Wellenschlag in der Schwingungsanalyse verstehen
Auslaufen ist der Oberbegriff für Unregelmäßigkeiten in einem Rotor, die ein einmal pro Umdrehung (1×) auftretendes Signal erzeugen, selbst wenn sich die Welle so langsam dreht, dass dynamische Kräfte wie Unwucht sind vernachlässigbar. Genau genommen handelt es sich um die Gesamtabweichung einer rotierenden Oberfläche von einem perfekten Kreis, gemessen anhand der tatsächlichen Achse centreline. Der Haken, an dem so viele Analysten scheitern, ist, dass der Rundlauf genau wie Unwucht in den Vibration Daten – doch es handelt sich nicht um ein massenbezogenes Problem und lässt sich nicht durch Bilanzierung.
Weil beide Phänomene bei 1× auftreten Betriebsdrehzahl... sie voneinander zu unterscheiden, ist eine der wichtigsten Fähigkeiten bei der Rotordiagnostik. Eine falsche Einordnung führt zu Zeitverschwendung, da man einem Gleichgewicht nachjagt, das niemals erreicht werden kann; eine richtige Einordnung bedeutet hingegen, den tatsächlichen Defekt zu beheben – oder ihn sauber auszugleichen, bevor ein Auswuchten versucht wird. In den folgenden Abschnitten werden die beiden unterschiedlichen Arten von Rundlaufabweichungen definiert, erklärt, warum sie die Diagnostik verfälschen, und die Standardtechnik zur Beseitigung ihres Einflusses dargelegt.
1. Arten von Rundlaufabweichungen: Eine entscheidende Unterscheidung
Zunächst einmal muss man die beiden grundlegend unterschiedlichen Bedeutungen unterscheiden, die das einzelne Wort “Runout” haben kann.
Mechanischer Rundlauf
Mechanischer Rundlauf ist ein echtes physikalische oder geometrische Unvollkommenheit der Welle: Die Oberfläche ist nicht vollkommen rund oder die Welle ist nicht exakt auf die Drehachse zentriert. Typische Ursachen hierfür sind:
- Unrundheit: Der Lagerzapfen ist durch die Bearbeitung leicht oval oder anderweitig verformt.
- Exzentrizität: ein Bauteil wie eine Riemenscheibe, eine Kupplung oder ein Zahnrad ist nicht zentriert zur Wellenachse bearbeitet oder montiert.
- Verbogene oder gekrümmte Welle: a permanent bend fährt bei jeder Umdrehung an einem festen Punkt entlang und wieder zurück. Eine verwandte transiente Version, Thermobogen, erscheint, wenn sich die Maschine erwärmt, und verschwindet, sobald sich die Temperatur stabilisiert hat.
Da es sich um ein echtes geometrisches Merkmal handelt, lässt sich der mechanische Rundlauf direkt mit einer Messuhr messen, während die Welle langsam von Hand gedreht wird. Der Gesamtwert der Messuhr ist der Wert, der in den Prüfberichten angegeben wird, und unser Rechner für den radialen Rundlauf (TIR) von Wellen hilft dabei, diesen Messwert einer zulässigen Toleranz zuzuordnen.
Elektrischer Rundlauf
Der elektrische Rundlauf ist keineswegs ein Formfehler der Welle, sondern ein Messartefakt typisch für berührungslose Wirbelstrom-Näherungssensoren. Diese Sonden erzeugen ein hochfrequentes Magnetfeld und leiten den Spalt aus der Art und Weise ab, wie die Wellenoberfläche dieses Feld belastet. Weist diese Oberfläche lokale Schwankungen in ihren magnetischen oder elektrischen Eigenschaften auf, meldet die Sonde einen schwankenden Spalt, selbst wenn der tatsächliche Abstand zwischen Welle und Sonde vollkommen konstant ist. Die Ursachen hierfür sind eher metallurgischer und oberflächenbezogener Natur als geometrischer:
- Schwankungen der Materialpermeabilität: Ein lokaler magnetisierter Punkt – oft die Folge davon, dass eine Messuhr mit Magnetfuß auf dem Zapfen aufgelegt wurde – erzeugt ein starkes, anhaltendes 1×-Signal.
- Änderungen der Oberflächenbeschaffenheit: Kratzer, Dellen oder Werkzeugspuren im Sichtfeld der Sonde.
- Uneinheitliche Materialzusammensetzung: Abweichungen in der Legierung oder der metallurgischen Struktur der Welle selbst.
