Rotorwuchten: statische und dynamische Unwucht, Resonanz und praktisches Verfahren
Dieser Leitfaden erklärt Rotorauswuchtung für starre Rotoren: was „Unwucht“ bedeutet, worin sich statische und dynamische Unwucht unterscheiden, warum Resonanz und Nichtlinearität ein qualitativ hochwertiges Ergebnis verhindern können, und wie das Auswuchten üblicherweise in einer oder zwei Korrekturebenen durchgeführt wird.
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.
Zusätzlich kommt es unter dem Einfluss dieser richtungsveränderlichen Kraft zu einer zyklischen Verformung der Stützen und des Fundaments, auf dem der Rotor befestigt ist, das heißt es entsteht Schwingung. Um die Rotorunwucht und die damit verbundene Schwingung zu beseitigen, müssen Ausgleichsmassen angebracht werden, um die Symmetrie des Rotors wiederherzustellen.
Rotorauswuchten ist ein Vorgang zur Korrektur der Unwucht durch Anbringen von Ausgleichsmassen. Mit anderen Worten: Das Ziel des Auswuchtens besteht darin, die zentrale Hauptträgheitsachse des Rotors so nah wie möglich an seine Rotationsachse zu bringen, sodass die Restunwucht innerhalb der festgelegten Grenzen liegt.
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.
Die Verformung flexibler Rotoren kann nicht mehr vernachlässigt werden. Die Verformung flexibler Rotoren erschwert die Lösung des Auswuchtproblems und erfordert die Anwendung anderer mathematischer Modelle im Vergleich zum Auswuchten starrer Rotoren. Dabei ist zu beachten, dass sich derselbe Rotor bei niedrigen Drehzahlen wie ein starrer und bei hohen Drehzahlen wie ein flexibler Rotor verhalten kann. Das praktische Kriterium ist die Betriebsdrehzahl im Verhältnis zur ersten kritischen (Biege-)Drehzahl des Rotors: Ein Rotor gilt als starr — ISO 21940-11 spricht von einem Rotor mit "starrem Verhalten" — wenn er deutlich unterhalb dieser Drehzahl läuft, in der Praxis unterhalb von etwa 50–70% der ersten kritischen Drehzahl. Oberhalb davon biegt sich der Rotor in eine Modenform, die sich mit der Drehzahl ändert: Er ist dann flexibel und muss mit modalen oder Mehrebenen-Methoden ausgewuchtet werden (ISO 21940-12). Im Folgenden betrachten wir nur das Auswuchten starrer Rotoren.
Je nachdem, wie die unausgewuchteten Massen entlang des Rotors verteilt sind, unterscheidet ISO 21940-2 mehrere Zustände der Unwucht:
- statische Unwucht — die Hauptträgheitsachse ist parallel zur Wellenachse verschoben; sie lässt sich ohne Rotation feststellen, da sich der Rotor unter Schwerkrafteinfluss dreht, bis sich sein schwerer Punkt unten befindet. Eine einzelne Korrekturmasse in einer Ebene beseitigt sie;
- Momentunwucht (Kräftepaarunwucht) — die Hauptträgheitsachse schneidet die Wellenachse im Schwerpunkt; die beiden gleich großen Unwuchten liegen in verschiedenen Ebenen und um 180° versetzt. Sie tritt nur während der Rotation auf und erfordert zwei Korrekturmassen in zwei Ebenen;
- dynamischen Unwucht — der allgemeine, in der Praxis vorkommende Fall: eine Kombination aus statischer Unwucht und Momentunwucht. Die Hauptträgheitsachse ist weder parallel zur Wellenachse noch schneidet sie diese. Zwei Korrekturebenen sind für einen starren Rotor notwendig und ausreichend.
Der ältere Begriff „Momentunwucht“ (englisch: moment unbalance) ist ein Synonym für couple unbalance; er sollte nicht mit der dynamischen Unwucht verwechselt werden, die die Summe aus statischer und Momentkomponente ist. Ein Beispiel für einen Rotor mit statischer Unwucht ist in Abb. 2 dargestellt.
