Mechanisches Spiel in rotierenden Maschinen verstehen

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Definition: Was ist mechanische Lockerung?

Mechanische Lockerheit Dies ist ein Zustand, bei dem Bauteile in rotierenden Maschinen übermäßiges Spiel, unzureichende Befestigung, verschlissene Passungen oder strukturelle Schäden aufweisen, die eine unbeabsichtigte Relativbewegung zwischen eigentlich starr verbundenen Teilen ermöglichen. Dadurch entsteht eine nichtlineare Bewegung. Vibration Verhalten, das durch mehrere Obertöne der Laufgeschwindigkeit, unregelmäßigen Amplitudenschwankungen und Richtungsunterschieden in der Vibration, die keinen normalen Mustern folgen.

Lockerheit ist ein häufiges Problem an Maschinen, das nicht nur direkt übermäßige Vibrationen verursacht, sondern auch eine effektive Diagnose und Behebung anderer Probleme verhindert. Unwucht oder Fehlausrichtung. Es muss identifiziert und behoben werden, bevor andere Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung Erfolg haben können.

Arten von mechanischer Lockerung

Typ A: Rotationsspiel (Lagerspiel)

Zu großes Spiel zwischen Lager und Welle oder Gehäuse:

• Lager-Welle: Abgenutzte Wellenoberfläche, unzureichende Presspassung, beschädigte Lagerbohrung
• Lager-Gehäuse-Verbindung: Verschleiß der Gehäusebohrung, lockerer Lagerdeckel, unzureichende Presspassung
• Innenlager: Übermäßig Lagerspiel durch Abnutzung
• Symptom: 1×, 2×, 3× Harmonische; höher in radialen Richtungen

Typ B: Strukturelle Lockerung (Sockel/Fundament)

Unzureichende Befestigung nicht rotierender Bauteile:

• Lose Sockel: Ankerbolzen nicht festgezogen, Fugenmörtel brüchig
• Lose Sockelmontage: Befestigungsschrauben der Ausrüstung locker oder fehlen
• Gerissener Rahmen oder Fundament: Strukturelle Schäden, die Bewegungen ermöglichen
• Symptom: Mehrere Harmonische (oft bis zu 5× oder mehr); unregelmäßiges, nichtlineares Ansprechverhalten

Typ C: Bauteillockerung

Lose zusammengebaute Bauteile:

• Lose Laufräder: Laufrad locker auf der Welle, Passfeder verschlissen oder fehlt
• Lose Kupplungen: Kupplungsnaben locker auf den Wellen
• Lose Riemenscheiben/Zahnräder: Antriebskomponenten lose auf der Welle
• Lose Abdeckungen/Schutzvorrichtungen: Klappernde Blechplatten
• Symptom: Harmonische und Subharmonische; mögliche 1/2×-, 1/3×-Komponenten

Vibrationssignatur

Frequenzcharakteristik

Lockerheit erzeugt charakteristische Frequenzmuster:

• Mehrere Harmonische: Starke 1×, 2×, 3×, 4× und höher (im Gegensatz zu Ungleichgewicht, das hauptsächlich 1× ist)
• Subharmonische: Es können 1/2×- und 1/3×-Komponenten auftreten (Lockerheitstyp C).
• Nichtharmonische Inhalte: Spitzenwerte bei nicht-ganzzahligen Vielfachen der Laufgeschwindigkeit
• Erhöhter Geräuschpegel: Breitbandausbau durch zufällige Einflüsse

Amplitudenverhalten

• Hohes Gesamtniveau: Gesamtschwingung in keinem Verhältnis zu den Antriebskräften
• Nichtlinear: Vibrationen verhalten sich nicht vorhersagbar proportional zu Geschwindigkeit oder Belastung.
• Unberechenbar: Die Amplitude variiert zwischen den Messungen erheblich.
• Richtungsunterschiede: Kann in einer Richtung 2- bis 5-mal höher sein als in der dazu senkrechten Richtung

Phasencharakteristik

• Instabil Phase: Der Phasenwinkel ändert sich zwischen den Messungen unregelmäßig.
• Große Phasenstreuung: ±30-90° Abweichung bei gleicher Geschwindigkeit
• Niederlagen im Balancing: Unvorhersehbare Phasen machen Ausgleichsberechnungen unzuverlässig.

