Verständnis radialer Schwingungen in rotierenden Maschinen
Radialschwingung ist die Bewegung einer rotierenden Welle senkrecht zu ihrer Drehachse, die vom Mittelpunkt aus nach außen strahlt wie die Speichen eines Rades. Das Wort “radial” umfasst jede Richtung, die von der Wellenmittellinie weg zeigt, und schließt damit sowohl horizontale (seitliche) als auch vertikale (auf- und abwärts gerichtete) Bewegungen ein. Es handelt sich um dieselbe Größe, die Ingenieure als Querschwingung oder Querschwingung bezeichnen, und sie ist bei weitem die am häufigsten gemessene und überwachte Form von Vibration in rotierenden Maschinen — der erste Wert, den ein Instandhaltungstechniker betrachtet, und derjenige, auf den die meisten internationalen Normen ausgerichtet sind. In der Praxis wird sie in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen an jedem Lager gemessen, sodass der vollständige Weg der Welle im Raum rekonstruiert werden kann.
1. Definition und Messrichtungen
Da sich eine Welle in jede Richtung innerhalb der Ebene senkrecht zu ihrer Achse bewegen kann, liefert ein einzelner Sensor niemals das vollständige Bild. Zwei im Winkel von 90° zueinander an jedem Lager montierte Aufnehmer erfassen das vollständige radiale Bild; ihre Messwerte werden in der Regel sowohl einzeln als auch kombiniert angegeben.
Horizontale Radialschwingung
Horizontale Schwingung ist die seitliche Bewegung der Welle:
- Senkrecht zur Wellenachse und parallel zum Boden.
- Häufig der am besten zugängliche Messpunkt an einer horizontalen Maschine.
- Spiegelt Schwerkraft, Asymmetrie der Fundamentsteifigkeit und horizontale Erregerkräfte wider.
- Die Standardmessorientierung für die meisten routinemäßigen Überwachungsprogramme.
Vertikale Radialschwingung
Vertikale Schwingung ist die Auf- und Abbewegung der Welle:
- Senkrecht zur Wellenachse und senkrecht zum Boden.
- Direkt beeinflusst durch die Schwerkraft und das statische Gewicht des Rotors.
- Häufig höhere Amplitude als horizontal, da das Rotorgewicht eine asymmetrische Lagersteifigkeit erzeugt.
- Entscheidend für die Diagnose vertikal angeordneter Maschinen wie Vertikalpumpen und -motoren, bei denen “horizontal” und “vertikal” ihre übliche Bedeutung verlieren und die beiden radialen Achsen lediglich orthogonal zueinander stehen.
Gesamte Radialschwingung
Die gesamte Radialbewegung ist die Vektorsumme der beiden gemessenen Komponenten:
Radialsumme = √(Horizontal² + Vertikal²)
- Gibt die wahre Bewegungsgröße unabhängig von der Richtung an.
- Nützlich für einwertige Schweregradbewertungen und das Festlegen von Grenzwerten.
- Da die beiden Achsen selten gleichzeitig ihren Maximalwert erreichen, ist die Bahn, die die Welle beschreibt, in der Regel eine Ellipse und kein Kreis — ein Umstand, der bei der Orbitanalyse von Bedeutung wird.
2. Hauptursachen für Radialschwingungen
Radialschwingungen werden durch jede Kraft erzeugt, die senkrecht zur Wellenachse wirkt. Die Identifikation der dominanten Frequenz ist das Kernstück der Diagnose, da jeder Fehler eine charakteristische Signatur hinterlässt.
1. Unwucht (die häufigste Ursache)
Unwucht ist die bei weitem häufigste Quelle von Radialschwingungen bei rotierenden Maschinen:
- It creates a Zentrifugalkraft die sich mit der Welle dreht und bei Laufgeschwindigkeit (1X).
- Die Kraft wächst mit der Unwuchtmasse, ihrem Radius und — entscheidend — dem Quadrat der Drehzahl, sodass eine kleine Schwerstelle mit steigender Drehzahl (RPM) zu einem ernsthaften Problem wird.
