Regeln des dynamischen Gleichgewichts

Er vertritt

Rotierende Komponenten wie Rotoren, Lüfter, Laufräder, Kurbelwellen und Turbinen spielen eine entscheidende Rolle für den Betrieb von Maschinen in verschiedenen Branchen. Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung dieser Komponenten ist die Massenunwucht, die Vibrationen, Lärm und Schäden an mechanischen Komponenten verursachen kann.

Das dynamische Auswuchten ist eines der wichtigsten Verfahren zur Reduzierung oder Beseitigung dieser Unwuchten. Dieser Prozess wird gemäß internationalen Standards durchgeführt, um einen vibrationsarmen Betrieb der Geräte zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern. Dieser Artikel beschreibt das Konzept des dynamischen Auswuchtens, relevante internationale Standards, Betriebsmethoden, Berechnungsmethoden, Vorteile, Einschränkungen und industrielle Anwendungen.

Teil Eins: Die Grundlagen

Was ist los?

Eine Unwucht entsteht, wenn die Masse ungleichmäßig um die Rotationsachse verteilt ist und der Schwerpunkt von der Rotationsachse abweicht. Dadurch entstehen während der Rotation Zentrifugalkräfte. Diese Kräfte werden auf die Lager und den Rumpf übertragen und verursachen Vibrationen, erhöhten Lärm, Materialspannungen und letztendlich Komponentenversagen .

Art des Defekts

Statisches Ungleichgewicht:
In diesem Fall liegt der Schwerpunkt des Objekts senkrecht zur Rotationsachse, weit entfernt von deren Mittelpunkt. Selbst im Ruhezustand neigt das Objekt dazu, zusammen mit seinen schwereren Teilen nach unten zu sinken.
Drehmomentungleichgewicht:
Ein Drehmomentungleichgewicht tritt auf, wenn sich zwei identische Massen in unterschiedlichen Ebenen, aber in entgegengesetzter Richtung zur Rotationsachse befinden. In diesem Fall liegt der Schwerpunkt der Gruppe auf der Rotationsachse, es tritt jedoch ein Zentrifugalmoment auf.

Um ein perfektes Gleichgewicht zu erreichen, müssen beide Ungleichgewichte beseitigt werden, was als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet wird .

Der Unterschied zwischen statischem Gleichgewicht und dynamischem Gleichgewicht

Ein statisches Gegengewicht richtet den Schwerpunkt einfach auf die Rotationsachse aus und eignet sich für Komponenten mit niedriger Geschwindigkeit.
Neben der Beseitigung statischer Unwuchten kann durch dynamisches Auswuchten auch das durch Gelenke erzeugte Drehmoment eliminiert werden, was für Hochgeschwindigkeitskomponenten von entscheidender Bedeutung ist.

In Hochgeschwindigkeitsindustrien wie der Herstellung von Turbinen, Industrieventilatoren, Generatoren und Elektromotoren kann nur dynamisches Auswuchten die Vibration auf ein akzeptables Maß reduzieren.

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Teil Zwei: Dynamische Balance-Kriterien

Um die Qualität und Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen den Sektoren sicherzustellen, wurden internationale Standards entwickelt. Die wichtigsten davon sind ISO 1940 und seine aktualisierte Version ISO 21940 .

ISO 1940/ISO 21940-Normen

Diese Norm legt Anforderungen und zulässige Unwuchtgrade für Gussrotoren fest. Teil 1 definiert die Qualität des Auswuchtens anhand einer Kennzahl, die als Auswuchtklasse (Klasse G) bezeichnet wird.

Je niedriger der G-Wert, desto genauer die Waage und desto kleiner der zulässige Fehler.

Die allgemeine Formel zur Berechnung des akzeptablen Fehlers lautet wie folgt:

$mnU_{\text{by}} = \frac{9,54 \times G \times m}{n}$

Wo:

$UperU_{\text{per}}$ Zulässige Unwucht (g-mm)
$G$ : Balance
$m$ : Rotormasse (kg)
$n$ : Drehzahl (U/min)

In diesem Fall ist der spezifische Defektgrad gleich:

$eper=Uperme_{\text{per}} = \frac{U_{\text{per}}}{m}$

Allgemeine G-Werte branchenübergreifend

Gerätetyp	Gleichgewichtsgrad (G)
Autoräder und Lüfter	Ab 6.3
mittelgroße Elektromotoren	G2.5
Gasturbinen und Generatoren	G 1,0 bis G 0,4
Allgemeine Industrieausrüstung	G 6.3 – G 16

ISO-Normen definieren auch Messmethoden, Fehlerbehebung und akzeptable Toleranzen.

