Spektrumanalyse von Maschinenpressen - Unwucht, verbogene Welle, Achsfehler

Der Prozess der Spektralanalyse

Zur Verständnis der Schwingungsspektren muss davon ausgegangen werden, dass jeder Frequenzgipfel bzw. die Kombinationen von Frequenzgipfeln die entsprechende - mechanisch erklärbar - alternierende Kraft im Gerät ausübt. Wenn wir eine mechanische Erklärung für die Gipfel finden, sind wir auch sehr nahe an den erforderlichen Korrekturen. Das Frequenzspektrum kann beispielsweise die folgende Form annehmen, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Abbildung: Typisches Frequenzspektrum [Quelle: PIM]

Jedes Spektrum enthält zahlreiche Frequenzgipfel, was zunächst kompliziert erscheinen kann. Durch systematische Auswertung wird jedoch das Bild schnell "klarer". Zur Klärung der Natur der Vibration und ihrer Ursache beginnen wir normalerweise mit der Analyse des Gipfels mit der größten Amplitude im Spektrum oder mit der Analyse der dominanten Gipfelgruppe (harmonische Frequenzgipfel). Es ist hilfreich, die typischen Vibrationsmuster häufiger Maschinenfehler zu kennen, da diese mit dem realen Spektrum verglichen werden müssen. Im Folgenden werden die häufigsten Erscheinungsformen von Maschinenfehlern im Spektrum betrachtet.

Unwucht

Von Unwucht spricht man, wenn der Schwerpunkt der Welle oder des rotierenden Teils nicht mit dem Rotationsmittelpunkt zusammenfällt und daher eine rotierende Fliehkraft entsteht.

Abbildung: Entstehung der Fliehkraft durch Unwucht [Quelle: DDC]

Die Fliehkraft kann nach folgender Gleichung berechnet werden: F = m * r * ω², wobei F … die Fliehkraft m … die unausgeglichene Masse r … der Abstand der unausgeglichenen Masse vom Rotationsmittelpunkt ω … die Rotationsgeschwindigkeit (Umfangsfrequenz) Diese Kraft zirkuliert naturgemäß mit derselben Frequenz um die Rotationsachse, wie die Welle rotiert, sodass die auf ein Lager oder eine Strukturkomponente wirkende Kraft nicht konstant, sondern sinusförmig ist: Sie erreicht einmal pro Umdrehung sowohl ihr Maximum als auch ihr Minimum. Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden: F(t) = m * r * ω² * sin(ω*t) Um die Welle an Ort und Stelle zu halten, müssen Lager und Strukturkomponenten eine gleich große Gegenkraft ausüben. Die dabei auftretende alternierende Bewegung - letztendlich die von außen messbare Vibration - hängt auch von der Steifigkeit der Struktur ab. Aus den Gleichungen ist ersichtlich, dass die Wirkung der Fliehkraft mit dem Quadrat der Drehzahl zunimmt, daher ist die Beseitigung der Unwucht bei höherdrehenden Maschinen besonders wichtig. Allgemein kann Folgendes über die durch Unwucht verursachte Vibration gesagt werden:

• Die Frequenz der Vibration entspricht der Rotationsfrequenz und hängt daher nur von der Drehzahl ab.
• Die Amplitude der Vibration hängt ab
  • von der Größe der unausgeglichenen Masse,
  • vom Abstand der unausgeglichenen Masse zum Rotationsmittelpunkt,
  • vom quadratischen Wert der Rotationsfrequenz und
  • von der Steifigkeit der Maschinenstruktur.

Der Phasenwinkel der Vibration beschreibt, in welcher Winkelposition sich die unausgeglichene Masse relativ zu einem am rotierenden Teil definierten Punkt befindet. Dieser Wert ändert sich weder während einer Umdrehung (Wellenrotation) noch mit der Änderung der Drehzahl.

Die Unwucht kann am besten durch Messung der Schwingungsgeschwindigkeit und der Auslenkung gemessen werden. Wenn in einem Spektrum dominierende radiale Vibrationen mit hoher, konstanter Amplitude und charakterisiert durch die Rotationsfrequenz vorherrschen und mit zunehmender Drehzahl ansteigen, jedoch keine signifikanten axialen oder Vielfachen von radialen Vibrationen gefunden werden, besteht höchstwahrscheinlich eine Unwucht (siehe Abbildung unten). Es muss nur noch überprüft werden, ob bei geringfügigen Änderungen der Drehzahl eine signifikante Zunahme oder Abnahme der Amplitude festgestellt wird, da dies auf Resonanz hinweisen kann.

Abbildung: Messbares radiales Vibrationsspektrum bei Unwucht [Quelle: DDC]

Verbogene Welle

Gebogene Achsen oder rotierende Teile sind am häufigsten in langen rotierenden Maschinen zu finden, wie z.B. Turbinen, Papiermaschinenwalzen und Dekantern. Die Ursache für die Biegung kann unsachgemäßer Transport, thermische Spannungen aufgrund zu schneller Abkühlung, Montagefehler oder langfristiger Stillstand der Maschine (ohne gelegentliches Drehen der rotierenden Teile) oder ein sich entwickelnder Riss in einem rotierenden Teil oder der Welle sein. Bei der Messung tritt die Biegung aufgrund der einseitigen Gewichtsverlagerung genauso auf wie die Unwucht. Daher gibt es einen herausragenden radialen Schwingungsgipfel bei der Rotationsfrequenz. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Biegung des rotierenden Teils die Lager zu einer axialen Bewegung zwingt, und zwar in entgegengesetzter Richtung zur Welle. Dies kann durch Messung des Phasenwinkels der Schwingungskomponente bei der Rotationsfrequenz festgestellt werden.

