Was ist Reibung in rotierenden Maschinen? Reibungskontakt • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was ist Reibung in rotierenden Maschinen? Reibungskontakt • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was ist Reibung in rotierenden Maschinen? Reibungskontakt

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Reibung in rotierenden Maschinen verstehen

Definition: Was ist Reiben?

Reiben ist der Reibungskontakt und die relative Gleitbewegung zwischen rotierenden und stationären Komponenten in Maschinen. Dieser Begriff betont den kontinuierlichen Reibungsaspekt von Rotor-Stator-Kontakt, im Unterschied zu leichtem, intermittierendem Kontakt oder Stößen. Reiben erzeugt Reibungskräfte, erzeugt durch Reibungsarbeit erhebliche Wärme und erzeugt charakteristische Vibration Muster, die durch Rückwärtswirbel, subsynchrone Komponenten und thermische Effekte gekennzeichnet sind.

Der Begriff “Reiben” wird häufig synonym mit “Rotorreiben” verwendet, obwohl beim Reiben manchmal die Reibung und die thermischen Aspekte des Kontakts im Vordergrund stehen, während Rotorreiben alle Formen des Kontakts umfassen kann, einschließlich leichtem Kratzen oder Aufprallen.

Reibungsmechanik der Reibung

Coulomb-Reibungsmodell

Das Reiben folgt den Prinzipien der Trockenreibung (Coulomb-Reibung):

  • Reibungskraft: F = µ × N, wobei µ der Reibungskoeffizient und N die Normalkraft ist
  • Richtung: Wirkt der Relativbewegung zwischen Oberflächen immer entgegen
  • Typische Koeffizienten: Stahl auf Stahl µ ≈ 0,3–0,5; Stahl auf Dichtungsmaterial µ ≈ 0,2–0,4
  • Wärmeentwicklung: Die gesamte Reibungsarbeit wird in Wärme umgewandelt

Tangential- und Normalkräfte

Beim Reiben:

  • Normalkraft: Drückt radial nach innen auf den Rotor
  • Reibungskraft: Wirkt tangential, entgegen der Rotation
  • Resultierende Kraft: Die Kombination neigt dazu, den Rotor zu verlangsamen und ihn nach hinten abzulenken
  • Drehmomentsteigerung: Durch Reibung wird Leistung abgeführt, was den Drehmomentbedarf des Antriebs erhöht

Charakteristische Schwingungsmuster

Rückwärtswirbel

Das auffälligste Merkmal des Reibens ist der Rückwärtswirbel:

  • Reibungskraft erzeugt tangentiale Komponente, die eine rückwärts gerichtete Orbitalbewegung antreibt
  • Welle Orbit dreht sich entgegen der Wellendrehrichtung
  • Frequenz typischerweise subsynchron (weniger als 1× Geschwindigkeit)
  • Gängige Häufigkeiten: 0,5×, 0,33×, 0,25× (gebrochene Ordnungen)
  • Orbitform oft unregelmäßig oder verzerrt

Spektrumeigenschaften

  • Subsynchrone Spitzen: Mehrere Spitzen unter 1×, oft bei Bruchteilen Harmonischer
  • Synchrone Komponente: 1× kann durch Reibungskräfte zunehmen
  • Höhere Harmonische: 2×, 3×, 4× aus nichtlinearer Reibung
  • Breitbandrauschen: Erhöhtes Grundrauschen über das gesamte Spektrum
  • Instabiles Spektrum: Spitzen erscheinen, verschwinden oder verschieben die Frequenz

Zeitwellenformfunktionen

  • Impulsive Ereignisse oder Spitzen bei Kontaktbeginn
  • Clipping oder Abflachung bei Spitzenausschlägen
  • Unregelmäßige, nicht sinusförmige Wellenform
  • Schwebungsmuster aus mehreren Frequenzen vorhanden

Thermische Auswirkungen der Reibung

Wärmeerzeugung

Durch Reibung wird mechanische Energie in Wärme umgewandelt:

  • Rate: Verlustleistung = Reibungskraft × Gleitgeschwindigkeit
  • Größe: Leichtes Reiben: 10–100 Watt; starkes Reiben: Kilowatt
  • Konzentration: Wärmekonzentration auf kleiner Kontaktfläche
  • Temperaturanstieg: In schweren Fällen können die Temperaturen lokal über 500 °C liegen.

