Laterale Vibrationen in rotierenden Maschinen verstehen
Definition: Was ist seitliche Vibration?
Seitliche Vibration (auch Radialschwingung oder Transversalschwingung genannt) bezeichnet die Bewegung einer rotierenden Welle senkrecht zu ihrer Rotationsachse. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um die Seitwärts- oder Auf- und Abbewegung der Welle während der Drehung. Laterale Schwingungen sind die häufigste Art von Vibration in rotierenden Maschinen und wird typischerweise durch radiale Kräfte verursacht, wie Unwucht, Fehlausrichtung, verbogene Wellen oder Lagerdefekte.
Das Verständnis seitlicher Schwingungen ist von grundlegender Bedeutung für Rotordynamik weil es sich bei den meisten rotierenden Geräten um die primäre Schwingungsart handelt und im Mittelpunkt der meisten Schwingungsüberwachungs- und Bilanzierung Aktivitäten.
Richtung und Messung
Die seitliche Schwingung wird in der Ebene senkrecht zur Wellenachse gemessen:
Koordinatensystem
- Horizontale Richtung: Seitliche Bewegung parallel zum Boden
- Vertikale Richtung: Auf- und Abbewegung senkrecht zum Boden
- Radiale Richtung: Jede Richtung senkrecht zur Wellenachse (Kombination aus horizontal und vertikal)
Messorte
Die seitliche Vibration wird typischerweise gemessen bei:
- Lagergehäuse: Verwendung von Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensoren, die auf Lagerdeckeln oder Sockeln montiert sind
- Wellenoberfläche: Verwendung berührungsloser Näherungssensoren zur direkten Messung der Wellenbewegung
- Mehrere Ausrichtungen: Messungen in horizontaler und vertikaler Richtung liefern ein vollständiges Bild der seitlichen Bewegung
Hauptursachen für seitliche Vibrationen
Seitliche Vibrationen können zahlreiche Ursachen haben, die jeweils charakteristische Vibrationssignaturen erzeugen:
1. Unwucht (am häufigsten)
Unwucht ist die häufigste Ursache für seitliche Schwingungen. Eine asymmetrische Massenverteilung erzeugt eine rotierende Zentrifugalkraft, die Folgendes bewirkt:
- 1X (einmal pro Umdrehung) Vibrationsfrequenz
- Relativ stabil Phase Beziehung
- Amplitude proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit
- Kreisförmig oder elliptisch Wellenumlaufbahn
2. Fehlausrichtung
Wellenversatz zwischen gekoppelten Maschinen entstehen Querkräfte:
- Primär 2X Vibration (zweimal pro Umdrehung)
- Kann auch 1X und höhere Harmonische anregen
- Zeigt oft auch eine hohe axiale Komponente
- Phasenbeziehungen unterscheiden sich von Unsymmetrie
3. Gebogener oder gekrümmter Schaft
Ein dauerhaft gebogener oder gekrümmter Schaft erzeugt eine geometrische Exzentrizität:
- 1X Vibration, die einer Unwucht ähneln kann
- Starke Vibrationen auch bei niedrigen Walzengeschwindigkeiten
- Durch Auswuchten allein schwer zu korrigieren
4. Lagerdefekte
Wälzlager Defekte erzeugen charakteristische seitliche Vibrationen:
- Hochfrequente Komponenten (Lagerfehlerfrequenzen)
- Moduliert durch niedrigere Frequenzen, die Seitenbänder
- Erfordert oft Hüllkurvenanalyse zur Erkennung
5. Mechanische Lockerheit
Lose Lager, Fundamente oder Befestigungsschrauben verursachen:
- Mehrere Harmonische (1X, 2X, 3X usw.)