Zeitwellenformfunktionen

• Unregelmäßige, nicht sinusförmige Wellenform
• Abgeschnittene oder beschnittene Spitzenwerte (Auswirkungen auf Nebenbedingungen)
• Zufällige, impulsive Ereignisse
• Verlust der periodischen Struktur

Häufige Orte und Ursachen

Lagerbezogen

• Abgenutzte Wellenzapfenflächen ermöglichen ein Wackeln des Lagers.
• Abgenutzte oder beschädigte Lagergehäusebohrungen
• Unzureichende Presspassung (falsche Toleranzwahl)
• Lagerdeckelschrauben locker oder nicht ausreichend festgezogen
• Geteilte Lagergehäuse mit verschlissenen Passflächen

Fundament und Montage

• Lose Ankerbolzen (häufigste strukturelle Lockerung)
• Beschädigter oder fehlender Fugenmörtel unter den Sockeln
• Gerissene Betonfundamente
• Lose Befestigungsschrauben der Ausrüstung an der Grundplatte
• Beschädigte oder ausgeleierte Bolzenlöcher

Rotierende Bauteile

• Lüfter oder Laufrad locker auf der Welle (abgenutzte Passfeder, lockere Stellschrauben)
• Kupplungsnaben mit unzureichender Presspassung
• Die Riemenscheiben-Stellschrauben sind locker oder fehlen.
• Rotorkomponenten lose auf der Welle

Strukturell

• Gerissene Maschinenrahmen oder Gehäuse
• Ermüdungsrisse in Schweißnähten
• Lose strukturelle Verschraubungen
• Beschädigte Verbindungen oder Klebstoffe

Nachweismethoden

Schwingungsanalyse

• FFT-Analyse: Achten Sie auf mehrfache Harmonische (1×, 2×, 3×, 4×, 5×+)
• Kohärenztest: Eine geringe Übereinstimmung zwischen den Messungen deutet auf nichtlineares Verhalten hin.
• Richtungsvergleich: Große Unterschiede zwischen horizontalen und vertikalen
• Reaktion auf äußere Reize: Klopfen Sie auf die Maschine und beobachten Sie die abnormale Reaktion.

Physische Inspektion

Visuelle Inspektion

• Achten Sie auf Lücken, Risse, Korrosion und Beschädigungen.
• Prüfen Sie auf Spuren von Bewegungen.
• Beobachten Sie die Abnutzungsmuster der Farbe an den Übergängen.
• Achten Sie auf Metallspäne, die auf Reibkorrosion hinweisen.

Gewindeprüfung

• Vermutlich lose Bauteile mit einem Hammer bearbeiten.
• Achten Sie auf klappernde oder dumpfe Geräusche anstelle eines durchgehenden Klingelns.
• Achten Sie auf übermäßige Bewegungen oder Vibrationen.
• Vergleich mit bekannten, einwandfreien Bauteilen

Drehmomentprüfung

• Alle Schrauben mit einem Drehmomentschlüssel prüfen
• Mit den Spezifikationen vergleichen
• Achten Sie auf defekte, beschädigte oder korrodierte Befestigungselemente.
• Auf beschädigte Gewinde prüfen

Push/Pull-Test

• Üben Sie Kraft auf verdächtige Bauteile aus.
• Achten Sie auf Bewegungen, die nicht auftreten sollten.
• Verwenden Sie Messuhren, um das Spiel zu quantifizieren
• Vergleichen Sie mit neuen oder ordnungsgemäß befestigten Komponenten.

Korrekturverfahren

Bei Lagerlockerung

• Lager austauschen: Wenn das Lager selbst verschlissen ist
• Wellenreparatur: Abgenutzte Wellen durch Verchromen oder Schweißen wieder aufbauen, anschließend auf das gewünschte Maß nachbearbeiten
• Gehäusereparatur: Um das Maschinengehäuse zu vergrößern, ein größeres Lager verwenden oder es mit Metallspritzen/Schweißen verstärken.
• Passform verbessern: Verwenden Sie die vom Hersteller vorgegebenen Presspassungen.
• Lagerdeckel: Bei Verschleiß festziehen oder ersetzen.

