Anstreifen in rotierenden Maschinen verstehen
Reiben ist der Reibungskontakt und die relative Gleitbewegung zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen in einer Maschine. Der Begriff betont den Aspekt der kontinuierlichen Reibung von Rotor-Stator-Kontakt, wodurch es sich von dem leichten, sporadischen Kontakt oder einzelnen Stößen unterscheidet, die ebenfalls auftreten können. Durch das Reiben entstehen Reibungskräfte, es wird durch Reibungsarbeit erhebliche Wärme freigesetzt und es entsteht ein charakteristisches Vibration Signatur, die von einem rückwärts gerichteten Wirbel geprägt ist, subsynchron Komponenten und thermische Effekte. Es handelt sich um einen der gefährlichsten Fehler, die bei einer rotierenden Maschine auftreten können, da er innerhalb weniger Minuten zu einem Totalausfall führen kann.
Die Begriffe „Reibung“ und „Rotorreibung“ werden oft synonym verwendet. In der Praxis wird mit „Reibung“ eher die Reibungs- und Wärmeseite des Kontakts gemeint, während „Rotorreibung“ ein weiter gefasster Begriff ist, der jede Form von Kontakt umfasst – vom leichten Schaben bis hin zu harten Stößen.
1. Die Reibungsmechanik beim Reiben
Coulomb-Reibungsmodell
Die Reibung folgt den Prinzipien der Trockenreibung (Coulomb-Reibung):
- Reibungskraft: F = μ × N, wobei μ der Reibungskoeffizient und N die Normalkraft ist, die die Oberflächen aneinander drückt.
- Richtung: Die Reibungskraft wirkt der Relativbewegung zwischen den Kontaktflächen stets entgegen.
- Typische Koeffizienten: Stahl auf Stahl μ ≈ 0,3–0,5; Stahl auf Dichtungsmaterial μ ≈ 0,2–0,4.
- Wärmeentwicklung: Im Wesentlichen wird die gesamte Reibungsarbeit an der Kontaktstelle in Wärme umgewandelt.
Tangential- und Normalkräfte
Während des Kontakts wirken zwei Kraftkomponenten auf den Rotor:
- Normalkraft: übt am Reibpunkt eine radiale Druckkraft nach innen auf den Rotor aus.
- Reibungskraft: wirkt tangential und wirkt der Drehung entgegen.
- Resultierende Kraft: Diese Kombination bewirkt, dass der Rotor abgebremst und entgegen der Drehrichtung nach hinten abgelenkt wird.
- Drehmomentsteigerung: Durch die Reibung geht Energie verloren, wodurch sich das Antriebsdrehmoment erhöht, das die Maschine liefern muss.
2. Charakteristische Schwingungsmuster
Rückwärtswirbel
Das auffälligste Merkmal des Reibens ist die Rückwärtsbewegung (umgekehrt) Wirbel:
- Die Reibungskraft erzeugt eine tangentiale Komponente, die die Orbitalbewegung rückwärts antreibt.
- The shaft Umlaufbahn Spuren, die der Drehrichtung der Welle entgegengesetzt verlaufen.
- Die Wirbelfrequenz liegt in der Regel unterhalb der Synchronfrequenz – also unter 1× der Betriebsdrehzahl.
- Häufige Frequenzen treten bei Bruchzahlen auf: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- Die Orbitform ist oft unregelmäßig oder sichtbar verzerrt.
Spektrumeigenschaften
- Subsynchrone Spitzen: mehrere Spitzen unterhalb von 1×, häufig bei Teilharmonischen.
- Synchrone Komponente: die 1× synchron Der Spitzenwert könnte steigen, wenn sich die Reibungskräfte dazu addieren.
- Höhere Harmonische: 2×, 3×, 4× Obertöne ergeben sich aus der Nichtlinearität der intermittierenden Reibung.
- Breitbandiges Rauschen: das Grundrauschen über den gesamten Spektrum lifts.
- Instabiles Spektrum: Spitzenwerte treten auf und verschwinden wieder oder verschieben ihre Frequenzlage von einer Messung zur nächsten.
Merkmale der Zeitsignalform
- Impulsartige Ereignisse oder Spitzen bei jedem Kontaktanfang, sichtbar im Zeitwellenform.
- Abschneiden oder Abflachen an den Spitzenauslenkungen, wo der Stator den Hub physikalisch begrenzt.
- Eine unregelmäßige, nicht sinusförmige Gesamtform.
- Schlagmuster, die durch das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Frequenzen entstehen.
3. Thermische Auswirkungen von Reibung
Wärmeerzeugung
Durch Reibung wird mechanische Energie direkt in Wärme umgewandelt:
- Bewerten: Die Verlustleistung entspricht der Reibungskraft multipliziert mit der Gleitgeschwindigkeit.
- Größe: Ein leichtes Reiben kann 10–100 Watt freisetzen; ein kräftiges Reiben sogar Kilowatt.
- Konzentration: dass die Wärme auf eine sehr kleine Kontaktfläche abgegeben wird.
- Temperaturanstieg: In extremen Fällen können die lokalen Oberflächentemperaturen 500 °C überschreiten.
Thermische Bogenentwicklung
Die Gefahr beim Reiben liegt in einem Rückkopplungskreislauf aus Hitze und Vibration:
- Durch die anfängliche Reibung wird auf einer Seite der Welle Wärme erzeugt.
