Den starren Rotor verstehen
A starrer Rotor ist ein Rotor das sich unter dem Einfluss seiner eigenen Kräfte bei seiner Betriebsdrehzahl nicht nennenswert verbiegt, durchbiegt oder verformt Unwucht Kräfte, die bei seiner Betriebsdrehzahl auf ihn wirken. Für Auswuchtzwecke wird ein Rotor als starr betrachtet, wenn er mit einer Drehzahl läuft, die deutlich unter seiner ersten kritische Geschwindigkeit — üblicherweise weniger als 70–75 % davon. Da seine Form unverändert bleibt, ist der starre Rotor die einfachste und kostengünstigste Rotorklasse, die ausgewuchtet werden kann, und die überwiegende Mehrheit der alltäglichen Industriemaschinen fällt in diese Kategorie.
1. Definition: Was ist ein starrer Rotor?
Das bestimmende Prinzip für das Verhalten eines starren Rotors ist, dass der Verteilung Die Unwuchtverteilung über die Länge des Rotors ändert sich nicht, wenn sich die Drehzahl des Rotors ändert. Die Unwuchtstellen bleiben unverändert. Ein bei einer niedrigen, praktischen Drehzahl auf einem Auswuchtmaschine bleibt daher gültig und wirksam, wenn der Rotor später mit seiner wesentlich höheren Betriebsdrehzahl betrieben wird.
Diese Stabilität ergibt sich direkt daraus, dass der Rotor einen ausreichenden Abstand zu seinem ersten kritische Geschwindigkeit. Unterhalb von etwa 70–75 % dieser Geschwindigkeit ist die durch Zentrifugalkraft ist im Vergleich zur geometrischen Exzentrizität der Masse selbst vernachlässigbar, sodass sich der Rotor praktisch wie ein einziger, sich um seine eigene Achse drehender massiver Körper verhält. Die Massenachse und die Wellenachse sind unabhängig von der Drehzahl relativ zueinander feststehend.
Zu den Alltagsmaschinen, die Ingenieure als starre Rotoren betrachten, gehören Elektromotoranker, einstufige Ventilatoren und Gebläse, Pumpenlaufräder, Schwungräder, Riemenscheiben, Schleifscheiben und scheibenförmige Bauteile. Bei diesen erfasst eine langsam durchgeführte Zweiflächenauswuchtung den tatsächlichen Unwuchtzustand, mit dem die Maschine betrieben wird.
2. Starrer vs. flexibler Rotor
Der Unterschied zwischen einem starren Rotor und einem flexibler Rotor ist eines der wichtigsten Konzepte beim Auswuchten von Rotoren, da es die gesamte Auswuchtstrategie bestimmt.
Starrer Rotor
- Betriebsdrehzahl: deutlich unterhalb seiner ersten kritischen Drehzahl, in der Regel unter 75 %.
- Verhaltensweisen: verzieht sich unter Zentrifugalkräften nicht. Seine Unwuchtcharakteristik ist drehzahlunabhängig.
- Auswuchtverfahren: kann bei einer einzigen, praktischen niedrigen Drehzahl ausbalanciert werden. Ein Standard- Zweiebenen-Auswuchtung reicht aus, um etwaige dynamischen Unwucht, sei es statisch, als Momentenunwucht oder als Kombination aus beidem. Die maßgebliche Norm für das Auswuchten von starren Rotoren ist ISO 21940-11 (die die seit langem bekannte Norm ISO 1940-1 abgelöst hat).
Flexibler Rotor
- Betriebsdrehzahl: sich einer oder mehreren seiner kritischen Drehzahlen nähert, diese durchläuft oder deutlich darüber hinaus betrieben wird.
- Verhaltensweisen: verformt und biegt sich, sobald er eine kritische Drehzahl überschreitet. Die Unwuchtkräfte führen dazu, dass sich die Form des Rotors verändert (er verformt sich), und die scheinbare Position des „schweren Punktes“ kann sich mit der Drehzahl verschieben, da der Rotor eine gekrümmte Form annimmt Modusform.
