Laterale Vibrationen in rotierenden Maschinen verstehen
Seitliche Vibration — auch Radial- oder Quervibration genannt — ist die Bewegung einer rotierenden Welle senkrecht zu ihrer Drehachse. Einfach ausgedrückt handelt es sich um die seitliche und vertikale Bewegung der Welle während ihrer Drehung. Es ist die mit Abstand häufigste Form von Vibration in rotierenden Maschinen und wird normalerweise durch Radialkräfte wie Unwucht, Fehlausrichtung, eine verbogene Welle oder Lagerdefekte. Dies zu verstehen, ist von grundlegender Bedeutung für Rotordynamik, da dies die vorherrschende Schwingungsart bei den meisten Anlagen ist und im Mittelpunkt fast aller Schwingungsüberwachungen steht und Bilanzierung arbeiten.
1. Richtung und Messung
Die seitliche Schwingung wird in der Ebene senkrecht zur Wellenachse gemessen. Sie lässt sich vollständig durch zwei orthogonale Richtungen beschreiben:
- Horizontal: eine seitliche Bewegung parallel zum Boden.
- Vertikal: eine senkrecht zum Boden verlaufende Auf- und Abbewegung.
- Radial: in jede Richtung senkrecht zur Wellenachse – in der Praxis die Vektorkombination aus der horizontalen und der vertikalen Komponente.
Die Unterscheidung zwischen horizontaler und vertikaler Richtung ist nicht rein theoretischer Natur: Da sich die Steifigkeit der Lagerung in der Regel in beiden Richtungen unterscheidet, schwingt eine Maschine oft in einer Richtung stärker als in der anderen, und dieser Unterschied ist an sich schon ein diagnostischer Hinweis. Messungen werden typischerweise an folgenden Stellen vorgenommen:
- Lagergehäuse: unter Verwendung einer Beschleunigungsmesser oder eine Geschwindigkeitsaufnehmer am Lagerdeckel oder am Sockel.
- Oberfläche der Welle: unter Verwendung einer berührungslosen Näherungssensor das die Bewegung der Welle direkt relativ zum Lager misst.
- Mehrere Ausrichtungen: Messwerte sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung liefern ein vollständiges Bild der seitlichen Bewegung.
2. Hauptursachen für seitliche Schwingungen
Seitliche Schwingungen haben viele Ursachen, und der Nutzen einer Analyse liegt darin, dass jede von ihnen ein charakteristisches Muster in Bezug auf Frequenz, Phase und Schwingungsbahn hinterlässt.
Unwucht (am häufigsten)
Unwucht ist die häufigste Ursache. Eine asymmetrische Massenverteilung erzeugt eine rotierende Zentrifugalkraft, die Folgendes bewirkt:
- Eine Schwingung bei 1× – einmal pro Umdrehung bei Betriebsdrehzahl.
- Eine relativ stabile Phase Beziehung.
- Eine Amplitude, die mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt.
- Eine annähernd kreisförmige oder elliptische Wellenumlaufbahn.
Fehlausrichtung
Wellenversatz Zwischen gekoppelten Maschinen entstehen seitliche Kräfte, die Folgendes zeigen:
- Eine dominante 2×-Komponente (zweimal pro Umdrehung).
- Anregung von 1× sowie höherer Harmonischer.
- Oft auch eine starke axiale Komponente – ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal.
- Phasenverhältnisse, die sich von denen bei Unwucht unterscheiden.
Verbogene oder gekrümmte Welle
Eine dauerhaft verbogene oder gekrümmte Welle führt zu einer geometrischen Exzentrizität, die folgende Auswirkungen hat:
- Eine 1×-Schwingung, die einer Unwucht sehr ähnlich aussehen kann.
- Starke Vibrationen selbst bei sehr niedrigen Drehzahlen.
- Ein Problem, das sich durch Auswuchten allein nicht wirklich beheben lässt – die zugrunde liegende Schaftbogen muss angegangen werden.
Lagerdefekte
Wälzlager Defekte erzeugen ein charakteristisches seitliches Muster:
- Hochfrequente Anteile bei den Lagerfehlerfrequenzen.
- Modulation durch tiefere Frequenzen, wodurch Seitenbänder.
- Eine Signatur, die oft benötigt wird Hüllkurvenanalyse aus dem Breitbandrauschen zu extrahieren.
