Versuch M04 - Auswuchten rotierender Wellen

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1 FACHHOCHSCHULE OSNABRÜCK Messtechnik Paktikum Vesuch M 04 Fakultät I&I Pof. D. R. Schmidt Labo fü Mechanik und Messtechnik Vesuch M04 - Auswuchten otieende Wellen 1 Zusammenfassung Lenziele Vesuche Auswetung Geäte 2 2 Theoetische Hintegund Allgemeines Die statische Unwucht Die ein dynamische Unwucht (Momentenunwucht) Die allgemeine dynamische Unwucht Vektoielle Bescheibung de Unwuchtkäfte Vogehen beim Auswuchten eines staen Rotos Beuteilung de Auswuchtgüte nach ISO 1940 Teil Bescheibung des Vesuchsaufbaus Wuchtmaschine Messtechnik 9 4 Vesuchsduchfühung Einbau des Roto Vo Vesuchsbeginn zu kontollieen: Anschluss de Messtechnik Einstellungen am Schenk-Vibopot Testläufe Auslaufvesuch vo dem Auswuchten Testläufe zum Auswuchten Resonanzschwingungen nach dem Auswuchten Auswetung 12

2 2 1 Zusammenfassung 1.1 Lenziele Kennenlenen de Betiebsmesstechnik otieende Maschinen Messung de Lageschwingungen Veanschaulichung de Phase eine Schwingung Kennenlenen de Vogehensweise beim Auswuchten von Rotoen Veanschaulichung des Resonanzvehaltens eine otieenden Welle beim Auslauf 1.2 Vesuche Auswuchten des Rotos Bestimmung de Resonanzfequenz beim Auslauf des Rotos 1.3 Auswetung Bestimmung von Amplitude und Phase de Lageschwingungen Bestimmung de Einflußfaktoen von Wuchtgewichten Estellung eines Wuchtpotokolls Dokumentation des Schwingungsvehaltens de Welle vo und nach dem Wuchten bei konstante Dehzahl und beim Auslauf 1.4 Geäte Auswuchtmaschine Dehzahlmesse (Reflektionslichtschanke) Geschwindigkeitsaufnehme Schenk-Vibopot 2 Theoetische Hintegund 2.1 Allgemeines Rotoen, insbesondee solche, die mit goßen Dehzahlen betieben weden, müssen vo de Inbetiebnahme gewuchtet weden. Bei einigen Maschinen (z.b. Kaftwekstubinen) müssen die Rotoen auch nach eine bestimmten Zahl von Betiebsstunden ode nach Repaatuabeiten neu gewuchtet weden. Hiefü sind schon bei de Konstuktion Wuchtebenen vozusehen, in denen Mateial hinzugefügt ode weggenommen weden kann. Gut gewuchtete Rotoen sind wichtig fü die Lebensdaue von Lagen und Wellen sowie fü die Schallabstahlung (Läm) und die Schwingungsübetagung auf Nachbamaschinen, Gebäudefundamente etc. Eine Unwuchtübewachung wähend des Betiebs kann auch fü eine Maschinenübewachung und Schadensfühekennung eingesetzt weden, z.b. um das Lösen, Abbechen von Teilen des Rotos zu ekennen. In den Nomen DIN 2056, ISO2372 CDA/MS/NVSH107 sind fü bestimmte Maschinen zulässige Lageschwingungen festgelegt, die neben konstuktiven Maßnahmen auch duch gutes Auswuchten zu einzuhalten sind (die Schnelle ist die Schwinggeschwindigkeit).