Abbildung: Kräfte bei einer gebogenen Welle [Quelle: PIM]

Die Messung der Schwinggeschwindigkeit eignet sich am besten zur Lokalisierung einer gebogenen Welle oder eines rotierenden Teils, ergänzt durch die Messung des Phasenwinkels der Schwingungskomponente bei der Rotationsfrequenz. Wenn im Spektrum hauptsächlich konstant hohe Amplituden von radialen Schwingungen bei der Rotationsfrequenz vorherrschen, die mit zunehmender Drehzahl ansteigen, und konstant hohe Amplituden von axialen Schwingungen bei der Rotationsfrequenz auftreten, jedoch keine Vielfachen der Rotationsfrequenzschwingungen vorhanden sind, ist höchstwahrscheinlich eine gebogene Welle vorhanden (siehe Abbildung unten). Der etwa 180°-ige Unterschied in der Phasenverschiebung der axialen Schwingungen bei der Rotationsfrequenz an den beiden Wellenenden belegt eindeutig das Vorhandensein einer gebogenen Welle. Es muss auch überprüft werden, ob es keine signifikante Amplitudenänderung bei geringfügigen Drehzahländerungen gibt, da dies ebenfalls auf Resonanz hinweisen kann.

Abbildung: Messbares axiales Schwingungsspektrum bei einer gebogenen Welle [Quelle: PIM]

Achsausrichtungs- und Kupplungsfehler

Achsausrichtungsfehler treten bei verbundenen Maschineneinheiten auf, wenn die Achsenenden zueinander schräg stehen oder ihre seitliche oder Höhenposition nicht übereinstimmt (siehe nächste Abbildung). Die Ursachen für Achsausrichtungsfehler können unsachgemäße Montage oder Einstellung, thermische Bewegung (ungleichmäßige Wärmeausdehnung) oder Spannung, oder eine Änderung der Position des Maschinenfundaments oder der Befestigung (Absacken, Verformung) sein. Achsausrichtungsfehler oder Formfehler der Achskupplung verursachen eine Biegebeanspruchung der Welle. An einem Punkt der Welle wirken also zu einem bestimmten Zeitpunkt axiale Kräfte, die die Welle strecken, während später am selben Punkt Druckkräfte auftreten.

Abbildung: Unterscheidung zwischen zwei grundlegenden Achsausrichtungsfehlern [Quelle: VMI]

Obwohl grundsätzlich zwei Arten von Ausrichtungsfehlern unterschieden werden können (Winkel- und Positionsfehler, wenn die Achsen parallel sind, aber räumlich versetzt sind), treten in der Praxis meistens Kombinationen beider auf. Beide Fehlergruppen zeigen sich im Schwingungsspektrum ähnlich: hauptsächlich durch radiale, doppelte (oder dreifache) Rotationsfrequenzschwingungen, aber auch durch gleichzeitig auftretende axiale Schwingungen bei der Rotationsfrequenz, die Probleme um die Achskupplung charakterisieren. Wenn die Vibration bei der doppelten Rotationsfrequenz größer ist als bei der Rotationsfrequenz selbst, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein Ausrichtungsfehler oder ein Formfehler der Achskupplung vorliegt. Darüber hinaus können höherfrequente (dreifache, vierfache, fünffache oder mehrfache im Vergleich zur Rotationsfrequenz) Schwingungen auftreten. Die Messung der Schwinggeschwindigkeit eignet sich am besten zur Lokalisierung von Ausrichtungsfehlern und Formfehlern der Achskupplung, ergänzt durch die Messung des Phasenwinkels der Rotationsfrequenzschwingung an beiden Seiten der Achskupplung. Wenn im Spektrum hauptsächlich hohe Amplituden von radialen und axialen Schwingungen bei der doppelten und dreifachen Rotationsfrequenz vorherrschen, ist höchstwahrscheinlich ein Einachsigkeitsfehler vorhanden (siehe Abbildung unten). Der etwa 180°-ige Unterschied in der Phasenverschiebung der axialen Schwingungen bei der Rotationsfrequenz an den beiden Enden der Achskupplung belegt eindeutig das Vorhandensein von Ausrichtungsfehlern und Formfehlern der Achskupplung.

Die meisten Winkelabweichungen verursachen rotationsfrequenzabhängige axiale Vibrationen, während bei Positionsfehlern und Formfehlern der Wellenkupplung hauptsächlich Vibrationen mit doppelten und dreifachen (manchmal vierfachen) Rotationsfrequenzen auftreten. Weniger eindeutig ist die Situation jedoch, wenn geringe Amplituden, 4-10-fache oder sogar noch höhere Vielfache von Rotationsfrequenzen in radialen und axialen Vibrationen vorhanden sind, sowie wenn wir ein rauschiges und impulsartiges Zeitsignal messen, da diese Phänomene auch auf lockere Maschinenelemente hinweisen können.

Abbildung: Typisches Frequenzspektrum bei Wellenausrichtungsfehler und Formfehler der Wellenkupplung [Quelle: DDC]

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

Kontakt

Der Inhalt dieser Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (auch teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit vorheriger schriftlicher Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts führt zu rechtlichen Konsequenzen.