Phasenwinkel bei Vibrationen verstehen
Definition: Was ist der Phasenwinkel?
Phasenwinkel (oft einfach genannt Phase) ist die Winkelposition, gemessen in Grad (0-360°), des Peaks Vibration relativ zu einer Referenzmarkierung auf der rotierenden Welle (von einem Drehzahlmesser oder Schlüsselphasengeber). Alternativ kann es die zeitliche Beziehung zwischen zwei Schwingungssignalen mit der gleichen Frequenz darstellen. Der Phasenwinkel liefert die “Wann”-Information, die ergänzt Amplitude (das “Wie viel”), die zusammen einen vollständigen Schwingungsvektor mit Größe und Richtung bilden.
Der Phasenwinkel ist absolut entscheidend für Rotorauswuchtung (bestimmt, wo Korrekturgewichte platziert werden sollen), kritische Geschwindigkeit Identifizierung (180°-Phasenverschiebung bestätigt Resonanz) und Fehlerdiagnose (Phasenmuster unterscheiden verschiedene Fehlertypen). Ohne Phaseninformationen wären viele Diagnose- und Korrekturverfahren unmöglich.
Phasenmessung relativ zum Keyphasor
Das Referenzsystem
- Referenzmarke: Reflektierendes Band oder Kerbe am Schaft
- Sensor: Optischer oder magnetischer Tachometer erkennt Markierungsdurchgang
- Einmal-pro-Umdrehung-Impuls: Definiert 0° Referenz
- Vibrationszeitpunkt: Wann tritt die Spitzenvibration im Verhältnis zur Markierung auf?
- Winkelmessung: Ausgedrückt in Grad (0-360°)
Konvention
- 0°: Referenzmarkenposition
- Richtung: Typischerweise in Drehrichtung zunehmend
- Beispiel: Phase = 90° bedeutet, dass die Spitzenschwingung 90° (Viertelumdrehung) nach dem Passieren der Referenzmarke am Sensor auftritt.
Kritische Anwendungen
1. Balancieren (am wichtigsten)
Die Phase bestimmt die Winkelposition des Korrekturgewichts:
- Messen Sie die Phase der durch Unwucht verursachten Vibration
- Die Phase gibt die Winkelposition des schweren Flecks an
- Korrekturgewicht 180° vom Schwerpunkt entfernt platziert
- Phasengenauigkeit ±5–10° für effektiven Ausgleich erforderlich
- Ohne Phase ist ein Ausgleich nicht möglich
2. Identifizierung der kritischen Geschwindigkeit
Phasenverschiebung bestätigt Resonanz:
- Unterhalb der kritischen Drehzahl: Phase relativ konstant
- Durchlaufen kritisch: charakteristische 180° Phasenverschiebung
- Überkritisch: Phasenverschiebung um 180° vom unterkritischen Wert
- Phasenwechsel an Bode-Diagramm definitiver Resonanzindikator
- Amplitudenspitze allein reicht nicht aus – Phasenverschiebung erforderlich
3. Fehlerdiagnose
Unwucht
- Phasenstabil und wiederholbar
- Gleiche Phase bei allen Geschwindigkeiten (unterhalb des kritischen Bereichs)
- Phase markiert die Position schwerer Stellen
Fehlausrichtung
- Charakteristische Phasenbeziehungen zwischen Lagern
- Axiale Maße oft um 180° unterschiedlich an Antriebs- und Nichtantriebsseite
- Diagnose radialer Phasenmuster für Fehlausrichtungstypen
Wellenriss
- Phase des 1× und 2× Wechsels beim Anfahren/Herunterfahren
- Anderes Verhalten als bei normaler Unwucht
- Phasenschwankungen deuten auf Rissatmung hin
Lockerheit
- Unregelmäßige, instabile Phasenwerte
- Die Phase variiert zwischen den Messungen um ±30–90°
- Nicht wiederholbare Diagnose für Lockerheit
Phase zwischen zwei Messpunkten
In Phase (0° Unterschied)
- Beide Punkte vibrieren zusammen
- Gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegen
- Zeigt eine starre Verbindung oder einen Unterresonanzmodus an
- Gemeinsam für Lager am gleichen Rotor unterhalb der kritischen Drehzahl
Phasenverschoben (180° Unterschied)
- Punkte schwingen entgegengesetzt
- Einer oben, der andere unten
- Zeigt den Modusformknoten zwischen Punkten oder über der Resonanz an
- Diagnose für gekoppelte Unwucht, bestimmte Fehlausrichtungsmuster
90° Differenz (Quadratur)
- Weichen vibrieren mit 90° Zeitverzögerung
- Einer erreicht den Höhepunkt, der andere den Nullpunkt
- Kann kreisförmige oder elliptische Bewegungen anzeigen
- Häufig bei Resonanzen oder in bestimmten Geometrien
Messherausforderungen
Anforderungen an die Phasengenauigkeit
- Ausgleichen: ±5–10° Genauigkeit erforderlich
- Kritische Geschwindigkeit: ±10–20° akzeptabel
- Fehlerdiagnose: ±15-30° oft ausreichend
Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen
- Drehzahlmesserqualität: Sauberer Impuls einmal pro Umdrehung unerlässlich
- Position der Referenzmarke: Muss sicher und sichtbar sein
- Signalqualität: Gutes Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich
- Filterung: Filter können Phasenverschiebungen verursachen
- Geschwindigkeitsstabilität: Drehzahlschwankungen beeinflussen die Phasenmessung
Häufige Fehler
- Referenzmarke verschoben (Klebeband abgezogen, Marke verschoben)
- Drehzahlmesser falsch ausgerichtet oder intermittierend
- Geringe Signalamplitude (Rauschen beeinflusst die Phase)
- Falsche Frequenzkomponente für Phase ausgewählt
Phase in der Vektoranalyse
Polardarstellung
- Der Schwingungsvektor hat Betrag und Phase
- Betrag = Amplitude
- Phase = Winkel
- Geplottet am Polardiagramm zum Auswuchten
Vektoraddition
- Vektoraddition erfordert sowohl Amplitude als auch Phase
- Die Phase bestimmt, wie Vektoren kombiniert werden
- 0° Phase: Vektoren addieren sich arithmetisch
- 180°-Phase: Vektoren subtrahieren
- Andere Phasen: Verwenden Sie Vektormathematik
Dokumentation und Kommunikation
Standardformat
- Bericht als: “Amplitude @ Phase”
- Beispiel: “5,2 mm/s @ 47°”
- Frequenz einschließen: “5,2 mm/s @ 47° bei 1×”
- Referenz angeben (Keyphasor-Position)
Phasendiagramme
- Phase vs. Geschwindigkeit (Bode-Diagramm, untere Kurve)
- Phase vs. Frequenz
- Polardiagramme zum Ausgleichen
- Phasenkarten für die ODS-Analyse
Der Phasenwinkel ist die wesentliche zeitliche Dimension der Schwingungsanalyse, die Amplitudenmessungen in vollständige Schwingungsvektoren umwandelt. Das Verständnis der Phasenmessung, -interpretation und -anwendung beim Auswuchten, der Resonanzerkennung und der Fehlerdiagnose ist grundlegend für die erweiterte Schwingungsanalyse und unerlässlich für eine effektive Rotordynamikbewertung und Maschinenfehlerbehebung.
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