Rotorwuchten: statische und dynamische Unwucht, Resonanz und praktisches Verfahren
Dieser Leitfaden erklärt Rotorauswuchtung für starre Rotoren: what “unbalance” means, how static and dynamic unbalance differ, why resonance and non-linearity can prevent a quality result, and how balancing is typically performed in one or two correction planes.
Inhalt
- Was ist ein Rotor und was wird durch Auswuchten korrigiert?
- Rotortypen und Unwuchtarten
- Schwingungen von Mechanismen: Was lässt sich durch Auswuchten beseitigen und was nicht?
- Resonanz: ein Faktor, der das Auswuchten verhindert
- Lineare vs. nichtlineare Modelle: Wann Berechnungen nicht mehr funktionieren
- Auswuchtgeräte und Auswuchtmaschinen
- Auswuchten starrer Rotoren (praktische Hinweise)
- Wie die dynamische Auswuchtung durchgeführt wird (Drei-Lauf-Methode)
- Kriterien zur Beurteilung der Auswuchtqualität
- Normen und Referenzen
- FAQ
Was ist ein Rotor und was wird durch Auswuchten korrigiert?
Der Rotor ist ein Körper, der sich um eine Achse dreht und durch seine Lagerflächen in den Stützen gehalten wird. Die Lagerflächen des Rotors übertragen die Lasten über Wälz- oder Gleitlager auf die Stützen. Die Lagerflächen sind die Flächen der Zapfen oder die Flächen, die sie ersetzen.
Bei einem perfekt ausgewuchteten Rotor ist seine Masse symmetrisch um die Rotationsachse verteilt, d. h., jedes Rotorelement entspricht einem anderen, symmetrisch zur Rotationsachse angeordneten Element. In einem ausgewuchteten Rotor gleicht sich die auf ein beliebiges Rotorelement wirkende Zentrifugalkraft durch die auf das symmetrische Element wirkende Zentrifugalkraft aus. Beispielsweise wirken auf die Elemente 1 und 2 (grün in Abb. 1) die betragsmäßig gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Zentrifugalkräfte F1 und F2. Dies gilt für alle symmetrischen Rotorelemente, sodass die gesamte auf den Rotor wirkende Zentrifugalkraft null beträgt und der Rotor ausgewuchtet ist.
Wird jedoch die Symmetrie des Rotors gestört (das asymmetrische Element ist in Abb. 1 rot markiert), so wirkt die unausgeglichene Fliehkraft F3 auf den Rotor. Beim Drehen ändert diese Kraft mit der Rotordrehung ihre Richtung. Die aus dieser Kraft resultierende dynamische Belastung wird auf die Lager übertragen und führt zu beschleunigtem Verschleiß.
In addition, under the influence of this variable-direction force there is a cyclic deformation of supports and foundation, on which the rotor is fixed, i.e. there is vibration. In order to eliminate rotor unbalance and the accompanying vibration, balancing masses must be installed to restore symmetry to the rotor.
Rotor balancing is an operation to correct unbalance by adding balancing masses. In other words, the goal of balancing is to bring the principal central axis of inertia of the rotor as close as possible to its axis of rotation, so that the residual unbalance falls within specified limits.
Die Aufgabe des Auswuchtens besteht darin, die Größe und Lage (Winkel) einer oder mehrerer Ausgleichsmassen zu bestimmen.
Rotortypen und Unwuchtarten
Unter Berücksichtigung der Festigkeit des Rotormaterials und der Größe der auf ihn wirkenden Zentrifugalkräfte können Rotoren in zwei Arten unterteilt werden – starre und flexible Rotoren.
Starre Rotoren verformen sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft bei den Betriebsarten nur unwesentlich, und der Einfluss dieser Verformung auf die Berechnungen kann vernachlässigt werden.
