Mechanisches Spiel in rotierenden Maschinen verstehen
Mechanische Lose ist ein Zustand, bei dem Bauteile einer Maschine übermäßige Spielräume, unzureichende Befestigungen, verschlissene Passungen oder strukturelle Schäden aufweisen, wodurch sich Teile, die eigentlich fest miteinander verbunden sein sollten, relativ zueinander bewegen können. Diese unbeabsichtigte Bewegungsfreiheit verwandelt eine ansonsten lineare Maschine in eine nichtlineare und führt zu Vibration reich an verschiedenen Obertöne Vielfacher der Laufdrehzahl, unregelmäßige Amplitudenschwankungen und starke Richtungsabweichungen, die nicht den klaren Mustern einer einfachen Störung entsprechen. Diese Lockerheit ist in doppelter Hinsicht problematisch: Sie verursacht nicht nur selbst übermäßige Vibrationen, sondern – da sie zu unvorhersehbaren Reaktionen der Maschine führt – behindert sie zudem Versuche, andere Störungen zu diagnostizieren oder zu beheben, wie zum Beispiel Unwucht oder Fehlausrichtung. Aus diesem Grund muss der Fehler gefunden und behoben werden vor können auch andere Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung erfolgreich sein.
1. Definition: Was ist mechanisches Spiel?
Im Kern bedeutet Spiel einen Verlust der strukturellen Integrität im Kraftflussweg. Eine intakte Maschine überträgt Kräfte über Schraubverbindungen, Presspassungen und Vergussmasse, als wäre die gesamte Baugruppe ein einziger fester Körper. Wenn sich eine Verbindung lockert, können sich die Teile bei jeder Umdrehung mehrfach voneinander lösen und wieder einrasten, wobei jeder Aufprall Energie über ein breites Frequenzband abgibt. Das Ergebnis ist ein charakteristisches „zerklüftetes“ Spektrum und eine Maschine, die sich von einer Messung zur nächsten unterschiedlich verhält. Eng verwandte Begriffe beschreiben den Verlauf desselben Problems: mechanisches Lösen unterstreicht die fortschreitende Verschlechterung im Laufe der Zeit, während die zugrunde liegende mechanische tragen Es sind eben diese Passungen und Oberflächen, die das Spiel überhaupt erst erzeugen.
2. Arten von mechanischem Spiel
Fachleute unterteilen Lockerungen in der Regel in drei Gruppen, von denen jede ihren eigenen Ort und ihr eigenes spektrales Profil aufweist.
2.1 Typ A: Drehspiel (Lagerspiel)
Zu großes Spiel zwischen Lager und Welle oder Gehäuse:
- Lager-Welle: Abgenutzte Wellenoberfläche, unzureichende Presspassung, beschädigte Lagerbohrung
- Lager-zu-Gehäuse: Verschleiß der Gehäusebohrung, lockerer Lagerdeckel, unzureichende Presspassung
- Innenlager: Übermäßige Lagerspiel from wear.
- Symptom: 1×-, 2×-, 3×-Oberwellen; höhere Amplitude in radialer Richtung.
2.2 Typ B: Strukturelle Lockerheit (Sockel / Fundament)
Unzureichende Befestigung der nicht rotierenden Teile:
- Lose Lagersockel: Ankerbolzen nicht fest angezogen, beschädigter Mörtel.
- Lockere Sockelbefestigung: Befestigungsschrauben der Ausrüstung sind locker oder fehlen.
- Risse im Rahmen oder Fundament: Strukturschäden, die eine Bewegung ermöglichen.
- Symptom: Mehrere Harmonische (oft bis zu 5× oder mehr); unregelmäßiges, nichtlineares Ansprechverhalten
Strukturelle Lockerheit geht häufig einher mit weicher Fuß, wenn ein Gerät nicht flach auf seinen Füßen steht; beide Probleme weisen ähnliche Symptome auf und treten oft gemeinsam auf, daher lohnt es sich, beide gleichzeitig zu überprüfen.
2.3 Typ C: Lose Bauteile
Lose montierte Bauteile am rotierenden Element:
- Lose Laufräder: Das Laufrad sitzt locker auf der Welle, die Passfeder ist abgenutzt oder fehlt.
- Lose Kupplungen: lose Kupplungsnaben auf Wellen.