Momentunwucht tritt nur auf, wenn sich der Rotor dreht.
Ein Beispiel für einen Rotor mit Momentunwucht ist in Abb. 3 dargestellt.
In diesem Fall befinden sich die unausgewuchteten gleichen Massen M1 und M2 in unterschiedlichen Ebenen — an unterschiedlichen Stellen entlang der Rotorlänge. In statischer Lage, das heißt wenn sich der Rotor nicht dreht, wirkt auf den Rotor nur die Schwerkraft, und die Massen gleichen sich gegenseitig aus. Im dynamischen Zustand, wenn sich der Rotor dreht, wirken die Fliehkräfte Fc1 und Fc2 auf die Massen M1 und M2. Diese Kräfte sind dem Betrag nach gleich und einander entgegengesetzt gerichtet. Da sie jedoch an unterschiedlichen Stellen entlang der Wellenlänge angreifen und nicht auf derselben Linie liegen, heben sich diese Kräfte nicht gegenseitig auf. Die Kräfte Fc1 und Fc2 erzeugen ein auf den Rotor wirkendes Moment — deshalb wird die Momentenunwucht auch als Kräftepaar-Unwucht bezeichnet. Dementsprechend wirken unausgeglichene Fliehkräfte auf die Lagerstellen, die die berechneten Werte erheblich übersteigen und die Lebensdauer der Lager verringern können.
Da diese Art der Unwucht nur während der Rotation des Rotors auftritt, kann sie unter statischen Bedingungen nicht durch Auswuchten "auf Schneiden" oder ähnliche Methoden korrigiert werden. Um die Momentenunwucht zu beseitigen, müssen zwei Ausgleichsgewichte angebracht werden, die ein Moment erzeugen, das dem aus den Massen M1 und M2 entstehenden Moment betragsmäßig gleich und entgegengesetzt gerichtet ist. Die Ausgleichsmassen müssen den Massen M1 und M2 nicht entgegengesetzt und betragsmäßig gleich angeordnet sein. Entscheidend ist, dass sie ein Moment erzeugen, das das Unwuchtmoment vollständig kompensiert.
Im Allgemeinen müssen die Massen M1 und M2 nicht gleich groß sein, sodass eine Kombination aus statischer Unwucht und Momentenunwucht entsteht — genau diesen allgemeinen Fall bezeichnet ISO 21940-2 als dynamische Unwucht. Es ist theoretisch bewiesen, dass bei einem starren Rotor zwei entlang der Rotorlänge auseinanderliegende Gewichte notwendig und hinreichend sind, um seine Unwucht zu beseitigen. Diese Gewichte gleichen sowohl das aus der Momentenunwucht resultierende Moment als auch die aus der Asymmetrie der Masse relativ zur Rotorachse resultierende Fliehkraft (statische Unwucht) aus. Typischerweise ist die Momentenunwucht charakteristisch für lange Rotoren wie Wellen, während die statische Unwucht für schmale Rotoren charakteristisch ist. Ist der schmale Rotor jedoch relativ zur Achse schräg oder verformt ("Achterform"), lässt sich die Momentenunwucht nur schwer beseitigen (siehe Abb. 4), da es in diesem Fall schwierig ist, Ausgleichsgewichte anzubringen, die das erforderliche kompensierende Moment erzeugen.
Die Kräfte F1 und F2 liegen nicht auf der gleichen Linie und kompensieren sich nicht gegenseitig.
Da der zur Erzeugung des Ausgleichsmoments verfügbare Hebelarm aufgrund des schmalen Rotors klein ist, können große Ausgleichsgewichte erforderlich sein. Dies führt jedoch auch zu einer "induzierten Unwucht" durch die Verformung des schmalen Rotors unter den Fliehkräften der Ausgleichsgewichte. (siehe zum Beispiel Methodische Anleitung zum Auswuchten starrer Rotoren nach GOST 22061-76 — das moderne internationale Gegenstück ist ISO 21940-11, vormals ISO 1940-1 — Abschnitt 10, „Rotor–Lager-System“).