Deformation of flexible rotors can no longer be neglected. Deformation of flexible rotors complicates the solution of balancing problem and requires application of other mathematical models in comparison with the problem of balancing of rigid rotors. It should be noted that the same rotor at low speeds can behave as rigid, and at high speeds - as flexible. The practical criterion is the service speed relative to the rotor’s first critical (bending) speed: a rotor is treated as rigid — ISO 21940-11 speaks of a rotor with “rigid behaviour” — when it runs well below that speed, in practice below roughly 50–70% of the first critical speed. Above that, the rotor bends into a mode shape that changes with speed: it is flexible and must be balanced by modal or multi-plane methods (ISO 21940-12). In the following, we will consider only the balancing of rigid rotors.
Depending on how the unbalanced masses are distributed along the rotor, ISO 21940-2 distinguishes several states of unbalance:
- statische Unwucht — the principal inertia axis is displaced parallel to the shaft axis; it can be detected without rotation, because the rotor turns under gravity until its heavy spot is at the bottom. A single correction mass in one plane removes it;
- couple (moment) unbalance — the principal inertia axis intersects the shaft axis at the center of mass; the two equal unbalances lie in different planes and 180° apart. It appears only during rotation and requires two correction masses in two planes;
- dynamischen Unwucht — the general, real-world case: a combination of static and couple unbalance. The principal inertia axis neither is parallel to, nor intersects, the shaft axis. Two correction planes are necessary and sufficient for a rigid rotor.
The older term “moment unbalance” is a synonym of couple unbalance; it should not be confused with dynamic unbalance, which is the sum of the static and couple components. An example of a rotor with static unbalance is shown in Fig. 2.
Couple unbalance appears only when the rotor is rotating.
An example of a rotor with couple unbalance is shown in Fig. 3.
In this case, the unbalanced equal masses M1 and M2 are in different planes - in different places along the length of the rotor. In static position, i.e. when the rotor does not rotate, only gravity acts on the rotor and the masses balance each other. In dynamics, when the rotor rotates, centrifugal forces Fc1 and Fc2 start acting on the masses M1 and M2. These forces are equal in magnitude and opposite in direction. However, since they are applied at different places along the length of the shaft and are not on the same line, these forces do not compensate each other. The forces Fc1 and Fc2 create a moment applied to the rotor — this is why couple unbalance is also called moment unbalance. Accordingly, uncompensated centrifugal forces act on the bearing positions, which can greatly exceed the calculated values and reduce the service life of the bearings.
Since this type of unbalance appears only during the rotation of the rotor, it cannot be corrected in static conditions by balancing "on knives" or similar methods. In order to eliminate couple unbalance, two compensating weights must be installed, which produce a moment equal in magnitude and opposite in direction to the moment arising from the masses M1 and M2. The compensating masses do not have to be set opposite and equal in magnitude to the masses M1 and M2. The main thing is that they produce a moment that fully compensates for the unbalance moment.
In general, the masses M1 and M2 may not be equal to each other, so there will be a combination of static and couple unbalance — this general case is exactly what ISO 21940-2 calls dynamic unbalance. It is theoretically proven that for a rigid rotor, two weights spaced apart along the length of the rotor are necessary and sufficient to eliminate its unbalance. These weights will compensate both the moment resulting from the couple unbalance and the centrifugal force resulting from the asymmetry of the mass relative to the rotor axis (static unbalance). Typically, couple unbalance is characteristic of long rotors, such as shafts, and static unbalance is characteristic of narrow rotors. However, if the narrow rotor is skewed relative to the axis, or deformed ("figure eight"), then couple unbalance will be difficult to eliminate (see Fig. 4), because in this case it is difficult to install correcting weights that create the necessary compensating moment.
Die Kräfte F1 und F2 liegen nicht auf der gleichen Linie und kompensieren sich nicht gegenseitig.
Due to the fact that the arm available to create the compensating moment is small due to the narrow rotor, large correction weights may be required. However, this also results in an "induced unbalance" due to the deformation of the narrow rotor by centrifugal forces from the correction weights. (see, for example, Methodological instructions for balancing rigid rotors to GOST 22061-76 — the modern international counterpart is ISO 21940-11, formerly ISO 1940-1 — Section 10, "Rotor–supports system").