- Nichtlineare Reaktion auf Erzwingung
- Unregelmäßige oder instabile Vibration
6. Rotor-Stator-Reibung
Der Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen erzeugt:
- Subsynchrone Komponenten
- Plötzliche Änderungen der Schwingungsamplitude und -phase
- Mögliche thermische Verbiegung
Seitliche Vibrationen im Vergleich zu anderen Vibrationsarten
Rotierende Maschinen können Vibrationen in drei Hauptrichtungen ausgesetzt sein:
Laterale (radiale) Vibration
- Richtung: Senkrecht zur Wellenachse
- Typische Ursachen: Unwucht, Fluchtungsfehler, Wellenbiegung, Lagerdefekte
- Messung: Beschleunigungsmesser oder Geschwindigkeitssensoren an Lagergehäusen; Näherungssensoren an der Welle
- Dominanz: Normalerweise die größte Amplitude der Schwingungskomponente
Axiale Vibration
- Richtung: Parallel zur Wellenachse
- Typische Ursachen: Fehlausrichtung, Probleme mit dem Axiallager, Probleme mit dem Prozessfluss
- Messung: Axial montierte Beschleunigungssensoren
- Dominanz: Typischerweise geringere Amplitude als seitlich, aber diagnostisch für bestimmte Fehler
Torsionsschwingung
- Richtung: Drehbewegung um die Wellenachse
- Typische Ursachen: Probleme mit dem Zahneingriff, elektrische Probleme mit dem Motor, Kupplungsprobleme
- Messung: Erfordert spezielle Torsionsschwingungssensoren oder Dehnungsmessstreifen
- Dominanz: Normalerweise klein, kann aber zu Ermüdungsbrüchen führen
Laterale Schwingungsmodi und kritische Geschwindigkeiten
Unter Rotordynamik, seitliche Schwingungsmodi beschreiben die charakteristischen Auslenkungsmuster der Welle:
Erster Lateralmodus
- Einfache Biegeform (Einzelbogen oder Bogen)
- Niedrigste Eigenfrequenz
- Am leichtesten durch Unwucht erregbar
- Erste kritische Geschwindigkeit entspricht diesem Modus
Zweiter Lateralmodus
- S-förmige Umlenkung mit einem Knotenpunkt
- Höhere Eigenfrequenz
- Zweite kritische Drehzahl
- Wichtig für flexible Rotoren
Höhere laterale Modi
- Zunehmend komplexere Formen mit mehreren Knoten
- Nur relevant für sehr schnelldrehende oder sehr flexible Rotoren
- Kann durch Schaufeldurchgang oder andere hochfrequente Anregungen angeregt werden
Messung und Überwachung
Messparameter
Die seitliche Schwingung wird durch mehrere Parameter charakterisiert:
- Amplitude: Das Ausmaß der Bewegung, gemessen in Verschiebung (µm, mils), Geschwindigkeit (mm/s, in/s) oder Beschleunigung (g, m/s²)
- Frequenz: Normalerweise 1X Laufgeschwindigkeit für unwuchtdominierte Vibrationen, kann aber auch Oberwellen und andere Frequenzen enthalten
- Phase: Der Zeitpunkt der maximalen Verschiebung relativ zu einer Referenzmarkierung auf der Welle
- Orbit: Der tatsächliche Weg, der von der Wellenmitte aus gesehen zurückgelegt wird
Messstandards
Internationale Normen bieten Richtlinien für akzeptable seitliche Vibrationspegel:
- ISO 20816-Reihe: Schwingungsgrenzwerte für verschiedene Maschinentypen basierend auf der RMS-Geschwindigkeit
- API 610, 617, 684: Branchenspezifische Normen für Pumpen, Kompressoren und Rotordynamik
- Schweregrade: Definieren Sie akzeptable Stufen, Vorsichtsstufen und Alarmstufen basierend auf Gerätetyp und -größe
Kontrolle und Minderung
Ausgleichen
Ausgleichen ist die primäre Methode zur Reduzierung seitlicher Vibrationen durch Unwucht:
- Auswuchten in einer Ebene für Scheibenrotoren
- Zwei-Ebenen-Auswuchten für die meisten Industrierotoren
- Modale Ausgewogenheit für flexible Rotoren, die oberhalb der kritischen Drehzahl betrieben werden
Ausrichtung
Durch die präzise Wellenausrichtung werden seitliche Kräfte durch Fehlausrichtung reduziert:
- Laserausrichtungswerkzeuge für die genaue Wellenpositionierung
- Berücksichtigung des Wärmewachstums bei Ausrichtungsverfahren
- Kippfußkorrektur vor der Ausrichtung
Dämpfung
Dämpfung kontrolliert seitliche Schwingungsamplituden, insbesondere bei kritischen Geschwindigkeiten:
- Flüssigkeitsfilmlager sorgen für eine deutliche Dämpfung
- Quetschfilmdämpfer für zusätzliche Kontrolle
- Dämpfungsmaßnahmen für die Stützstruktur
Steifigkeitsänderung
Durch die Veränderung der Systemsteifigkeit werden kritische Geschwindigkeiten erreicht:
- Eine Vergrößerung des Wellendurchmessers erhöht die kritischen Drehzahlen
- Eine Reduzierung des Lagerabstands erhöht die erste kritische Drehzahl
- Die Versteifung des Fundaments beeinflusst die Gesamtreaktion des Systems
Diagnostische Bedeutung
Die Analyse seitlicher Schwingungen ist der Eckpfeiler der Maschinendiagnose:
- Trend: Die Überwachung seitlicher Vibrationen im Laufe der Zeit zeigt sich entwickelnde Probleme
- Fehleridentifizierung: Schwingungsfrequenz und -muster identifizieren spezifische Fehlertypen
- Bewertung des Schweregrads: Amplitude im Vergleich zu Standards zeigt Schwere des Problems an
- Ausgleichsprüfung: Seitliche Schwingungsreduzierung bestätigt erfolgreiches Auswuchten
- Zustandsbasierte Wartung: Vibrationspegel lösen Wartungsmaßnahmen aus
Die wirksame Kontrolle seitlicher Schwingungen ist für einen zuverlässigen, langfristigen Betrieb rotierender Maschinen von entscheidender Bedeutung und steht daher im Mittelpunkt von Schwingungsüberwachungsprogrammen, Strategien zur vorausschauenden Wartung und Überlegungen zur Rotordynamikkonstruktion.
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