Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen: Erfassung, Diagnose und Auswirkungen von Fehlausrichtungen in Wellensträngen [1. Aufl.] 9783662610268, 9783662610275

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Dieter Franke

Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen Erfassung, Diagnose und Auswirkungen von Fehlausrichtungen in Wellensträngen

Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen

Dieter Franke

Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen Erfassung, Diagnose und Auswirkungen von Fehlausrichtungen in Wellensträngen

Dipl.-Ing. Dieter Franke Vibration Plus UG (haftungsbeschränkt) Dresden, Deutschland

ISBN 978-3-662-61026-8    ISBN 978-3-662-61027-5 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort

Beim Ausrichten von Maschinen an einfachen Maschinensätzen gibt es einen breiten Anwenderkreis, der mit Messmitteln oder Messsystemen diese geometrisch nur scheinbar einfache mechanische Aufgabe im Arbeitsalltag löst. Nicht ausreichend entwickelt ist häufig der fachliche Hintergrund der Techniker, Meister und Ingenieure, vor allem zu den Auswirkungen und zur Schwingungsdiagnose von Fehlausrichtungen im Betrieb. Auch die Wirkungsmechanismen von Ausrichtfehlern im Maschinensatz sollten hier vertieft vermittelt werden. Vom physikalischen Hintergrund bis zur praktischen Anwendung werden hier Grundlagen und Erfahrungen vor allem grafisch verständlich dargestellt und mit praktischen Beispielen illustriert. Um eine Ausrichtmessung zuverlässig ausführen, begleiten oder vermitteln zu können, wird hier ein Überblick über die praktischen Methoden vermittelt. In der neu überarbeiteten VDI 2627 wurden diese Inhalte an Getrieben bereits ansatzweise beschrieben. Besonderen Wert legt der Band auf die Überprüfbarkeit und Nachvollziehbarkeit der hier beschriebenen Zusammenhänge rund um die Ausrichtung im Wellenstrang. Mit den hier genannten Modellmaschinen und den Fallbeispielen sind diese Wirkungsmechanismen relativ einfach in der Praxis nachvollziehbar. Hier setzt auch die Buchreihe „Maschinendiagnose“ an. Vom physikalischen Hintergrund bis zur praktischen Anwendung werden Grundlagen und Erfahrungen leicht verständlich dargestellt und mit praktischen Beispielen illustriert. Die vertiefte, umfassende Diagnose von Bauteilschäden von der „Initial- bis zur Wurzelursache“ über die Behandlung praktischer Fehlerquellen an Maschinen sowie bis zu deren Abhilfe und echten Vorbeugung werden in dieser Buchreihe behandelt. Dresden, Deutschland

Dieter Franke

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Danksagung

Hiermit möchte ich mich bei allen Fachkollegen und Kunden bedanken, die mich beim Schreiben dieses Buches vielfältig und langjährig unterstützt haben. Besonderen Dank möchte ich den Fachkollegen der Prüftechnik Dieter Busch GmbH aussprechen, die mit Ihrem Bildmaterial und vielfältigen Anregungen und Hinweisen das Buch erst in dieser Form ermöglicht haben. Namentlich möchte ich meinem langjährigen Kollegen Ole Holstein danken, mit dessen Hinweisen u. a. die Anwendersicht in diesem Spezialgebiet der Messtechnik im Maschinenbau hier besser zu Geltung kommen konnte. Wie auch in den gemeinsam intensiv diskutierten Hinweisen zur Endfassung der VDI 2726 entstand in unserem Dialog final immer eine bessere Vermittlung der Inhalte. Meinem Fachkollegen Dr. Burkhard Hensel danke ich für seine sorgfältigen und fachkundigen Anmerkungen und weiteren Unterstützungen. Für Ihre fachkundigen Anmerkungen und das bereitgestellte Fakten-Material möchte ich auch meinen Fachkollegen Christian Schlumpf, Mathias Luft und Patrick Stang danken. Dem plötzlich im Februar 2018 verstorbenen herausragenden Fachkollegen Dr. Manfred Weigel, der mich zu diesem Buch und der Buchreihe ermuntert hat, danke ich ausdrücklich. Auch seine unmittelbare Unterstützung bei einigen der Grafiken sei hier erwähnt.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einführung, Überblick und Literaturhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   1 1.1 Ausrichtfehler in Maschinensätzen��������������������������������������������������������������   1 1.1.1 Einführung und Historie ������������������������������������������������������������������   1 1.1.2 Ausrichtaufgaben������������������������������������������������������������������������������   2 1.1.3 Historie und Literatur������������������������������������������������������������������������   4 1.2 Kupplungen in Maschinensätzen und potenzielle Kupplungsfehler������������   7 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  10 2 Kupplungsbauformen, typische Eigenschaften und Torsion im Wellenstrang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11 2.1 Kupplungsbauformen, typische Eigenschaften im Wellenstrang������������������  11 2.2 Kupplungseinfluss auf die Torsionsschwingung im Wellenstrang����������������  13 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  15 3 Übersicht der Auswirkungen von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern. . . .  17 3.1 Auswirkungen in Maschinensätzen��������������������������������������������������������������  17 3.2 Auswirkungen in der Kupplung��������������������������������������������������������������������  19 3.3 Zusammenfassung der Auswirkungen����������������������������������������������������������  22 4 Ausrichtfehler im Wellenstrang – Geometrie und Definitionen. . . . . . . . . . . .  25 4.1 Überlagerungen zur Geometrie der Fehlausrichtung������������������������������������  25 4.2 Definitionen und Geometrie in der Fluchtung im Wellenstrang ������������������  27 4.3 Mechanische Erfassung der Fehlausrichtung������������������������������������������������  31 4.4 Ausrichten der Antriebsmaschine ����������������������������������������������������������������  32 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  35 5 Erfassung der Ausrichtfehler – Messverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  37 5.1 Statischer Ausrichtzustand und dynamische Änderungen����������������������������  37 5.2 Erfassung mittels Laserausrichtsystem ��������������������������������������������������������  39 5.3 Praktische Durchführung und Messfehler����������������������������������������������������  41 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  45