- Lose Riemenscheiben / Zahnräder: auf der Welle lose sitzende angetriebene Bauteile.
- Lose Abdeckungen / Schutzvorrichtungen: das Klappern der Blechverkleidungen.
- Symptom: Oberschwingungen und Unterschwingungen; mögliche 1/2×- und 1/3×-Komponenten.
Die subsynchronen Komponenten des Typs C zeichnen sich durch eine Besonderheit aus: Ein Teil, das sich alle zwei oder drei Umdrehungen neu positioniert, kann eine echte subharmonisch bei der Hälfte oder einem Drittel von Betriebsdrehzahl, ein Anzeichen, das selten durch Unwucht oder Fehlausrichtung verursacht wird.
3. Schwingungssignatur
3.1 Frequenzmerkmale
Ein Spiel erzeugt ein charakteristisches Frequenzmuster:
- Mehrere Oberschwingungen: stark 1×, 2×, 3×, 4× und höher – im Gegensatz zur Unwucht, die hauptsächlich 1× beträgt.
- Sub-harmonics: Es können 1/2×- und 1/3×-Komponenten auftreten (Typ-C-Lockerheit).
- Nichtharmonische Anteile: Spitzen bei nicht-ganzzahligen Vielfachen der Laufgeschwindigkeit.
- Erhöhter Grundrauschpegel: ein breitbandiger Anstieg, verursacht durch zufällige Stöße.
Ein hilfreiches mentales Modell ist, dass das aufprallende Gelenk bei jedem Bewegungszyklus einrastet und verzerrt; im Frequenzbereich ist es genau diese Verzerrung eines einmal pro Umdrehung auftretenden Ereignisses, die eine lange, geordnete Reihe von Oberwellen mit Laufgeschwindigkeit im Spektrum.
3.2 Amplitudenverhalten
- Hohes Gesamtniveau: eine Schwingung, die in keinem Verhältnis zu den vorhandenen Antriebskräften steht.
- Non-linear: Die Schwingungen nehmen nicht vorhersehbar mit der Geschwindigkeit oder der Belastung zu.
- Unberechenbar: Die Amplitude schwankt zwischen den einzelnen Messungen merklich.
- Richtungsunterschiede: oft 2–5-mal höher in einer Richtung als in der senkrechten Richtung.
3.3 Phasenmerkmale
- Instabil Phase: die Phasenwinkel springt unregelmäßig von einem Messwert zum nächsten.
- Starke Phasenstreuung: ±30–90° Schwankung bei gleicher Geschwindigkeit.
- Macht das Auswuchten unmöglich: Die Unvorhersehbarkeit dieser Phase macht die Auswuchtberechnungen unzuverlässig.
3.4 Merkmale der Zeitwellenform
Die Zeitwellenform ist oft aufschlussreicher als das Spektrum für die Lockerheit:
- Unregelmäßige, nicht sinusförmige Form.
- Abgeschnittene oder abgespitzte Spitzen, an denen die Komponente an ihre Begrenzung stößt.
- Zufällige, spontane Ereignisse.
- Verlust der klaren periodischen Struktur von Zyklus zu Zyklus.
4. Häufige Orte und Ursachen
4.1 Lagerbedingte
- Abgenutzte Wellenlagerflächen, die ein Wackeln des Lagers zulassen.
- Abgenutzte oder beschädigte Bohrungen im Lagergehäuse.
- Unzureichende Presspassung (falsche Toleranzwahl).
- Die Schrauben der Lagerdeckel sind locker oder nicht mit dem richtigen Drehmoment angezogen.
- Geteilte Lagergehäuse mit abgenutzten Passflächen.
4.2 Fundament und Montage
- Lose Ankerbolzen (die häufigste Form von struktureller Lockerung).
- Beschädigter oder fehlender Fugenmörtel unter den Sockeln.
- Rissige Betonfundamente.
- Lockere Befestigungsschrauben der Ausrüstung an der Grundplatte.
- Beschädigte oder aufgeweitete Schraubenlöcher.
4.3 Rotierende Bauteile
- Lüfter oder Laufrad sitzt locker auf der Welle (abgenutzte Passfeder, lockere Stellschrauben).
- Kupplungsnaben mit unzureichendem Presssitz.
- Die Befestigungsschrauben der Riemenscheibe sind locker oder fehlen.
- Rotorkomponenten sitzen locker auf der Welle.
