Produktionstrend 2009/09, Technische Diagnoseabteilung

 "Anstatt Feuerlöschen und Großreparaturen"

Die relative Achsvibration wird in jedem Fall mit zwei, in der Regel senkrecht zueinander angeordneten - in V-Form oder horizontal und vertikal platzierten - Abstandssensoren (Wirbelstrom-Verdrängungssensoren) gemessen. Mit dieser Sensoranordnung kann sichergestellt werden, dass auch die Bewegung des Zapfens im Lager abgebildet werden kann. Es können also die sogenannte kinetische Bahnkurve oder auch Orbit, die relative Zapfenposition sowie der Formfehler und das gesamte Spektrum (Vollspektrum) angezeigt werden. Im Folgenden erläutern wir diese Grundbegriffe.

Anzeigemöglichkeiten Kinetische Bahnkurve oder Orbit Die Berechnung der kinetischen Bahnkurve (Orbit) erfolgt aus den gleichzeitig (simultan) aufgezeichneten Zeitmarken der beiden senkrecht zueinander angeordneten Abstandssensoren auf die im Diagramm detaillierte Weise.

s₁, s₂ = momentane Werte s₀₁, s₀₂ = kleinste Werte s_u1, s_u2 = größte Werte s_m1, s_m2 = maximale Werte s_pp1, s_pp2 = Schwingungsamplituden s_k = momentane Achsbewegung s_max = maximale Achsbewegung K = kinetische Bahnkurve t = Zeit Die Bahnkurve kann aus dem vollständigen, ungefilterten Zeitzeichen (Wellenform) und den gefilterten, vektoriellen Werten erstellt werden. Bei der vektoriellen Darstellung besteht die Möglichkeit, die Rotations-, doppelten Rotations- und dreifachen Rotationskomponenten separat und gleichzeitig darzustellen. Die ungefilterte und die kombinierte vektorielle Bahnkurve sollten in der Regel bereits starke Ähnlichkeiten aufweisen. Wenn dies nicht der Fall ist, sind entweder gebrochene harmonische Schwingungskomponenten vorhanden oder die untersuchte Achsoberfläche ist stark uneben.

Zapfenposition, Achsversatz Die Zapfenposition zeigt die relative Position der aktuellen (theoretischen) Drehachse des Zapfens an. Sie liefert äußerst viele diagnostische Informationen über den Anstieg der Zapfenposition und deren Änderung während des Betriebs über den Zustand der Maschine.

Formfehler (slow roll) Der slow roll ist die bei niedrigen Drehzahlen - bei Turbinen sogar im Rotationsbetrieb - gemessene Bahnkurve, die ebenfalls aus dem ungefilterten Zeitzeichen oder den gefilterten, vektoriellen Achsvibrationsdaten gebildet werden kann. Der slow roll zeigt praktisch die Unebenheiten der gemessenen Oberfläche, den geometrischen (Form-) Fehler der Achse und ermöglicht Rückschlüsse auf Achskrümmung, Achsausrichtungsfehler, Achsrisse usw. Er spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Auswertung der Betriebsachsenvibrationsdaten, da er unsere Meinung über den Zustand der Maschine erheblich beeinflussen kann, wenn die Betriebsachsenvibrationsdaten mit dem slow roll Vektor kompensiert werden. Nicht selten messen wir herausragend hohe Achsvibrationswerte bei Betriebsdrehzahlen oder stellen starke Verzerrungen in den Bahnkurven fest, was auf einen bedeutenden - möglicherweise einen Maschinenstillstand erfordernden - Fehler hinweist. Nach der Kompensation des großen geometrischen Fehlers der gemessenen Achsoberfläche (z. B. Ovalität) mit dem slow roll sinken die Achsvibrationen auf akzeptable (oder sogar gute) Werte und die starke Verzerrung der Bahnkurve verschwindet.

