Unwucht (Ungleichgewicht) in rotierenden Maschinen verstehen
Ungleichgewicht — wird synonym verwendet mit Unwucht — ist der Zustand, in dem ein RotorDer Massenschwerpunkt des Rotors fällt nicht mit seiner Drehachse zusammen. Die Masse ist ungleichmäßig um die Welle verteilt, sodass die versetzte Masse bei der Drehung des Rotors eine Netto- Zentrifugalkraft was den Rotor aus seiner Mitte zieht und die gesamte Maschine zum Vibrieren bringt. Diese Verschiebung des Massenschwerpunkts gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt ist die des Rotors Exzentrizität… und die dadurch verursachten Schwingungen machen Unwucht zum häufigsten Fehler bei rotierenden Maschinen – und meist zum ersten, den ein Diagnostiker überprüft.
1. Definition: Was verursacht die Kraft?
Die Störkraft ist die Zentrifugalkraft: F = m·r·ω², wobei m·r ist die Unwucht (die versetzte Masse multipliziert mit ihrem Radius) und ω ist die Winkelgeschwindigkeit. Daraus ergeben sich unmittelbar zwei Konsequenzen. Erstens dreht sich die Kraft mit der Welle mit, sodass sie einmal pro Umdrehung auf die Lager wirkt. Zweitens ist sie proportional zur Quadrat in Bezug auf die Drehzahl – ein Rotor, der sich bei langsamer Drehung von Hand problemlos anfühlt, kann bei voller Drehzahl extrem beanspruchend werden, weshalb Auswuchtgüte Die Anforderungen steigen mit zunehmender Drehzahl stark an. Die Unwucht wird als Produkt aus Masse und Radius quantifiziert, üblicherweise in Gramm-Millimetern (g·mm), da sowohl die Masse, die nicht im Zentrum liegt, als auch der Abstand zur Achse die Kraft bestimmen.
2. Diagnose von Unwucht: Das charakteristische Schwingungsmuster
Unwucht lässt sich vergleichsweise leicht erkennen, da ihr Vibration charakteristisches Muster so einheitlich ist – ein wichtiger Grund dafür, dass sie der naheliegende Ausgangspunkt für Schwingungsanalyse:
- Frequenz: Die Schwingung liegt genau bei das 1-fache der Drehzahl (the Betriebsdrehzahl). Dreht man die Maschine schneller oder langsamer, folgt die Spektralspitze perfekt.
- Richtung: Energie wird überwiegend radial — horizontal und vertikal — wobei in der Regel nur wenig axial (Schub-)Schwingung.
- Amplitude: proportional zum Quadrat der Drehzahl; eine Verdopplung der Drehzahl führt also zu einer etwa vierfachen Zunahme der Unwuchtkraft und der daraus resultierenden Schwingung.
- Phase: die 1× Phase Der Messwert ist stabil und wiederholbar, wodurch sich die Schwerstelle lokalisieren lässt.
Da ein dominanter 1×-Peak auch entstehen kann durch Fehlausrichtung, a gebogene Welle oder Resonanz… bestätigt ein sorgfältiger Analyst die Unwucht anhand ihrer whole Muster: 1× hoch, niedrig Obertöne, hauptsächlich radiale Energie, und eine stationäre Phase. Eine starke 2×-Komponente deutet hingegen auf eine Fehlausrichtung oder mechanische Lose.
3. Die drei Arten der Unwucht
Statische Unwucht
Auch als „Kraftunwucht“ bezeichnet, handelt es sich hierbei um die einfachste Form, bei der die Masse in einer einzigen Ebene versetzt ist – man stelle sich eine schwere Stelle auf einer dünnen Scheibe vor. Es ist „statisch“, da es sich im Ruhezustand zeigt: Auf reibungsfreien Messerschneiden balanciert, rollt der Rotor so lange, bis die schwere Stelle unten hängt. Ein einzelnes Gewicht, das 180° gegenüber der schweren Stelle platziert wird, gleicht dies aus – das ist der Bereich von Ein-Ebenen-Auswuchten.