This is noticeable on narrow fan impellers, where, in addition to mass unbalance, an aerodynamic unbalance is also present: unequal blade geometry produces an unequal blade loading and hence a net radial force. Like the centrifugal force of a correction weight, this force scales with the square of speed, but it also depends on the operating point — air density, damper position, duct resistance — so a correction weight balanced at one duty point will not stay optimal at another. The aerodynamic component must therefore be corrected by restoring the blade geometry, not by adding mass.
Elektromagnetische Kräfte in an electric machine (unbalanced magnetic pull from an eccentric air gap, broken bars, shorted laminations) behave differently again: they are governed by the air-gap flux, not by rotational speed, and they mostly excite the machine at twice the line frequency and at pole-pass sidebands rather than at 1×. Because they act at frequencies other than the rotation frequency, balancing cannot compensate them at all. In short, balancing removes the 1× mass-related excitation only — it cannot eliminate every source of vibration in a machine.
Schwingungen von Mechanismen
Vibration ist die Reaktion der Konstruktion eines Mechanismus auf die Wirkung einer zyklischen Erregerkraft. Diese Kraft kann von unterschiedlicher Natur sein.
Die durch den Unwuchtrotor verursachte Zentrifugalkraft ist eine unkompensierte Kraft, die auf die "Schwerstelle" wirkt. Diese Kraft und die dadurch verursachten Vibrationen können durch Auswuchten des Rotors beseitigt werden.
Wechselwirkungskräfte geometrischer Natur entstehen durch Fertigungs- und Montagefehler der zusammenpassenden Teile. Diese Kräfte können beispielsweise durch Unrundheiten der Wellenhälse, Fehler im Zahnprofil von Zahnrädern, Welligkeit der Lagerlaufbahnen, Fluchtungsfehler der zusammenpassenden Wellen usw. verursacht werden. Bei nicht kreisrunden Zapfen verschiebt sich die Wellenachse abhängig vom Drehwinkel der Welle. Obwohl diese Schwingung auch bei Rotordrehzahl auftritt, lässt sie sich durch Auswuchten kaum beseitigen.
Aerodynamische Kräfte, die sich aus der Drehung der Laufräder von Ventilatoren und anderen Schaufelmechanismen ergeben. Hydrodynamische Kräfte, die sich aus der Drehung von Laufrädern von Hydraulikpumpen, Turbinen usw. ergeben.
Elektromagnetische Kräfte, die sich aus dem Betrieb elektrischer Maschinen ergeben, z. B. asymmetrische Rotorwicklungen, kurzgeschlossene Wicklungen usw.
The magnitude of the vibration (e.g. its amplitude Av) depends not only on the excitatory force Fv acting on the mechanism with circular frequency ω, but also on the rigidity k of the mechanism, its mass m, as well as the damping coefficient C, as formula (1) below shows.
Zur Messung von Schwingungen und zum Auswuchten von Mechanismen können verschiedene Arten von Sensoren eingesetzt werden, darunter:
- Absolutschwingungssensoren zur Messung der Schwingungsbeschleunigung (Beschleunigungsmesser) und Schwinggeschwindigkeitsmesser;
- Sensoren für relative Schwingungen – Wirbelstrom- oder kapazitive Sensoren, die zur Messung des Schwingungswegs entwickelt wurden;
- In einigen Fällen (wenn die Konstruktion des Mechanismus dies zulässt) können auch Kraftsensoren zur Beurteilung der Schwingungsbelastung eingesetzt werden; insbesondere werden sie häufig zur Messung der Schwingungsbelastung von Hartlager-Auswuchtmaschinenstützen verwendet.
Schwingungen sind also die Reaktion einer Maschine auf die Einwirkung äußerer Kräfte. Das Ausmaß der Schwingungen hängt nicht nur von der Größe der auf den Mechanismus wirkenden Kraft ab, sondern auch von der Steifigkeit der Konstruktion des Mechanismus. Ein und dieselbe Kraft kann zu unterschiedlichen Schwingungen führen. In einer hart gelagerten Maschine können die Lager, selbst wenn die Schwingungen gering sind, erheblichen dynamischen Belastungen ausgesetzt sein. Aus diesem Grund werden beim Auswuchten hartgelagerter Maschinen eher Kraft- als Schwingungssensoren (Schwingungsbeschleunigungsmesser) verwendet.