Für strukturelle Lockerung

1. Alle Befestigungselemente festziehen: Drehmoment gemäß Spezifikation mit dem richtigen Muster anziehen
2. Beschädigte Schrauben ersetzen: Neue Schrauben der richtigen Güteklasse und Größe einbauen.
3. Fundamentreparatur: Alte Fugenmasse entfernen, Oberflächen reinigen, neue Fugenmasse gießen
4. Schweißnahtrisse: Reparieren Sie gegebenenfalls Risse in Rahmen oder Sockeln.
5. Verstärkung hinzufügen: Knotenbleche oder Verstrebungen für schwache Konstruktionen

Bei Bauteillockerung

• Die Stellschrauben mit dem korrekten Drehmoment und Schraubensicherung wieder festziehen.
• Abgenutzte Schlüssel und Schlüsselkanäle ersetzen
• Verwenden Sie für Presspassungsbauteile geeignete Übermaßpassungen.
• Stift- oder Schlüsselkomponenten, die sich wiederholt gelöst haben
• Beschädigte Bauteile ersetzen

Präventionsstrategien

Entwurfsphase

• Legen Sie geeignete Befestigungsmittelgrößen und -mengen fest.
• Geeignete Presspassungen entwerfen
• Für ausreichende strukturelle Steifigkeit sorgen
• Vermeiden Sie Spannungskonzentrationen, die zu Rissen führen.
• Geeignete Festigkeitsklassen und Werkstoffe für Befestigungselemente angeben

Installationsphase

• Verwenden Sie kalibrierte Drehmomentschlüssel
• Beachten Sie die korrekte Anzugsreihenfolge.
• Verwenden Sie gegebenenfalls Gewindesicherungsmittel.
• Vor der Montage sicherstellen, dass die Oberflächen sauber und eben sind.
• Prüfen Sie, ob die Passform den Spezifikationen entspricht.
• Qualitätskontrollen durchführen

Wartungsphase

• Regelmäßige Drehmomentprüfung (jährlich oder gemäß Schwingungsüberwachungsplan)
• Vibrationstrendanalyse zur Erkennung sich entwickelnder Lockerungen
• Visuelle Inspektionen während Ausfällen
• Bei Bedarf nachziehen.
• Beheben Sie Vibrationen umgehend, bevor sie zu Lockerungen führen.

Diagnostische Herausforderungen

Verschleierung anderer Probleme

• Lockerheit kann andere Fehler verdecken oder vortäuschen.
• Verhindert genaue Bilanzierung aufgrund nichtlinearer Reaktion
• Macht Ausrichtung schwierig oder unmöglich
• Kann Vibrationsmuster erzeugen, die Rissen oder Lagerdefekten ähneln.

Fortschrittliche Natur

• Lockerung beginnt oft schleichend und verschlimmert sich allmählich.
• Durch Lockerung entstehende Vibrationen führen zu weiterer Lockerung (positive Rückkopplung).
• Kann sich innerhalb weniger Wochen von einem leichten zu einem schweren Verlauf verschlimmern, wenn es nicht behandelt wird.
• Führt schließlich zu Folgeschäden an Lagern, Wellen und Fundamenten.

Beziehung zu anderen Fehlern

Lockerheit vs. Ungleichgewicht

Besonderheit	Unwucht	Lockerheit
Primärfrequenz	Nur 1 Stück	1×, 2×, 3×, 4×+ Harmonische
Phasenstabilität	Konstant, wiederholbar	Unregelmäßig, Schwankungen zwischen den Messungen
Linearität	Schwingung ∝ Geschwindigkeit²	Nichtlinear, unvorhersehbar
Reaktion auf den Ausgleich	Vibrationen reduziert	Minimale oder keine Verbesserung
Richtungsmuster	Ähnliche horizontale/vertikale	Oftmals viel höher in einer Richtung

Lockerheit vs. Fehlausrichtung

• Fehlausrichtung: Vorwiegend 2× mit einigen 1×, stabile Phase
• Lockerheit: Mehrere Harmonische (1× bis 5×+), instabile Phase
• Kombination: Fehlausrichtung kann zu Lockerheit führen, und Lockerheit verschlimmert die Auswirkungen der Fehlausrichtung.