Thermische Bogenentwicklung

Die Wärme-Vibrations-Rückkopplungsschleife:

  1. Durch anfängliches Reiben entsteht auf einer Seite der Welle Wärme
  2. Asymmetrische Erwärmung erzeugt Thermobogen
  3. Thermische Krümmung erhöht die Wellendurchbiegung
  4. Erhöhte Durchbiegung führt zu stärkerer Reibung
  5. Mehr Reibung erzeugt mehr Wärme
  6. Positives Feedback kann zu schnellem Scheitern führen

Sekundäre thermische Effekte

  • Lagererwärmung: Wärme wird durch die Welle zu den Lagern geleitet
  • Ölabbau: Übermäßige Temperaturen zerstören Schmiermittel
  • Wesentliche Änderungen: Phasenumwandlungen oder metallurgische Veränderungen in Wärmeeinflusszonen
  • Thermische Belastung: Kann Risse in thermisch beanspruchten Bereichen auslösen

Nachweismethoden

Schwingungsüberwachung

  • Subsynchrone Alarme: Alarm bei Spitzen bei 0,3-0,5-facher Laufgeschwindigkeit
  • Orbit-Überwachung: Automatisierte Orbitanalyse zur Erkennung von Rückwärtswirbeln
  • Spektrale Änderungen: Algorithmen zur Erkennung des plötzlichen Auftretens mehrerer Harmonischer
  • Wellenform-Clipping: Erkennung nicht-sinusförmiger Verzerrungen

Temperaturüberwachung

  • Lagertemperatursensoren mit Schnellanstiegsalarmen
  • Infrarot-Temperaturüberwachung freiliegender Wellenabschnitte
  • Temperaturdifferenzüberwachung (oberes vs. unteres Lager)
  • Alarme bei Temperaturänderungen (z. B. > 5 °C/Minute)

Zusätzliche Indikatoren

  • Drehmomentsteigerung: Der Stromverbrauch steigt durch Reibung
  • Geschwindigkeitsschwankungen: Kleine Drehzahlschwankungen durch unterschiedliches Reibmoment
  • Schallemission: Hochfrequenter Schall durch Kontakt
  • Sichtprüfung: Abrieb, Verfärbungen, sichtbare Schäden

Reaktionsmaßnahmen

Sofortmaßnahmen

  1. Schweregrad reduzieren: Verringern Sie die Geschwindigkeit oder Last, wenn dies sicher möglich ist
  2. Genau überwachen: Kontinuierliche Überwachung von Vibration und Temperatur
  3. Vorbereitung auf das Herunterfahren: Halten Sie eine Notabschaltung bereit
  4. Not-Aus: Wenn Vibrationen oder Temperaturen eskalieren
  5. Abkühlung zulassen: Drehvorrichtung betätigen oder vor der Inspektion eine natürliche Abkühlung ermöglichen

Untersuchung

  • Auf physische Beweise für den Kontakt prüfen
  • Messen Sie die Abstände an verdächtigen Reibungsstellen
  • Auf thermische oder dauerhafte Wellenbiegung prüfen
  • Identifizieren Sie die Grundursache (übermäßige Vibration, unzureichender Abstand usw.).

Korrekturmaßnahmen

  • Freigaben erhöhen: Schadstellen ausfräsen oder Bauteile austauschen
  • Beheben Sie die Grundursache: Rotor auswuchten, Ausrichtung korrigieren, Lagerprobleme beheben
  • Beschädigte Teile ersetzen: Dichtungen, Lagerkomponenten, Wellenabschnitte nach Bedarf
  • Freigaben überprüfen: Bestätigen Sie vor dem Neustart ausreichende Abstände an allen Standorten

Reibung ist einer der schwerwiegendsten vibrationsbedingten Fehler in rotierenden Maschinen. Das Risiko einer schnellen Eskalation durch thermische Rückkopplung erfordert sofortige Erkennung, sofortige Reaktion und gründliche Korrektur, um katastrophale Ausfälle in kritischen Geräten zu verhindern.

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