Schwingungssensoren werden bei Mechanismen mit relativ nachgiebigen Lagern eingesetzt, wenn die Einwirkung unwuchtbedingter Fliehkräfte zu einer spürbaren Verformung der Lager und zu Schwingungen führt. Kraftsensoren werden für starre Lager verwendet, wenn selbst erhebliche Kräfte aufgrund von Unwucht nicht zu nennenswerten Schwingungen führen.
Resonanz ist ein Faktor, der das Auswuchten verhindert
Wir haben bereits erwähnt, dass Rotoren in starre und flexible Rotoren unterteilt werden. Die Steifigkeit oder Flexibilität des Rotors darf nicht mit der Steifigkeit oder Nachgiebigkeit der Lagerung (Fundament) verwechselt werden, auf der der Rotor installiert ist. Ein Rotor gilt als starr, wenn seine Verformung (Biegung) unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte vernachlässigt werden kann. Die Verformung eines flexiblen Rotors ist relativ groß und kann nicht vernachlässigt werden.
In diesem Artikel wird nur das Auswuchten von starren Rotoren betrachtet. Ein starrer (nicht verformbarer) Rotor kann wiederum auf starren oder beweglichen (nachgiebigen) Trägern montiert sein. Es ist klar, dass diese Steifigkeit/Nachgiebigkeit der Lager ebenfalls relativ ist, abhängig von der Rotordrehzahl und der Größe der resultierenden Fliehkräfte. Eine bedingte Grenze ist die Eigenfrequenz der Rotorlager.
For mechanical systems, the shape and frequency of natural vibrations are determined by the mass and the elasticity of the elements of mechanical system. That is, the frequency of natural vibrations is an internal characteristic of the mechanical system and does not depend on external forces. Being deflected from the state of equilibrium, supports due to elasticity tend to return to the position of equilibrium. But due to the inertia of the massive rotor, this process is in the nature of damped oscillations. These vibrations are the natural vibrations of the rotor-support system. Their frequency depends on the ratio of the mass of the rotor to the elasticity of the supports, as formula (2) below shows.
Wenn der Rotor zu rotieren beginnt und die Frequenz seiner Rotation sich der Frequenz der Eigenschwingungen annähert, steigt die Amplitude der Schwingungen stark an, was zur Zerstörung der Struktur führen kann.
The phenomenon of mechanical resonance occurs. Near resonance the response is amplified by the quality factor Q = 1/(2ζ), typically 3–17 for machine structures, and the peak can be narrow: a speed change of the order of a few percent may change the vibration level several-fold. Across the resonance the phase lag swings by 180°, passing through 90° at the peak.
If the design of the mechanism is unsuccessful and the operating frequency of the rotor is close to the frequency of natural vibrations, then the operation of the mechanism becomes impossible because of the inadmissibly high vibration. Balancing by the usual methods is then impossible, because even a small change in speed drastically changes the vibration parameters. For balancing in the area of resonance, special methods not considered in this article are used.
Es ist möglich, die Frequenz der Eigenschwingungen des Mechanismus beim Auslaufen (beim Abschalten der Rotordrehung) oder durch die Stoßmethode mit anschließender Spektralanalyse der Systemantwort auf den Stoß zu bestimmen.
For mechanisms, which working frequency of rotation is above the resonance frequency, i.e. working in the supercritical (post-resonant) regime, the supports are considered to be moving and vibration sensors are used for measurement, mainly vibration accelerometers, measuring acceleration of structural elements. For mechanisms operating in pre-resonance mode, the supports are considered rigid. In this case, force sensors are used.
Lineare und nichtlineare Modelle eines mechanischen Systems. Nichtlinearität ist ein Faktor, der das Auswuchten verhindert
Beim Auswuchten starrer Rotoren werden mathematische Modelle, so genannte lineare Modelle, für Auswuchtberechnungen verwendet. Ein lineares Modell bedeutet, dass in einem solchen Modell eine Größe proportional (linear) zu einer anderen ist. Wenn beispielsweise die unkompensierte Masse des Rotors verdoppelt wird, verdoppelt sich auch der Schwingungswert. Für starre Rotoren kann ein lineares Modell verwendet werden, da sie sich nicht verformen.