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X

Inhaltsverzeichnis

6 Bewertung von Fehlausrichtungen und Ausrichten der Antriebsmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  47 6.1 Toleranzwerte der Fehlausrichtung��������������������������������������������������������������  47 6.2 Verhalten von Kardanwellen im Ausrichtzustand����������������������������������������  52 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  52 7 Maschinenfehler aus Fehlausrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  53 7.1 Änderung statischer Kräfte durch Fehlausrichtungen����������������������������������  53 7.2 Dynamische Kräfte und Anregungen aus Fehlausrichtungen ����������������������  56 7.3 Einfaches Modell der Schwingungsanregungen aus Parallel- und Winkelversatz������������������������������������������������������������������������������������������������  58 7.4 Zusammenfassung der Schwingungsanregung aus Ausrichtfehlern������������  60 7.5 Auswirkungen der Ausrichtfehler in Maschinenfehlern ������������������������������  61 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  62 8 Weitere Ausrichtaufgaben an Maschinensätzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63 8.1 Übersicht weiterer Ausrichtaufgaben������������������������������������������������������������  63 8.2 Ausrichtung der Lagergasse an Turbinen������������������������������������������������������  64 8.3 Fluchtung von Riemenscheiben in Riemenantrieben�����������������������������������  66 9 Einflüsse, Vorgaben und Betriebsverhalten der Ausrichtung im Wellenstrang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69 9.1 Übersicht der Einflüsse zur Wellenausrichtung im Betrieb��������������������������  69 9.2 „Thermisches Wachstum“ an Turbinensätzen����������������������������������������������  71 9.3 Verlagerungen unter Last an Windenergieanlagen����������������������������������������  72 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  75 10 Schwingungsdiagnose von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern. . . . . . . . .  77 10.1 Schwingstärke Kennwerte zur Zuordnung von Fehlausrichtungen������������  77 10.2 Schwingungsdiagnose von verschlechterten Ausrichtzuständen����������������  80 10.3 Praktische Schwingungsdiagnose von Ausrichtzuständen und Ausrichttraining������������������������������������������������������������������������������������������  86 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  89 11 Fallbeispiele der Fehlausrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91 11.1 Diesel-Generator-Aggregat mit drehelastischer biegestarrer Kupplung����������������������������������������������������������������������������������������������������  91 11.2 Prüfung Wellenausrichtungen auf Windenergieanlage (WEA)������������������  94 11.3 Fehlausrichtung und Wälzlagerschäden an Umluftgebläse������������������������  98 11.4 Axiale falsche Ausrichtung im Motor an Absaugventilator������������������������ 104 11.5 Radiale Wellenausrichtung an vertikaler Pumpe���������������������������������������� 111 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 114

Inhaltsverzeichnis

XI

12 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.1 Ausrichtmethodik an Maschinensätzen������������������������������������������������������ 115 12.2 Anwendung der Wellen-Ausrichtung���������������������������������������������������������� 116 12.2.1 Sichere Handhabung von Ausrichtzuständen���������������������������������� 116 12.2.2 Erfassung und Auswertung von Fehlausrichtungen und Kupplungsfehlern���������������������������������������������������������������������������� 116 12.2.3 Auswirkungen von Fehlausrichtungen ������������������������������������������ 117 12.3 Zusammenfassung des Ausrichtvorgangs �������������������������������������������������� 119 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Bildnachweis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

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Einführung, Überblick und Literaturhinweise

1.1

Ausrichtfehler in Maschinensätzen

1.1.1 Einführung und Historie In dem Band 2 [1] der vorliegenden Schwingungs- und Auswuchtseminare für die Kraftwerksindustrie wurden im Kap. 10 die Grundlagen der Geometrieeigenschaften und der Schwingungsanregung dieser beiden Maschinenfehler mit den grundlegenden technischen Zusammenhängen behandelt. Auch in der Reihe der VDI 3839 [2] werden im Blatt 2 die Auswirkungen der maschinendynamischen Anregungen bei diesen Maschinenfehlern erläutert und an einfachen Beispielen veranschaulicht. In den folgenden Abschnitten werden daraus einzelne Elemente wiederholt, wenn diese für das Verständnis der Zusammenhänge unerlässlich sind. In diesem Band der Buchreihe zur Maschinendiagnose sollen praktische Anwendungen rund um die Maschinenfehler Fehlausrichtung in Wellensträngen und Kupplungsfehler im Mittelpunkt stehen. Es sollen in erster Linie deren Erfassung, Erkennung, Auswirkungen und deren Beurteilung an Maschinensätzen möglichst umfassend und detailliert dargestellt werden. Die hier verwendeten Begriffe sind weitestgehend technischer Standard und werden in Kap. 4 erläutert bzw. werden in VDI 2627 nach [2] genauer definiert. Einige wenige davon werden im Glossar in Anhang 1 erläutert, wenn das zum gesamten Verständnis unerlässlich ist. Die Fehlausrichtung von Wellensträngen in Maschinensätzen wird in vielen Statistiken als der zweithäufigste Maschinenfehler nach der Rotorunwucht genannt. Sie sollte für den Maschinenbetrieb analog einer bekannten Restunwucht bis zu einer für die konkrete Anwendung zulässigen Rest-Fehlausrichtung im Maschinensatz reduziert werden. Sie ist i. d. R. als ein Rest-Maschinenfehler an gekuppelten Maschinen immer vorhanden. Die Maschinenausrichtung sollte in der Regel vor und nach jeder Instandhaltungsmaßnahme an © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5_1