Zulässige relative Achsvibrationswerte

Aus der Form des Orbits können wichtige diagnostische Informationen gewonnen werden, wie z. B. Ungleichgewicht, Probleme mit der Lagerung, Berührung, radiale Vorspannung der Achse (Achsausrichtungsfehler), erhöhter Lagerluftspalt und andere Lockerungen, Achsrisse usw. Die relative Achsvibrationsmessung kann neben der Analyse und den diagnostischen Informationen auch für den Maschinenschutz von entscheidender Bedeutung sein. Der äußerste Grenzfall der Bewegung des Zapfens ist natürlich der Lagerluftspalt, die zulässige maximale relative Achsvibration muss kleiner sein als dieser. Normen legen die zulässigen Niveaus der relativen Achsvibration fest. Einige Arten von Normen bewerten die vektorielle Summe der beiden Sensorsignale, den sogenannten Smax, während andere (amerikanische) Normen das größere der beiden Signale mit den in den Diagrammen angegebenen Werten vergleichen. In diesen Normen werden Kategorien wie "gut", "angemessen", "Verbesserung erforderlich" und "nicht akzeptabel" unterschieden, aber je nach Maschinentyp und Leistung werden die zulässigen Niveaus separat festgelegt. Natürlich variiert der normale Wert je nach Drehzahl.

 

Wie bereits erwähnt, legen die zulässigen Achsvibrationen - ähnlich der effektiven Vibrationsgeschwindigkeit - die Standards für die jeweiligen Maschinentypen fest. Zum Beispiel gibt es für die zulässigen Achsvibrationen von Dampfturbinen folgende Kategorien: "A" kann kontinuierlich ohne Einschränkungen betrieben werden, "B" akzeptable Vibrationen, Reparaturen sind vorerst nicht erforderlich, "C" kontinuierlicher Betrieb wird nicht empfohlen, es sollte auf die Reparatur der Maschine vorbereitet werden.

Fehler, die durch Achsvibrationsmessung nachgewiesen werden können

Ungleichgewicht Jedes Ungleichgewicht führt zu einer Zunahme der inneren Kräfte (der Zentrifugalkraft, die versucht, den rotierenden Teil zu verschieben). Je größer die Kraft ist, die den rotierenden Teil aus seiner Rotationsachse zu verschieben versucht, desto größer wird die Bahnkurve im Gleitlagerzentrum (mit Rotationsfrequenz). Daher erhalten wir bei größerem Ungleichgewicht eine größere - normalerweise "schöne" runde - Bahn. Wenn es möglich ist, auch Vibrationen bei variabler Drehzahl zu messen und Referenzdaten zum Zustand der Maschine vorliegen, können wir auch durch Vergleich der Anstiege (oder Abfälle) auf das Vorhandensein von Ungleichgewicht schließen.

Wellenverbiegung Bei einer geraden Welle erhalten wir während des Betriebs eine große und runde Bahnkurve wie beim Ungleichgewicht, daher gibt es keinen wesentlichen Unterschied. Wenn jedoch Stillstands- oder Anstiegstests möglich sind, werden bei einer Wellenverbiegung auch bei niedrigen Drehzahlen hohe Wellenvibrationen (eigentlich Formfehler) gemessen.

Einzelfehler Bei einem Einzelfehler ist die Welle im Lager vorgespannt, daher weicht sowohl die relative Wellenbolzenposition während des Anstiegs als auch die Betriebsbahn der Wellenbolzen von der Norm ab. Während des Anstiegs bewegt sich der Wellenbolzen in eine oder beide Richtungen zu wenig oder zu viel. Normalerweise beträgt der vertikale Anstieg etwa 30-40 Prozent des Lagerlufts. Während des Betriebs treten auch starke Verzerrungen in der entstandenen Bahnkurve auf. (Bitte beachten Sie, dass zur genauen Bewertung der Verzerrungen die Betriebsmessungen mit dem Formfehler - dem Slow-Roll-Vektor - kompensiert werden müssen.) Wenn Referenzdaten vorliegen (wie groß der tatsächliche Formfehler der Welle ist), können wir aus den numerischen Werten genau bestimmen, wie groß die erforderliche Korrektur sein sollte.

Resonanz Die Suche nach Resonanz muss genauso durchgeführt werden wie bei der "traditionellen" (auf Lagern basierenden) Schwingungsmessung, wie im Abschnitt über Resonanz in der Schwingungsmessung besprochen. Beim Durchlaufen der Resonanz tritt eine stark erhöhte Amplitudenänderung mit fast 180° Phasenverschiebung auf.