4.4 Structural
- Risse in Maschinenrahmen oder Gehäusen.
- Ermüdung Risse in Schweißnähten.
- Lose Befestigungsschrauben.
- Beschädigte Verklebungen oder Klebstoffe.
5. Erkennungsmethoden
5.1 Schwingungsanalyse
- FFT-Analyse: Achte auf eine lange Reihe von Obertönen (1×, 2×, 3×, 4×, 5×+).
- Kohärenz testing: Eine geringe Kohärenz zwischen Eingangs- und Antwortsignalen deutet auf ein nichtlineares Verhalten hin.
- Richtungsvergleich: große Unterschiede zwischen horizontaler und vertikaler Messrichtung.
- Reaktion auf externe Anregung: A Funktionstest auf dem Gerät, das ein ungewöhnliches, klapperndes Geräusch von sich gibt.
5.2 Mechanische Inspektion
5.2.1 Sichtprüfung
- Achten Sie auf Spalten, Risse, Korrosion und Beschädigungen.
- Achten Sie auf Spuren, die auf eine Bewegung hindeuten.
- Beobachten Sie die Abnutzungsmuster der Lackierung an den Übergängen.
- Achten Sie auf Metallspäne oder rötlichen Staub, die auf Reibverschleiß hindeuten.
5.2.2 Schlagprüfung
- Schlagen Sie mit einem Hammer auf die verdächtigen Teile.
- Achten Sie darauf, ob statt eines klaren Klangs ein Klappern oder ein dumpfer Schlag zu hören ist.
- Achten Sie auf übermäßige Bewegungen oder ein Summen.
- Vergleichen Sie mit Komponenten, von denen bekannt ist, dass sie einwandfrei funktionieren.
5.2.3 Überprüfung des Drehmoments
- Prüfen Sie jede Schraube mit einem Drehmomentschlüssel.
- Überprüfen Sie die Messwerte anhand der Spezifikationen.
- Achten Sie auf gebrochene, beschädigte oder korrodierte Befestigungselemente.
- Prüfen Sie, ob Gewinde beschädigt sind.
5.2.4 Druck- und Zugprüfung
- Üben Sie mit der Hand oder einer Brechstange Druck auf die verdächtigen Bauteile aus.
- Achten Sie auf Bewegungen, die nicht auftreten sollten.
- Verwenden Sie Messuhren, um das Spiel zu messen.
- Vergleichen Sie diese mit neuen oder ordnungsgemäß befestigten Bauteilen.
6. Korrekturverfahren
6.1 Bei Spiel im Lager
- Das Lager austauschen: wenn das Lager selbst verschlissen ist.
- Shaft repair: Die abgenutzte Welle durch Verchromen oder Schweißen aufbauen und anschließend auf Maß nachbearbeiten.
- Gehäusereparatur: Das Gehäuse vergrößern und ein größeres Lager einbauen oder es durch Metallspritzen oder Schweißen aufbauen und neu bohren.
- Die Passung verbessern: Verwenden Sie die in den Herstellerangaben angegebenen Presspassungen.
- Bearing caps: Bei Verschleiß festziehen oder austauschen.
6.2 Bei struktureller Lockerung
- Ziehen Sie alle Befestigungselemente fest: Drehmoment gemäß den Vorgaben unter Verwendung des richtigen Kreuzschraubmusters. Die richtigen Werte können mit einem Schraubenanzugsdrehmoment-Rechnersowie die Tragfähigkeit der Ankerbolzen mit der Ankerbolzen-Auszugsrechner.
- Beschädigte Schrauben austauschen: Setzen Sie neue Schrauben der richtigen Güteklasse und Größe ein.
- Das Fundament reparieren: Entfernen Sie den alten Vergussmörtel, reinigen Sie die Oberflächen und füllen Sie neuen Vergussmörtel ein.
- Weld cracks: Risse in Rahmen oder Sockeln nach Möglichkeit ausbessern.
- Verstärkung hinzufügen: Verstärkungsbleche oder Verstrebungen für schwache Konstruktionen.
6.3 Bei lockeren Bauteilen
- Ziehen Sie die Stellschrauben mit Gewindesicherung wieder mit dem vorgeschriebenen Drehmoment fest.
- Ersetzen Sie verschlissene Keile und Keilnuten.
- Verwenden Sie für Presspassungen geeignete Presssitzmaße.