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1  Einführung, Überblick und Literaturhinweise

einem gekuppelten Maschinensatz zumindest überprüft werden, wenn die Ausrichtung zur Arbeitsmaschine geändert wird. Werden die zulässigen Toleranzen der Fehlausrichtung relevant überschritten, sind in der Regel Schäden an den dadurch höher beanspruchten Maschinenkomponenten die häufige mittel- oder langfristige Folge. Die ingenieurtechnische Beherrschung der Wellenausrichtung im Maschinen- und Anlagenbau und Betrieb ist heute zu einem wesentlichen Qualitätsparameter der Anlagenerrichtung und der Instandhaltung geworden. Über eine flächendeckende Durchführung der Ausrichtung aller gekuppelten Antriebsmaschinen über deren Betriebsdauer in einem Maschinenpark kann dies heute relativ sicher beherrscht werden. Die in den letzten Jahrzehnten deutlich gestiegenen ­Anforderungen an einen Betrieb mit maximaler Verfügbarkeit und an die Senkung der Betriebs- und Instandhaltungskosten erfordern heute wirtschaftliche und zuverlässige Ausricht­ methoden. Das Maschinendesign wird zunehmend bestimmt von erhöhtem Stoff- und Ener­giedurchsatz verbunden mit höheren und mit geregelten Drehzahlen. Dazu kommen ein optimierter Materialeinsatz und somit reduzierte Belastungsreserven im Design. Damit sind heute insgesamt die Anforderungen an den Ausrichtzustand angestiegen.

1.1.2 Ausrichtaufgaben Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausrichtaufgaben in und an Maschinensätzen und verschiedene Betrachtungswinkel, um an dieses Maschinenproblem heranzugehen, die in Abb. 1.1 in einer Übersicht dargestellt werden. In den folgenden Abschnitten wird auf die wesentlichsten Aspekte im Detail eingegangen. • Hauptanwendung ist die „äußere“ Wellenausrichtung von zwei und mehr Maschinen in Maschinensätzen mit gekuppelten Wellensträngen. (Kap. 4 u. ff.) • In separaten oder integrierten Zahnradgetrieben spielt die genaue „innere“ Wellen-­ ausrichtung eine Schlüsselrolle für deren einwandfreie Funktion, neben der äußeren Wellenausrichtung zum Getriebe von Antriebs- und Arbeitsmaschine. • Die Fluchtung von Lagersitzbohrungen in Getriebegehäusen und generell in allen Maschinengehäusen ist Voraussetzung einer korrekten Lagerfunktion, des optimalen Ro­ torlaufs und eines sollgemäßen Zahneingriffs. • Besondere Bedeutung hat die Fluchtung der Bohrungshälften der Sitze der Lager-­ schalen bei langen schweren Rotoren in der Lagergasse an Turbinen, wie auch bei allen anderen Gleitlagerungen für deren störungsfreie Funktion. Besonders ist hier der massebedingte Durchhang der Wellenstrangabschnitte zu beachten. (Abschn. 8.2) • Im Betrieb von Turbinen und großen Maschinensätzen spielt die Änderung der Ausrichtung durch das sogenannte thermische Wachstum der Maschinengehäuse und Rotoren eine größere Rolle und wird mit temporär installierten Ausrichtmesssystemen über viele Stunden erfasst. (Abschn. 9.2) • Die Schwingstärke- und Körperschallanregungen durch Fehlausrichtungen werden in der Schwingungsdiagnose als zweithäufigster Maschinen- und häufiger Wälzlagerfehler behandelt. (Kap. 10)

1.1  Ausrichtfehler in Maschinensätzen

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Abb. 1.1  Übersicht Ausrichtfehler und Wellenausrichten an Maschinensätzen. Starre Rotoren: Drehzahlbereich des Rotors außerhalb von Rotor-Eigenfrequenzen. Starre Aufstellung: Maschine auf Rahmen und Betonfundament aufgestellt ohne elastische Schwingungsdämpfer

• An Klima- und Prozessventilatoren oder an Verdichtern sind oft Riemenantriebe im Einsatz, bei denen die Fluchtung der Riemenscheiben zueinander für deren verschleißarmen Lauf gesichert sein muss (Abschn. 8.3). • Die „Fehlausrichtung“ in vertikalen Wellensträngen weist spezielle Eigenheiten auf, auf die in Kap. 5 und in Abschn. 11.5 eingegangen wird. • In der relativ jungen Branche der Windkraftanlagen ist die Ausrichtung der Generato-­ ren, Getriebe und Hauptlager auf großen relativ elastischen und sich stärker quasi-­ statisch verformenden Maschinenträgern auf den drehzahl- und lastvariablen Anlagen eine größere Herausforderung (vgl. Abschn. 9.3 und 11.2). • Dort spielen u.  a. auch die dynamisch kurzzeitig auftretenden Ausrichtänderungen durch Anlagenbewegungen unter Windböen und die Verlagerungen unter Last eine größere Rolle, da diese die „statischen“ Ausrichttoleranzen deutlich übersteigen. • Ebenso spielen dort die Eigenschwingungen der Maschinenträger (wie die der elastisch gelagerten Schwingrahmen an anderen Maschinensätzen) in elastischer/gedämpfter Aufstellung und damit die der Maschinen- und Lagergehäuse als Ausrichtobjekte bei den dynamischen Ausrichtungsänderungen eine zu beachtende Rolle. Für diese unterschiedlichen Anwendungen der Ausrichtung sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von maßgeschneiderten Ausrichtapplikationen bei den Herstellern von