Dies fällt bei schmalen Ventilatorlaufrädern auf, wo zusätzlich zur Massenunwucht ein aerodynamische Unwucht ist ebenfalls vorhanden: Eine ungleiche Schaufelgeometrie erzeugt eine ungleiche Schaufelbelastung und damit eine resultierende radiale Kraft. Wie die Fliehkraft eines Ausgleichsgewichts skaliert diese Kraft mit dem Quadrat der Drehzahl, hängt aber zusätzlich vom Betriebspunkt ab — Luftdichte, Klappenstellung, Kanalwiderstand —, sodass ein bei einem Betriebspunkt ausgewuchtetes Ausgleichsgewicht bei einem anderen nicht mehr optimal ist. Die aerodynamische Komponente muss daher durch Wiederherstellung der Schaufelgeometrie korrigiert werden, nicht durch Massenzugabe.
Elektromagnetische Kräfte in einer elektrischen Maschine (unsymmetrischer magnetischer Zug durch einen exzentrischen Luftspalt, gebrochene Stäbe, kurzgeschlossene Blechpakete) verhalten sich wiederum anders: Sie werden vom Luftspaltfluss bestimmt, nicht von der Drehzahl, und regen die Maschine meist bei der doppelten Netzfrequenz und bei Polwechsel-Seitenbändern an statt bei 1×. Da sie bei anderen Frequenzen als der Drehfrequenz wirken, kann das Auswuchten sie überhaupt nicht kompensieren. Kurz gesagt: Auswuchten beseitigt nur die massebedingte 1×-Anregung — es kann nicht jede Schwingungsquelle einer Maschine eliminieren.
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.
Die Größe der Schwingung (z. B. ihre Amplitude Av) hängt nicht nur von der Erregerkraft Fv ab, die mit der Kreisfrequenz ω auf den Mechanismus wirkt, sondern auch von der Steifigkeit k des Mechanismus, seiner Masse m sowie dem Dämpfungskoeffizienten C, wie Formel (1) unten zeigt.
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.
Bei mechanischen Systemen werden Form und Frequenz der Eigenschwingungen durch die Masse und die Elastizität der Elemente des mechanischen Systems bestimmt. Das heißt, die Frequenz der Eigenschwingungen ist eine innere Eigenschaft des mechanischen Systems und hängt nicht von äußeren Kräften ab. Werden die Stützen aus dem Gleichgewichtszustand ausgelenkt, streben sie aufgrund ihrer Elastizität zurück in die Gleichgewichtslage. Aufgrund der Trägheit des massiven Rotors verläuft dieser Vorgang jedoch in Form gedämpfter Schwingungen. Diese Schwingungen sind die Eigenschwingungen des Systems Rotor-Stütze. Ihre Frequenz hängt vom Verhältnis der Rotormasse zur Elastizität der Stützen ab, wie Formel (2) unten zeigt.
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.
Es tritt das Phänomen der mechanischen Resonanz auf. In der Nähe der Resonanz wird die Antwort um den Gütefaktor Q = 1/(2ζ) verstärkt, typischerweise 3–17 bei Maschinenstrukturen, und der Peak kann schmal sein: Eine Drehzahländerung in der Größenordnung weniger Prozent kann den Schwingungspegel um ein Vielfaches ändern. Beim Durchlaufen der Resonanz schwingt die Phasenverschiebung um 180°, wobei sie im Maximum durch 90° geht.
Ist die Konstruktion des Mechanismus ungünstig und liegt die Betriebsfrequenz des Rotors nahe an der Eigenfrequenz, wird der Betrieb des Mechanismus aufgrund unzulässig hoher Schwingung unmöglich. Ein Auswuchten mit den üblichen Methoden ist dann nicht mehr möglich, da schon eine kleine Drehzahländerung die Schwingungsparameter drastisch verändert. Für das Auswuchten im Bereich der Resonanz werden spezielle, in diesem Artikel nicht behandelte Methoden eingesetzt.
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.