3 3 Tabelle 1: Schwingungsstäkestufen und Beuteilungsbeispiele nach DIN 2056 Tabelle 1 emöglicht nu eine seh gobe Beuteilung de Auswuchtgüte. Eine wesentlich diffeenzietee Bescheibung de Auswuchtgüte ist in ISO 1940 Teil 1 (s. Abschnitt 2.7) festgelegt. Entspechend ISO 1925 kann ein stae Roto gewuchtet weden, indem in zwei Ebenen (senkecht zu de Rotoachse) Massen hinzugefügt ode vemindet weden. Von einem staen Roto kann ausgegangen weden, wenn die Auswuchtgüte paktisch unabhängig ist von de Betiebsdehzahl (fü den gesamten Beeich von Null bis zu zulässigen Maximaldehzahl). Andenfalls muss de Roto als elastisch betachtet weden und es muss vesucht weden, die wähend des Betiebs angeegten Eigenschwingungen (s. Modalanalyse-Vesuch) zu minimieen. Je Eigenschwingung ist dann eine Wuchtebene vozusehen. Bei staen Rotoen lassen sich zwei unteschiedliche Typen von Unwucht untescheiden: Die statische Unwucht Die ein dynamische Unwucht ode Momentenunwucht Aus diesen beiden Komponenten setzt sich dann die allgemeine dynamische Unwucht zusammen. 2.2 Statische Unwucht Die statische Unwucht (s. Bild 1) entsteht daduch, dass de Schwepunkt des Rotos nicht auf de Dehachse liegt, sonden den Abstand e von de Dehachse hat. Die Haupttägheitsachse ist bei ein statische Unwucht (z.b. Unwucht welche veusacht wid duch das Ventil an einem Fahadeifen) paallel zu Dehachse. Es entstehen Fliehkäfte senkecht zu Dehachse. Die statische Unwucht kann mit nu einem Wuchtgewicht eliminiet weden. Es ist abe auch möglich, wie in diesem Vesuch gefodet, das Wuchtgewicht auf zwei Ebenen zu Bild 1: Statische Unwucht

4 4 veteilen. Die statische Unwucht ist eliminiet, wenn duch die zusätzlichen Gewichte (bzw. das Wegnehmen von Gewichten) de Schwepunkt des Rotos auf de Dehachse liegt (e=0). 2.3 Rein dynamische Unwucht (Momentenunwucht) Bei de ein dynamische Unwucht (s. Bild 2) liegt de Schwepunkt des Rotos zwa auf de Dehachse, die Haupttägheitsachse ist abe nicht paallel zu Dehachse. Stellt man sich einmal vo, dass de Roto in viele dünne Scheiben zeschnitten ist, dann wid de Schwepunkt de einzelnen Scheibchen nicht auf de Dehachse liegen. Diese Scheibchen haben dahe, jedes fü sich betachtet, Unwuchtkäfte. Diese Unwuchtkäfte addieen sich zwa zu Null, da sie abe auf paallelen Wikungslinien liegen, fühen sie zu eine Momentenbelastung des Rotos, die Vefomungen de Welle und Lagebelastungen veusacht. Bild 2: dynamische Unwucht Die Momentenbelastung kann duch ein Gegenmonent, d. h. duch Wuchtgewichte in zwei Ebenen ausgeglichen weden. Andes ausgedückt, duch Wuchtgewichte in zwei Wuchtebenen wid die Haupttägheitsachse des Rotos so gedeht, dass sie anschließend auf de Dehachse liegt. 2.4 Allgemeine dynamische Unwucht Teten die oben beschieben zwei Komponenten gleichzeitig F u auf, hat man eine allgemeine dynamische Unwucht zusammen. Duch Hinzufügen ode Wegnehmen (z.b. Ausbohen) von Unwuchtmassen in zwei Wuchtebenen lassen sich beide Komponenten de allgemeinen ϕ=ω t dynamische Unwucht gleichzeitig eliminieen. Ω 2.5 Vektoielle Bescheibung de Unwuchtkäfte Unwuchtkäfte bzw. -momente sind fü einen außenstehenden Betachte Käfte bzw. Momente, die mit de Winkelgeschwindigkeit des Rotos umlaufen, d.h. elativ zum Roto feststehende Käfte. Misst man die duch die Bild 3: elastisch gelagete Roto mit Unwucht Unwuchten hevogeufenen Lagekäfte z.b. in hoizontale Richtung, wid man eine sinusfömig veändeliche Kaft messen. Die Peiode de Sinusfunktion stimmt genau mit de Umlaufzeit des Rotos übeein. Relativ zum Roto hat die Unwuchtkaft F u bzw. das Unwuchtmoment einen feste Richtung und einen Betag de von de Wellendehzahl abhängt: F u 2 = m*e* ω m: Masse des Rotos bzw. Rotoscheibchens e: Exzentizität, d.h. Abstand zwischen dem Schwepunkt von m und de Dehachse ω: Winkelgeschwindigkeit des Rotos Das Maß fü die Göße eine Unwucht ist üblicheweise (s. ISO 1940) U= m e U = g mm., fü die Einheit von U gilt [ ]