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1  Einführung, Überblick und Literaturhinweise

Laser-Ausrichtgeräten entstanden. Im Abb. 1.1 werden die Haupteinflüsse auf die Ausrichtung in Maschinensätzen in einer Übersicht dargestellt. Als wesentliche Einflussgröße muss dabei die Steifigkeit der Wellen und Kupplungen und der des Rahmens und dessen Aufstellung betrachtet werden, da diese die Auswirkungen und die Größe der Fehlausrichtung beeinflussen und damit die Anforderungen an die zulässige Ausrichttoleranz mitbestimmen. Neben der Standardaufgabe der Fluchtungsmessung in gekuppelten Wellensträngen und der „äußeren“ Ausrichtung der Maschinengehäuse sind die „innere“ Ausrichtung der Fluchtung von Lagerbohrungen und Lagerschalen in Kraftwerken wichtige zu beherrschende Ausrichtanwendungen. Eine Sonderanwendung ist die Fluchtung an parallelen Wellen wie in Riemenantrieben oder an Zahnradstufen. Für alle drei Aufgaben finden jeweils spezielle Ausrichtsysteme und dazugehörige Spannvorrichtungen Anwendung. Die häufigste Anwendung in Maschinensätzen ist die Fluchtungsmessung an biege-­ elastisch gekuppelten wälzgelagerten Maschinen mit „starren“ 1) Rotoren in „starrer“ 2) und „elastischer“ Aufstellung, auf die hier im Wesentlichen eingegangen wird (grüne Rahmen). Eine spezielle anspruchsvolle Ausrichtaufgabe stellt die Ausrichtung von Lagerschalen und Leitschaufelapparaten in Turbinen mit elastischen langen Wellen und den meist starr gekuppelten Generatoren auf schweren elastischer aufgestellten Stahl-­Beton-­ Rahmen (blaue Rahmen). Die Messung der Ausrichtung erfolgt im „Quasi-Stillstand“ der Maschine, was gleichzeitig den Bezugszustand der Ausrichtung darstellt. Die Änderungen der Ausrichtung im Betrieb sind bei zwei Ausrichtfällen entscheidend für den Erfolg und müssen in die Ausrichtung im Stillstand als so genannte Vorgaben eingerechnet werden, so dass diese Änderungen im Betrieb später kompensiert werden. Bei stärker elastisch aufgestellten großen Maschinensträngen wie auf Windturbinen müssen die „Verlagerungen“ unter dem Lastmoment eingerechnet werden (violette Rahmen). Bei den Dampf- und Gasturbinen ist die Verlagerung durch thermisches Wachstum der Maschinengehäuse vorher zu ermitteln und dann einzurechnen (blaue Rahmen), insbesondere da die Ausrichtanforderungen durch die hohe Drehzahl und die meist „starre“ Kupplung besonders hoch sind. Treten dominierende sehr tieffrequente Eigenschwingungen an elastischen Maschinenrahmen auf, wie am Maschinenträger von Windenergieanlagen (WEA), beeinflussen diese dynamisch einwirkend zusätzlich die Fluchtung des Triebstranges (fette schwarze Rahmen).

1.1.3 Historie und Literatur Bis zu der Mitte der achtziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurde die Ausrichtung von Maschinen zueinander im Maschinensatz fast ausschließlich mit mechanischen Hilfsmitteln an der Kupplung durchgeführt. Dazu gehören das Haarlineal (Abb. 1.2) und umlaufende Messuhren (Abb. 1.3) oder die Fühllehre an der Kupplungsgeometrie. Diese haben den Vorteil der preiswerten, einfachen und relativ schnellen Anwendung, aber auch einige wesentliche Nachteile.

1.1  Ausrichtfehler in Maschinensätzen

5

Abb. 1.2  Haarlineal bei Winkelfehler an dem Maschinemodell Typ 610 der Vibration Plus UG (h.) bei Prüfung der Fluchtung im Vertikalen an der Kupplung

Abb. 1.3  Winkelhebel-­Messuhr in spezieller Messvorrichtung auf beiden Kupplungshälften an der Modellmaschine 610 – hier zur horizontalen radialen Prüfung des Parallelversatzes (rot Lage für die axiale Prüfung der Winkelfehler)

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1  Einführung, Überblick und Literaturhinweise