Mechanische Lose
Lose Lager, Fundamente oder Befestigungsschrauben führen zu dem für […] typischen nichtlinearen Verhalten mechanische Lose:
- Eine Reihe von Oberwellen (1×, 2×, 3×, …).
- Eine nichtlineare Reaktion auf die Antriebskraft.
- Unregelmäßige oder instabile Messwerte.
Reibung zwischen Rotor und Stator
Kontakt zwischen rotierenden und feststehenden Teilen — Rotorreibung - erzeugt:
- Subsynchrone Komponenten.
- Plötzliche Änderungen von Amplitude und Phase.
- Mögliches thermisches Verziehen der Welle, da Reibung eine Seite erwärmt.
3. Seitliche Schwingungen im Vergleich zu anderen Schwingungsarten
Rotierende Maschinen können in drei Hauptrichtungen schwingen, und deren Unterscheidung ist der erste Schritt bei jeder Diagnose.
| Typ | Richtung | Typische Ursachen | Messung |
|---|---|---|---|
| Seitlich (radial) | Senkrecht zur Wellenachse | Unwucht, Fluchtungsfehler, verbogene Welle, Lagerdefekte | Beschleunigungssensoren oder Geschwindigkeitssensoren an den Gehäusen; Näherungssensoren an der Welle |
| Axial | Parallel zur Wellenachse | Fehlausrichtung, Probleme mit Axiallagern, Probleme im Prozessablauf | Axial montierte Beschleunigungssensoren |
| Torsions | Verdrehen um die Wellenachse | Zahneingriffsprobleme, elektrische Probleme am Motor, Probleme mit der Kupplung | Spezielle Torsionssensoren oder Dehnungsmessstreifen |
Radialschwingungen sind in der Regel die Komponente mit der größten Amplitude und diejenige, die ein Standard-Beschleunigungsmesser am ehesten erfasst. Axiale Schwingungen sind typischerweise geringer, dienen jedoch als Indikator für Fluchtungsfehler und Axiallagerfehler, während Torsionsschwingungen meist gering sind, jedoch zu Ermüdungsbrüchen führen können und für gewöhnliche Radialsensoren nicht erkennbar sind.
4. Seitliche Schwingungsmoden und kritische Drehzahlen
Unter Rotordynamik… beschreiben die seitlichen Schwingungsmoden die charakteristischen Auslenkungsformen, die die Welle annimmt, und jede davon ist mit einer kritische Geschwindigkeit wenn die Laufgeschwindigkeit mit einer Eigenfrequenz übereinstimmt.
- Erster lateraler Modus: eine einfache Biegeform – ein einzelner Bogen – bei der niedrigsten Eigenfrequenz. Diese wird am leichtesten durch Unwucht in Schwingung versetzt, und die erste kritische Drehzahl entspricht ihr.
- Zweiter lateraler Modus: eine S-förmige Ausbiegung mit einer Knotenpunkt, bei einer höheren Eigenfrequenz; dies ist die zweite kritische Drehzahl und spielt insbesondere eine Rolle bei flexible Rotoren.
- Höhere seitliche Moden: zunehmend komplexe Formen mit mehreren Knotenpunkten, die nur bei sehr schnell drehenden oder sehr flexiblen Rotoren eine Rolle spielen und manchmal durch den Blattdurchlauf oder andere hochfrequente Kräfte angeregt werden.
Zu wissen, wo diese kritischen Drehzahlen im Verhältnis zur Betriebsdrehzahl liegen, ist für eine sichere Konstruktion von zentraler Bedeutung; eine Rechner für kritische Rotordrehzahlen liefert eine erste Schätzung der Eigenfrequenz der Welle anhand ihrer Geometrie und ihrer Lagerungen.
5. Messung, Überwachung und Normen
Seitliche Schwingungen werden durch das Zusammenspiel mehrerer Parameter bestimmt:
- Amplitude: die Größe der Bewegung, ausgedrückt als Weg (µm, mil), Geschwindigkeit (mm/s, in/s) oder Beschleunigung (g, m/s²).
- Frequenz: in der Regel das 1-fache der Betriebsdrehzahl bei durch Unwucht dominierten Schwingungen, bei anderen Störungen jedoch auch auf Oberschwingungen und andere Komponenten ausgedehnt.
- Phase: der Zeitpunkt des Auslenkungsmaximums relativ zu einer Referenzmarke auf der Welle.