- Durch die ungleichmäßige Erwärmung verbiegt sich die Welle zu einer Thermobogen.
- Der thermische Bogen verstärkt die Durchbiegung der Welle.
- Eine stärkere Durchbiegung führt zu stärkerem Reiben.
- Je stärker die Reibung, desto mehr Wärme entsteht.
- Diese positive Rückkopplung kann zu einem raschen, unkontrollierbaren Versagen führen.
Da jede Runde dieser Schleife die nächste vertieft, wird das Reiben als eine Form von selbsterregte Schwingung und einen Weg zum direkten Rotorinstabilität.
Sekundäre thermische Effekte
- Lagererwärmung: Die Wärme wird entlang der Welle in die Lager geleitet.
- Ölabbau: Zu hohe Temperaturen führen zum Zersetzen des Schmiermittels.
- Materialveränderungen: Phasenumwandlungen oder metallurgische Veränderungen in Wärmeeinflusszonen
- Thermische Belastung: kann in den thermisch beanspruchten Bereichen Risse auslösen.
4. Erkennen von Anstreifvorgängen im Einsatz
Schwingungsüberwachung
- Alarme bei Untersynchronität: Alarm bei Spitzenwerten von 0,3–0,5-facher Drehzahl.
- Bahnüberwachung: Die automatische Bahnanalyse weist auf das Auftreten eines Rückwärtswirbels hin.
- Spektrale Veränderungen: Algorithmen erkennen das plötzliche Auftreten mehrerer Harmonischer.
- Wellenform-Clipping: Erkennung der nicht sinusförmigen Verzerrung, die durch den Kontakt entsteht.
Genau dafür ist ein tragbares Analysegerät gedacht: um diese Muster zu erkennen. Ein Zweikanalgerät wie das — in den eigenen Lagern der Maschine bei Betriebsdrehzahl arbeitend — Balanset-1A erfasst den zeitlichen Verlauf sowie die Amplitude und Phase bei 1×, sodass ein Techniker das impulsartige Clipping und die Energie bei gebrochenen Ordnungen erkennen kann, die auf ein Anstreifen hindeuten, und anschließend prüfen kann, ob eine Restunwucht oder Fehlausrichtung ist der zugrunde liegende Treiber vor jeder Demontage.
Temperaturüberwachung
- Lager Temperatursensoren mit Schnellanstieg-Alarmen.
- Infrarot-Temperaturüberwachung freiliegender Wellenabschnitte
- Temperaturdifferenzüberwachung – Oberseite gegenüber Unterseite eines Lagers.
- Alarme bei zu schnellen Temperaturänderungen, beispielsweise bei mehr als 5 °C pro Minute.
Zusätzliche Indikatoren
- Drehmomentsteigerung: Der Stromverbrauch steigt, wenn der Antrieb durch Reibung belastet wird.
- Drehzahlschwankungen: geringe Geschwindigkeitsschwankungen aufgrund des schwankenden Reibungsmoments.
- Schallemission: Hochfrequente Geräusche, die beim Kontakt entstehen und akustische Emission sensors.
- Sichtprüfung: Abnutzungsrückstände, Verfärbungen und sichtbare Riefen.
5. Auf eine Reibung reagieren
Sofortmaßnahmen
- Schweregrad verringern: Verringern Sie die Geschwindigkeit oder die Last, sofern dies gefahrlos möglich ist.
- Genau beobachten: Behalten Sie Schwingungen und Temperatur ständig im Auge.
- Vorbereitung auf das Herunterfahren: einen Notfallplan bereithalten Abschaltung ready.
- Not-Aus: die Maschine abschalten, wenn die Vibrationen oder die Temperatur zunehmen.
- Abkühlung erlauben: Lassen Sie den Antrieb laufen oder warten Sie vor der Inspektion, bis er sich auf natürliche Weise abgekühlt hat, damit sich eine thermische Verformung ausgleichen kann.
Untersuchung
- Auf äußere Anzeichen eines Kontakts untersuchen.
- Messen Sie die Abstände an den Stellen, an denen Reibung vermutet wird.
- Auf thermische Verformung oder bleibende Verformung prüfen Schaftbogen.
- Ermitteln Sie die Grundursache – übermäßige Schwingungen, unzureichendes Spiel und so weiter.
Korrekturmaßnahmen
- Spiel vergrößern: beschädigte Bereiche maschinell ausarbeiten oder Bauteile austauschen.
- Die Ursache angehen: den Rotor auswuchten, korrekte Ausrichtung, Behebung des Lagerproblems, das den Kontakt verursacht hat.
- Beschädigte Teile austauschen: Dichtungen, Lagerkomponenten und Wellenabschnitte nach Bedarf.
- Spaltmaße prüfen: Vergewissern Sie sich vor dem Neustart an jeder Stelle, dass ausreichende Spaltmaße vorhanden sind.
Reibung ist eine der schwerwiegendsten vibrationsbedingten Störungen bei rotierenden Maschinen. Da sie sich durch thermische Rückkopplung rasch verschlimmern kann, erfordert sie eine sofortige Erkennung, eine rasche und konsequente Reaktion sowie eine gründliche Behebung – denn bei kritischen Anlagen wäre die Alternative ein katastrophaler Ausfall.