5 5 2.6 Vogehen beim Auswuchten eines staen Rotos Sind de Betag de Unwuchtkaft bzw. des Unwuchtmoments und die Richtung elativ zum Roto bekannt, lassen sich die Winkellage und de Betag de in den Wuchtebenen anzubingenden Wuchtgewichte leicht beechnen. In de Regel ist es jedoch so, dass die Unwuchtkäfte nicht diekt bestimmt weden können, sonden nu indiekt übe die Messung de Lagekäfte ode de Lageschwingungen. Üblich ist die Messung de Schwinggeschwindigkeit ode de Schwingbeschleunigung an den Lagen. Auch ist die Auswikung des Anbingens von Wuchtgewichten auf die Lageschwingungen bei komplizieten Rotoen nicht ode nu mit goßem Aufwand zu beechnen. In diesen Fällen hilft man sich mit de Bestimmung sogenannte Einflußfaktoen: Jede Unwuchtmasse hat, wenn sie nicht geade in unmittelbae Nähe eines Lages wikt, einen Einfluß auf beide Lageschwingungen. zl= α z = α l1 1 * F * F u1 u1 + α + α z l bzw. l2 2 F u1 bzw. u2 * F * F u2 u2 z : Lageschwingungen (aus Kaft-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungsmessung) des linken bzw. des echten Lages F : Unwuchtkaft in de Wuchtebene 1 bzw. 2 α l1, α l2, α 1, α 2: Einflußfaktoen Wid zusätzlich zu den Schwingungsmessungen die Lage (de Dehwinkel) des Rotos gemessen, z.b. duch eine Phasenmake auf dem Roto, lassen sich die Einflußfaktoen α l1, α l2, α 1, α 2 duch dei Testläufe emitteln: Messung von zl0, z0 mit Oiginaloto (Uunwucht) Messung von zl 1, z1 mit Testmasse in de Wuchtebene 1 Messung von zl2, z2 mit Testmasse in de Wuchtebene 2 Unte welchem Winkel die Testmassen angebacht weden, ist bei de echneischen Auswetung de Messdaten beliebig, bei eine zeichneischen Auswetung sollten die Testmassen 90 vesetzt angebacht weden. Bei jedem Lauf weden die Lageschwingungen zl0, zl1, zl2, z0, z1, z2 vektoiell, d.h. mit Amplitude und Phase elativ zu Lage des Rotos bestimmt. Aus den Veändeungen, die duch die Testmassen hevogeufen wuden, lassen sich die Einflußfaktoen α l1, α l2, α 1, α 2 bestimmen. Aus den Lageschwingungen zl0, zl1, zl2, z0, z1, z2 de dei Testläufe kann mit dem Schenk- Vibopot die Winkellage und de Betag de zu setzenden Wuchtgewichte bestimmt. Diese Gewichte weden angebacht und mit einem eneuten Testlauf wid de Efolg des Auswuchtens kontolliet. Bei Bedaf können noch Koektugewichte bestimmt, mit denen das Schwingungsvehalten de Maschinen noch weite vebesset weden kann.

6 6 z l1 - z l0 z l2 z l2 - z l0 z l1 z l0 z l0 Bild 4: Lageschwingungen am linken Lage bei Testgewicht in Wuchtebene 1 Bild 5: Lageschwingungen am linken Lage bei Testgewicht in Wuchtebene 2 z 2 z 1 z 0 z 2- z0 z 1- z0 z 0 Bild 6: Lageschwingungen am echten Lage bei Testgewicht in Wuchtebene 1 Bild 7: Lageschwingungen am echten Lage bei Testgewicht in Wuchtebene Beuteilung de Auswuchtgüte nach ISO 1940 Teil 1 Im Allgemeinen daf die zulässige Unwucht umso göße sein, je schwee de Roto ist. Deshalb wid die zulässige Restunwucht U zul auf die Rotomasse m bezogen. ezul U = zul, e zul : zulässige Exzentizität des Schwepunkts m Efahungen, die bei de statistische Auswetung von Schadensfällen gewonnen wuden, zeigen, dass auch die Dehzahl eine wichtige Rolle spielt und eine Schädigung eines bestimmten Maschinentyps bei etwa gleichem Podukt aus e zul und Dehzahl eintitt. Ist e zul* ω= const, ist die Lagebelastung ungefäh gleich. Hie wid eineseits beücksichtigt, dass höhee Dehzahlen gößee Unwuchtkäfte veusachen, abe auch, dass bei gößee auch gößee Lagetagfähigkeiten haben. Dahe wid in ISO 1940 abhängig vom Maschinentyp ein Genzwet festgelegt fü (s. Tabelle 2) ezul ω= const, 2 * π * n min n min ω=, n: maximal zulässige Betiebsdehzahl in 1/min 60 s 10 s Die Beechnung de zulässigen Unwucht U zul wid nachfolgend an einem Beispiel gezeigt: Rotomasse: m=4kg,maximaldehzahl n max = / min,güteklasse G16 Güteklasse G16 => e zul* ω= 16mm s