- Stift- oder Schlüsselkomponenten, die sich wiederholt gelöst haben
- Ersetzen Sie beschädigte Teile, anstatt sie wiederzuverwenden.
7. Präventionsstrategien
7.1 Entwurfsphase
- Geben Sie die geeigneten Größen und Mengen der Befestigungselemente an.
- Entwerfen Sie passende Presspassungen.
- Sorgen Sie für eine ausreichende strukturelle Steifigkeit.
- Vermeiden Sie Spannungskonzentrationen, die zu Rissen führen.
- Geben Sie die geeigneten Güteklassen und Werkstoffe für die Befestigungselemente an.
7.2 Installationsphase
- Verwenden Sie kalibrierte Drehmomentschlüssel.
- Beachten Sie die vorgeschriebenen Anzugsreihenfolgen.
- Verwenden Sie gegebenenfalls Schraubensicherungsmittel.
- Stellen Sie vor dem Zusammenbau sicher, dass die Oberflächen sauber und eben sind.
- Überprüfen Sie, ob die Passungen den Spezifikationen entsprechen.
- Führen Sie Qualitätskontrollen durch.
7.3 Wartungsphase
- Überprüfen Sie regelmäßig das Anzugsmoment der Schrauben (jährlich oder gemäß dem Zeitplan für die Schwingungsüberwachung).
- Use vibration Trends um eine sich anbahnende Lockerung frühzeitig zu erkennen.
- Führen Sie während der Stillstandszeiten Sichtprüfungen durch.
- Bei Bedarf nachziehen.
- Beheben Sie Vibrationen umgehend, bevor sie überhaupt zu Lockerungen führen.
8. Diagnostische Herausforderungen
8.1 Andere Probleme verschleiern
- Ein lockerer Sitz kann andere Mängel verdecken oder vortäuschen.
- Es verhindert eine genaue Bilanzierung aufgrund des nichtlinearen Verhaltens.
- It makes Ausrichtung schwierig oder unmöglich zu halten.
- Es kann Schwingungsmuster erzeugen, die Rissen ähneln oder Lagerdefekte.
8.2 Progressiver Charakter
- Die Lockerung beginnt meist schleichend und verschlimmert sich zunehmend.
- Vibrationen aufgrund von Spiel führen zu noch mehr Spiel – ein positiver Rückkopplungskreislauf.
- Wenn man nichts dagegen unternimmt, kann sich der Zustand innerhalb weniger Wochen von leicht zu schwer verschlimmern.
- Dies führt letztendlich zu Folgeschäden an Lagern, Wellen und Fundamenten.
9. Zusammenhang mit anderen Fehlern
9.1 Spiel vs. Unwucht
| 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 das Auswuchten | Vibrationen reduziert | Minimale oder keine Verbesserung |
| Richtungsmuster | Ähnliche horizontale/vertikale | Oftmals viel höher in einer Richtung |
9.2 Spiel vs. Fehlausrichtung
- Fehlausrichtung: hauptsächlich 2× mit einigen 1× sowie einer stabilen Phase.
- Lockerheit: mehrere Oberschwingungen (1× bis 5×+), mit instabiler Phase.
- Kombination: Eine Fehlausrichtung kann zu Spiel führen, und dieses Spiel verstärkt wiederum die Auswirkungen der Fehlausrichtung – beides verstärkt sich gegenseitig.
10. Auswirkungen auf die Maschinenleistung
10.1 Direkte Auswirkungen
- Hohe Schwingung: übermäßige Werte, die zu Unbehagen und Sicherheitsbedenken führen und die Maschine oft über ihre Grenzen hinaus belasten Schwingungsintensität limits.
- Lärm: Klapper-, Schlag- oder Klopfgeräusche.
- Reduzierte Genauigkeit: Fehler bei der Wellenpositionierung.
- Beschleunigter Verschleiß: Stoßbelastungen beschädigen Bauteile.
10.2 Folgeschäden
- Lagerschaden: Stoßbelastungen und die durch Spiel verursachten Fluchtungsfehler führen zu Schäden an den Lagern.
- Wellenpassungskorrosion: Mikrobewegungen an lockeren Passungen verursachen Reibkorrosion
- Versagen der Befestigungselemente: Schrauben können unter wechselnden Belastungen ermüden und brechen.
