Produktionstrend 2010/10, Technische Diagnoseabteilung

"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"

Es reicht nicht aus, die Probleme von Maschinen mit den unterschiedlichsten diagnostischen Methoden aufzudecken, es muss auch etwas getan werden, um sie zu beseitigen, sonst wird die Kontinuität der Produktion kaum nachhaltig sein.

Die Behebung vieler Maschinenfehler - selbst schwerwiegende - kann mit Montage verbunden sein, jedoch können zwei der häufigsten Arten von Fehlern relativ einfach behoben werden: die dynamische Auswuchtung der Rotorteile und - bei kupplungsbetriebenen Maschinen - die Ausrichtung der Achse. Die Durchführung beider Eingriffe - die zudem keinerlei zusätzliches Material oder Werkzeug erfordern - ist äußerst ratsam: Durch die Beseitigung der Überlastung der Lager kann deren Lebensdauer verlängert werden, und ein vorzeitiger Austausch wird vermieden.

Dynamische Auswuchtung

In der Welt der Rotationsmaschinen ist Unwucht der häufigste Fehler. Es ist anzumerken, dass der Unwuchtfaktor immer vorhanden ist, nur erreicht er möglicherweise nicht das Maß, um als Fehler betrachtet zu werden. Es gibt keine perfekt - "null" - ausgewuchteten Rotorteile, nur solche, die unsere Anforderungen erfüllen und den einschlägigen Normen entsprechen.

Wir sprechen von einer Unwucht, wenn die Schwerpunktlage des Rotorteils nicht mit seiner Rotationsachse übereinstimmt. Abhängig davon, wie sich diese Achsen zueinander verhalten, unterscheiden wir die folgenden Arten von Unwuchten:

• Bei statischer Unwucht sind Rotationsachse und Schwerpunktlage parallel zueinander
• Bei Paar-, Gegen- oder Momentenunwucht bilden Rotationsachse und Schwerpunktlage einen Winkel zueinander, der sich jedoch schneidet
• Bei dynamischer Unwucht weichen Rotationsachse und Schwerpunktlage voneinander ab

Zentrifugalkrafteinwirkung

Aufgrund der Tatsache, dass der Schwerpunkt (bzw. die Schwerpunktachse) und der Drehpunkt (bzw. die Drehachse) nicht zusammenfallen, tritt eine Zentrifugalkrafteinwirkung auf. Diese Belastet die Unterstützung des Rotorteils: die Lager und die Struktur. Die auftretende Zentrifugalkraft dreht sich natürlich mit derselben Frequenz um die Rotationsachse wie die Achse selbst. Die Unwucht

verursacht durch die Unwucht kann nach folgender Gleichung berechnet werden: F = m × r × ω², wobei F die Zentrifugalkraft, m die ungleichmäßige Masse, r der Abstand der ungleichmäßigen Masse vom Rotationszentrum und ω die Winkelgeschwindigkeit (Umfangsfrequenz) ist. Aufgrund dieser Gleichung ist die Zentrifugalkrafteinwirkung quadratisch von der Drehzahl abhängig, daher ist die Beseitigung der Unwucht bei Maschinen mit höheren Drehzahlen besonders wichtig. Die Zentrifugalkraft führt eine Kreisbewegung aus, sodass die auf einen bestimmten Punkt der Lager oder Struktur wirkende Kraft nicht konstant ist, sondern eine sinusförmige Pulsation aufweist: Sie erreicht einmal pro Umdrehung sowohl ihr Maximum als auch ihr Minimum.  

Gleichung: F(t) = m × r × ω² × sin(ω×t)

Um das Rotorteil an Ort und Stelle zu halten, müssen die Lager und die Struktur eine gleich große Gegenkraft aufbringen. Die dabei entstehende Bewegung - die an den Lagergehäusen messbare Schwingungsbewegung - hängt auch von der Steifigkeit der Struktur ab. Die an den Stützpunkten, Lagergehäusen (im Folgenden Lager genannt) gemessene Vibration ist daher - nur im Falle einer Unwucht - proportional zur auftretenden Zentrifugalkraft. Basierend auf dieser Erkenntnis können wir den Grad der Unwucht bestimmen und die Auswuchtung durchführen. Dies kann auf einem Auswuchtbock oder vor Ort an den eigenen Maschinenlagern erfolgen. In diesem Artikel gehen wir nicht auf die Auswuchtung auf einem Bock ein. Die Auswuchtung vor Ort kann - je nach Ausrüstung - mit der sogenannten Dreipunktmethode oder dem vektorbasierten Verfahren basierend auf Amplituden-Phasenmessungen durchgeführt werden.

