Synchrone und subsynchrone Schwingungen erklärt
Synchrone Schwingung ist jede Schwingung, die bei einer Frequenz auftritt, die ein ganzzahliges Vielfaches der primären Betriebsdrehzahl (1×) einer Maschine ist. Sie ist buchstäblich “synchron” mit der Wellendrehung und ist mit Abstand die häufigste Schwingungsart in rotierenden Maschinen. Zu erkennen, ob ein Peak in einem Schwingungsspektrum synchron ist, subsynchron, oder asynchron ist einer der ersten und wirkungsvollsten Schritte in jeder Diagnose.
1. Definition: Was ist synchrone Schwingung?
Eine Schwingungskomponente ist synchron, wenn ihre Frequenz der Wellendrehzahl in einem ganzzahligen Verhältnis folgt:
- Schwingungen bei genau der Betriebsdrehzahl (1×) sind synchron.
- Schwingungen bei der doppelten Betriebsdrehzahl (2×), der dreifachen (3×) und so weiter sind ebenfalls synchron — diese höheren Ordnungen sind die Harmonische der Laufgeschwindigkeit.
Das charakteristische Verhalten besteht darin, dass ein synchroner Peak bewegt sich mit der Maschine: Ändert sich die Drehzahl, verschiebt sich der Peak und bleibt beim gleichen Vielfachen eingerastet. Die große Mehrheit alltäglicher mechanischer Fehler — Unwucht, Fehlausrichtung, a gebogene Welle, und mechanische Lose — äußern sich alle als synchrone Schwingung. Unwucht beispielsweise tritt stets bei 1× RPM auf und folgt jeder Änderung der Maschinendrehzahl exakt, was genau der Grund ist, warum Feldauswuchten die 1×-Komponente erfasst.
2. Definition: Was ist subsynchrone Schwingung?
Subsynchrone Schwingung ist jede Schwingung, die bei einer Frequenz auftritt unter der primären Betriebsdrehzahl (weniger als 1×) — das Präfix “sub-” bedeutet schlicht “unterhalb”. Ausgeprägte subsynchrone Schwingungen sind häufig ein ernstes Warnsignal, da sie typischerweise durch selbsterregte, instabile rotordynamisch Phänomene erzeugt werden und nicht durch gewöhnlichen mechanischen Verschleiß oder Passungsprobleme. Entscheidend ist, dass die Erregungsfunktion subsynchroner Schwingungen — anders als bei synchronen Schwingungen — durch die Bewegung des Rotors selbst erzeugt wird, was sie in der Lage macht, sich zu einem Instabilität.
3. Unterscheidung im FFT-Spektrum
Diese Komponenten in einem FFT Spektrum zu trennen ist unkompliziert, sobald man weiß, worauf man achten muss:
- Synchrone Spitzen: den 1×-RPM-Peak (Betriebsdrehzahl) und alle Peaks, die bei exakten ganzzahligen Vielfachen liegen (2×, 3×, …).
- Subsynchrone Spitzen: alle signifikanten Peaks, die auf der Frequenzachse erscheinen vor dem 1×-Peak — beispielsweise bei 0,42×–0,48× der Betriebsdrehzahl, der klassischen Signatur von Ölwirbel.
- Nicht-synchrone Spitzen: Peaks, die kein ganzzahliges Vielfaches der Betriebsdrehzahl sind und häufig mit Lagerfehlerfrequenzen oder externen Quellen.
Da die Grenze zwischen diesen Kategorien relativ zur Betriebsdrehzahl definiert wird, ist eine gesicherte Drehzahlreferenz unerlässlich. Ein Drehzahlmesser Puls – oder Ordnungsanalyse bei einer Maschine mit variabler Drehzahl — ermöglicht es dem Analysten, die 1×-Linie exakt zu bestimmen und eine Fehlkennzeichnung eines Peaks zu vermeiden.
4. Warum die Unterscheidung entscheidend ist
Die Unterscheidung zwischen synchroner und subsynchroner Schwingung ist für die Diagnose grundlegend, da beide auf völlig unterschiedliche Problemgruppen — und unterschiedliche Abhilfemaßnahmen — hinweisen:
- Synchrone Probleme (wie z. B. Unwucht) sind erzwungene Schwingungen. Sie lassen sich in der Regel durch mechanische Einstellungen beheben — Auswuchten oder Ausrichten — und sind im Allgemeinen vorhersehbar und stabil.
- Subsynchrone Probleme treten häufig selbstangeregte Schwingungen oder Instabilitäten. Sie weisen auf ein Problem mit der grundlegenden Konstruktion oder dem Zustand des Rotor-Lager-System hin und können nicht durch Auswuchten behoben werden. Solche Zustände können instabil und äußerst zerstörerisch sein. Häufige Ursachen sind Ölwirbel und Ölpeitsche in Flüssigkeitsfilmen Gleitlagersowie Rotor-Stator- Reibungen.
Aus diesem Grund wird ein subsynchroner Peak mit hoher Amplitude generell als ernstere Alarmzustand eingestuft als ein synchroner Peak gleicher Amplitude: Ersterer kann die Integrität der Maschine gefährden, während Letzterer üblicherweise eine Wartungsaufgabe darstellt.
5. Maßnahmen auf Grundlage der Diagnose
Sobald das Spektrum zeigt, dass die dominierende Energie synchroner Natur ist, besteht der nächste Schritt in der Regel in einer Korrektur und nicht in einer Neugestaltung. Ein dominanter 1×-Peak deutet auf Unwucht und einen Auswuchtvorgang hin; erhöhte 1×- und 2×-Werte zusammen, oft mit axialer Aktivität, deuten auf Fluchtungsfehler hin. Im Feld ist dies genau der Bereich, den ein Zweikanal-Messgerät wie der Balanset-1A abdeckt: Es misst die 1×- Amplitude und Phase die eine synchrone Unwuchtreaktion charakterisieren, und berechnet die Ausgleichsgewichte, um sie zu reduzieren. Zeigt die Analyse hingegen eine starke subsynchrone Komponente, besteht die richtige Reaktion darin, Lagerspiele, Schmierung und Rotorstabilität zu untersuchen — und nicht nach Probegewichten zu greifen.