Momentenunwucht
Zwei gleich schwere Punkte an den gegenüberliegenden Enden des Rotors, die um 180° voneinander entfernt sind, heben sich als resultierende Kraft auf, bilden jedoch eine Paar — ein Kippmoment, das den Rotor taumeln lässt. Ein solcher Rotor ist statisch ausgewuchtet (er rollt nicht auf Messerschneiden), vibriert jedoch im Betrieb stark, und es sind zwei Ausgleichsgewichte in zwei getrennten Ebenen erforderlich, um das Moment auszugleichen.
Dynamische Unwucht
Die dynamische Unwucht, die bei fast allen realen Maschinen auftritt, ist eine Kombination aus statischen und Momenteneffekten. Um sie zu beheben, sind Massenverlagerungen in mindestens zwei Ebenen entlang des Rotors erforderlich — dynamisches (zweiplaniges) Auswuchten. Wenn die statische und die Koppelkomponente zufällig winklig übereinstimmen, wird dieser Sonderfall als quasi-statische Unwucht.
4. Häufige Ursachen
Unwuchten können bereits bei der Herstellung vorhanden sein oder sich im Betrieb entwickeln. Häufige Ursachen sind:
- Fertigungsfehler: Porosität in Gussteilen, ungleichmäßige Materialdichte und Bearbeitungstoleranzen.
- Montagefehler: falsch montierte Bauteile, ungleichmäßig angezogene Schrauben oder falsch ausgerichtete Keile.
- Verschleiß: ungleichmäßige Erosion, Korrosion oder tragen an Lüfterflügeln und Pumpe Laufräder.
- Materialanhäufung: Schmutz, Staub oder Produktablagerungen auf den Rotoren von Ventilatoren, Gebläsen und Zentrifugen.
- Ausfall einer Komponente: Ein herausgeschleudertes Ausgleichsgewicht oder ein gebrochenes Blatt führt sofort zu einer starken Unwucht.
5. Warum die Korrektur von Unwucht so wichtig ist
Wenn eine Maschine mit einer erheblichen Unwucht betrieben wird, führt dies zu einer stetigen Beschädigung, da die zyklische Kraft bei jeder Umdrehung auf die Konstruktion einwirkt:
- Vorzeitiger Lagerausfall: Lager sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt und verschleißen schnell.
- Ermüdung und Rissbildung: wiederholte Belastungen summieren sich Ermüdung Schäden an der Welle, am Fundament und an den umliegenden Teilen.
- Verminderte Effizienz: Die Energie geht in Form von Schwingungen und Wärme verloren, anstatt als nutzbare Leistung genutzt zu werden.
- Sicherheitsrisiken: Im Extremfall kann eine starke Unwucht zu einem katastrophalen Versagen führen.
6. Unwuchtkorrektur vor Ort
Eine Unwucht wird durch ein systematisches Bilanzierung Verfahren – eine der wirksamsten Einzelmaßnahmen zur Verbesserung der Maschinenzuverlässigkeit. Das Ziel ist nicht eine Unwucht von Null, sondern eine geringe, definierte Restunwucht innerhalb der Toleranz. Die zulässigen Grenzwerte ergeben sich aus der G-Klasse system of ISO 21940-11 (die die ältere Norm ISO 1940-1 ersetzt hat); die daraus resultierenden Schwingungen werden dann anhand von Schwingungsgrenzwerten in ISO 20816 (der moderne Nachfolger von ISO 10816). Ein kostenloses Rechner für Restunwucht (ISO 21940-11) rechnet eine ausgewählte Auswuchtgüte und Betriebsdrehzahl in die zulässige Beschleunigung (g·mm) pro Ebene um.
Bei einer montierten Maschine wird die Arbeit vor Ort statt an einer Auswuchtmaschine. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A misst die 1×-Amplitude und -Phase und leitet daraus die Einflusskoeffizienten von einer Probegewichtund berechnet die Masse und den Winkel jedes einzelnen Korrekturgewicht für ein- oder zweiebige Feldauswuchten. Da das Verfahren bei Betriebsdrehzahl in den eigenen Lagern der Maschine durchgeführt wird, gleicht es die Unwucht aus und stellt gleichzeitig sicher, dass die Restunwucht innerhalb der gewählten ISO-Klasse liegt.
