Wellenfehlausrichtung in rotierenden Maschinen verstehen

Definition: Was ist eine Fehlausrichtung?

Wellenversatz Bei der Präzisionsausrichtung liegen die Rotationsmittellinien zweier oder mehrerer gekoppelter Wellen im Normalbetrieb der Maschine nicht kollinear. Neben Unwucht ist dies eine der häufigsten Ursachen für vorzeitige Maschinenausfälle und führt zu verstärkten Vibrationen, Lager- und Dichtungsschäden sowie übermäßigem Energieverbrauch. Ziel der Präzisionsausrichtung ist es, die Wellenmittellinien innerhalb der vorgegebenen Toleranzen so genau wie möglich auszurichten.

Arten von Fehlausrichtungen

Fehlausrichtungen werden in zwei Haupttypen eingeteilt, obwohl in den meisten Fällen in der Praxis eine Kombination aus beiden vorliegt.

1. Parallele Fehlausrichtung (oder Versatz)

Ein Parallelversatz liegt vor, wenn die Mittellinien zweier Wellen parallel zueinander, aber um einen bestimmten Abstand versetzt sind. Dies lässt sich dadurch visualisieren, dass eine Welle höher oder niedriger (vertikaler Versatz) oder weiter auf einer Seite (horizontaler Versatz) liegt als die andere.

2. Winkelfehlstellung

Eine Winkelfehlstellung entsteht, wenn die beiden Wellen schräg zueinander stehen. Ihre Mittellinien schneiden sich am Kupplungspunkt, liegen aber nicht auf derselben Linie. Dadurch entsteht an der Kupplung ein „Spalt“, der auf einer Seite breiter ist als auf der anderen.

3. Kombinierte Fehlausrichtung

Dies ist das häufigste Szenario, bei dem die Wellen gleichzeitig unter einer parallelen und einer Winkelfehlstellung leiden.

Die Schwingungssignatur einer Fehlausrichtung

Eine Fehlausrichtung erzeugt eine sehr deutliche Schwingungssignatur, die in einem FFT-Spektrum identifiziert werden kann:

• Primärindikator (2x): Das häufigste und klassische Zeichen einer Fehlausrichtung ist eine Schwingungsspitze mit hoher Amplitude genau an 2x die Drehzahl (2. Ordnung)Denn durch die durch die Fehlausrichtung entstehenden Kräfte werden Wellen und Kupplungen zwei Biegezyklen pro Umdrehung ausgesetzt.
• Hohe axiale Vibration: Eine Fehlausrichtung führt oft zu starken Vibrationen im axial Richtung (parallel zur Welle). Ein hoher 2x-Peak in axialer Richtung ist ein sehr starker Indikator für eine Fehlausrichtung.
• Andere Obertöne (1x, 3x, 4x): Während 2x der primäre Indikator ist, kann eine Fehlausrichtung auch die 1x-Laufgeschwindigkeitsfrequenz anregen. Starke Fehlausrichtungen, insbesondere ein paralleler Versatz, können auch höhere Harmonische wie 3x und 4x erzeugen.
• Kopplungsspezifische Frequenzen: Einige Kupplungstypen können bei Verschleiß oder Belastung durch Fehlausrichtung Vibrationen mit ihren eigenen charakteristischen Frequenzen erzeugen.

Ein Schwingungsspektrum mit einem 2x-Peak, der 50% oder mehr des 1x-Peaks beträgt, insbesondere wenn es von starken axialen Schwingungen begleitet wird, ist ein typischer Fall einer Fehlausrichtung.

Häufige Ursachen für Fehlausrichtungen

Eine Fehlausrichtung kann bereits bei der Erstinstallation vorhanden sein oder sich im Laufe der Zeit entwickeln.

• Unsachgemäße Installation: Die häufigste Ursache ist eine mangelhafte Präzisionsausrichtung bei der Ersteinrichtung der Maschine.
• Thermisches Wachstum: Wenn sich Maschinen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur erwärmen, dehnen sich ihre Komponenten aus. Ein Motor kann in die Höhe wachsen oder ein Pumpengehäuse kann sich ausdehnen, wodurch die Wellen aus der Ausrichtung geraten. Eine präzise Ausrichtung muss dieser Wärmeausdehnung Rechnung tragen.
• Rohrbelastung: Kräfte, die durch unsachgemäß gelagerte Einlass- oder Auslassrohre entstehen, können dazu führen, dass eine Pumpe oder ein Kompressor nicht mehr mit dem Antrieb ausgerichtet ist. Dies ist ein weit verbreitetes Problem in der Prozessindustrie.
• Stiftungsprobleme: Ein schwaches oder rissiges Fundament oder lose Ankerbolzen können dazu führen, dass sich eine Maschine mit der Zeit verschiebt.
• Weicher Fuß: Ein Zustand, bei dem einer der Montagefüße der Maschine nicht flach auf der Grundplatte sitzt, wodurch der Maschinenrahmen beim Festschrauben verdreht oder verformt wird.

Warum die Korrektur von Fehlausrichtungen so wichtig ist

Der Betrieb einer falsch ausgerichteten Maschine hat schwerwiegende Folgen:

• Lager- und Dichtungsfehler: Die hohen zyklischen Belastungen der Wellen werden direkt auf die Lager und Dichtungen übertragen und führen zu deren vorzeitigem Ausfall.
• Kupplungsfehler: Kupplungen sind für die Aufnahme geringer Fehlausrichtungen ausgelegt, übermäßige Fehlausrichtungen führen jedoch zu schnellem Verschleiß und Ausfall.
• Wellenermüdung: Das wiederholte Biegen der Wellen kann zu Ermüdungsrissen und schließlich zum Wellenversagen führen.
• Erhöhter Energieverbrauch: Anstatt nützliche Arbeit zu verrichten, wird viel Energie in Form von Wärme und Vibrationen verschwendet.

Eine präzise Ausrichtung mithilfe von Werkzeugen wie Messuhren oder Laserausrichtungssystemen ist ein Eckpfeiler jedes effektiven Zuverlässigkeits- und Wartungsprogramms.

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