Das Rotor-Lager-System verstehen
Definition: Was ist ein Rotor-Lager-System?
A Rotor-Lager-System ist die vollständige, integrierte mechanische Baugruppe, bestehend aus einem rotierenden Rotor (Welle mit Anbauteilen), die Stützlager, die ihre Bewegung begrenzen und Lasten aufnehmen, und die stationäre Tragkonstruktion (Lagergehäuse, Sockel, Rahmen und Fundament), die die Lager mit dem Boden verbindet. Dieses System wird als integriertes Ganzes analysiert in Rotordynamik weil das dynamische Verhalten jeder Komponente alle anderen beeinflusst.
Anstatt den Rotor isoliert zu analysieren, betrachtet die korrekte Rotordynamikanalyse das Rotor-Lager-System als gekoppeltes mechanisches System, in dem Rotoreigenschaften (Masse, Steifigkeit, Dämpfung), Lagereigenschaften (Steifigkeit, Dämpfung, Lagerspiele) und Eigenschaften der Tragstruktur (Flexibilität, Dämpfung) alle interagieren, um die Rotordynamik zu bestimmen. kritische Geschwindigkeiten, Vibration Reaktionsfähigkeit und Stabilität.
Komponenten des Rotor-Lager-Systems
1. Die Rotorbaugruppe
Die rotierenden Bauteile umfassen:
- Welle: Hauptrotationselement, das für Steifigkeit sorgt
- Scheiben und Räder: Laufräder, Turbinenräder, Kupplungen, Riemenscheiben erhöhen Masse und Trägheit.
- Verteilte Masse: Trommelrotoren oder Wellenmasse selbst
- Kupplungen: Verbindung des Rotors mit dem Antrieb oder der angetriebenen Ausrüstung
Rotoreigenschaften:
- Massenverteilung entlang der Achse
- Wellenbiegesteifigkeit (Funktion von Durchmesser, Länge, Material)
- Polare und diametrale Trägheitsmomente (die gyroskopische Effekte beeinflussen)
- Interne Dämpfung (typischerweise gering)
2. Lager
Die Schnittstellenelemente, die den Rotor stützen und die Rotation ermöglichen:
Lagertypen
- Wälzlager: Kugellager, Rollenlager
- Fluid-Film-Lager: Gleitlager, Kippsegmentlager, Axiallager
- Magnetlager: Aktive elektromagnetische Federung
Lagereigenschaften
- Steifheit: Widerstand gegen Durchbiegung unter Last (N/m oder lbf/in)
- Dämpfung: Energieverlust im Lager (N·s/m)
- Masse: Bewegliche Lagerkomponenten (typischerweise klein)
- Freigaben: Radiales und axiales Spiel, das die Steifigkeit und Nichtlinearität beeinflusst
- Geschwindigkeitsabhängigkeit: Die Eigenschaften von Gleitlagern verändern sich mit der Geschwindigkeit signifikant.
3. Tragstruktur
Die stationären Fundamentelemente:
- Lagergehäuse: Unmittelbare Struktur um die Lager herum
- Sockel: Vertikale Stützen zur Anhebung der Lager
- Grundplatte/Rahmen: Horizontale Struktur zur Verbindung der Sockel
- Stiftung: Beton- oder Stahlkonstruktionen, die Lasten auf den Boden übertragen
- Isolationselemente: Federn, Polster oder Halterungen, falls Schwingungsdämpfung verwendet wird
Die Unterstützungsstruktur trägt dazu bei:
- Zusätzliche Steifigkeit (kann vergleichbar mit oder geringer als die Rotorsteifigkeit sein)
- Dämpfung durch Materialeigenschaften und Verbindungen
- Masse, die die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems beeinflusst
Warum die Systemanalyse unerlässlich ist
Gekoppeltes Verhalten
Jede Komponente beeinflusst die anderen:
- Rotorauslenkung erzeugt Kräfte auf Lager
- Lagerdurchbiegung ändert die Rotorlagerungsbedingungen
- Flexibilität der Trägerstruktur ermöglicht Lagerbewegungen und beeinflusst so die scheinbare Lagersteifigkeit
- Fundamenterschütterung Rückkopplung zum Rotor über Lager
System-Eigenfrequenzen
Eigenfrequenzen sind Eigenschaften des Gesamtsystems, nicht einzelner Komponenten:
- Weiche Lager + steifer Rotor = niedrigere kritische Drehzahlen
- Steife Lager + flexibler Rotor = höhere kritische Drehzahlen
- Flexible Fundamente können die kritischen Drehzahlen selbst bei steifen Lagern senken.