Dazu zählen entscheidend die vielfachen Fehlerquellen wie die der Kupplungsgeometrie oder bis zur korrekten Umrechnung der Fußwerte am Antrieb. Die nachfolgende Tab. 1.1 gibt einen orientierenden Eindruck davon. Die Messung mit der Fühllehre erfolgt an den axialen und tangentialen Spalten der Kupplungshälften in jeweils den beiden horizontalen und vertikalen Drehpositionen. Mit den Aufgabenstellungen an den Maschinenbau, leistungsfähigere und effizientere Lösungen mit höherer Qualität anzubieten für viele Branchen in den achtziger und neunziger Jahren des vorigen Jahrhunderts, stiegen auch die Anforderungen an die Wellenausrichtung. Einerseits erforderten die dafür entstandenen Lösungen bei höheren Drehzahlen für mehr Anlagendurchsätze genauere Ausrichtungen. Anderseits sollte die Ausrichtung schneller und mit nachgewiesener und dokumentierter Ausrichtgenauigkeit ausgeführt werden. Dafür begann Mitte der achtziger Jahre die wachsende weltweite Verbreitung von neuartigen Laser-Messsystemen von und durch die Prüftechnik AG aus Ismaning. Diese haben sich mittlerweile auch durch weitere Hersteller derartiger Systeme weitestgehend fast in der ganzen Anwendungsbreite durchgesetzt. Mit neuen Funktionalitäten und Geräte-­Applikationen haben sich diese Systeme bis heute immer breitere Anwendungsfelder erschlossen, wie bereits im Vorkapitel erläutert. Dazu zählt seit Anfang der neunziger Jahre die Erfassung der Ausrichtänderungen an Gehäusen im Betrieb (vgl. Kap. 9). Tab. 1.1 zeigt einführend eine Übersicht verschiedener Ausrichthilfsmittel. Bei den meisten der unterschiedlichen Messmitteln muss deren wichtigste Voraussetzung beachtet werden, dass dafür zuerst Spannvorrichtungen an den Kupplungshälften oder an den Gehäusen notwendig sind. Diese ermöglichen die Messmittel wie Messuhren oder Lasersender und -empfänger im Verdrehen der Kupplung ausreichend stabil zu fixieren oder im Betrieb am Gehäuse über Stunden unverändert zu befestigen. In der VDI 2726 in [2] werden zu der inneren und äußeren Ausrichtung der Wellen an Getrieben Ausführungen gemacht. Die Ausrichtung der Zahnräder in Getrieben zueinander wird zudem ergänzend beeinflusst durch folgende Faktoren, die in Design, Fertigung und Montage besonders bei Großgetrieben und elastischerem Design des Maschinensatzes beachtet werden müssen: Tab. 1.1  Qualitativ bewertete Eigenschaften eingesetzter Ausrichthilfsmittel an Maschinensätzen mit ansteigender Ausrichtgenauigkeit Hilfsmittel Fühllehre Haarlineal Metalllineal Messuhr umlaufend Messuhr mit Messtangen umlaufend Klavierdraht Laser-Werkzeuge Laser-System

Kapitel – 5. – 2., 4.

Ausrichtung von Kupplungshälften Kupplungshälften Riemenscheiben Kupplungshälften

Objekte Maschinensätze Maschinensätze Riemenantriebe Maschinensätze

4.3 – 8.3 5. 8.1 9.1

Kupplungshälften Bohrungsfluchtung Riemenscheiben Kupplungshälften Bohrungsfluchtung Änderungen im Betrieb

Maschinensätze Großmaschinen Riemenantriebe Maschinensätze Großmaschinen Großmaschinensätze

1.2  Kupplungen in Maschinensätzen und potenzielle Kupplungsfehler

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• Statische und dynamische Verformung des An- und Abtriebsstranges unter Last gegen die Momentenabstützung und Befestigung am Getriebe • Damit verbunden die Änderung der statischen und dynamischen Ausrichtung der Antriebs- und Abtriebswelle von den An- und Abtriebs-Maschinen unter Last • Radiale Durchbiegung der Zahnrad-Wellen unter Last • Statische Gehäuseverformungen unter Last und dynamische bei erhöhten Schwingstärken und bei Gehäuseeigenschwingungen • Fluchtung der Bohrungen unter Momentenwirkung und des Massedurchhangs bei Großgetrieben und häufig eingesetzten Rollenlagern • Änderung der Fluchtungsgeometrie unter Temperatureinfluss an Gehäusen und in Rotoren Weitere Hinweise zur Messung und zum Ausrichten von Wellen in Maschinensätzen können aus [3] und [4] entnommen werden. In Letzterem ist die praktische Umsetzung der Schwerpunkt. In einem der derzeit wichtigsten Bücher dieses Fachgebietes [3] werden umfassend die mathematischen und praktischen Grundlagen der Geometrie des Ausrichtens sehr fundiert und ausführlich erläutert.

1.2

Kupplungen in Maschinensätzen und potenzielle Kupplungsfehler

Die Betrachtungsrichtungen und Fehlerarten bei den Kupplungsfehlern sind vielfältig in ihren Ausprägungen, die aber von den Ausrichtfehlern deutlich zu unterscheiden sind. Im Gegensatz zu Ausrichtfehlern treten diese erfahrungsgemäß seltener auf und haben weniger kritische Auswirkungen, werden aber durch überlagerte Fehlausrichtungen meist verstärkt und dann erst erhöht wirksam. Kupplungsfehler (vgl. Anlage 1) bedeutet letztendlich eine relevante Abweichung in der Qualität der Eigenschaften zum Datenblatt. Die zulässigen Abweichungen zwischen den Passungsflächen der Kupplungshälften z. B. sind stark unterschiedlich in Abhängigkeit von der Kupplungsbauart und den zulässigen Spielmaßen gegen Verdrehen und axialem Verschieben bzw. deren typbedingten Spielfreiheit. Die Ausrichtfehler resultieren geometrisch aus der fehlerhaften Ausrichtung zwischen gekuppelten Wellen zueinander in einem oder in beiden Maschinengehäusen in einem gekuppelten Maschinensatz. Die Kupplungsfehler dagegen resultieren aus Abweichungen der Sollmaße einer oder beider Kupplungshälften an den gekuppelten Wellen im Betrieb. Beide Fehlerarten überlagern sich aber und beeinflussen sich wechselseitig in ihren statischen und dynamischen Auswirkungen. Die nachfolgende geometrisch bedingte Einteilung der Kupplungsfehler wird durch betriebsdauerbedingte Fehler und designbedingte Fehler und Schäden an Kupplungen im spezifischen Einsatzfall ergänzt.