- Sie erzeugt eine weitgehend kreisförmige oder elliptische Wellenumlaufbahn.
- Sie ist korrigierbar durch Bilanzierung, der einzige dieser Fehler, der in der Regel behoben werden kann, ohne Teile auszutauschen.
2. Fehlausrichtung
Wellenversatz zwischen gekoppelten Maschinen erzeugt sowohl radiale als auch axiale Schwingung:
- Sie zeigt sich überwiegend als 2X-Radialschwingung (zweimal pro Umdrehung).
- Es erzeugt außerdem 1X, 3X und höhere Obertöne.
- Hohe axiale Schwingungen, die das Radialsignal begleiten, sind ein deutlicher Hinweis.
- Die Phase Das Verhältnis zwischen den beiden Lagern zeigt an, ob der Versatz winkelförmig, parallel (versetzt) oder beides ist.
3. Mechanische Defekte
Mehrere mechanische Probleme erzeugen charakteristische radiale Muster:
- Lagerdefekte: Hochfrequente Impulse bei der Lagerfehlerfrequenzen.
- Verbogene oder gekrümmte Welle: 1X-Schwingung, die einer Unwucht ähnelt, aber bereits bei geringer Drehzahl vorhanden ist — siehe Schaftbogen.
- Lockerheit: mehrere Harmonische (1X, 2X, 3X und darüber hinaus) mit nichtlinearem, häufig richtungsabhängigem Verhalten.
- Risse: 1X- und 2X-Schwingung, die sich während des Hoch- und Auslaufs verändert — ein typisches Merkmal einer gerissener Rotor.
- Reibt: eine Mischung aus subsynchronen und synchronen Komponenten, charakteristisch für Rotorreibung.
4. Aerodynamische und hydraulische Kräfte
Prozesskräfte in Pumpen, Lüftern und Verdichtern erzeugen eigene radiale Anregungen:
- Schaufeldurchgangsfrequenz (Schaufelanzahl × Drehzahl in RPM).
- Hydraulische Unwucht infolge asymmetrischer Strömung.
- Wirbelablösung und Strömungsturbulenz.
- Rezirkulation und Betrieb außerhalb des Auslegungspunkts, einschließlich Kavitation in pumps.
5. Resonanzbedingungen
Wenn die Maschine in der Nähe einer kritische Geschwindigkeit, verstärkt sich die radiale Schwingung dramatisch:
- Eine Eigenfrequenz fällt mit einer Anregungsfrequenz zusammen — die klassische Bedingung für Resonanz.
- Die Amplitude wird dann nur noch durch die Dämpfung.
- Die Pegel können innerhalb eines engen Drehzahlbands auf katastrophale Werte ansteigen.
- Die Auslegung erfordert daher ausreichende Trennabstände zwischen Betriebsdrehzahl und kritischen Drehzahlen.
3. Messnormen und Messgrößen
Maßeinheiten
Radialschwingungen können durch drei miteinander verbundene Kenngrößen beschrieben werden, von denen jede für einen anderen Frequenzbereich geeignet ist:
- Verschiebung: der tatsächlich zurückgelegte Weg (Mikrometer µm oder Mils). Wird für langsam laufende Maschinen und proximity-probe Wellenmessungen.
- Geschwindigkeit: die Änderungsrate des Wegs (mm/s, in/s). Die gebräuchlichste Kenngröße für allgemeine Industriemaschinen und Grundlage der ISO-Schweregradnormen.
- Beschleunigung: die Änderungsrate der Geschwindigkeit (m/s², g). Wird für Hochfrequenzanwendungen wie die Erkennung von Lagerfehlern eingesetzt.
Die Wahl ist entscheidend, da dieselbe physikalische Bewegung in einer Einheit harmlos und in einer anderen alarmierend aussehen kann — die Schnelligkeit neigt dazu, das Spektrum im mittleren Frequenzbereich abzuflachen, in dem die meisten Fehler an rotierenden Maschinen auftreten, was genau der Grund ist, warum sie den ISO-Grenzwerten zugrunde liegt.