7 min min 1 ω = 300 => 10 s s 16mm e s zul = = 0.053mm s Uzul = e zul*m= 0.053mm*4kg= kg mm Wid de Roto nun, wie in unseem Fall in zwei Ebenen gewuchtet, stellt sich die Fage, wie U zul auf die zwei Ebenen aufzuteilen ist. Das Poblem wid in ISO 1940 ausfühlich beschieben. Im Allgemeinen sollte U zul so auf die Ausgleichsebenen aufgeteilt weden, dass das Vehältnis de Restunwuchten im selben Vehältnis steht wie die zulässigen dynamischen Belastungen de Betiebslage. Die Summe de zulässigen Restunwuchten ist gleich U zul. Tabelle 2: Auswuchtgütestufen fü stae Rotoen

8 8 Ein Näheungsvefahen fü einen Roto, dessen Ausgleichsebenen sich zwischen den Lagen befinden (s. Bild 8), besagt, dass das Vehältnis de zulässigen Restunwuchten gleich dem Vehältnis des Abstands von jede Ausgleichsebene zum Schwepunkt des Rotos ist. Eine Restunwucht sollte abe nicht kleine sein als 30% von U zul. Ist de Schwepunkt in de Mitte de Ausgleichebenen ist die Restunwucht einfach gleich de Hälfte von U zul. Bild 8: Roto 3 Bescheibung des Vesuchsaufbaus 3.1 Wuchtmaschine Moto Antiebswelle Lage Roto Vibopot Winkelgebe Lichtschanke Bild 9: Wuchtmaschine De mechanische Teil de Wuchtmaschine besteht im Wesentlichen aus zwei Lageböcken, in die ein Roto beliebige Göße und mit beliebigem Wellenduchmesse (bis zu eine Maximalgöße von ca. 400mm) eingelegt und befestigt weden kann, sowie einem Antieb mit unteschiedlichen, übe

9 9 einen Schalte einstellbaen, Dehzahlen. Die Lageböcke sind in axiale und vetikale Richtung vestellba. Die Vebindung zwischen Moto und Roto efolgt übe ein kuzes Wellenstück und ein Kadangelenk, um nu Tosionsmomente und keine Biegekäfte ode Biegemomente auf den Roto zu übetagen. Die Lage de Welle kann, gemessen in Winkelgad, am Anfang des kuzen Wellenstücks abgelesen weden (s. Bild 10). Die Lage weden gehalten duch senkecht stehende Blattfeden. Daduch ist die Lageung in hoizontale Richtung seh weich, in vetikale und axiale Richtung dagegen hat. Die Hoizontalschwingungen können duch Anziehen eine Feststellschaube nahezu vollständig untebunden weden, z.b. um eine Resonanzstelle duchfahen zu können. 3.2 Messtechnik Geschwindigkeitsaufnehme Roto Lage Feststellschauben de Lage Bild 10: Lageung des Rotos und Geschwindigkeitsaufnehme

10 10 Winkelgebe Kupplung (gelenkig) Reflektionssteifen Lichtschanke Bild 11: Winkelgebe und Antiebsachse Die Messung de Lageschwingungen efolgt duch zwei Geschwindigkeitsaufnehme (s. Bild 10), die an den zwei Lagen in hoizontale Richtung angebacht sind. Die Winkellage des Rotos und die Dehzahl wid mit eine Reflektionslichtschanke gemessen, die ein impulsfömiges Signal wenn ein eflektieende Steifen den Senso passiet. De eflektieende Steifen ist de 0 de Winkelanzeige auf den Roto geklebt. Die Bestimmung von Amplitude und Phase de Lageschwingungen efolgt mit dem Schenk-Vibopot. Die fü den Auslaufvesuch benötigte Messdatenefassung und Auswetung efolgt ebenfalls mit dem Schenk-Vibopot. 3.3 Daten des Rotos De auszuwuchtende Roto es handelt sich um den Läufe eines Elektomotos hat folgende Daten: Masse : m=7kg Lage des Rotoschwepunktes: etwa in de Mitte des Rotos Maximal zulässige Betiebsdehzahl: 3000 Umdehungen/min Radius de Wuchtgewichte: G =45mm 4 Vesuchsduchfühung 4.1 Einbau des Roto Zum Einbau des Rotos sind folgende Abeitsschitte duchzufühen: De Roto wid bei geöffneten Sicheungsbügeln auf die Lage gelegt De Roto wid mit de Gelenkwelle vebunden Einstellen de Lagehöhe, so dass de Roto waageecht liegt Die Sicheungsbügel weden geschlossen Zum Hochfahen de Dehzahl weden die Blattfeden ggf. aetiet