Auswirkungen auf die Maschinenleistung

Direkte Auswirkungen

• Hohe Vibration: Überhöhte Werte verursachen Unbehagen und Sicherheitsbedenken
• Lärm: Klappernde, knallende oder klopfende Geräusche
• Reduzierte Präzision: Wellenpositionierungsfehler
• Beschleunigter Verschleiß: Beschädigung von Bauteilen durch Stoßbelastung.

Sekundärschaden

• Lagerschäden: Stoßbelastungen und Fluchtungsfehler aufgrund von Lockerung beschädigen Lager
• Schaftreibung: Mikrobewegungen an lockeren Passungen verursachen Reibkorrosion
• Versagen der Befestigungselemente: Schrauben können durch wechselnde Belastungen ermüden und brechen.
• Rissausbreitung: Vibrationen verstärken bestehende Risse.
• Fundamentverfall: Anhaltende Vibrationen schädigen Beton und Fugenmörtel.

Betriebliche Probleme

• Verhindert effektives Gleichgewicht
• Macht die Ausrichtung unmöglich aufrechtzuerhalten
• Diagnostische Verwirrung, die andere Probleme verdeckt
• Verringerte Gerätezuverlässigkeit

Fallbeispiel

Situation: Großer Saugzugventilator, 1200 U/min, übermäßige Vibrationen

• Erste Symptome: 8 mm/s Gesamtvibration (Alarmgrenze 4,5 mm/s)
• Spektrum: Starke 1×-, 2×-, 3×- und 4×-Komponenten
• Ausgleichsversuche: Drei Versuche, keine Besserung, Phase unregelmäßig
• Untersuchung: Bei der Sichtprüfung wurde festgestellt, dass vier von acht Ankerbolzen locker waren.
• Korrektur: Alle Ankerbolzen wurden mit dem vorgeschriebenen Drehmoment von 400 Nm nachgezogen.
• Ergebnis: Die Vibration sank sofort auf 1,8 mm/s.
• Nachverfolgen: Durch einen einzigen Auswuchtvorgang konnte die Vibration auf 0,8 mm/s reduziert werden (das System war nun linear).
• Lektion: Vor dem Auswuchten stets auf Spiel prüfen.

Bewährte Methoden

Diagnose-Checkliste

Bei der Untersuchung von Vibrationsproblemen sollte immer auf Lockerheit geachtet werden:

1. Spektrumanalyse auf mehrere Harmonische
2. Phasenwiederholbarkeit prüfen
3. Führen Sie Klopftests an verdächtigen Bauteilen durch.
4. Überprüfen Sie alle Anzugsmomente der Schrauben.
5. Auf Risse, Abnutzung und Beschädigungen prüfen
6. Zuerst die Lockerheit korrigieren vor anderen Diagnosen oder Korrekturen

Wartungsprotokoll

• Die Überprüfung des Anzugsmoments von Schrauben sollte in die Wartungspläne aufgenommen werden.
• Dokumentieren Sie die Drehmomentwerte für die Basislinie.
• Trend der Drehmomentrelaxation im Laufe der Zeit
• Verwenden Sie Gewindesicherungsmittel an kritischen Verbindungsstellen.
• Bei wiederkehrender Lockerung sollte die Manschette ersetzt statt wiederholt nachgezogen werden.

Mechanisches Spiel ist eine häufige, aber oft übersehene Ursache für Maschinenschwingungen. Aufgrund ihrer charakteristischen Mehrharmonischen-Signatur, ihres nichtlinearen Verhaltens und ihrer Beeinträchtigung anderer Diagnose- und Korrekturmaßnahmen ist es unerlässlich, Spiel als ersten Schritt bei der Fehlersuche in Schwingungssystemen zu überprüfen und zu beheben.

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