Für flexible Rotoren kann das lineare Modell nicht mehr verwendet werden. Wenn bei einem flexiblen Rotor die Masse des schweren Punktes während der Drehung zunimmt, kommt es zu einer zusätzlichen Verformung, und zusätzlich zur Masse vergrößert sich auch der Radius der Position des schweren Punktes. Daher erhöht sich bei einem flexiblen Rotor die Schwingung um mehr als das Doppelte, und die üblichen Berechnungsmethoden funktionieren nicht.
Another source of non-linearity is a change in support stiffness at large deflections: at small deflections one set of structural elements carries the load, at large ones others come into play. This is why you cannot balance mechanisms that are not fixed on a foundation, but, for example, simply placed on the floor. With significant vibrations, the force of the unbalance can pull the mechanism off the floor, thereby significantly changing the stiffness characteristics of the system. Motor feet must be securely fastened, bolt mounts must be tightened, washer thickness must provide sufficient mounting rigidity, etc. If the bearings are broken, significant shaft misalignment and shocks are possible, which will also result in poor linearity and an inability to perform a quality balance.
Auswuchtgeräte und Auswuchtmaschinen
Recall that balancing is the process of aligning the main central axis of inertia with the rotor's axis of rotation.
Dieser Vorgang kann mit zwei Methoden durchgeführt werden.
The first method involves machining the rotor trunnions in such a way that the axis passing through the centers of the trunnions coincides with the main central axis of inertia of the rotor. Such a technique is rarely used in practice and will not be discussed in detail in this article.
Die zweite (gängigste) Methode besteht darin, Korrekturgewichte auf dem Rotor zu verschieben, anzubringen oder zu entfernen, die so platziert werden, dass die Trägheitsachse des Rotors so nahe wie möglich an seiner Drehachse liegt.
Das Verschieben, Hinzufügen oder Entfernen von Korrekturgewichten während des Auswuchtens kann durch verschiedene technologische Vorgänge erfolgen, z. B. durch Bohren, Fräsen, Auftragen, Schweißen, Schrauben oder Abschrauben, Laser- oder Elektronenstrahlbrennen, Elektrolyse, elektromagnetisches Auftragen usw.
Der Auswuchtvorgang kann auf zwei Arten durchgeführt werden:
- Field balancing (in situ) — the assembled rotor is balanced in its own bearings, on its own foundation, at its own operating speed, using a portable balancing kit;
- Shop balancing — the rotor is dismounted and balanced on a dedicated balancing machine.
For balancing of rotors in their own bearings, specialized balancing devices (kits) are usually used, which allow measuring the vibration of the balanced rotor at its frequency of rotation in vector form, i.e. to measure both the amplitude and the phase of vibration. At present, the above devices are manufactured on the basis of microprocessor technology and (apart from vibration measurement and analysis) provide automatic calculation of parameters of correcting weights, which should be installed on the rotor to compensate its unbalance.
Zu diesen Geräten gehören:
- eine Mess- und Recheneinheit, die auf einem Computer oder einer industriellen Steuerung basiert;
- zwei (oder mehr) Vibrationssensoren;
- a phase angle sensor;
- Zubehör für die Montage der Sensoren vor Ort;
- spezialisierte Software, die einen vollständigen Zyklus zur Messung der Rotorschwingungsparameter in einer, zwei oder mehreren Korrekturebenen durchführt.
Derzeit sind zwei Arten von Auswuchtmaschinen am weitesten verbreitet:
- Soft-bearing machines (with pliable supports);
- Hard-bearing machines (with rigid supports).
Soft-bearing (above-resonance) machines have relatively pliable supports, for example, based on flat springs. The frequency of natural vibrations of these supports is usually 2-3 times lower than the rotation frequency of the balanced rotor, which is mounted on them, so the machine runs above resonance. Vibration sensors (accelerometers, vibration velocity sensors, etc.) are usually used to measure the motion of the supports of these above-resonance machines.