Internationale Standards
Die ISO 20816 Reihe legt Grenzwerte für den radialen Schwingungspegelstärke fest. (Sie ersetzt die ältere ISO-10816-Familie sowie die frühere ISO 2372; als maßgebliche Norm gilt ISO 20816.)
- ISO 20816-1: allgemeine Richtlinien zur Beurteilung von Maschinenschwingungen.
- ISO 20816-3: spezifische Kriterien für Industriemaschinen über 15 kW.
- Schweregradzonen: A (gut), B (akzeptabel), C (ungenügend), D (nicht akzeptabel)
- Messstelle: in der Regel an den Lagergehäusen in radialer Richtung.
Branchenspezifische Standards
- API 610: radiale Schwingungsgrenzwerte für Kreiselpumpen.
- API 617: Schwingungskriterien für Kreiselverdichter.
- API 684: Verfahren zur Rotordynamikanalyse zur Vorhersage radialer Schwingungen.
- NEMA MG-1: Schwingungsgrenzwerte für Elektromotoren.
4. Überwachungs- und Diagnoseverfahren
Routineüberwachung
Standardprogramme erfassen radiale Schwingungen planmäßig:
- Routenbasierte Datenerfassung: periodische Messwerte in festen Intervallen (monatlich, vierteljährlich).
- Trendverfolgung des Gesamtpegels: Beobachtung des zeitlichen Anstiegs der Gesamtamplitude.
- Alarm limits: festgelegt nach ISO oder gerätespezifischen Normen.
- Vergleich: current versus Basislinie, sowie horizontal gegenüber vertikal.
Erweiterte Analyse
Wenn ein Problem vermutet wird, geben weiterführende Methoden Aufschluss über dessen Art:
- FFT-Analyse: a frequency Spektrum Zerlegung der Schwingung in ihre Komponenten.
- Zeitwellenform: das Rohsignal über die Zeit, das Transienten und Modulationen sichtbar macht.
- Phasenanalyse: die zeitlichen Zusammenhänge zwischen den Messpunkten.
- Orbitanalyse: der Wellenmittelpfad, der direkt auf die radialen Messungen abgebildet wird.
- Hüllkurvenanalyse: Hochfrequenz-Demodulation zur Früherkennung von Lagerfehlern.
Kontinuierliche Überwachung
Kritische Anlagen werden in der Regel dauerhaft überwacht:
- Wegaufnehmer zur direkten Messung der Wellenbewegung.
- Dauerhaft montiert Beschleunigungsaufnehmer an den Lagergehäusen.
- Echtzeit-Trendverfolgung und Alarmierung.
- Integration mit automatischer Maschinenschutz Systeme.
5. Unterschiede zwischen horizontal und vertikal
Typische Amplitudenbeziehungen
Bei vielen Maschinen überschreitet der vertikale Messwert den horizontalen:
- Schwerkrafteffekt: Das Rotorgewicht erzeugt eine statische Durchbiegung, die die vertikale Richtung versteift.
- Asymmetrische Steifigkeit: Fundamente und Tragstrukturen sind häufig in horizontaler Richtung steifer.
- Typisches Verhältnis: Eine vertikale Schwingung vom 1,5- bis 2-fachen des horizontalen Wertes ist üblich.
- Einfluss der Ausgleichsmassen: Ausgleichsmassen, die am unteren Teil eines Rotors angebracht werden (dem am leichtesten zugänglichen Punkt), neigen dazu, die vertikale Schwingung bevorzugt zu reduzieren.
Diagnostische Unterschiede
- Unwucht: kann je nach Position der Unwucht in einer Richtung stärker ausgeprägt sein.
- Lockerheit: zeigt seine Nichtlinearität häufig deutlicher in vertikaler Richtung.
- Fundamentprobleme: Vertikale Schwingung reagiert empfindlicher auf Fundamentverschlechterungen.
- Fehlausrichtung: kann je nach Art der Ausrichtungsabweichung in horizontalen und vertikalen Messwerten unterschiedlich in Erscheinung treten.