- System-Eigenfrequenz ≠ Rotor-Eigenfrequenz allein
Analysemethoden
Vereinfachte Modelle
Zur vorläufigen Analyse:
- Einfach gelagerter Balken: Rotor als Balken mit starren Stützen (Lager- und Fundamentflexibilität werden vernachlässigt)
- Jeffcott-Rotor: Konzentrierte Masse auf flexibler Welle mit Federlagerung (einschließlich Lagersteifigkeit)
- Transfermatrixmethode: Klassischer Ansatz für Mehrscheibenrotoren
Erweiterte Modelle
Für eine genaue Analyse realer Maschinen:
- Finite-Elemente-Analyse (FEA): Detailliertes Rotormodell mit Federelementen für die Lager
- Lagermodelle: Nichtlineare Lagersteifigkeit und -dämpfung in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Temperatur
- Flexibilität des Fundaments: FEA oder Modalmodell der Stützstruktur
- Gekoppelte Analyse: Komplettes System inklusive aller interaktiven Effekte
Wichtige Systemparameter
Steifigkeitsbeiträge
Die Gesamtsteifigkeit des Systems ist eine Reihenschaltung:
- 1/kgesamt = 1/kRotor + 1/kLager + 1/kStiftung
- Das weichste Element bestimmt die Gesamtsteifigkeit.
- Häufiger Fall: Die Flexibilität des Fundaments reduziert die Systemsteifigkeit unter die Rotorsteifigkeit allein.
Dämpfungsbeiträge
- Lagerdämpfung: Üblicherweise dominante Fehlerquelle (insbesondere Gleitlager)
- Fundamentdämpfung: Strukturelle und materielle Dämpfung in Stützen
- Interne Rotordämpfung: Typischerweise sehr klein, meist vernachlässigt
- Gesamtdämpfung: Summe der parallelen Dämpfungselemente
Praktische Auswirkungen
Für den Maschinenbau
- Ein Rotor kann nicht unabhängig von Lagern und Fundament konstruiert werden.
- Die Wahl des Lagers beeinflusst die erreichbaren kritischen Drehzahlen.
- Die Steifigkeit des Fundaments muss für die Rotorlagerung ausreichend sein.
- Systemoptimierung erfordert die gleichzeitige Berücksichtigung aller Elemente
Zum Ausgleich
- Einflusskoeffizienten stellen die vollständige Systemantwort dar
- Feldausgleich Berücksichtigt automatisch die Eigenschaften des installierten Systems
- Die Auswuchtung im Geschäft an einem anderen Lager/einer anderen Stütze lässt sich möglicherweise nicht perfekt auf den eingebauten Zustand übertragen.
- Systemänderungen (Lagerverschleiß, Setzungen des Fundaments) verändern die Balance-Reaktion
Zur Fehlerbehebung
- Vibrationsprobleme können ihren Ursprung im Rotor, den Lagern oder dem Fundament haben.
- Bei der Fehlerdiagnose muss das gesamte System berücksichtigt werden.
- Veränderungen einer Komponente beeinflussen das Gesamtverhalten
- Beispiel: Eine Verschlechterung des Fundaments kann die kritischen Geschwindigkeiten verringern.
Gängige Systemkonfigurationen
Einfache Konfiguration zwischen den Lagern
- Der Rotor wird an den Enden von zwei Lagern gestützt.
- Häufigste industrielle Konfiguration
- Einfachstes System zur Analyse
- Standard Zwei-Ebenen-Auswuchten Ansatz
Konfiguration eines überhängenden Rotors
- Rotor fährt aus über die Lagerunterstützung hinaus
- Höhere Lagerbelastungen durch den Hebelarm
- Empfindlicher gegenüber Ungleichgewichten
- Häufig verwendet in Ventilatoren, Pumpen und einigen Motoren.
Mehrlagersysteme
- Drei oder mehr Lager stützen einen einzelnen Rotor
- Komplexere Lastverteilung
- Ausrichtung der Lager von entscheidender Bedeutung
- Häufig verwendet in großen Turbinen, Generatoren und Papiermaschinenwalzen
Gekoppelte Multirotorsysteme
- Mehrere Rotoren, die durch Kupplungen verbunden sind (Motor-Pumpen-Sätze, Turbine-Generator-Sätze)
- Jeder Rotor hat eigene Lager, aber die Systeme sind dynamisch gekoppelt.
- Komplexeste Konfiguration für die Analyse
- Fehlausrichtung Bei der Kopplung entstehen Wechselwirkungskräfte
Das Verständnis rotierender Maschinen als integrierte Rotor-Lager-Systeme und nicht als isolierte Komponenten ist grundlegend für effektive Konstruktion, Analyse und Fehlersuche. Die Systemperspektive erklärt viele Schwingungsphänomene und leitet geeignete Korrekturmaßnahmen für einen zuverlässigen und effizienten Betrieb.
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