- Rissausbreitung: Die Vibrationen lassen bestehende Risse weiter ausbreiten.
- Baugrundverschlechterung: Anhaltende Vibrationen führen zum Zerfall von Beton und Mörtel.
10.3 Betriebliche Probleme
- Verhindert effektives Auswuchten.
- Dadurch lässt sich die Ausrichtung nicht mehr aufrechterhalten.
- Führt zu diagnostischer Verwirrung, wodurch andere Probleme übersehen werden.
- beeinträchtigt die allgemeine Zuverlässigkeit der Anlage.
11. Fallbeispiel
Situation: ein großer Saugzugventilator, der mit 1200 U/min läuft und übermäßige Vibrationen aufweist.
- Erste Symptome: Gesamtvibration von 8 mm/s bei einem Alarmgrenzwert von 4,5 mm/s.
- Spektrum: 1×-, 2×-, 3×- und 4×-Komponenten.
- Auswuchtversuche: Drei Versuche, keine Besserung, durchgehend unregelmäßiger Verlauf.
- Untersuchung: Bei der Sichtprüfung wurde festgestellt, dass vier der acht Ankerbolzen locker waren.
- Korrektur: Alle Ankerbolzen wurden gemäß der Vorgabe von 400 N·m nachgezogen.
- Ergebnis: Die Schwingung sank sofort auf 1,8 mm/s.
- Follow-up: Ein einziger Auswuchtdurchlauf reduzierte die Schwingung auf 0,8 mm/s, da das System nun linear war.
- Lektion: Prüfen Sie vor dem Auswuchten stets, ob sich etwas gelöst hat.
Dieser Fall ist ein Lehrbuchbeispiel: Genau jene drei fehlgeschlagenen Auswuchtversuche, die die Crew zur Verzweiflung gebracht hatten, lieferten die Diagnose. Sobald das Fundament wieder stabil war, verhielt sich der Rotor linear, und die Unwuchtkorrektur gelang auf Anhieb. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A verkürzt diesen Zyklus noch weiter – sein Live-Spektrum und die Anzeige zur Unterscheidung zwischen stabiler und verstreuter Phase deuten innerhalb von Minuten auf eine nichtlineare, lockere Maschine hin, sodass ein Techniker weiß, dass er zum Drehmomentschlüssel greifen muss, bevor er versucht, eine Auswuchtung durchzuführen, die ohnehin nie gelingen würde. Der Gesamtpegel selbst lässt sich aus dem Spektrum mit dem Rechner für den Gesamtvibrationspegel um festzustellen, wie sich eine Maschine im Verhältnis zu ihrem Alarmgrenzwert verhält.
12. Bewährte Verfahren
12.1 Checkliste zur Diagnose
Wenn Sie ein Vibrationsproblem untersuchen, sollten Sie immer zuerst prüfen, ob etwas locker sitzt:
- Analysieren Sie das Spektrum auf mehrere Oberschwingungen.
- Überprüfen Sie die Phasenwiederholgenauigkeit zwischen den Durchläufen.
- Führen Sie Klopftests an verdächtigen Bauteilen durch.
- Überprüfen Sie das Anzugsmoment jeder Schraube.
- Auf Risse, Verschleiß und Beschädigungen prüfen.
- Beheben Sie zunächst eventuelle mechanische Lose, bevor weitere Diagnosen oder Korrekturen vorgenommen werden.
12.2 Wartungsprotokoll
- Nehmen Sie die Überprüfung der Schraubenanzugsmomente in die Pläne für die vorbeugende Wartung auf.
- Dokumentieren Sie die Referenz-Drehmomentwerte.
- Beobachten Sie die Drehmomentrelaxation im zeitlichen Verlauf.
- Verwenden Sie Gewindesicherungsmittel an kritischen Verbindungsstellen.
- Ersetzen Sie das Teil, anstatt es immer wieder nachzuziehen, wenn es immer wieder locker wird.
Mechanisches Spiel ist eine häufige, aber oft übersehene Ursache für Maschinenschwingungen. Aufgrund seiner charakteristischen mehrharmonischen Schwingungssignatur, seines nichtlinearen Verhaltens und der Tatsache, dass es andere Diagnose- und Abhilfemaßnahmen beeinträchtigt, ist es unerlässlich, es als allerersten Schritt bei jeder Schwingungsfehlerbehebung zu überprüfen – und zu beheben.