Bei Mechanismen, deren Betriebsdrehfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz liegt, das heißt die im überkritischen (nachresonanten) Bereich arbeiten, gelten die Stützen als beweglich, und zur Messung werden Schwingungssensoren eingesetzt, hauptsächlich Beschleunigungssensoren, die die Beschleunigung der Konstruktionselemente messen. Bei Mechanismen, die im unterkritischen Bereich arbeiten, gelten die Stützen als starr. In diesem Fall werden Kraftsensoren eingesetzt.
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.
Eine weitere Quelle der Nichtlinearität ist eine Änderung der Stützensteifigkeit bei großen Auslenkungen: Bei kleinen Auslenkungen trägt eine Gruppe von Konstruktionselementen die Last, bei großen kommen andere ins Spiel. Deshalb lassen sich Mechanismen nicht auswuchten, die nicht auf einem Fundament befestigt, sondern beispielsweise einfach auf den Boden gestellt sind. Bei erheblichen Schwingungen kann die Kraft der Unwucht den Mechanismus vom Boden abheben und dadurch die Steifigkeitseigenschaften des Systems erheblich verändern. Motorfüße müssen sicher befestigt, Schraubbefestigungen fest angezogen sein, die Unterlegscheibendicke muss eine ausreichende Montagesteifigkeit gewährleisten usw. Sind die Lager beschädigt, sind erhebliche Wellenfluchtfehler und Stöße möglich, die ebenfalls zu einer schlechten Linearität und der Unfähigkeit führen, ein qualitativ hochwertiges Auswuchten durchzuführen.
Auswuchtgeräte und Auswuchtmaschinen
Zur Erinnerung: Auswuchten ist der Vorgang, die zentrale Hauptträgheitsachse mit der Rotationsachse des Rotors in Übereinstimmung zu bringen.
Dieser Vorgang kann mit zwei Methoden durchgeführt werden.
Die erste Methode besteht darin, die Rotorzapfen so zu bearbeiten, dass die durch die Mittelpunkte der Zapfen verlaufende Achse mit der zentralen Hauptträgheitsachse des Rotors zusammenfällt. Diese Technik wird in der Praxis selten angewendet und wird in diesem Artikel nicht im Detail behandelt.
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:
- Feldauswuchtung (vor Ort) — der montierte Rotor wird in seinen eigenen Lagern, auf seinem eigenen Fundament, bei seiner eigenen Betriebsdrehzahl mit einem tragbaren Auswuchtset ausgewuchtet;
- Werkstattauswuchtung — der Rotor wird ausgebaut und auf einer speziellen Auswuchtmaschine ausgewuchtet.
Zum Auswuchten von Rotoren in ihren eigenen Lagern werden üblicherweise spezialisierte Auswuchtgeräte (Sätze) eingesetzt, die es ermöglichen, die Schwingung des ausgewuchteten Rotors bei seiner Drehfrequenz in Vektorform zu messen, das heißt sowohl die Amplitude als auch die Phase der Schwingung zu erfassen. Gegenwärtig werden die genannten Geräte auf Basis der Mikroprozessortechnik hergestellt und bieten (neben der Schwingungsmessung und -analyse) die automatische Berechnung der Parameter der Ausgleichsgewichte, die am Rotor angebracht werden müssen, um seine Unwucht zu kompensieren.
Zu diesen Geräten gehören:
- eine Mess- und Recheneinheit, die auf einem Computer oder einer industriellen Steuerung basiert;
- zwei (oder mehr) Vibrationssensoren;
- ein Phasenwinkelsensor;
- 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:
- Weichlagermaschinen (mit nachgiebigen Stützen);
- Hartlagermaschinen (mit starren Stützen).
Weichgelagerte (oberhalb der Resonanz) Maschinen haben relativ nachgiebige Stützen, zum Beispiel auf Basis von Flachfedern. Die Eigenfrequenz dieser Stützen liegt üblicherweise 2-3-mal niedriger als die Drehfrequenz des darauf montierten ausgewuchteten Rotors, sodass die Maschine oberhalb der Resonanz läuft. Zur Messung der Bewegung der Stützen dieser überkritisch laufenden Maschinen werden üblicherweise Schwingungssensoren (Beschleunigungssensoren, Schwinggeschwindigkeitssensoren usw.) eingesetzt.