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1  Einführung, Überblick und Literaturhinweise

Geometriefehler in Fertigung, Montage und Betrieb: • • • • • •

Radialschlag- und Zentrierfehler der Kupplungshälften Planschlag der Kupplungshälften fehlerhafter Axialspalt an Kupplungshälften Unwuchten der Kupplungshälften Unwuchten in Wellenverbindungen an Kupplungen (halbe Passfeder nach [5]) Teilungsfehler der Kupplungshälften oder der elastischen Kupplungselemente Designfehler:

• Falsche Auswahl der Kupplungsbauart im Design • Designbedingte Fehler der Biegesteifigkeit der elastischen Kupplungselemente • Torsionsschwingungen bedingt durch fehlerhafte Torsionssteifigkeit der elastischen Kupplungselemente im Wellenstrang Fehler im Betrieb: • Verschleiß der Kupplungshälften oder der elastischen Kupplungselemente im Betrieb – erhöhtes Verdrehspiel der beiden Hälften • Kupplungsklemmen durch Verformungen und Verschmutzungen in den Kontaktflächen der Kupplungshälften im Betrieb Die häufigsten Kupplungsfehler sind Geometriefehler wie in Abb. 1.4 gezeigt, die in den drei Hauptraumachsen oder tangential zwischen den beiden Kupplungshälften auftre-

Abb. 1.4  Übersicht Fehlertypen an Kupplungen vom Design bis zur Wartung

1.2  Kupplungen in Maschinensätzen und potenzielle Kupplungsfehler

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ten. Die Geometriefehler im Einsatzfall sind fertigungs- bzw. qualitätsbedingt bzw. entstehen durch Montagefehler. Die hier genannten Fehler stellen jeweils Abweichungen von den Sollmaßen in der Kupplung im jeweils vorliegenden Einsatzfall dar. Davon verschieden sind die Steifigkeitsfehler, die über die Eigenschaften der Elastomere (Klauen- und Bolzenkupplungen) oder Verbindungsfedern (Lamellenkupplung) die Eigenschaften der Biegeund Torsionssteifigkeit im Wellenstrang bestimmen. Hier sind meist Designfehler im Maschinensatz auslösend, die erhöhte Torsions- und Biegeschwingungen verursachen können. Aber auch durch die typischen Designeigenschaften einer Kupplungsbauart entstehen Anregungen in der Kraftübertragung einer Kupplung. Die meisten üblichen biege- und drehelastischen Kupplungen sind durch ihr Design mit wenigen steifen Bolzen und Klauen bezüglich des Steifigkeitsverlaufs über den Umfang stark ungleichmäßig (anisotrop) in tangentialer Richtung der Momentenübertragung (vgl. Abb.  1.5). Steifigkeitssprünge

Abb. 1.5  a), b), c), d): Unstetigkeiten in Umfangsrichtung; a) links in Klauenkupplung, b) rechts im Wälzlager; unten dagegen im Umfang Gleichmäßigkeit c) links Gummibalgkupplung Abbildung aus [6] d) rechts Gleitlager in Schnittansicht aus [7]

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1  Einführung, Überblick und Literaturhinweise

zwischen dem Formschluss bilden die Elastomere oder Lamellenfedern in den Kontaktflächen. Modellhaft könnte man sich hier grob betrachtet zwei Zahnräder mit nur wenigen Zähnen mit elastischen Zwischenlagen vorstellen, die sich unter Last geometriebedingt etwas „ruckartig“ bewegen. Das erfolgt, wenn diese Steifigkeitssprünge der Kupplung die ebenfalls ungleichmäßige (anisotrope) Wälzlagerung mit seiner Lastzone, wie im Abb. 1.5, durchlaufen. Bei wälzgelagerten horizontalen Rotoren ist die vertikal nach oben messbare und auch horizontal auswirkende Lagerluft eine starke Änderung gegenüber der starren Auflagerung nach unten. Diese entsteht im unten liegenden Lastgebiet des Wälzlagers in der Auflagerung auf die Wälzkörper und stellt eine wälzlagertypische Lageranisotropie (richtungsabhängiger Steifigkeitsverlauf) dar. Im Gleitlager ist geringer gegeben durch den deutlich größeren und gleichmäßigeren Schmierfilm und der gleichmäßigen Geometrie von Wellenzapfen und Lagerbuchse. Diese Ungleichmäßigkeiten im Wälzlager werden bei einer höheren Klauenzahl entsprechend gleichmäßiger durchlaufen. Oder sie sind bei über den Umfang gleichmäßigen Gummi- oder Metallbalg-Kupplungen ohne diese tangentialen Steifigkeitssprünge weniger relevant von den Anregungen der Kupplung her (vgl. Kap. 2 Kupplungsbauformen). Damit wurde bereits ein wichtiger Mechanismus der Schwingungsanregung aus der Kupplung und aus der Fehlausrichtung hin zur Lagerung erläutert, der in den folgenden Kapiteln vertieft wird.

Literatur 1. Band 2 der Seminarreihe der Schwingungs- und Auswuchtseminare für die Kraftwerksindustrie „Grundlagen der Schwingungsanalyse und der Schwingungsdiagnose an Kraftwerksturbosätzen“ 2. VDI 2726: Ausrichten von Getrieben, 2019-04 3. Ausrichten von Maschinensatz-Wellen: Handbuch für die Praxis; mit Beispielen aus dem Turbomaschinenbau, Pernleitner, Edwin L., als Ms. gedr. Düsseldorf VDI-Verl.1995. XIX, 4. J. Piotrowski, Shaft Alignment Handbook, Marcel Dekker, Inc, New York, 2nd. Ed.,1995. 5. DIN-ISO 21940-32 Mechanische Schwingungen – Auswuchten von Rotoren – Teil 32: Behandlung von Passfederverbindungen (ISO 21940-32:2012) 6. Gummibalgkupplung, Onlinekatalog, HAT Hummert Antriebstechnik GmbH, Landsberg am Lech 7. Erweiterte Diagnoseverfahren für Kraftwerksturbosätze, Schwingungsseminar, Eigenverlag, Dr. Weigel und Olsen, 2009