6. Zusammenhang mit der Rotordynamik
Radiale Schwingung steht im Mittelpunkt der Rotordynamik Analyse, da das radiale Biegeverhalten einer Welle bestimmt, wie – und wo – sie Fehlfunktionen zeigen wird.
Kritische Drehzahlen
- Die radialen Eigenfrequenzen bestimmen die kritischen Drehzahlen.
- Die erste kritische Drehzahl entspricht typischerweise der ersten radialen Biegemode.
- Campbell-Diagramme das radiale Verhalten als Funktion der Drehzahl vorherzusagen.
- Sicherheitsabstände zu kritischen Drehzahlen halten die radiale Schwingung unter Kontrolle.
Eigenformen
- Jede radiale Eigenform hat eine charakteristische Durchbiegungsform.
- Erste Eigenform: ein einfacher Bogen.
- Zweite Mode: eine S-Kurve mit einem node point.
- Höhere Eigenformen: zunehmend komplexere Muster.
Überlegungen zum Auswuchten
- Das Auswuchten zielt auf die Reduzierung der radialen Schwingung bei der 1X-Frequenz ab.
- Einflusskoeffizienten jede Ausgleichsmasse der daraus resultierenden Änderung der radialen Schwingung zuzuordnen.
- The best correction-plane Positionen ergeben sich aus den radialen Eigenformen.
7. Korrektur, Kontrolle und Praxis vor Ort
Bei Ungleichgewicht
- Auswuchtung vor Ort mit einem tragbaren Analysator. Ein Zweikanal-Gerät wie das Balanset-1A misst die 1X-Radialamplitude und -phase an jedem Lager, berechnet die Einflusszahlen und ermöglicht es einem Ingenieur, den Rotor in seinen eigenen Lagern bei Betriebsdrehzahl auszuwuchten — ohne Demontage und ohne Auswuchtmaschine. Um aus einem gemessenen Wert eine Korrekturmasse zu bestimmen, können Sie auch das Rechner für das Probegewicht.
- Einzelebene oder Zwei-Ebenen-Auswuchten Verfahren, die entsprechend der Rotorgeometrie ausgewählt werden.
- Präzisionsauswuchten in der Werkstatt auf einer Auswuchtmaschine für die kritischsten Bauteile.
Bei mechanischen Problemen
- Präzisionsausrichtung zur Behebung von Fluchtungsfehlern.
- Lageraustausch bei Lagerdefekten.
- Festziehen lockerer Komponenten.
- Fundamentreparaturen bei strukturellen Problemen.
- Wellenrichten oder -austausch bei verbogenen Wellen.
Bei Resonanzproblemen
- Drehzahlanpassungen zur Vermeidung kritischer Drehzahlbereiche.
- Steifigkeitsänderungen (Wellendurchmesser, Änderungen der Lagerposition)
- Verbesserungen der Dämpfung wie Quetschöldämpfer oder eine überarbeitete Lagerauswahl.
- Massenänderungen zur Verschiebung der Eigenfrequenzen weg von der Betriebsdrehzahl.
8. Bedeutung in der vorausschauenden Instandhaltung
Die Überwachung von Radialvibrationen ist das Fundament der vorausschauende Wartung:
- Früherkennung von Fehlern: Veränderungen der Radialschwingung gehen Ausfällen um Wochen oder Monate voraus.
- Trend: ein allmählicher Anstieg signalisiert ein sich entwickelndes Problem.
- Fehlerdiagnose: der Frequenzinhalt identifiziert den spezifischen Fehlertyp.
- Einschätzung des Schweregrads: die Amplitude zeigt an, wie schwerwiegend und dringend das Problem ist.
- Wartungsplanung: die Arbeit wird zustandsorientiert statt kalenderbasiert gesteuert.
- Cost savings: katastrophale Ausfälle werden vermieden und Wartungsintervalle optimiert.
Als primäre Schwingungsmessung an rotierenden Maschinen liefert die Radialvibration den wesentlichen Nachweis über den Maschinenzustand — und ist damit unverzichtbar für einen zuverlässigen, sicheren und effizienten Betrieb industrieller Rotationsmaschinen.