- Umlaufbahn: die tatsächliche Bahn, die die Wellenmitte stirnseitig (in axialer Ansicht) beschreibt.
Internationale Normen legen die zulässigen Grenzwerte fest. Die ISO-Normenreihe 20816 — der moderne Ersatz für ISO 10816 — legt Schwingungsgrenzwerte für verschiedene Maschinentypen auf der Grundlage der Effektivgeschwindigkeit fest, während Industrienormen wie API 610, 617 und API 684 speziell für Pumpen, Kompressoren und Rotordynamik. Diese Rahmenwerke definieren Bewertungszonen – akzeptabel, Vorsicht und Alarm –, die auf den Anlagentyp und die Anlagengröße abgestimmt sind; im typischen Fall mittelgroßer Industriemaschinen können Sie einen Messwert anhand der Bewertungszonen überprüfen, indem Sie Tool für Schwingungsgrenzwerte nach ISO 20816-3.
6. Steuerung und Minderung
Ausgleichen ist das wichtigste Mittel gegen durch Unwucht verursachte seitliche Schwingungen. Die Vorgehensweise hängt vom Rotor ab: Ein-Ebenen-Auswuchten für Scheibenrotoren, Zwei-Ebenen-Auswuchten für die meisten industriellen Rotoren und modales Auswuchten für flexible Rotoren, die mit einer Drehzahl oberhalb der kritischen Drehzahl laufen.
Ausrichtung reduziert die seitlichen Kräfte, die durch Fehlausrichtung entstehen. Präzision Laser-Wellenausrichtung die Wellen präzise positioniert werden, die thermische Ausdehnung bei den Ausrichtzielwerten berücksichtigt wird und weicher Fuß wird vor Beginn der Ausrichtung korrigiert.
Dämpfung steuert die Schwingungsamplituden, insbesondere im Bereich kritischer Drehzahlen: Flüssigkeitsfilmlager sorgen für eine deutliche Dämpfung, a Quetschfolien-Dämpfer ergänzt dort, wo es nötig ist, und Behandlungen der Stützstruktur helfen ebenfalls.
Anpassung der Steifigkeit verlagert die kritischen Drehzahlen aus dem Betriebsbereich: Eine Vergrößerung des Wellendurchmessers erhöht sie, eine Verringerung des Stützweite erhöht die erste kritische Drehzahl, und eine Versteifung des Fundaments verändert das gesamte Systemverhalten – was daran erinnert, dass Fundamentsteifigkeit ist Teil des Rotor-Lager-Systems und nicht außerhalb davon.
7. Diagnostische Bedeutung und Praxis vor Ort
Die Analyse der Radialschwingungen ist das Fundament der Maschinendiagnostik. Die zeitliche Verfolgung lässt aufkommende Probleme erkennen; ihre Frequenz und ihr Muster geben Aufschluss über den konkreten Fehler; ihre Amplitude im Vergleich zu einem Referenzwert zeigt den Schweregrad an; ihre Verringerung bestätigt eine erfolgreiche Auswuchtung; und ihre Stärke löst zustandsorientierte Instandhaltungsmaßnahmen aus.
Vor Ort erfolgt all dies an der laufenden Maschine. Die Ingenieure bringen Sensoren an den Lagergehäusen an und verwenden ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A um seitliche Schwingungen in beide Richtungen zu erfassen, die 1×-Amplitude und -Phase abzulesen und das Spektrum anzuzeigen, das Unwucht von Fluchtungsfehlern, Spiel oder Lagerfehlern unterscheidet. Da dasselbe Gerät Amplitude und Phase misst und die Einflusskoeffizienten berechnet, kann der Techniker direkt von der Diagnose zur Korrektur übergehen – indem er den Rotor in seinen eigenen Lagern bei Betriebsdrehzahl auswuchtet und anschließend die seitlichen Schwingungen erneut misst, um die Korrektur zu überprüfen, ohne dass eine Auswuchtmaschine oder eine Demontage erforderlich ist.
Ein wirksames Management von seitlichen Schwingungen ist letztlich entscheidend dafür, dass rotierende Maschinen langfristig zuverlässig laufen. Deshalb steht es im Mittelpunkt von Schwingungsüberwachungsprogrammen, Strategien zur vorausschauenden Instandhaltung und der rotordynamischen Auslegung gleichermaßen.