Hard-bearing (pre-resonance) machines use relatively rigid supports, whose natural frequencies of vibration should be 2-3 times higher than the rotation frequency of the rotor being balanced, so the machine runs below resonance. Force transducers are usually used to measure the dynamic load on the supports of the pre-resonance machine.
The advantage of pre-resonance (hard-bearing) balancing machines is that balancing on them can be performed at relatively low rotor speeds (up to 400 - 500 rpm), which greatly simplifies the design of the machine and its foundation, and increases the productivity and safety of balancing.
Auswuchten von starren Rotoren
Wichtig!
- Das Auswuchten beseitigt nur Schwingungen, die durch eine asymmetrische Verteilung der Rotormasse relativ zu seiner Drehachse verursacht werden. Andere Arten von Schwingungen werden durch Auswuchten nicht beseitigt!
- Maschinen, deren Konstruktion die Abwesenheit von Resonanzen bei der Betriebsfrequenz der Rotation gewährleistet, die zuverlässig auf dem Fundament befestigt und in betriebsfähigen Lagern installiert sind, unterliegen dem Auswuchten.
- Defekte Maschinen müssen vor dem Auswuchten repariert werden. Andernfalls ist ein einwandfreies Auswuchten nicht möglich.
Auswuchten ist kein Ersatz für Reparatur!
Die Hauptaufgabe des Auswuchtens besteht darin, die Masse und die Position der Ausgleichsgewichte zu finden, die den Fliehkräften entgegenwirken.
As mentioned above, for rigid rotors, it is generally necessary and sufficient to install two compensating weights. This will eliminate both the static and the couple components of the rotor unbalance. The general scheme for measuring vibration during balancing is as follows.
Vibration sensors are installed on the bearing supports at points 1 and 2. A revolution mark is attached to the rotor, usually with reflective tape. The revolution mark is used by the laser tachometer to determine the rotor speed and phase of the vibration signal.
Wie die dynamische Auswuchtung durchgeführt wird (Drei-Lauf-Methode)
In most cases dynamic balancing is carried out by the method of three starts. The method is based on the fact that trial weights of known mass are placed on the rotor in series in plane 1 and 2 and the weights and the location of the balancing weights are calculated based on the results of changes in the vibration parameters.
The plane in which a correction weight is installed is called a Korrekturebene. Correction planes are located on the rotor itself — typically at the two ends of the rotor body, on the fan or impeller disks, or on dedicated balancing rings. They should be chosen as far apart along the shaft as the design allows, so that a moderate weight produces a sufficient correcting moment. This is not the same as the measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).
At the first start-up the initial vibration is measured (in the Balanset software this is Run 0). Then a trial weight of known mass is placed on the rotor closer to one of the bearings. A second start-up is carried out (Run 1) and the vibration parameters are measured, which should change due to the test weight installation. Then the test weight in the first plane is removed and installed in the second plane. A third test run is performed (Run 2) and the vibration parameters are measured. The test weight is removed and the software automatically calculates the masses and installation angles of the balance weights.
The calculated correction weights are then installed in their planes and a check run is made — in the Balanset software this is Run T (Trim). The residual vibration is compared with the tolerance. If the result is still above the target, the software reuses the influence coefficients already determined, so no new trial-weight runs are needed — only a small additional trim correction is computed and installed.
The point of installing the test weights is to determine how the system reacts to changes in unbalance. The weights and locations of the test weights are known, so the software can calculate so called influence coefficients, showing how introducing a known unbalance affects the vibration parameters. The influence coefficients are characteristics of the mechanical system itself and depend on the rigidity of the supports and the mass (inertia) of the rotor-support system.
Für dieselbe Art von Mechanismen mit derselben Konstruktion liegen die Einflusskoeffizienten nahe beieinander. Es ist möglich, sie im Computerspeicher zu speichern und sie für das Auswuchten von Mechanismen desselben Typs ohne Testläufe zu verwenden, was die Produktivität des Auswuchtens deutlich erhöht. Beachten Sie, dass die Masse der Prüfgewichte so gewählt werden sollte, dass sich die Schwingungsparameter beim Einbau der Prüfgewichte merklich ändern. Andernfalls steigt der Fehler bei der Berechnung der Einflusskoeffizienten und die Qualität des Auswuchtens verschlechtert sich.