Hartgelagerte (Vorresonanz) Maschinen verwenden relativ starre Stützen, deren Eigenfrequenzen der Schwingung 2-3 mal höher sein sollten als die Rotationsfrequenz des auszuwuchtenden Rotors, sodass die Maschine unterhalb der Resonanz läuft. Kraftaufnehmer werden üblicherweise verwendet, um die dynamische Last auf den Stützen der Vorresonanzmaschine zu messen.
Der Vorteil von Vorresonanz-Auswuchtmaschinen (hartgelagert) besteht darin, dass das Auswuchten auf ihnen bei relativ niedrigen Rotordrehzahlen (bis zu 400 - 500 rpm) erfolgen kann, was die Konstruktion der Maschine und ihres Fundaments erheblich vereinfacht und die Produktivität und Sicherheit des Auswuchtens erhöht.
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.
Wie oben erwähnt, ist es bei starren Rotoren im Allgemeinen notwendig und ausreichend, zwei Ausgleichsgewichte anzubringen. Dadurch werden sowohl die statische als auch die Momentkomponente der Rotorunwucht beseitigt. Das allgemeine Schema zur Messung der Schwingung während des Auswuchtens ist wie folgt.
Schwingungssensoren werden an den Lagerstützen an den Punkten 1 und 2 installiert. Am Rotor wird eine Umdrehungsmarkierung angebracht, üblicherweise mit reflektierendem Klebeband. Die Umdrehungsmarkierung wird vom Lasertachometer verwendet, um die Rotordrehzahl und die Phase des Schwingungssignals zu bestimmen.
Wie die dynamische Auswuchtung durchgeführt wird (Drei-Lauf-Methode)
In den meisten Fällen wird das dynamische Auswuchten nach der Methode der drei Starts durchgeführt. Die Methode beruht darauf, dass Probegewichte bekannter Masse nacheinander in Ebene 1 und 2 auf dem Rotor angebracht werden und die Masse und Position der Ausgleichsgewichte anhand der Änderungen der Schwingungsparameter berechnet werden.
Die Ebene, in der ein Korrekturgewicht angebracht wird, wird als Korrekturebene. Die Korrekturebenen befinden sich am Rotor selbst — typischerweise an den beiden Enden des Rotorkörpers, an den Lüfter- oder Laufradscheiben oder an speziellen Auswuchtringen. Sie sollten so weit wie möglich entlang der Welle auseinanderliegen, wie es die Konstruktion zulässt, damit ein moderates Gewicht ein ausreichendes Korrekturmoment erzeugt. Dies ist nicht dasselbe wie die Messpunkte, die sich an den Lagergehäusen befinden (siehe Abb. 6).
Beim ersten Start wird die anfängliche Schwingung gemessen (in der Balanset-Software ist dies Run 0). Anschließend wird ein Probegewicht bekannter Masse näher an einem der Lager auf den Rotor angebracht. Ein zweiter Start wird durchgeführt (Run 1), und die Schwingungsparameter werden gemessen, die sich durch das Anbringen des Probegewichts ändern sollten. Danach wird das Probegewicht aus der ersten Ebene entfernt und in der zweiten Ebene angebracht. Ein dritter Testlauf wird durchgeführt (Run 2), und die Schwingungsparameter werden gemessen. Das Probegewicht wird entfernt, und die Software berechnet automatisch die Massen und Anbringungswinkel der Ausgleichsgewichte.
Die berechneten Ausgleichsgewichte werden anschließend in ihren Ebenen angebracht, und es wird ein Kontrolllauf durchgeführt — in der Balanset-Software ist dies Run T (Trim). Die Restschwingung wird mit der Toleranz verglichen. Liegt das Ergebnis noch über dem Zielwert, verwendet die Software die bereits ermittelten Einflusskoeffizienten erneut, sodass keine neuen Probegewicht-Läufe erforderlich sind — es wird lediglich eine kleine zusätzliche Nachkorrektur berechnet und angebracht.