Dreipunktmethode

Mit dieser Methode können Unwuchten bei scheibenförmigen Rotorteilen beseitigt werden, und dies ist das einfachste Verfahren zur Auswuchtung: Es erfordert lediglich ein manuelles Schwingungsmessgerät. Mit fünf bis sechs Starts werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Die Schritte zur Auswuchtung sind:

1) Die Maschine wird gestartet und die Radialgeschwindigkeit der Lagerverdrehung (v0) wird gemessen. 2) Die erforderliche Testgewichtsgröße (P) wird bestimmt und an einer beliebigen Stelle angebracht. 3) Die Maschine wird gestartet und die Vibrationsgeschwindigkeit (v1) wird gemessen. 4) Das Testgewicht wird um 120° von der vorherigen Position verschoben und die Lagerverdrehung wird erneut gemessen (v2). 5) Das Testgewicht wird um weitere 120° verschoben und die Lagerverdrehung erneut gemessen (v3). 6) Die gemessenen Werte von v1, v2, v3 werden in einem 120°-Koordinatensystem mit drei, in der gleichen Drehrichtung wie die Rotoreinheit nummerierten Vektoren in geeigneter Skalierung gezeichnet. 7) Der Mittelpunkt eines Kreises, der durch die Endpunkte der Vektoren verläuft (A), wird konstruiert. Durch Verbindung des Ursprungs mit den Punkten A erhalten wir die Richtung der Unwucht. Diese Richtung wird auf der Rotoreinheit markiert. 8) Das Testgewicht wird um 180° entgegengesetzt zur Unwuchtrichtung erneut angebracht, und dann wird die Vibrationsmessung durchgeführt (v4). 9) Aus den gemessenen Daten kann die Größe der Unwucht sowie die für die Auswuchtung erforderliche Masse mit folgender Beziehung berechnet werden:

Die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens erfordert, dass die in der Berechnung verwendeten Vibrationen hauptsächlich aus der Unwucht resultieren. Zur Bestimmung dessen ist jedoch das manuelle Schwingungsmessgerät nicht geeignet, da es nicht die vibrationsfrequenzbezogene Komponente misst, sondern den breitbandigen Pegel. Daher sollte für die Auswuchtung idealerweise ein Frequenzanalysator verwendet werden. Der Hauptnachteil des Verfahrens ist, dass für die Durchführung der Auswuchtung mindestens sechs Starts erforderlich sind, um die Unwucht durchzuführen. Aufgrund der Eigenschaften der Maschine ist es oft nicht möglich, eine so große Anzahl von Starts zuzulassen, und es kann vorkommen, dass dies extrem lange dauert.

Vektorbasierte (Testgewichtsbasierte) Methode

Die Grundlage des Verfahrens ist der in radialer Richtung an den zu wuchtenden Rotorteilen gemessene Vibrationsvektor, d. h. die Rotationsfrequenz-Vibrationsamplitude und deren Phase. Der Phasenwinkel beschreibt, in welcher Winkelposition sich das unausgeglichene Gewicht im Vergleich zu einem definierten Punkt (Referenzmarkierung) des Rotors befindet. Diese Winkelposition hängt von der Elastizität und Zeitkonstante der Maschine (also den mechanischen Systemeigenschaften), sowie den Phasenmessparametern des verwendeten Messsystems (Messprinzip, Anwendung von Integration oder doppelten Integration, Signalverarbeitungsverzögerung usw.) ab. All diese Faktoren sind für eine bestimmte Maschine und ein bestimmtes Messsystem konstant, können jedoch zwischen verschiedenen Maschinen und Instrumenten erheblich variieren. Zu Beginn einer neuen Auswuchtung wissen wir nicht, wo sich die zusätzliche Masse befindet, die die Unwucht verursacht. Daher müssen wir eine Veränderung im System mit einer bekannten Größe und Position des Massezentrums erzeugen, um die Reaktion und Empfindlichkeit der Maschine auf die Unwucht festzustellen.

Als Beispiel wird eine einfache Ebenenauswuchtung vorgestellt: Der nach dem Eingriff gemessene Vibrationsvektor (rot) ist die Summe des ursprünglichen R-Vibrationsvektors (schwarz) und des Wirkungsvektors des Testgewichts T (grün). Aus dem Verhältnis des ursprünglichen Vektors und des Wirkungsvektors kann die Größe der ursprünglichen Unwucht, d. h. die erforderliche Korrekturmasse, bestimmt werden:

Der Winkel zwischen dem ursprünglichen und dem Wirkungsvektor zeigt an, um wie viele Grad die Korrekturmasse im Vergleich zum Testgewicht platziert werden muss. In unserem Beispiel muss das Testgewicht nach der Messung entfernt werden (wenn es beibehalten werden soll, muss der R-Vektor anstelle des R+T-Vektors im Gleichungssystem berücksichtigt werden). Für die Einfachheit und bessere Verständlichkeit haben wir den Ablauf der einfachen Ebenenauswuchtung erläutert. Diese Methode liefert zufriedenstellende Ergebnisse bei der Auswuchtung von scheibenförmigen Rotorteilen. Bei komplexeren oder "langen" Rotorteilen ist eine Auswuchtung in zwei oder mehr Ebenen erforderlich.

