Eine Einführung in die Maschinenschwingung

Einfach ausgedrückt ist Vibration in motorisierten Geräten lediglich die Hin- und Herbewegung oder Oszillation von Maschinen und Komponenten wie Antriebsmotoren, angetriebenen Geräten (Pumpen, Kompressoren usw.) und den Lagern, Wellen, Zahnrädern, Riemen und anderen Elementen, die bilden mechanische Systeme.

Vibrationen in Industrieanlagen können sowohl ein Zeichen als auch eine Quelle von Problemen sein. In anderen Fällen gehören Vibrationen als normaler Teil des Maschinenbetriebs einfach „zum Territorium“ und sollten keine unnötigen Bedenken auslösen. Aber wie kann der Wartungstechniker der Anlage den Unterschied zwischen akzeptablen, normalen Schwingungen und der Art von Schwingung erkennen, die sofortige Wartung oder den Austausch von defekten Geräten erfordert?

Mit einem grundlegenden Verständnis von Schwingungen und ihren Ursachen – und ausgestattet mit einem Schwingungsprüfgerät – kann der Instandhalter schnell und zuverlässig Ursache und Stärke der meisten Maschinenschwingungen feststellen und Empfehlungen zur Reparatur erhalten. All dies geschieht mit der in den Tester integrierten Intelligenz, ohne die umfangreiche Überwachung und Aufzeichnung, die für typische Langzeit-Schwingungsüberwachungsprogramme erforderlich ist.

Vibrationen sind nicht immer ein Problem. Bei manchen Aufgaben ist Vibration unerlässlich. Maschinen wie Schwingschleifer und Vibrationstrommeln verwenden Vibrationen, um Materialien zu entfernen und Oberflächen zu veredeln. Vibrationsförderer verwenden Vibrationen, um Materialien zu bewegen. Im Bauwesen werden Rüttler verwendet, um Beton zu unterstützen, sich in Formen zu setzen und Füllmaterialien zu verdichten. Vibrationswalzen helfen beim Komprimieren von Asphalt, der beim Straßenbau verwendet wird.

In anderen Fällen sind Schwingungen der Maschinenkonstruktion inhärent. Beispielsweise sind beim Betrieb von Kolbenpumpen und Kompressoren, Verbrennungsmotoren und Zahnradgetrieben gewisse Vibrationen fast unvermeidbar. Bei einer ausgereiften, gut gewarteten Maschine sollten solche Vibrationen kein Grund zur Besorgnis sein.

Wenn Vibrationen ein Problem darstellen
Die meisten Industriegeräte sind so konstruiert, dass sie reibungslos funktionieren und Vibrationen vermeiden, nicht erzeugen. Bei diesen Maschinen können Vibrationen auf Probleme oder eine Verschlechterung der Ausrüstung hinweisen. Wenn die zugrunde liegenden Ursachen nicht behoben werden, können die unerwünschten Vibrationen selbst zusätzlichen Schaden anrichten.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns nicht auf Maschinen, die im normalen Betrieb „vibrieren“ sollen, sondern auf solche, die nicht vibrieren sollten:Elektromotoren, Rotationspumpen und Kompressoren sowie Lüfter und Gebläse. Bei diesen Geräten ist ein ruhigerer Betrieb im Allgemeinen besser, und eine Maschine, die ohne Vibrationen läuft, ist ideal.

Häufigste Ursachen für Maschinenvibrationen
Schwingungen können aus einer Reihe von Bedingungen resultieren, die allein oder in Kombination wirken. Denken Sie daran, dass Vibrationsprobleme durch Zusatzgeräte verursacht werden können, nicht nur durch das Hauptgerät. Dies sind einige der Hauptursachen für Vibrationen.

Ungleichgewicht – Eine „schwere Stelle“ in einem rotierenden Bauteil verursacht Vibrationen, wenn sich das Unwuchtgewicht um die Maschinenachse dreht und eine Zentrifugalkraft erzeugt. Unwucht kann durch Herstellungsfehler (Bearbeitungsfehler, Gussfehler) oder Wartungsprobleme (verformte oder verschmutzte Lüfterflügel, fehlende Ausgleichsgewichte) verursacht werden. Mit zunehmender Maschinengeschwindigkeit werden die Auswirkungen der Unwucht größer. Eine Unwucht kann die Lagerlebensdauer erheblich verkürzen und übermäßige Maschinenvibrationen verursachen.

Schiefstellung/Wellenschlag – Vibrationen können entstehen, wenn Maschinenwellen nicht in der Linie sind. Winkelversatz tritt auf, wenn die Achsen (zum Beispiel) eines Motors und einer Pumpe nicht parallel sind. Wenn die Achsen parallel, aber nicht genau ausgerichtet sind, wird der Zustand als parallele Fehlausrichtung bezeichnet. Eine Fehlausrichtung kann während der Montage verursacht werden oder sich im Laufe der Zeit aufgrund von Wärmeausdehnung, Verschiebung von Komponenten oder unsachgemäßer Wiedermontage nach der Wartung entwickeln. Die resultierende Schwingung kann radial oder axial (in Übereinstimmung mit der Maschinenachse) oder beides sein.