Wie aus Abb. 1 ersichtlich, wirkt die Fliehkraft in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Rotorachse. Daher müssen die Schwingungssensoren so installiert werden, dass ihre Empfindlichkeitsachse ebenfalls in radialer Richtung weist. In der Regel ist die Steifigkeit des Fundaments in horizontaler Richtung geringer, sodass die Vibration in horizontaler Richtung höher ist. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, sollten die Sensoren daher so installiert werden, dass ihre Empfindlichkeitsachse ebenfalls horizontal ausgerichtet ist. Obwohl es keinen grundsätzlichen Unterschied gibt. Neben der Vibration in radialer Richtung muss auch die Vibration in axialer Richtung, entlang der Rotordrehachse, überwacht werden. Diese Vibration wird in der Regel nicht durch Unwucht verursacht, sondern durch andere Ursachen, die hauptsächlich mit dem Fluchtungsfehler der über die Kupplung verbundenen Wellen zusammenhängen.
This vibration cannot be eliminated by balancing, in which case alignment is required. In practice, such machines usually have both rotor unbalance and shaft misalignment, which makes the task of eliminating vibration much more difficult. In such cases, it is necessary to center the machine first and then balance it. (Although with strong torque unbalance, vibration also occurs in the axial direction due to "twisting" of the foundation structure.)
Verwandte Artikel (Beispiele für Auswuchtständer)
- Auswuchtbock mit weicher Lagerung
- Auswuchten der Rotoren von Elektromotoren
- Einfache, aber effektive Auswuchtständer
Kriterien zur Beurteilung der Qualität von Auswuchtmechanismen
The balancing quality of rotors (mechanisms) can be evaluated in two ways. The first method involves comparing the amount of residual unbalance determined during the balancing process with the tolerance for residual unbalance. These tolerances for the different rotor classes are specified in ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1).
How the tolerance is computed (ISO 21940-11). The standard specifies a balance quality grade G, which is the product of the permissible specific unbalance epro and the service angular velocity ω, expressed in mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], where n is the service speed in rpm;
- epro = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (numerically equal to µm of center-of-mass offset) — equivalently epro = 9549 · G / n;
- Upro = epro · m [g·mm], where m is the rotor mass in kg.
Worked example. Rotor m = 50 kg, service speed n = 3000 rpm, grade G 6.3 (fans, pumps, standard electric motors): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; epro = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (cross-check: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Upro = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm for the whole rotor.
Splitting the tolerance between two planes. For a rotor whose center of mass lies between the correction planes, the total tolerance is divided in inverse proportion to the distance from the center of mass to each plane; for a symmetrical rotor this is simply half in each plane — about 500 g·mm per plane in the example above. Neither plane should be allocated more than 70% or less than 30% of Upro.
Typical grades: G 0.4 — gyroscopes, spindles of precision grinders · G 1 — grinding-machine spindles, precision armatures · G 2.5 — turbines, turbo-generators, machine-tool drives · G 6.3 — general engineering: fans, pump impellers, flywheels, standard electric motors · G 16 — cardan shafts with special requirements, agricultural machinery, crushers · G 40 — car wheels, drive shafts (cardan shafts) · G 100 — crankshaft drives of high-speed diesel engines.
Die Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen kann jedoch nicht in vollem Umfang die Betriebszuverlässigkeit des Mechanismus in Verbindung mit dem Erreichen des Mindestschwingungsniveaus garantieren. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Schwingungsstärke des Mechanismus nicht nur durch die Größe der Kraft bestimmt wird, die mit der Restunwucht seines Rotors verbunden ist, sondern auch von mehreren anderen Parametern abhängt, darunter: die Steifigkeit k der Strukturelemente des Mechanismus, seine Masse m, der Dämpfungsfaktor sowie die Drehfrequenz. Um die dynamischen Eigenschaften des Mechanismus (einschließlich der Auswuchtqualität) abzuschätzen, empfiehlt es sich daher in einer Reihe von Fällen, das Niveau der Restschwingung des Mechanismus abzuschätzen, das durch eine Reihe von Normen geregelt ist.
