Wellenrisse in rotierenden Maschinen verstehen

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Portabler Balancer & Schwingungsanalysator Balanset-1A

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Schwingungssensor

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Optischer Sensor (Laser-Tachometer)

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Balanset-4

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Magnetischer Ständer Größe-60-kgf

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Reflektierendes Band

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Dynamischer Balancer "Balanset-1A" OEM

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Definition: Was ist ein Wellenriss?

A Wellenriss Ein Wellenriss ist ein Bruch oder eine Unterbrechung in einer rotierenden Welle, die durch Materialermüdung, Spannungskonzentration oder Materialfehler entsteht. Risse beginnen typischerweise an der Oberfläche und breiten sich senkrecht zur Richtung der maximalen Zugspannung nach innen aus. In rotierenden Maschinen sind Wellenrisse extrem gefährlich, da sie sich innerhalb weniger Stunden oder Tage von einem kleinen, unentdeckten Fehler zu einem vollständigen Wellenbruch entwickeln und potenziell einen katastrophalen Anlagenausfall verursachen können.

Schachtrisse erzeugen charakteristische Vibration Signaturen, insbesondere eine charakteristische 2×-Komponente (zweimal pro Umdrehung), die mit der Entstehung des Risses auftritt. Früherkennung durch Schwingungsanalyse ist entscheidend, um einen kompletten Wellenbruch und damit verbundene Sicherheitsrisiken zu verhindern.

Häufige Ursachen für Wellenrisse

1. Ermüdung durch zyklische Belastungen

Die häufigste Ursache, insbesondere bei rotierenden Maschinen:

• Biegeermüdung: Eine rotierende Welle mit ungleichmäßiger Steifigkeit oder Belastung erzeugt zyklische Biegespannungen
• Torsionsermüdung: Oszillierendes Drehmoment in Kraftübertragungswellen
• Hochzyklusermüdung: Im Laufe jahrelanger Betriebstätigkeit häufen sich Millionen von Stresszyklen an.
• Stresskonzentration: Keilnuten, Bohrungen, Abrundungen und geometrische Unstetigkeiten konzentrieren die Spannung

2. Betriebsbedingungen

• Übermäßig Unwucht: Hohe Zentrifugalkräfte erzeugen Biegespannungen
• Fehlausrichtung: Biegemomente aufgrund von Fehlausrichtung beschleunigen die Materialermüdung
• Resonanzbetrieb: Betrieb bei oder in der Nähe kritische Geschwindigkeiten erzeugt hohe Auslenkungen
• Überlast: Betrieb jenseits der Auslegungsgrenzen
• Thermische Belastung: Schnelle Heiz-/Kühlzyklen oder thermische Gradienten

3. Material- und Herstellungsfehler

• Materialeinschlüsse: Schlacke, Hohlräume oder Fremdmaterial im Schachtmaterial
• Unsachgemäße Wärmebehandlung: Unzureichende Härtung oder Anlassung
• Bearbeitungsfehler: Werkzeugspuren, Kerben oder Kratzer, die Spannungsspitzen erzeugen
• Lochfraßkorrosion: Oberflächenkorrosion, die Rissbildungsstellen erzeugt
• Bundieren: Bei Presspassungen oder Keilnuten

4. Betriebsereignisse

• Überdrehzahlereignisse: Notfallmäßige oder versehentliche Geschwindigkeitsüberschreitung, die zu hohem Stress führt
• Starke Reibungen: Kontakt erzeugt Wärme und lokale Spannungskonzentration
• Stoßbelastung: Plötzliche Belastungen durch Prozessstörungen oder mechanische Stöße
• Vorherige Reparaturen: Schweißen oder Bearbeiten, wodurch Eigenspannungen entstehen

Vibrationssymptome einer gerissenen Welle

Die charakteristische 2×-Komponente

Das charakteristische Vibrationsmuster einer gerissenen Welle ist ein deutliches 2× (zweite Harmonische) Komponente:

Warum sich 2× Vibration entwickelt

• Ein Riss öffnet und schließt sich zweimal pro Umdrehung, während sich die Welle dreht.
• Wenn der Riss unter Druck steht (unten im Rotationskreis), ist die Steifigkeit höher.
• Wenn der Riss unter Zugspannung steht (Drehpunkt), öffnet er sich, die Steifigkeit ist geringer.
• Diese zweimalige Steifigkeitsänderung pro Umdrehung erzeugt eine doppelte Kraft.
• Die Amplitude verdoppelt sich mit zunehmender Rissausbreitung und wachsender Steifigkeitsasymmetrie.

Zusätzliche Vibrationsindikatoren

• 1× Änderungen: Allmähliche Zunahme der 1×-Schwingung aufgrund veränderter Steifigkeit und Restbiegung
• Höhere Harmonische: 3×, 4× können auftreten, wenn die Rissausprägung zunimmt
• Phasenverschiebungen: Phasenwinkeländerungen beim Anfahren/Auslaufen oder bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten
• Geschwindigkeitsabhängiges Verhalten: Die Schwingungen können sich nichtlinear mit der Geschwindigkeit ändern.
• Temperaturempfindlichkeit: Vibrationen können mit der thermischen Ausdehnung und dem Öffnen/Schließen von Rissen korrelieren.