11 Vo Vesuchsbeginn zu kontollieen: Ist Gelenkwelle spannungsfei eingebaut? Sind die Schwingbücken in ihe Mittellage? Sind die Sicheungsbügel geschlossen? WICHTIG!!!!! Das Einschalten des Motos daf nu duch das Labopesonal efolgen!!!!! 4.3 Anschluss de Messtechnik Die Geschwindigkeitsaufnehme sind an das Schenk-Vibopot anzuschließen: Lage1 an Buchse 1 Lage 2 an Buchse 2 Impulsgebe fü Phasensignal 4.4 Einstellungen am Schenk-Vibopot Die Einstellungen am Schenk-Vibopot efolgen menugesteuet. Es ist de Menupunkt Auswuchten zu wählen. 4.5 Testläufe Auslaufvesuch vo dem Auswuchten De Roto wid auf die Betiebsdehzahl (Schaltstufe 2, ca. 670 U/min) gebacht. Anschließend wid de Moto abgeschaltet und es wid die Resonanzdehzahl und die Schwingungsamplitude bei Resonanzdehzahl bestimmt. Resonanzdehzahlen ist zu finden indem man elative Maxima de Schwingungsamplitude de Lageschwingungen wähend des Auslaufvogangs sucht. Diese Schwingungsamplitude und die Resonanzdehzahl sind zu notieen Testläufe zum Auswuchten Bei allen Testläufen zum Auswuchten wid de Roto auf Betiebsdehzahl (Schaltstufe 2, ca. 670 U/min) gebacht und es weden die Schwingungen an dem linken und dem echten Lage gemessen. An dem Schenk-Meßgeät weden Amplitude und Phase de Lageschwingungen abgelesen und notiet. Die Phase ist jeweils bezogen auf die Phasenmake, d.h. den eflektieende Steifen, de bei 0 des Winkelgebes auf den Roto geklebt ist. Die abgelesenen Schwingungen alle Testläufe weden als Vektoen in je ein x-, y- Diagamm fü das linke und das echte Lage eingetagen. Es weden folgende Vesuche duchgefüht: Testlauf mit Roto im Oiginalzustand zu Bestimmung de Uunwucht Ein bekanntes Testgewicht wid in Wuchtebene 1 angebacht (de Winkel ist beliebig), dann Testlauf Das Testgewicht in Wuchtebene 1 wid entfent und es wid ein Testgewicht in Wuchtebene 2 angebacht, dann Testlauf Betag und Phasenlage de Massen de Wuchtebenen 1 und 2, mit denen de Roto auszuwuchten ist, weden mittels Vibopot bestimmt. Die Unwuchtmassen weden angebacht und es wid ein neue Testlauf duchgefüht: Testlauf mit gewuchtetem Roto und Bestimmung de vebleibenden Unwuchtschwingung Die Restunwucht U Rest = m G * G ist zu bestimmen (m G : Betag de vom Vibopot bestimmten Ausgleichs-Massen fü eine weitee Vebesseung de Wuchtgüte)

12 Resonanzschwingungen nach dem Auswuchten De Roto wid wiede auf Betiebsdehzahl gebacht und es wid de unte beschiebene Vesuch eneut duchgefüht. 4.6 Auswetung Die wähend de Ausläufe gemessenen Resonanzfequenzen sowie die zugehöigen Schwingungsamplituden sind zu dokumentieen und de Einfluß des Wuchtens ist zu eläuten. Die Lageschwingungen de vie Testläufe sind zu dokumentieen, indem sie als Vektoen in je ein x-,y-diagamm fü das linke und das echte Lage eingetagen weden. Betag und Lage de Test-Wuchtgewichte sowie de endgültigen Wuchtgewichte sind festzuhalten. De Efolg des Auswuchtens ist zu dokumentieen indem die Vektoen de Lageschwingungen beim 4. Testlauf ebenfalls in die entspechenden x-,y-diagamme eingetagen weden. Die efodeliche Auswuchtgüte ist nach ISO 1940, Teil 1 fü die Güteklasse 6.3 (Motoeinzelteile mit besondeen Anfodeungen) zu beechnen und mit dem Ist-Wet zu vegleichen (U Rest < U zul ) Die Lageschwingungen weden auch nach dem Auswuchten des Rotos nicht Null sein. Mögliche Günde hiefü sind bei de Diskussion de Egebnisse anzugeben.