Die Reaktion und Empfindlichkeit der Maschine auf die Unwucht kann beispielsweise mithilfe der sogenannten Antwortmatrix beschrieben werden. Diese Matrix enthält für jede Ausgleichsebene die Auswirkungen des unausgeglichenen Gewichts auf sich selbst und auf die anderen Ebenen. Bei einer zweiebenigen Auswuchtung könnte die Antwortmatrix wie folgt aussehen:

a11= 0,0948653 mm/s b11= 169,8548317° a21= 0,0624921 mm/s b21= 190,5289268° a22= 0,1141621 mm/s b22= 346,5672016° a12= 0,991200 mm/s b12= 282,560746°

Interpretation der Antwortmatrix

Um die Einfachheit zu wahren, gehen wir davon aus, dass unsere Maschine sich im ausgeglichenen Zustand befindet. Wenn wir eine Einheit Gewicht an einem Einheitsradius bei 0 Grad Winkel auf die erste Auswuchtungsebene montieren, dann nimmt die Schwingung mit der Rotationsfrequenz am Messpunkt der Ebene 1 mit der Größe a11 und der Phasenwinkelrichtung b11 zu, und am Messpunkt der Ebene 2 mit der Größe a21 und dem Phasenwinkel b21 (aufgrund der Kreuzkopplung). Wenn wir dieses Gewicht dann von Ebene 1 auf Ebene 2 verschieben, nimmt die Schwingung am Messpunkt der Ebene 1 mit der Rotationsfrequenz mit der Größe a12 und dem Phasenwinkel b12 zu (aufgrund der Kreuzkopplung), und am Messpunkt der Ebene 2 mit der Größe a22 und dem Phasenwinkel b22. Dies ist praktisch die Empfindlichkeit des Rotors gegenüber Unausgeglichenheit, aufgrund derer für eine erneute Auswuchtung dieser Maschine (unter der Annahme von Sensoren und Rotationsreferenzen, die in derselben Position und demselben Winkel montiert sind) keine weiteren Probegewichtsmessungen erforderlich sind. Basierend nur auf der aktuellen Schwingung (Amplitude und Phasenwinkel) kann bereits die Größe und Position der erforderlichen Ausgleichsgewichte berechnet werden. (Das Einheitsgewicht und der Einheitsradius hängen von der verwendeten Maßeinheit bei der Festlegung der Antwortmatrix ab: Wenn die Gewichte in Gramm und der Radius in mm angegeben sind, nehmen wir für die Interpretation der Antwortmatrix die Werte Einheitsgewicht = 1 Gramm und Einheitsradius = 1 mm als Grundlage.)

Zulässige Restunwucht

Da, wie bereits erwähnt, perfekt ausgewuchtete Rotorteile nicht existieren, treffen wir immer auf Restunwucht. Der zulässige Grad der Restunwucht für verschiedene Maschinentypen wird in der Norm ISO 1940 festgelegt. Diese Norm klassifiziert Maschinen nach der Umfangsgeschwindigkeit der Verschiebung des Massenschwerpunkts der Rotorteile (siehe unsere Tabelle) und definiert die Restunwucht in spezifischer Unwuchteinheit (die Verschiebung des Massenschwerpunkts im Vergleich zur Rotationsachse während des Betriebs).

 

Klassifizierung von Maschinen nach ISO 1940

Auswuchtungsgrad	Rotorteiltypen (allgemeine Beispiele)                                             (Quelle: Energopenta)
G1600	Stabile Kurbelwellenantriebe, starre montierte Zweitaktmotorenkurbelwellen, Antriebe
G630	Starre montierte große Viertaktmotorenkurbelwellenantriebe. Elastisch gelagerte Schiffsdieselmotoren
G250	Starre montierte schnelle Vierzylinder-Dieselmotorenkurbelwellen, Antriebe
G100	Stabile Kurbelwellenantriebe, schnell drehende Sechs- oder Mehrzylinder-Dieselmotorenkurbelwellen, Antriebe, komplette Motoren für Autos, Lastwagen, Diesellokomotiven
G40	Autoteile, Radnaben, Antriebswellen. Mehrzylindrige Viertaktmotoren elastisch gelagert
G16	Gelenkwellen mit speziellen Anforderungen, Brecher und Teile von Landmaschinen, Teile von PKW- und LKW-Motorenkurbelwellenantrieben, Sechs- oder Mehrzylinder-Dieselmotorenkurbelwellen unter speziellen Anforderungen
G6.3	Teile von Produktionsmaschinen: Zentrifugentrommeln, Rollen von Papiermaschinen, Lüfter, montierte Rotorteile von Flugzeug-Gasturbinen, Pumpenlaufräder, Teile von Maschinen und Werkzeugmaschinen, Rotorteile von allgemeinen Elektromotoren, individuelle Komponenten von Motoren mit speziellen Anforderungen
G2.5	Rotorteile von Strahlturbinen, Gas- und Dampfturbinen (einschließlich Schiffs-Hauptturbine), starre Turbogeneratoren, Rotorteile, Turbokompressoren, Antriebe von Werkzeugmaschinen, mittlere und große elektrische Maschinen mit speziellen Anforderungen, Rotorteile kleiner Motoren, Turbinenangetriebene Pumpen
G1	Antriebe von Tonbandgeräten und Plattenspielern, Schleifmaschinenantriebe, kleine elektrische Armaturen mit speziellen Anforderungen
G0.4	Rotorteile, Wellen und Scheiben von Präzisionsschleifmaschinen, Kreisel

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

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