Anlauf-/Auslaufcharakteristika

• Die 2×-Komponente zeigt während der Transienten ein ungewöhnliches Verhalten.
• Kann zwei Höhepunkte aufweisen Bode-Diagramm (bei der Hälfte jeder kritischen Drehzahl)
• Phasenänderungen der 1×-Komponente können von der normalen Ungleichgewichtsreaktion abweichen.

Nachweismethoden

Schwingungsüberwachung

Trendanalyse

• Monitor 2X/1X-Verhältnis im Zeitverlauf
• Eine allmähliche Verdopplung der Amplitude ist ein Warnzeichen.
• Ein 2X/1X-Verhältnis > 0,5 erfordert eine Untersuchung.
• Plötzliche Veränderungen im Vibrationsmuster sind verdächtig.

Spektralanalyse

• Regulär FFT Analyse, die Obertöne zeigt
• Vergleich der aktuellen mit den historischen Basisspektren
• Achten Sie auf das Auftreten oder die Verdopplung des Spitzenwerts.

Transientenanalyse

• Wasserfalldiagramme beim Anfahren/Ausrollen
• Bode-Diagramme, die Amplitude und Phase in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit darstellen
• Ungewöhnliches Verhalten bei kritischen Geschwindigkeitsübergängen

Nicht-Vibrationsmethoden

1. Magnetpulverprüfung (MPI)

• Erkennt Oberflächen- und oberflächennahe Risse
• Erfordert eine zugängliche Schachtoberfläche
• Hohe Zuverlässigkeit bei der Risserkennung
• Teil der routinemäßigen Wartungsinspektionen

2. Ultraschallprüfung (UT)

• Erkennt innere und oberflächliche Risse
• Risse lassen sich erkennen, bevor sie Vibrationssymptome verursachen.
• Erfordert Spezialausrüstung und geschultes Personal
• Empfohlen für kritische Wellen

3. Eindringprüfung mit Farbstoff

• Einfaches Verfahren zur Erkennung von Oberflächenrissen
• Erfordert Reinigung und Oberflächenvorbereitung
• Nützlich für zugängliche Bereiche während Stromausfällen.

4. Wirbelstromprüfung

• Berührungslose Oberflächenrisserkennung
• Gut geeignet für die automatisierte Inspektion
• Wirksam auf nichtmagnetischen und magnetischen Materialien

Reaktion und Korrekturmaßnahmen

Sofortmaßnahmen bei Feststellung

1. Erhöhung der Überwachungshäufigkeit: Von monatlich bis wöchentlich oder täglich
2. Reduzieren Sie den Betriebsschweregrad: Wenn möglich, Geschwindigkeit oder Last verringern
3. Planstilllegung: Vereinbaren Sie die Reparatur oder den Austausch zum frühestmöglichen sicheren Zeitpunkt.
4. Zerstörungsfreie Prüfung durchführen: Vorhandensein von Rissen bestätigen und Schweregrad beurteilen
5. Risikobewertung: Prüfen, ob der Weiterbetrieb sicher ist

Langfristige Lösungen

• Wellenaustausch: Zuverlässigste Lösung für bestätigte Risse
• Reparatur (in begrenzten Fällen): Manche Risse können durch maschinelle Bearbeitung und anschließendes Aufschweißen beseitigt werden (erfordert eine fachliche Beurteilung).
• Ursachenanalyse: Ermitteln Sie, warum der Riss entstanden ist, um ein erneutes Auftreten zu verhindern.
• Designänderungen: Spannungskonzentrationen beseitigen, Materialauswahl verbessern, Betriebsbedingungen anpassen

Präventionsstrategien

Entwurfsphase

• Scharfe Ecken und Spannungsspitzen beseitigen
• Verwenden Sie großzügige Abrundungsradien bei Durchmesseränderungen.
• Geeignete Materialien für Belastungsniveaus und Umgebungsbedingungen auswählen.
• Führen Sie eine Finite-Elemente-Spannungsanalyse durch.
• Durch Oberflächenbehandlungen (Kugelstrahlen, Nitrieren) lässt sich die Dauerfestigkeit verbessern.

Betriebsphase

• Gute Pflege Balance-Qualität um die zyklische Biegespannung zu minimieren
• Stellen Sie eine präzise Ausrichtung sicher
• Vermeiden Sie den Betrieb bei kritischen Geschwindigkeiten
• Verhindern von Überdrehzahlereignissen
• Kontrollieren Sie thermische Belastungen durch richtiges Aufwärmen/Abkühlen

Wartungsphase

• Regelmäßige Inspektionen mit geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren
• Vibrationsanalyseprogramme zur Früherkennung von Symptomen
• Regelmäßiges Auswuchten zur Minimierung von Ermüdungsspannungen
• Korrosionsschutz und Beschichtungswartung

Wellenrisse zählen zu den schwerwiegendsten potenziellen Ausfällen rotierender Maschinen. Die Kombination aus Schwingungsüberwachung (zur Erkennung charakteristischer Schwingungsmuster) und regelmäßiger zerstörungsfreier Prüfung bietet die beste Strategie zur Früherkennung von Rissen und ermöglicht so eine geplante Wartung vor einem katastrophalen Ausfall.

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