Entscheidend ist, dass elektrischer Rundlauf für eine Messuhr nicht erkennbar ist – die Geometrie ist in Ordnung –, dennoch stellt er eine wesentliche Fehlerquelle bei Turbomaschinen dar, die gemäß Normen wie API 670, wo Näherungssensoren die Hauptsensoren sind.
2. Warum Rundlaufabweichungen die Diagnose und das Auswuchten beeinträchtigen
Das Signal beider Arten von Rundlaufabweichungen liegt bei der 1-fachen Laufgeschwindigkeit – genau derselben Frequenz wie die Unwucht –, was für den Analytiker zwei ganz konkrete Probleme mit sich bringt.
- Es tarnt sich als Unwucht: ein hoher 1×-Peak im Spektrum führt zu einer selbstbewussten, aber falschen Diagnose einer Unwucht und veranlasst zu Auswuchtversuchen, die sowohl unnötig als auch zum Scheitern verurteilt sind, da kein Massenüberschuss vorliegt, der korrigiert werden müsste.
- Das verfälscht das tatsächliche Auswuchtergebnis: wenn eine echte Unwucht vorhanden ist Ist vorhanden ist, kommt der Rundlaufvektor noch hinzu. Jeder ernsthafte Versuch, den Rotor auszuwuchten, muss zunächst das tatsächliche dynamische Verhalten isolieren, was bedeutet, die Rundlaufkomponente zu messen und vektoriell zu subtrahieren aus dem 1×-Gesamtsignal.
Aus diesem Grund reicht ein einzelner 1×-Peak allein nie aus, um die Diagnose zu bestätigen – es muss eine echte Unwucht gegenüber ähnlichen Phänomenen wie Rundlaufabweichungen nachgewiesen werden, Fehlausrichtung, a gerissener Rotor, oder Resonanz ist das Herzstück kompetenter Schwingungstechnik Diagnose.
3. Rundlaufausgleich: Der Slow-Roll-Vektor
Die übliche Abhilfe ist Rundlaufkompensation, ein wesentlicher Schritt bei der Analyse jeder Maschine, die mit Näherungssensoren ausgestattet ist. Der Vorgang erfolgt in drei Schritten:
- Slow roll: Die Maschine wird mit einer bewusst niedrigen Drehzahl betrieben – in der Regel 200–500 U/min –, bei der die durch Unwucht verursachten Zentrifugalkräfte vernachlässigbar sind, sodass fast das gesamte 1×-Signal auf Rundlaufabweichungen zurückzuführen ist.
- Den Slow-Roll-Vektor messen: der 1×-Schwingungsvektor (Amplitude und Phase) wird bei dieser Geschwindigkeit erfasst und als „Slow-Roll“- oder „Runout“-Vektor aufgezeichnet.
- Ziehe den Vektor ab: Dieser gespeicherte Slow-Roll-Vektor wird dann vektoriell von dem bei voller Betriebsgeschwindigkeit gemessenen 1×-Schwingungsvektor subtrahiert.
Was bleibt, ist das 1×-Vektor mit Rundlaufausgleich, der die tatsächliche dynamische Bewegung der Welle aufgrund von Unwucht und anderen rotordynamischen Kräften widerspiegelt. Dieser kompensierte Wert – und nicht der Rohwert – sollte als Grundlage für die Diagnose und die Berechnung von Korrekturgewichte.
4. Messung und Kompensation im Feld
Das gleiche Prinzip gilt auch für die Arbeit mit tragbaren Geräten, selbst auf Maschinen, die Beschleunigungsaufnehmer anstelle von fest installierten Sonden. Bewährte Vorgehensweise vor einer field balance besteht darin, den mechanischen Rundlauf mit einer Messuhr zu überprüfen und die Welle auf Restmagnetismus zu untersuchen, um mögliche Verwechslungen auszuschließen, bevor eine Probemasse angebracht wird. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A misst die 1×-Amplitude und -Phase, von denen eine Unwucht abhängt, und durch die Erfassung einer Slow-Roll-Referenz – sofern die Maschine dies zulässt – kann der Analytiker bestätigen, dass die 1×-Ansprechkurve tatsächlich mit der Drehzahl zunimmt – ein typisches Anzeichen für eine echte Unwucht – anstatt konstant zu bleiben, was wiederum direkt auf einen Rundlauffehler hindeuten würde.
