Dynamisches Wuchten Allgemeine Grundlagen

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1 Dynamisches Wuchten Allgemeine Grundlagen TBE Anlagendiagnostik GmbH., 2013

2 Berechnung der Unwucht U U = M x e U = m x r [gmm] [gmm] Schwerpunkt Unwuchtrmasse (m) [g] Abstand (r) der Masse m zur Drehachse [mm] Drehachse Rotormasse M [g] Abstand (e) von der Achse [mm] Bild 1) Das Produkt M x e bezeichnet man als Unwucht U. Die der Unwucht U proportional, umlaufende Fliehkraft F [F=U*ω²] wirkt auf die Lager. Das folgende Bild zeigt schematisch die dadurch bewirkte Verformung eines Lagerbockes. Der Lagermittelpunkt wird pro Umdrehung einmal nach links und einmal nach rechts um den Weg A ausgelenkt. Es entsteht eine Lagerschwingung mit der Schwingweg-Amplitude A. Bild 2) TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 2

3 Auswirkungen von hohen Schwingungen Unabhängig von der Quelle führen hohe Schwingungen zur erhöhten Belastung der Maschine und deren Anbauteilen. Dass dies nicht proportional geschieht, zeigt die nachfolgende Graphik. Gleitlager: Der graue Balken zeigt den Lebensdauereinfluss auf Gleit- und der rote Balken auf Wälzlager. Schon eine Verdoppelung der Kraft führt zu einer deutlichen Reduktion der theoretischen Lebensdauer (ca. -90%!). Die logische Konsequenz aus diesem Verhalten ist, dass wir nach einem möglichst ruhigen Maschinenlauf trachten. Ursachen, welche zu einem hohen Schwingniveau führen, sind möglichst rasch und nachhaltig zu eliminieren. Deshalb ist das Wissen über das Schwingverhalten und dessen Ursachen einer Maschine so entscheidend. Bild 3) Lagerschaden (Innenring) aufgrund lokaler Last TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 3

4 Auswuchten starrer Rotoren Starre Rotoren werden bei kleinen Drehzahlen (niedertourig) in dementsprechenden Auswuchtmaschinen ausgewuchtet. Die Maschine enthält spezielle Lager mit Einrichtungen zur Messung der Lagerkräfte (kraftmessende Auswuchtmaschinen) oder zur Messung der Lagerbewegungen (wegmessende Auswuchtmaschinen). Die Messrichtung an den Lagern kann horizontal oder vertikal sein. Aus den Messwerten und einigen Abmessungen des Rotors (im Bild 32) lassen sich für beide Ausgleichsebenen (1 und 2) die erforderlichen Ausgleichsmassen und deren Winkelposition errechnen. Vielfach verfügen die Auswuchtmaschinen über ein Rechenwerk, welches diese Berechnung automatisch ausführt. Niedertourige Auswuchtmaschinen zum Auswuchten starrer Rotoren sind bei vielen Rotorherstellern und Rotorservice-Einrichtungen vorhanden. Die Kosten für das Auswuchten eines Rotors sind nicht sehr hoch. Beim Betriebswuchten gilt eine ähnliche Vorgangsweise. Anstatt spezieller Auflager werden jedoch die vorhandenen Lagerungen verwendet. Dementsprechende Unterschiede bei der Messdatenerfassung können auftreten. Jede Situation ist neu zu bewerten. Bild 4) TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 4

5 Auswuchten mittels Einflusskoeffizienten Der Ausgangszustand ist zu ermitteln. 1. Einflusskoeffizienten ermitteln: Dazu wird eine Testmasse in die Ausgleichsebene 1 eingebaut und die Wirkung auf die Amplituden in der 1. biegekritischen und in der 2. biegekritischen Drehzahl ermittelt. Danach wird die Testmasse in die Ausgleichsebene 2 eingebaut und deren Wirkung auf die Amplituden in der 1. biegekritischen und der 2. biegekritischen Drehzahl ermittelt. Entsprechend verfährt man mit den Ausgleichsebenen 3 und 4. Das Ergebnis lässt sich in Form von Einflusskoeffizienten darstellen. 2. Ausgleichsmassen ermitteln und einbauen. Aus den Einflusskoeffizienten lässt sich ein Satz von Ausgleichsmassen berechnen, die die Amplituden in beiden kritischen Drehzahlen minimieren. Nach Einbau dieser Massen erfolgt die Kontrollfahrt. Das Ergebnis unterscheidet sich wenig von jenem des Auswuchtverfahrens nach Biegeformen (im Bode-Diagramm die untere blaue Kurve / Bild 34). Die praktische Anwendung des Auswuchtens mittels Einflusskoeffizienten erfordert den Einsatz eines Computers mit entsprechender Software. Wenn es gelingt, mit allen Einzelmassen den ganzen Drehzahlbereich zu durchfahren, kann das Wuchtgerät am Ende Korrekturgewichte für alle Ausgleichsebenen berechnen. Gerade dies ist jedoch in der Praxis meist nicht realisierbar. Diesen Anforderung entspricht das optionale Wuchtprogramm von CSI, welches in der Analysesoftware MHM integriert ist. TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 5

