Subsynchrone und synchrone Schwingungen erklärt

Definition: Was ist synchrone Vibration?

Synchrone Vibration ist jede Schwingung, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Primärdrehzahl der Maschine beträgt. Sie ist „synchron“ mit der Rotation der Welle. Dies ist die am häufigsten auftretende Schwingungskategorie in Maschinen.

• Die Vibration erfolgt exakt mit der Laufgeschwindigkeit (1x) synchron.
• Auch Schwingungen mit der doppelten Laufgeschwindigkeit (2x), der dreifachen (3x) usw. sind synchrone Schwingungen, die oft als „Harmonische“ der Laufgeschwindigkeit bezeichnet werden.

Die überwiegende Mehrheit der üblichen Maschinenfehler, wie z. B. Unwucht, Fehlausrichtung, Und mechanische Lockerheit, manifestieren sich alle als synchrone Vibration. Beispielsweise liegt die durch Unwucht verursachte Vibration immer bei 1x U/min und folgt perfekt allen Änderungen der Maschinengeschwindigkeit.

Definition: Was ist subsynchrone Schwingung?

Subsynchrone Vibration ist jede Schwingung, die mit einer Frequenz auftritt, die *kleiner* als die Primärdrehzahl (1x) ist. Das Präfix „sub-“ bedeutet „unterhalb“. Das Vorhandensein signifikanter subsynchroner Schwingungen ist oft ein ernstes Warnsignal, da sie typischerweise durch selbsterregte, instabile Rotordynamikphänomene und nicht durch einfache mechanische Fehler verursacht werden. Im Gegensatz zu synchronen Schwingungen wird die Antriebsfunktion für subsynchrone Schwingungen durch die Bewegung des Rotors selbst erzeugt.

Häufige Ursachen für subsynchrone Vibrationen

Subsynchrone Schwingungen sind ein großes Problem bei Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen mit Flüssigkeitsfilmlagern.

1. Ölwirbel

Dies ist die häufigste Form der subsynchronen Instabilität. Sie tritt bei Flüssigkeitsfilmlagern auf, wenn der hydrodynamische Ölfilm, der die Welle stützt, um das Lager zu „peitschen“ beginnt und die Welle vor sich her schiebt. Dies erzeugt eine deutliche Vibration mit einer Frequenz von ca. 0,42- bis 0,48-fache Laufgeschwindigkeit (0,42x – 0,48x). Ölwirbel sind oft last- und temperaturabhängig und können bei sich ändernden Maschinenbedingungen auftreten oder verschwinden.

2. Ölpeitsche

Ölschlag ist eine schwerwiegendere und gefährlichere Form des Ölwirbels. Er tritt auf, wenn die Frequenz des Ölwirbels mit der ersten Eigenfrequenz (kritische Drehzahl) des Rotors zusammenfällt und sich auf diese einstellt. In diesem Fall kann die subsynchrone Schwingungsamplitude sehr stark anwachsen und verschwindet auch bei steigender Drehzahl nicht. Tatsächlich bleibt die Schwingung auf der kritischen Drehzahlfrequenz des Rotors, selbst wenn die Maschine weiter beschleunigt. Ölschlag ist ein äußerst zerstörerischer Zustand, der eine sofortige Abschaltung der Maschine erfordert.

3. Reibung zwischen Rotor und Stator

Eine Reibung zwischen dem Rotor und einem stationären Teil kann manchmal subsynchrone Schwingungen verursachen. Dies geschieht oft bei ganzzahligen Bruchteilen der Laufgeschwindigkeit, wie zum Beispiel: 0,5xDie 0,5-fache Komponente ist ein klassisches Anzeichen für Reibung, bei der der Rotor alle zwei Umdrehungen einmal „hüpft“.

Wie man sie in einem FFT-Spektrum unterscheidet

Das Identifizieren dieser Komponenten in einem FFT-Spektrum ist unkompliziert:

• Synchrone Spitzen: Suchen Sie nach dem 1x-RPM-Peak (der Laufgeschwindigkeit) und allen Peaks, die auf genaue ganzzahlige Vielfache (2x, 3x usw.) fallen.
• Subsynchrone Spitzen: Suchen Sie nach signifikanten Spitzen, die auf der Frequenzachse *vor* der 1x U/min-Spitze erscheinen. Eine Spitze bei etwa 45% der Laufgeschwindigkeit ist ein klassisches Zeichen für einen Ölwirbel.

Warum die Unterscheidung entscheidend ist

Die Unterscheidung zwischen synchroner und subsynchroner Schwingung ist für die Diagnose von grundlegender Bedeutung:

• Synchrone Probleme (wie Unwucht) sind „erzwungene Schwingungen“. Sie können oft durch mechanische Anpassungen wie Auswuchten oder Ausrichten korrigiert werden.
• Subsynchrone Probleme (wie Ölschlag) sind selbsterregte Schwingungen oder Instabilitäten. Sie weisen auf ein Problem mit der grundlegenden Konstruktion oder dem Zustand des Rotor-Lager-Systems hin und können nicht durch Auswuchten behoben werden. Die Lösung könnte eine Änderung der Lagerkonstruktion, eine Änderung der Öltemperatur oder des Öldrucks oder eine Neukonstruktion des Rotors sein.

Aus diesem Grund wird ein subsynchroner Peak mit hoher Amplitude im Allgemeinen als schwerwiegenderer Alarmzustand angesehen als ein synchroner Peak mit hoher Amplitude.

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