The most widely used standard for permissible vibration levels of industrial machines is ISO 20816-3 (formerly ISO 10816-3). It covers machines above 15 kW running at 120–15,000 rpm, and it classifies them in two dimensions: by power group (Group 1 — above 300 kW; Group 2 — 15 to 300 kW) and by support type (rigid or flexible). Each combination has its own A/B, B/C and C/D zone boundaries in mm/s RMS. Machines outside this scope have dedicated parts of the series (turbine sets — ISO 20816-2, hydraulic machines, reciprocating machines, pumps) or product standards such as ISO 14694 for industrial fans.
For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic ISO 10816-1 zones (now part of ISO 20816-1) give the following boundaries of vibration velocity, mm/s RMS:
| Klasse | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| Class I (small machines, up to 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Class II (medium machines, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Class III (large machines, rigid foundation) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Class IV (large machines, flexible foundation) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Zone A corresponds to the vibration of new machines; zone B is acceptable for unrestricted long-term operation; zone C allows only restricted operation; zone D indicates vibration severe enough to cause damage.
Normen und Referenzen
- ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. (Replaces ISO 1940-1, which is withdrawn.) G-grades and tolerance calculator →
- ISO 21940-2 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary. (Definitions of static, couple, quasi-static and dynamic unbalance.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines. (Replaces ISO 10816-1 and ISO 7919-1.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Industrial fans — Specifications for balance quality and vibration levels.
FAQ
Beseitigt das Auswuchten alle Vibrationen?
Nein. Durch Auswuchten werden Vibrationen beseitigt, die durch die asymmetrische Verteilung der Rotormasse relativ zu seiner Rotationsachse entstehen. Vibrationen aufgrund von Fluchtungsfehlern, Lagerdefekten, aerodynamischen/hydrodynamischen Kräften, elektromagnetischen Kräften und anderen Ursachen erfordern separate Diagnose- und Korrekturmaßnahmen.
Warum kann das Auswuchten in der Nähe der Resonanzfrequenz fehlschlagen?
Nahe der Resonanzfrequenz können bereits geringe Drehzahländerungen große Änderungen der Schwingungsamplitude und eine Phasenverschiebung von 180° bewirken. Unter solchen Bedingungen werden die Messergebnisse instabil, und herkömmliche Auswuchtverfahren konvergieren ohne spezielle Methoden möglicherweise nicht.
Wann benötigt man eine Ein-Ebenen-Auswuchtung und wann eine Zwei-Ebenen-Auswuchtung?
One plane is enough for disk-shaped rotors, where the axial length of the rotor is small compared with the diameter — as a rule of thumb L/D < 0.5 — and the service speed is well below the first critical speed. Typical examples: a grinding wheel, a single-disk fan impeller, a pulley, a car wheel. Such a rotor carries almost purely static unbalance.
Zwei Flugzeuge are required for elongated rotors (L/D ≥ 0.5), for any rotor with two or more impellers or disks spaced along the shaft, and whenever the vibration phase at the two bearings differs markedly — a sign of a couple component. A rigid rotor never needs more than two planes.
When in doubt, measure both bearings: if a one-plane correction reduces the vibration at one bearing and increases it at the other, the rotor has a couple component and needs two-plane balancing.
Was sollte vor dem Auswuchten getan werden?
Stellen Sie sicher, dass die Maschine betriebsbereit ist: sichere Befestigung am Fundament, intakte Lager, kein gravierendes Spiel und keine offensichtlichen Ursachen für Nichtlinearitäten. Auswuchten ersetzt keine Reparatur.
Wichtigste Erkenntnisse
- Durch das Auswuchten werden massenbedingte (zentrifugale) Anregungen korrigiert; Fehlausrichtungen, Lagerschäden oder elektromagnetische/aerodynamische Fehlerquellen werden dadurch nicht behoben.
- Resonanz und Nichtlinearität können herkömmliches Auswuchten unwirksam oder unsicher machen.
- For rigid rotors, two-plane balancing is the general solution for dynamic unbalance (the combination of static + couple).