Der Zweck des Anbringens der Testgewichte besteht darin, zu ermitteln, wie das System auf Änderungen der Unwucht reagiert. Masse und Position der Testgewichte sind bekannt, sodass die Software die sogenannten Einflusskoeffizienten berechnen kann, die zeigen, wie sich das Einbringen einer bekannten Unwucht auf die Schwingungsparameter auswirkt. Die Einflusskoeffizienten sind Eigenschaften des mechanischen Systems selbst und hängen von der Steifigkeit der Stützen und der Masse (Trägheit) des Systems Rotor-Stütze ab.
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.
Diese Schwingung lässt sich durch Auswuchten nicht beseitigen, in diesem Fall ist eine Ausrichtung erforderlich. In der Praxis weisen solche Maschinen meist sowohl eine Rotorunwucht als auch einen Wellenfluchtungsfehler auf, was die Beseitigung der Schwingung erheblich erschwert. In solchen Fällen muss die Maschine zunächst zentriert und erst danach ausgewuchtet werden. (Bei starker Momentenunwucht tritt allerdings auch in axialer Richtung Schwingung durch "Verwindung" der Fundamentstruktur auf.)
Verwandte Artikel (Beispiele für Auswuchtständer)
Kriterien zur Beurteilung der Qualität von Auswuchtmechanismen
Die Auswuchtgüte von Rotoren (Mechanismen) kann auf zwei Arten bewertet werden. Die erste Methode besteht darin, die während des Auswuchtvorgangs ermittelte Restunwucht mit der Toleranz für die Restunwucht zu vergleichen. Diese Toleranzen für die verschiedenen Rotorklassen sind festgelegt in ISO 21940-11 (vormals ISO 1940-1).
Wie die Toleranz berechnet wird (ISO 21940-11). Die Norm legt eine Wuchtgütestufe G fest, die das Produkt aus der zulässigen spezifischen Unwucht epro und der Betriebswinkelgeschwindigkeit ω, ausgedrückt in mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], wobei n die Betriebsdrehzahl in U/min ist;
- epro = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (zahlenmäßig gleich der Schwerpunktverlagerung in µm) — äquivalent epro = 9549 · G / n;
- Upro = epro · m [g·mm], wobei m die Rotormasse in kg ist.
Berechnungsbeispiel. Rotor m = 50 kg, Betriebsdrehzahl n = 3000 U/min, Stufe G 6,3 (Ventilatoren, Pumpen, Standard-Elektromotoren): ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s; epro = 6,3 · 1000 / 314,2 = 20,1 g·mm/kg (Gegenprobe: 9549 · 6,3 / 3000 ≈ 20,1); Upro = 20,1 · 50 ≈ 1000 g·mm für den gesamten Rotor.
Aufteilung der Toleranz auf zwei Ebenen. Bei einem Rotor, dessen Massenschwerpunkt zwischen den Ausgleichsebenen liegt, wird die Gesamttoleranz umgekehrt proportional zum Abstand des Massenschwerpunkts von jeder Ebene aufgeteilt; bei einem symmetrischen Rotor ist dies einfach die Hälfte je Ebene — im obigen Beispiel etwa 500 g·mm pro Ebene. Keiner Ebene sollte mehr als 70% oder weniger als 30% von Upro.
Typische Gütestufen: G 0.4 — Kreisel, Spindeln von Präzisionsschleifmaschinen · G 1 — Schleifmaschinenspindeln, Präzisionsanker · G 2.5 — Turbinen, Turbogeneratoren, Werkzeugmaschinenantriebe · G 6.3 — allgemeiner Maschinenbau: Lüfter, Pumpenlaufräder, Schwungräder, Standard-Elektromotoren · G 16 — Gelenkwellen mit besonderen Anforderungen, Landmaschinen, Brecher · G 40 — Autoräder, Gelenkwellen (Kardanwellen) · G 100 — Kurbelwellenantriebe von schnelllaufenden Dieselmotoren.
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.