Abrieb Die Berührung zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil kann punktuell oder kreisförmig sein. Bei punktueller Berührung wird der rotierende Teil durch den beim Kontakt zwischen dem stationären und rotierenden Teil entstehenden Schlag von seiner normalen Bahn abgelenkt, dann folgt ein weiterer Kontakt, aber an anderer Stelle, und so weiter. Die Folge davon ist eine so große Wellenvibration, dass sie den verfügbaren Raum (das Lagerluftspiel) ausfüllt und eine verworrene Bahnkurve ergibt. Bei kreisförmiger Berührung schleift ein Punkt des rotierenden Teils aufgrund eines Ungleichgewichts am stationären Teil entlang. Durch das Schleifen beginnt sich die Welle zu erwärmen, wodurch sie sich verbiegt. Die verbogene Welle ändert ihren Gleichgewichtszustand, ein anderer Punkt wird den stationären Teil berühren, wodurch er an einer anderen Stelle erhitzt und verbogen wird. Aufgrund dieses Prozesses ändert sich der Endpunkt des gemessenen Wellenvibrationsvektors während des Betriebs kontinuierlich in Abhängigkeit von der Zeit und kann im Polarkoordinatensystem sogar eine vollständige Umrundung durchführen.

Maschinenfundamentfehler Wenn bei der Betrachtung von Messdaten, die mit dem slow roll Vektor der Drehfrequenz kompensiert sind, sowohl die Resonanzfrequenz als auch die maximale Resonanzamplitude variieren, kann dies hauptsächlich auf eine Schwächung des Maschinenfundaments, Lockerung der Aufhängung oder möglicherweise - zusammen mit anderen Anzeichen - auf einen Wellenriss hindeuten. Im Allgemeinen verläuft der Start und das Stoppen von Maschinen nicht vollständig identisch, aber es ist unbedingt ratsam, den Start mit dem Start und das Stoppen mit dem Stoppen zu vergleichen. Wenn es keine strukturellen oder inneren Kraftänderungen innerhalb der Rotationsmaschine gibt, muss sich das dynamische Schwingungsverhalten (wie die Werte der Resonanzfrequenzen und Dämpfungen) in Abhängigkeit von der Drehzahl gleich verhalten. Veränderungen im dynamischen Verhalten können am empfindlichsten und genauesten durch die Wellenschwingungsmessung verfolgt werden, und diese Daten können über Bode- und Polardiagramme nachverfolgt werden. Ölstrudel Zur Erkennung von Ölfilmfehlern ist die Wellenschwingungsmessung die geeignetste Methode. Während des Ein- und Auslaufs der Welle sowie aus der während des Betriebs gemessenen Bewegung kann der Fehler und seine Natur eindeutig herausgefiltert werden.

Die zusätzlichen Kosten amortisieren sich

In der heimischen Schwingungsdiagnosepraxis hat sich die relative Wellenschwingungsmessung noch nicht wirklich durchgesetzt, wir sind noch weit von ihrer allgemeinen Anwendung entfernt. Die Gründe sind ziemlich offensichtlich: Einerseits ist der minimale Instrumentenbedarf für die Wellenschwingungsmessung erheblich höher (mindestens ein simultanes Zweikanal-, besser aber 8-16-Kanal-Instrument erforderlich), andererseits ist die Durchführung der Messung nicht so einfach. Es reicht nicht aus, die Sensoren am Lagergehäuse zu befestigen, sondern es müssen Halterungen hergestellt und angebracht werden, die für die Befestigung der Sensoren geeignet sind, und der relativ kleine Abstand zwischen Welle und Sensor muss präzise eingestellt werden. Diese zusätzliche Arbeit lohnt sich jedoch in vielen Fällen, da durch die Messung Informationen gewonnen werden können, die auf andere Weise nicht erhältlich sind. Typische Anwendungsbereiche sind beispielsweise große Rotationsmaschinen mit Gleitlagern (Dampf- und Gasturbinen, Pumpen). Bei schnell laufenden Maschinen ergänzt die Wellenschwingungsmessung die Lagerungsvibrationen gut, da interne Kraftänderungen im rotierenden Teil bei elastischer Welle und steifer Lagerung nur geringfügig an den Lagern sichtbar sind.

András Szűcs, Eric Rahne (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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