6 Auswuchtgüte Eingangs wurde als Auswuchtziel eine Begrenzung der Unwuchtauswirkung (Lagerkräfte, Lagerschwingungen, Wellenverformungen) auf akzeptable Werte angegeben. Der Rotor muss diese akzeptablen Werte nach Montage in die Maschine, deren Bestandteil er ist, unter Betriebsbedingungen einhalten. Folgendes muss man dabei beachten: Die Unwuchtwirkung im Maschinenbetrieb unterscheidet sich von jenen in der Auswuchteinrichtung. Ursachen hierfür sind: Die Biegeformen im gekuppelten Wellenstrang unterscheiden sich von jenem des Einzelrotors Die Lagersteifigkeiten in der Maschine unterscheiden sich von jenen der Auswuchteinrichtung Den Unwuchtwirkungen sind in der Maschine weitere Schwingungseinflüsse überlagert: Schwingungen infolge Ausrichtungenauigkeiten des Wellenstranges Schwingungen infolge Lager- und Fundamentresonanzen Die in der Auswuchteinrichtung akzeptierte Unwuchtwirkung muss folglich so klein sein, dass auch bei Überlagerung der genannten Effekte in der Maschine ein akzeptables Schwingungsniveau gewährleistet ist. Dem entsprechend werden für die Restwirkung der Rotorunwucht zulässige Kennwerte vorgegeben. Die Vorgabe erfolgt in der Regel durch den Hersteller. Sind Herstellerangaben nicht verfügbar, liefern nationale und internationale Standards Empfehlungen ( DIN ISO 10816, ISO 1940) Auswuchtgüte des starren Rotors U zul = M x e zul = M x v zul / [gmm] U - Unwucht M - Rotormasse v - Bahngeschwindigkeit des Schwerpunktes - Winkelgeschwindigkeit des Rotors (bei Betriebsdrehzahl) Der Wert von vzul wird als Güte G bezeichnet. G=2,5 bedeutet also vzul=2,5 mm/s. TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 6

7 Vorbereitung / Einflüsse Vorbereitung für das Auswuchten Aggregat gegen Fremdinbetriebnahme sichern! Läufer mechanisch reinigen Lagerzustand prüfen (messtechnisch / herkömmlich) Konsole kontrollieren (Verschraubungen, Schweißnähte, etc.) Rotor und Welle müssen fest miteinander verbunden sein Testgewicht vorbereiten Gradeinteilung für die Bezugskoordinaten anbringen Drehrichtung bestimmen Sensoren befestigen Triggermarkierung anbringen Positionen der Korrekturgewichte festlegen Größe der Unwucht messtechnisch feststellen (Referenzlauf) Prüfen der Wuchtbarkeit (schwingungstechnisch) Die Hauptenergie muss von einer Unwucht herrühren (Schwingungsanalyse) siehe Diagnose Erfassen der Schwingungen in vertikaler, Horizontaler und axialer Richtung. Stellen Sie sicher, dass die Hauptenergie bei 1xn und in radialer Richtung liegt. Das Zeitsignal ist sinusförmig Das Amplitudenverhältnis VERTIKAL/HORIZONTAL sollte ähnlich sein Die AXIALEN Schwingungen sollten vergleichsweise gering sein Einflüsse auf das Schwingverhalten Schlechte Toleranzen und Maschinenpassungen Exzentrische Teile Unkorrekte Montage Unregelmäßigkeiten im Guss Feuchtigkeit und Korrosion Thermische oder mechanische Verspannungen Fremdeinflüsse (Riemenantrieb, nahe Maschinen, Strömungen ) Beschädigte Struktur (verbogen, Risse etc.) Lose Teile TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 7

8 Probleme beim Betriebswuchten Unwucht ist nicht der Grund für die Vibration Starten und Stoppen der Maschine De- & Montage der Ausgleichgewichte Das System ist nicht linear Messfehler /vertauschen der Sensoren Lose Teile,. Checkliste Vibrationsmessung Phasenbestimmung Resonanzüberprüfung Sichtkontrolle auf Risse Rundlaufkontrolle (Riemenscheibe / Welle) Befestigung kontrollieren Rotor reinigen Maschinenfundament / Dämpfer kontrollieren Bei Verdacht auf Resonanz Durchführen einer Hoch-Auslaufkurve (Phasen-/Amplitudenverlauf) Durchführen einer Modalanalyse Die Drehzahl sollte mindestens 30% von der Resonanzfrequenz entfernt liegen Visuelle Inspektion überprüfen Sie: Verbindungen auf lose Schrauben Schrauben auf Risse oder Bruch Flügel auf Risse, Verschmutzungen Rotorbefestigung / -sitz Prozessablagerungen Fundament. Vor allem die Bereiche der Lagerböcke. Kupplungszustand. TBE Anlagendiagnostik GmbH., Seite 8