
Exzentrizität und Unwucht sind zwei Seiten derselben Medaille. Die Unwucht ist das Maß für die Auswirkung der Exzentrizität bei einer bestimmten Geschwindigkeit; die Exzentrizität ist die physikalische Ursache. Der Betrag der Unwucht ist direkt proportional zur Masse des Rotors und zu seiner Exzentrizität:
Unwucht (U) = Masse (M) × Exzentrizität (e)
Dieses einfache Produkt erklärt, warum die Exzentrizität so wichtig ist. Die von ihr erzeugte Zentrifugalkraft wächst mit der Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit, so dass schon wenige Mikrometer Exzentrizität auf einem schweren, hochtourigen Rotor eine enorme Kraft erzeugen können, die zu schweren Vibration und schnell Lagerverschleiß. Wie steil diese Kraft mit der Masse, der Exzentrizität und der Geschwindigkeit ansteigt, lässt sich anhand einer Fliehkraftrechner für Unwucht.
3. Arten von Exzentrizität
Es ist wichtig, die echte Exzentrizität von den damit verbundenen geometrischen Mängeln zu unterscheiden, die oft mit ihr verwechselt werden.
Massenexzentrizität
Die oben definierte echte Exzentrizität - der Versatz zwischen dem Massenmittelpunkt und dem geometrischen Mittelpunkt. Sie ist die Ursache der Unwucht und das Ziel jedes Auswuchtverfahrens. Sie kann nicht direkt mit einer Messuhr an einem stillstehenden Rotor gemessen werden, sondern zeigt sich nur dynamisch, als einmal pro Umdrehung auftretende Kraft, deren Richtung (ihr Schwerpunktwinkel) sich aus der Phase der 1×-Vibration.
Geometrische Exzentrizität (Rundlauffehler)
Eine Abweichung der Rotoroberfläche von einem perfekten Kreis - ein Maß dafür, wie “unrund” eine Welle oder ein Rotor ist, auch genannt mechanischer Rundlauf. Ein Zapfen kann leicht oval sein, oder eine Riemenscheibe ist außermittig auf ihrer Welle bearbeitet. Im Gegensatz zur Massenexzentrizität ist dies kann kann mit einer Messuhr bei einer langsamen Drehung gemessen werden. Es handelt sich nicht um eine direkte Massenunwucht, aber eine exzentrische geometrische Form trägt sehr oft dazu bei. Das unterschiedliche, aber eng verwandte Konzept der Rotorexzentrizität beschreibt diesen geometrischen Versatz im Zusammenhang mit Motoren und Luftspalt.
Elektrischer Rundlauf
Es handelt sich nicht um einen physikalischen Fehler, sondern um ein Messartefakt, das für die berührungslose Messung typisch ist. Näherungssonden. Wenn die Oberfläche der Welle in ihrer magnetischen Permeabilität oder elektrischen Leitfähigkeit variiert, liefert die Sonde ein falsches Signal, das den geometrischen Rundlauf nachahmt. Dieses Rauschen muss charakterisiert und subtrahiert werden - normalerweise durch Kabelkompensation und die Subtraktion des Langsamlauf-Rundlauffehlers - während der rotordynamischen Prüfung, oder es wird als echte Wellenbewegung getarnt.
4. Ursachen der Exzentrizität
Die Exzentrizität der Masse gelangt auf verschiedenen Wegen in einen Rotor:
- Fertigungstoleranzen: Kein Bearbeitungs-, Guss- oder Montageprozess ist perfekt, so dass kleine Fehler unvermeidlich sind.
- Ungleichmäßige Materialdichte: Einschlüsse, Hohlräume oder Porosität in einem Guss- oder Schmiedestück machen das Material inhomogen und verschieben den Massenschwerpunkt.
- Asymmetrisches Design: einige Bauteile, wie z. B. Kurbelwellen, sind von Natur aus asymmetrisch.
- Montagefehler: Eine Riemenscheibe oder ein Lager, das nicht perfekt auf der Welle zentriert ist, erzeugt eine exzentrische Masse.
- Thermische Verformung: Eine ungleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung kann einen Rotor verbiegen und seinen Massenschwerpunkt vorübergehend verlagern - eine Thermobogen, wird oft als thermischer Vektor bezeichnet, da sowohl seine Größe als auch seine Richtung von Bedeutung sind.
5. Wie Exzentrizität behoben wird
Da die Exzentrizität der Masse die Ursache für die Unwucht ist, wird sie durch folgende Maßnahmen korrigiert Bilanzierung. Durch Hinzufügen oder Entfernen kleiner Mengen von Masse erzeugt ein Techniker eine entgegengesetzte Zentrifugalkraft, die die Mittellinie des Rotors effektiv in Richtung seiner geometrischen Mittellinie zurückzieht, wodurch die Nettokraft und die daraus resultierenden Vibrationen minimiert werden. Bei einer montierten Maschine wird dies an Ort und Stelle durchgeführt: ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A misst die 1×-Amplitude und Phase in den eigenen Lagern der Maschine, berechnet, wie viel Korrekturgewicht hinzuzufügen und wo, und prüft die Restunwucht danach. Beachten Sie, dass das Auswuchten die Wirkung der Exzentrizität; sie bewegt die geometrische Oberfläche nicht, so dass ein Rotor mit großer geometrischer Rundlaufabweichung zwar gut ausgewuchtet werden kann, aber dennoch reibt oder auf einem Näherungstaster hohe Werte anzeigt.