2

Kupplungsbauformen, typische Eigenschaften und Torsion im Wellenstrang

2.1

 upplungsbauformen, typische Eigenschaften K im Wellenstrang

Am häufigsten Werden in Maschinensätzen Bolzen-, Klauen- und Lamellenkupplungen eingesetzt. Daneben sind eine Vielzahl von weiteren Bauformen im Einsatz. Abb. 2.1 zeigt verschiedene Bauformen von elastischen Kupplungen, die entsprechend ihren Auswahlkriterien in Maschinensätzen eingesetzt werden. Für die Auswahl werden neben der Geometrie das zu übertragende Drehmoment, die Drehsteifigkeit, die Biegesteifigkeit und die zulässigen Ausrichtabweichungen betrachtet. Tab. 2.1 zeigt eine qualitative Übersicht der Kupplungseigenschaften. Durch die kompliziertere innere Übertragungs-Geometrie der Kupplungshälften sind deren Kupplungsfehler meist nicht einfach von außen messbar. An montierten Kupplungen sind teilweise einige der Geometriefehler nur bei qualitativ hochwertigeren äußeren Konturen messbar. Das kann im Abtasten der Kupplungskonturen mit der Messuhr im Verdrehen des Rotors in der Maschine erfolgen. Bei gröberen äußeren Flächen scheidet dies leider aus. Eine Messung der konstruktiven Sollmaße kann i. d. R. wie nachfolgend aufgeführt: • Radialschlag bzw. Zentrierfehler an der überdrehten Außenkontur der Kupplung im gekuppelten Zustand mittels Messuhr von Stator hin zum Rotor gemessen; oder an den Außendurchmessern der Kupplungsbolzen oder Klauen im entkuppelten Zustand • Ebenso der Planschlag an den äußeren Stirnflächen der Kupplungshälften im gekuppelten Zustand mittels Messuhr von Stator hin zum Rotor; • Teilungsfehler an den Abständen der benachbarten Kupplungsbolzen oder -klauen oder Lamellenbolzen oder zwischen den Bohrungen mittels Messschieber an geöffneten Kupplungshälften

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5_2

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2  Kupplungsbauformen, typische Eigenschaften und Torsion im Wellenstrang

Abb. 2.1  a) … e): Häufig eingesetzte elastische Kupplungsbauformen mit a) Bolzenkupplung, b) Klauenkupplung, c) Klauenkupplung mit Zahnkranz, d) Lamellenkupplung, e) Bogenzahnkupplung aus [1] Tab. 2.1  Qualitativ bewertete Eigenschaften häufig eingesetzter Kupplungsbauformen Klauenkupplung Zahnkranz b), c) − + elastomerabhängig Biegeelastisch + + Axialverlagerung + ++ Zulässige ++ + Winkelverlagerung drehzahlabhängig drehzahlabhängig baugrößenabhängig baugrößenabhängig Zulässige ++ + Radialverlagerung drehzahlabhängig drehzahlabhängig baugrößenabhängig baugrößenabhängig Verschleiß + + Verdrehspiel ++ ++ Stoßbetrieb ++ ++

Eigenschaft Drehsteif Drehelastisch

BolzenKupplung a) − +

LamellenKupplung d) ++ −

e) Bogen-­ zahnkupplung ++ −

++ + ++ baugrößen-­ abhängig ++ baugrößen-­ abhängig − − +

++ ++ (+)

(+)

++ + −

Als direkt in der Funktion der Kupplung und insgesamt im Betrieb wirkende Fehlerkontrolle bleibt dafür letztendlich die Schwingungsdiagnose wie in Kap. 7 beschrieben. Geringe Schwingungsanregungen mit der Drehfrequenz und deren Vielfachen sind ein wichtiges Indiz für eine „fehlerfreie“ Kupplung und Ausrichtung im Maschinensatz. Überprüft wird das mittels Schwingstärkemessung direkt an den Lagerseiten der Maschinen beidseits der Kupplung. Das tangentiale Spiel der Kupplungshälften kann analog zu einem Zahnflankenspiel durch Verdrehen einer Kupplungsseite gegen die gekuppelte andere feststehende Seite über eine Messuhr am Magnetstativ oder über eine Fühlerlehre im tangentialen Spalt festgestellt werden. Die Sollmaße des Kupplungsspiels nach Herstellerangabe können während der Betriebsdauer verschleißbedingt ggf. überschritten oder durch Korrosion oder Verschmutzung unterschritten werden. Dies kann aber auch bei Verspannungen im Wellenstrang oder durch Teilungsfehler beeinflusst sein. Tritt ein Sollspiel messbar auf oder ist meist die Antriebsseite im Spiel leichter verdrehbar, sind dies erste Hinweise auf eine ausreichend gute Ausrichtung im Wellenstrang. Die wichtigsten Eigenschaften einer Kupplung in Bezug auf Schwingungsanregungen im Betrieb sind die Elastizität gegen

2.2  Kupplungseinfluss auf die Torsionsschwingung im Wellenstrang

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Biegung und gegen Torsion. Geprägt werden diese in biege-elastischen Kupplungen von der Elastizität des Elastomers oder der Lamellen. Diese können fallweise auch mit Tausch der Elastomer-elemente mit anderen Shorehärten nachträglich angepasst werden. Biegesteifere Kupplungen führen zu erhöhten Schwingungsantworten auf Ausrichtfehler. Biege-­ elastische reagieren dagegen mit geringeren Schwingungsanregungen auf vergleichbare Ausrichtfehler zwischen den Kupplungshälften, da die spezifischen Dämpfungseigenschaft des Elastomers in der Kupplung diese reduzieren. Die biege-elastischen Kupplungen mit Elastomeren sind meist auch dreh-elastisch, was fallweise zu erhöhten Drehschwingungen führen kann, wie nachfolgend vertieft wird.