- Auswuchtverfahren: viel komplexer. Es erfordert Mehrebenen-Auswuchten (oft mehr als zwei Ebenen) und muss bei oder nahe der Betriebsdrehzahl durchgeführt werden, um die Durchbiegung des Rotors zu berücksichtigen. Hierfür sind spezielle Modalanalysetechniken erforderlich, und die Arbeiten unterliegen der Norm ISO 21940-12.
3. Die Bedeutung der „starren“ Annahme
Die Annahme, dass sich ein Rotor als starr verhält, ermöglicht ein praktisches, wirtschaftliches und sicheres Auswuchten auf industriellen Auswuchtmaschinen. Diese Maschinen lassen Rotoren in der Regel mit relativ niedrigen Drehzahlen – einigen hundert Umdrehungen pro Minute – laufen, um die Sicherheit zu gewährleisten, den Antriebsleistungsbedarf zu senken und die Konstruktion zu vereinfachen.
Ist ein Rotor wirklich starr, entspricht die bei 400 U/min auf der Auswuchtmaschine gemessene Unwucht genau jener Unwucht, die im Betrieb bei 3600 U/min zu Schwingungen führt. Die Korrektur bei niedriger Drehzahl löst das Problem für die hohe Drehzahl. Wäre der Rotor tatsächlich nachgiebig, wäre diese Auswuchtung bei niedriger Drehzahl wirkungslos: Der Rotor würde sich beim Erreichen seiner kritischen Drehzahl durchbiegen und bei seiner Betriebsdrehzahl einen völlig anderen Unwuchtzustand aufweisen – manchmal im Stillstand gut ausgewuchtet, im Betrieb jedoch stark vibrierend. Die Fehleinschätzung eines nachgiebigen Rotors als starr ist eine klassische Ursache dafür, dass eine „ausgewuchtete“ Maschine dennoch vibriert.
4. Wann gilt ein Rotor als starr?
Die Entscheidung, einen Rotor als starr zu behandeln, hängt von seiner Geometrie und seiner Betriebsdrehzahl ab:
- Kurze, gedrungene Rotoren: Rotoren mit einem im Verhältnis zu ihrer Länge großen Durchmesser – eine Schleifscheibe, eine Scheibenbremse, das Laufrad einer einstufigen Pumpe – sind fast immer starr.
- Lange, schlanke Rotoren: Lange und schmale Rotoren, wie beispielsweise eine Antriebswelle oder der Rotor eines mehrstufigen Kompressors, neigen weitaus stärker zur Biegung, insbesondere bei hohen Drehzahlen.
Letztendlich ist das entscheidende Kriterium das Verhältnis von Betriebsdrehzahl zu erster kritischer Drehzahl. Ist dieses Verhältnis niedrig, ist ein Auswuchtverfahren für starre Rotoren geeignet und wird zum Erfolg führen; ist es hoch, sind Methoden für flexible Rotoren erforderlich. Aus diesem Grund ist ein Verständnis von Rotordynamik und die Kenntnis der jeweiligen kritischen Drehzahl ist die Grundlage für jede Entscheidung zur Auswuchtung.
5. Auswuchten und Prüfen eines starren Rotors vor Ort
Viele starre Rotoren lassen sich am bequemsten direkt vor Ort, in ihren eigenen Lagern, auswuchten, anstatt sie auszubauen und auf einer Auswuchtmaschine zu montieren. Dies ist Feldauswuchten, und er eignet sich genau für die Ventilatoren, Pumpen und Motoren, auf die sich diese starre Annahme bezieht. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A misst die 1×-Amplitude und Phase an jedem Lager die Einflusskoeffizienten aus einem Probegewichts-Lauf und berechnet die Korrekturgewichte für eine oder zwei Ebenen. Da der Rotor starr ist, gilt diese einmalige, kostengünstige Korrektur über den gesamten Drehzahlbereich, und das Gerät kann dann die Restunwucht innerhalb der gewählten Klasse nach ISO 21940-11 liegt. Sie können eine Auswuchtklasse und eine Betriebsdrehzahl in eine zulässige g·mm-Toleranz umrechnen mit der Rechner für Restunwucht (ISO 21940-11) Bevor Sie beginnen.