Tragen – Verschleiß von Bauteilen wie Kugel- oder Rollenlagern, Antriebsriemen oder Zahnrädern kann zu Schwingungen führen. Wenn beispielsweise ein Laufring eines Wälzlagers narbig wird, verursachen die Lagerrollen jedes Mal, wenn sie über den beschädigten Bereich fahren, eine Vibration. Ein stark abgesplitterter oder abgenutzter Zahnradzahn oder ein gebrochener Antriebsriemen können ebenfalls Vibrationen erzeugen.

Lockerheit – Anderenfalls unbemerkte Schwingungen können offensichtlich und zerstörerisch werden, wenn das vibrierende Bauteil lose Lager hat oder lose an seinen Halterungen befestigt ist. Ein solches Spiel kann durch die zugrunde liegende Schwingung verursacht werden oder auch nicht. Was auch immer die Ursache ist, Lockerheit kann dazu führen, dass vorhandene Vibrationen Schäden verursachen, wie z. B. weiteren Lagerverschleiß, Verschleiß und Ermüdung von Gerätehalterungen und anderen Komponenten.

Auswirkungen von Vibrationen
Die Auswirkungen von Vibrationen können schwerwiegend sein. Unkontrollierte Maschinenvibrationen können den Verschleiß beschleunigen (d. h. die Lagerlebensdauer verringern) und die Ausrüstung beschädigen. Vibrierende Maschinen können Lärm erzeugen, Sicherheitsprobleme verursachen und zu einer Verschlechterung der Arbeitsbedingungen der Anlage führen. Vibrationen können dazu führen, dass Maschinen übermäßig Strom verbrauchen und die Produktqualität beeinträchtigen können. Im schlimmsten Fall können Vibrationen die Ausrüstung so stark beschädigen, dass sie außer Betrieb gesetzt wird und die Anlagenproduktion zum Erliegen kommt.

Maschinenschwingungen haben jedoch auch einen positiven Aspekt. Korrekt gemessen und analysiert, können Schwingungen in einem vorbeugenden Wartungsprogramm als Indikator für den Maschinenzustand verwendet werden und helfen dem Wartungstechniker der Anlage, Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, bevor eine Katastrophe eintritt.

Eigenschaften von Schwingungen
Um zu verstehen, wie sich Vibrationen manifestieren, stellen Sie sich eine einfache rotierende Maschine wie einen Elektromotor vor. Der Motor und die Welle drehen sich um die Achse der Welle, die an jedem Ende von einem Lager getragen wird.

Eine wichtige Überlegung bei der Analyse von Schwingungen ist die Richtung der Schwingkraft. Bei unserem Elektromotor können Schwingungen als Krafteinwirkung in radialer Richtung (von der Welle nach außen) oder in axialer Richtung (parallel zur Welle) auftreten.

Eine Unwucht im Motor würde zum Beispiel höchstwahrscheinlich eine radiale Vibration verursachen, wenn sich die „Schwerstelle“ im Motor dreht, was eine Zentrifugalkraft erzeugt, die den Motor nach außen zieht, wenn sich die Welle um 360 Grad dreht. Eine Fehlausrichtung der Welle kann aufgrund einer Fehlausrichtung in einer Wellenkupplung zu Schwingungen in axialer Richtung (vor und zurück entlang der Wellenachse) führen.

Ein weiterer Schlüsselfaktor bei Schwingungen ist die Amplitude oder wie viel Kraft oder Schwere die Schwingung hat. Je weiter unser Motor aus dem Gleichgewicht geraten ist, desto größer ist seine Schwingungsamplitude. Andere Faktoren, wie die Rotationsgeschwindigkeit, können ebenfalls die Schwingungsamplitude beeinflussen. Mit steigender Rotationsrate nimmt die Unwuchtkraft deutlich zu.

Die Frequenz bezieht sich auf die Schwingungsrate der Vibration oder wie schnell sich die Maschine unter der Kraft der Bedingungen, die die Vibration verursachen, hin und her bewegt.

Die Frequenz wird üblicherweise in Zyklen pro Minute oder Hertz (CPM oder Hz) ausgedrückt. Ein Hz entspricht einem Zyklus pro Sekunde oder 60 Zyklen pro Minute. Obwohl wir unseren Beispielmotor als „einfach“ bezeichnet haben, kann selbst diese Maschine eine komplexe Schwingungssignatur aufweisen. Während des Betriebs kann es in mehrere Richtungen (radial und axial) mit verschiedenen Amplituden- und Frequenzraten schwingen. Unwuchtvibrationen, axiale Vibrationen, Vibrationen von sich verschlechternden Wälzlagern und mehr können zusammen ein komplexes Vibrationsspektrum erzeugen.

Schlussfolgerung
Vibrationen sind ein Merkmal praktisch aller Industriemaschinen. Wenn die Vibrationen über das normale Maß hinaus ansteigen, kann dies nur auf normalen Verschleiß hinweisen – oder es kann die Notwendigkeit einer weiteren Bewertung der zugrunde liegenden Ursachen oder einer sofortigen Wartung anzeigen.

Zu verstehen, warum Schwingungen auftreten und wie sie sich äußern, ist ein erster wichtiger Schritt, um zu verhindern, dass Schwingungen in der Produktionsumgebung Probleme verursachen.

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