Weitere relevante Regeln

ISO 10816: Norm zur Messung der Schwingungen rotierender Maschinen
API 617 und API 610: Ausgleichsanforderungen für Industriekompressoren und -pumpen
VDI 2060: Deutsche Qualitätsnorm für Waagen

Teil Drei: Schritte zur Implementierung der dynamischen Budgetierung

Der dynamische Auswuchtprozess wird üblicherweise in mehreren Schritten durchgeführt:

1. Erste Vorbereitungen und Messungen

Der Rotor wird auf einer Auswuchtmaschine montiert und mit einer festgelegten Drehzahl gedreht. Ein Schwingungssensor (Beschleunigungsmesser oder Drehzahlmesser) erfasst die Schwingungsstärke in eine bestimmte Richtung. Durch Analyse der Schwingungsamplitude und -phase kann der Fehler lokalisiert werden.

2. Prüfgewicht hinzufügen.

Um die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Masseänderungen zu ermitteln, werden an bestimmten Stellen Gewichte mit einem bestimmten Gewicht angebracht. Aus den durch diese Gewichte verursachten Schwingungsänderungen lassen sich Position und Anzahl der Korrekturgewichte präzise berechnen.

3. Berechnen Sie das angepasste Gewicht.

Basierend auf den Ausgangsdaten werden nach der Installation von Testgewichten die erforderliche Anzahl und der Korrekturwinkel bestimmt. Beim Zwei-Ebenen-Auswuchten werden auf beiden Seiten des Rotors zwei Gewichte installiert, um unausgeglichene Kräfte und Momente zu eliminieren.

4. Installieren Sie das Korrekturgewicht.

Korrekturgewichte werden an bestimmten Stellen am Rotor angebracht. Die Befestigungsmethoden umfassen je nach Komponententyp Schrauben, Kleben, Schweißen und Muttern.

5. Endgültige Genehmigung

Nach dem Einbau der Gegengewichte den Rotor erneut bei gleicher Drehzahl testen. Liegt die Restschwingung im akzeptablen Bereich, war der Vorgang erfolgreich.

Gleichgewicht vorhanden

Bei großen Maschinen wie Turbinen, Industrieventilatoren und Kraftwerksgeneratoren können die Komponenten nicht bewegt werden. In diesen Fällen ist ein dynamisches Auswuchten vor Ort erforderlich. Sensoren werden am Maschinenkörper montiert und während des Betriebs ausgewuchtet.

Teil 4: Berechnungsbeispiele

Um das Konzept der Fehlerspanne besser zu verstehen, schauen wir uns ein einfaches numerisches Beispiel an.

Er denkt:

Rotorgewicht: 20 kg
Drehzahl: 3000 U/min
Wuchtgüte: G=6,3

Ermöglicht Ihnen, den Defekt zu berechnen:

$Oberseite = 9,54 x 6,3_{x} = 0,40 g - mm$

Dies bedeutet, dass die maximale Unwucht des betreffenden Rotors 0,4 g/mm beträgt.

Ein Qualitätsmangel ist auch gleichbedeutend mit:

$e_{\text{per}} = \frac{0,40}{20} = 0,02 \text{ mm}$

So muss in diesem Beispiel der Schwerpunkt 0,02 mm von der Drehachse entfernt sein, um den Normtoleranzbereich einzuhalten.

Teil fünf: Vorteile und Bedeutung der Beibehaltung des Bilanzstandards

Reduzierte Vibrationen und Geräusche : Durch die Reduzierung der Unwucht werden unerwünschte mechanische Vibrationen und Geräusche von Geräten vermieden.
Längere Lebensdauer von Lagern und Wellen.
Es werden keine zusätzlichen Kräfte auf die Lager übertragen, wodurch die Lebensdauer des Systems verlängert wird.
Verbesserte Betriebseffizienz:
Ausgewuchtete Rotoren weisen weniger Rotationsreibung und eine höhere Effizienz auf.
Reduzierte Wartungskosten.
Geringere Vibrationen bedeuten ein geringeres Risiko von Ausfällen und unerwarteten Ausfallzeiten der Produktionslinie.
Die Einhaltung der Qualitätsanforderungen bei der Planung und dem Bau von Industrieanlagen
sowie die Wahrung der in Verträgen oder Normen festgelegten Ausgewogenheit sind Anforderungen der Qualitätssicherung.