Die am weitesten verbreitete Norm für zulässige Schwingungswerte von Industriemaschinen ist ISO 20816-3 (vormals ISO 10816-3). Sie gilt für Maschinen über 15 kW mit Drehzahlen von 120–15000 U/min und klassifiziert sie in zwei Dimensionen: nach Leistungsgruppe (Gruppe 1 — über 300 kW; Gruppe 2 — 15 bis 300 kW) und nach Art der Aufstellung (starr oder nachgiebig). Jede Kombination hat ihre eigenen A/B-, B/C- und C/D-Zonengrenzen in mm/s RMS. Maschinen außerhalb dieses Anwendungsbereichs sind in eigenen Teilen der Normenreihe geregelt (Turbosätze — ISO 20816-2, hydraulische Maschinen, Kolbenmaschinen, Pumpen) oder in Produktnormen wie ISO 14694 für Industrieventilatoren.
Für allgemeine Maschinen, die an nicht rotierenden Teilen bewertet werden, gilt die klassische ISO 10816-1 Zonen (jetzt Teil von ISO 20816-1) ergeben die folgenden Grenzwerte der Schwinggeschwindigkeit, mm/s RMS:
| Klasse | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| Klasse I (kleine Maschinen, bis 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Klasse II (mittlere Maschinen, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Klasse III (große Maschinen, starres Fundament) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Klasse IV (große Maschinen, flexibles Fundament) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Zone A entspricht der Schwingung neuer Maschinen; Zone B ist für uneingeschränkten Langzeitbetrieb akzeptabel; Zone C erlaubt nur eingeschränkten Betrieb; Zone D weist auf eine Schwingung hin, die stark genug ist, um Schäden zu verursachen.
Normen und Referenzen
- ISO 21940-11:2016 — Mechanische Schwingungen — Auswuchten von Rotoren — Teil 11: Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit starrem Verhalten. (Ersetzt ISO 1940-1, die zurückgezogen wurde.) G-Grade- und Toleranzrechner →
- ISO 21940-2 — Mechanische Schwingungen — Auswuchten von Rotoren — Teil 2: Begriffe. (Definitionen von statischer Unwucht, Momentunwucht, quasistatischer und dynamischer Unwucht.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechanische Schwingungen — Messung und Bewertung der Schwingung von Maschinen — Teil 1: Allgemeine Richtlinien. (Ersetzt ISO 10816-1 und ISO 7919-1.) Bewertungszonen →
- ISO 20816-3:2022 — Mechanische Schwingungen — Messung und Bewertung der Schwingung von Maschinen — Teil 3: Industrielle Maschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 U/min und 15 000 U/min. (Ersetzt ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Industrieventilatoren — Anforderungen an Wuchtgüte und Schwingungspegel.
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?
Eine Ebene genügt bei scheibenförmigen Rotoren, bei denen die axiale Länge des Rotors klein ist im Vergleich zum Durchmesser — als Faustregel L/D < 0.5 — und die Betriebsdrehzahl deutlich unter der ersten kritischen Drehzahl liegt. Typische Beispiele: eine Schleifscheibe, ein einscheibiges Lüfterlaufrad, eine Riemenscheibe, ein Autorad. Ein solcher Rotor weist nahezu reine statische Unwucht auf.
Zwei Flugzeuge sind für langgestreckte Rotoren (L/D ≥ 0,5) erforderlich, für jeden Rotor mit zwei oder mehr entlang der Welle verteilten Laufrädern oder Scheiben sowie immer dann, wenn sich die Schwingungsphase an den beiden Lagern deutlich unterscheidet — ein Zeichen für eine Momentkomponente. Ein starrer Rotor benötigt nie mehr als zwei Ebenen.
Im Zweifelsfall messen Sie an beiden Lagern: Verringert eine Einebenen-Korrektur die Schwingung an einem Lager und erhöht sie am anderen, hat der Rotor eine Momentkomponente und benötigt eine Zwei-Ebenen-Auswuchtung.
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.
- Bei starren Rotoren ist die Zwei-Ebenen-Auswuchtung die allgemeine Lösung für die dynamische Unwucht (die Kombination aus statischer + Momentunwucht).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