Teil Sechs: Einschränkungen und Probleme

Kosten für Präzisionsauswuchtgeräte: Moderne dynamische
Auswuchtgeräte sind teuer und erfordern einen qualifizierten Bediener.
Bei hohen Drehzahlen unterscheidet sich das Schwingungsverhalten eines flexiblen Rotors von dem eines starren Rotors und erfordert spezielle flexible Auswuchtverfahren.
Unterschiede in den Betriebs- und Laborbedingungen (wie Temperatur, Druck oder Arbeitsvolumen) können zu Änderungen der Massenverteilung führen und das Gleichgewicht kann sich in Echtzeit ändern.
Korrekturgewichte sind nicht richtig installiert:
Wenn die Gewichte im falschen Winkel oder an der falschen Position installiert werden, wird nicht nur kein Gleichgewicht erreicht, sondern es kommt auch zu stärkeren Vibrationen.
Manchmal liegt die Ursache für unausgeglichene Vibrationen nicht im Vorhandensein anderer Vibrationsfaktoren
, sondern eher in einem Lagerschaden, einer Wellenfehlausrichtung oder einer Komponentenfehlausrichtung.

Abschnitt 7: Anwendung des dynamischen Gleichgewichts

Lüfter und Laufräder:
verhindern starke Vibrationen und verlängern die Lagerlebensdauer.
Pumpen und Kompressoren:
Bei Turbomaschinen ist präzises Auswuchten entscheidend.
Kurbelwellen und Automotoren:
Dynamisches Auswuchten der Kurbelwelle reduziert Motorvibrationen und verbessert die Kraftstoffeffizienz.
Turbinen und Generatoren:
Bei hohen Drehzahlen kann schon eine kleine Fehlfunktion zu schweren Schäden führen.
Schwerindustrie und Kraftwerke:
Auswuchten großer Geräte wie Dampfturbinen, Kühlventilatoren und große Generatoren vor Ort.
Luft- und Raumfahrt:
Triebwerksschaufeln und -komponenten werden auf 0,4 G genau ausgewuchtet.

Teil 8: Tipps zur Implementierung und Wartung

Wählen Sie die G-Zahl je nach Gerätetyp
: Je schneller und empfindlicher das Gerät, desto niedriger sollte die G-Zahl sein.
Der Abgleich des Geräts sollte unter Bedingungen erfolgen, die den tatsächlichen Betriebsbedingungen möglichst nahe kommen
. Der Abgleich des Geräts sollte nach Möglichkeit entsprechend der tatsächlichen Betriebstemperatur und -bedingungen erfolgen.
Regelmäßige Kontrollen nach dem Betrieb
Nach einer gewissen Betriebsdauer können Ablagerungen oder Korrosion zu neuen Unwuchten führen, daher empfiehlt es sich, den Auswuchtvorgang regelmäßig durchzuführen.
Präzise Installation von Sensoren und Geräten.
Die präzise Positionierung der Sensoren ist entscheidend für die Erzielung genauer Ergebnisse.
Eine vollständige Dokumentation der Budgetprozesse
und die Aufzeichnung der Daten vor und nach der Budgeterstellung sind für die Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung.

Endlich

Das dynamische Auswuchten ist einer der wichtigsten Prozesse zur Erhöhung der Lebensdauer, Leistung und Sicherheit rotierender Maschinen. Die ordnungsgemäße Durchführung dieses Prozesses und die Einhaltung internationaler Normen wie ISO 1940 und ISO 21940 tragen dazu bei, Vibrationen zu reduzieren und Schäden durch Unwucht zu vermeiden.

Die Einhaltung von Auswuchtstandards sichert nicht nur die Fertigungs- und Montagequalität, sondern senkt auch die Wartungskosten und verbessert die Leistung industrieller Anlagen. Die Auswahl der richtigen Auswuchtklasse (G), präzise Arbeitsausführung und regelmäßige Prüfungen sind die drei Säulen für die erfolgreiche Umsetzung dynamischer Auswuchtstandards.