2.2

 upplungseinfluss auf die Torsionsschwingung K im Wellenstrang

Die Dreh- oder Torsionsschwingung entstehen zunächst potenziell in jedem einzelnen Rotor selbst zwischen der großen Schwungmasse und der Kupplungshälfte. Zusätzliche Drehschwingungen entstehen zwischen beiden Rotoren in der dreh-elastischen Kupplung mit der Federwirkung der Elastomerelemente in tangentialer Richtung. Das Schwingungssystem verdreht sich dabei um den rotatorischen Freiheitsgrad der polaren Schwungmomente (Trägheitsmomente) der beiden einzelnen Rotoren gegeneinander im Wellenstrang. Diese sind über das drehelastische Element in der Kupplung in der Drehmomentwirkung im Betrieb verspannt. Weiterhin tritt die Torsion in den Einzelrotoren selbst über die drehelastische Welle auf. Beispielsweise „verdreht“ sich das große polare Trägheitsmoment eines Laufrades eines größeren Ventilators gegen das Moment an der Kupplung. Die Torsionssteifigkeit im Wellenstrang bestimmen damit das Elastomer der Kupplung laut Datenblatt und die polaren Trägheitsmomente an den niedrigsten Wellenquerschnitten. Die genannten drei verbundenen Drehschwingungssysteme (Rotor-Kupplung-Rotor) im Wellenstrang führen damit auch zu mehreren Torsions-Eigenschwingungen. Die dreh-­ elastischen Zwischenelemente, der Schubmodul des Wellenwerkstoffs und die Geometrie des Wellenquerschnitts sind dabei entscheidend für die Frequenzlage und Amplitudenhöhe der Torsionseigenschwingungen. Die Hersteller geben für die Kupplung die Torsionssteifigkeit an. Hilfsweise kann die statische Steifigkeit auch praktisch über die Messung der Einfederung und Änderung des tangentialen Abstands der Kupplungshälften mit einer Prüfmasse an einem Hebelarm am Maschinensatz bestimmt werden. Die dynamische frequenzvariable Steifigkeit kann mit einem Shakersystem oder im Anschlagversuch ausreichend genau praktisch bestimmt werden, wie Abb. 2.2 zeigt. Für die meisten Maschinensätze sind die Torsionseigenfrequenzen des Systems unkritisch und ausreichend weit von der Drehfrequenz und deren Vielfachen entfernt. Resonanzfälle können fallweise bei größeren rotierenden Massen und stärker drehelastischen Kupplungen und Wellen auftreten. Die Drehschwingung kann im Betrieb mit den üblichen radialen Schwingungsmessungen am Lagergehäuse nicht gemessen werden. Testweise kann die Torsionseigenfrequenz des Wellenstranges durch Tausch der Elastomer-Elemente

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2  Kupplungsbauformen, typische Eigenschaften und Torsion im Wellenstrang

Abb. 2.2  Maschinenmodell 590d des „Ingenieurbüro Dieter Franke“ [2] mit tangentialer Shakeranregung an Rotorscheibe und mit tangentialem Schwingungssensor am freien Wellenende und Fixierung an motorseitiger Kupplungshälfte nach dem Kupplungsstern (grüner Pfeil) (torsionsmäßig wäre am Motorende besser)

gegen baugleiche mit anderer Torsions-Federsteifigkeit und -dämpfung verändert werden. So kann aber deren Einfluss überprüft und die Eigenfrequenz etwas verschoben werden. Die Eigenschaften der Torsion wirken nur tangential in der Schwingungsrichtung und finden nur im Rotorstrang statt. Sie sind richtungsabhängig und im Rotor getrennt zu den übrigen dominierenden radialen Schwingungen am Stator eines Maschinensatzes. Beide radiale und tangentiale Schwingungssysteme sind nur in den Elastomer-Elementen indirekt gekoppelt. Stärkere Anregungen aus der Drehschwingung oder der Fehlausrichtung übertragen sich fallweise nur reduziert über die elastischen Zwischenelemente. Torsionsschwingungen können damit über die üblichen radialen Schwingungsmessungen am Lagergehäuse oder an der Welle kaum oder nur stark abgeschwächt gemessen werden. Für die Messung von Torsionsschwingungen im Betrieb können nachfolgend angeführte spezielle Systeme eingesetzt werden, die dafür angeboten werden. • Messsysteme für statische und dynamische Spannungs-Dehnungs-Messungen mit an den Maschinenwellen angebrachten Dehnmessstreifen (DMS) • Messsysteme mit speziellen Messflanschen od. Messwellen (meist mit DMS) • Messsysteme mit Magnetsensoren mit axialem Abstand zu den an Rotorscheiben angeklebten Magnetkörpern • Spezielle induktive Drehzahlsensoren an Zahnkränzen oder • Laser-Drehzahlsensoren an Rotorscheiben mit Strichmarkierungen

Literatur

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Für die Messung von Torsions-Schwingungseigenschaften können im Stillstand die üblichen Messmethoden der Eigenschwingungsanalyse eingesetzt werden. Leider ist das in der Praxis zu Unrecht weitestgehend ungebräuchlich. So können ein spezieller Anschlagversuch, eine angepasste Impulshammermessung oder die übliche s.g. Shakeranalyse eingesetzt werden. Erfasst werden muss dabei die tangentiale Schwingungsantwort zu einer tangentialen Anregung. Diese überlagert sich dabei meist mit der ebenso unvermeidlich mit angeregten Biegeeigenschwingung im Rotorstrang. Letztere sollten zur Unterscheidung bekannt sein oder vorher separat gemessen werden. Eine Seite, meist die des besser zugänglichen Antriebsmotors, sollte dabei mit mechanischen Hilfsmitteln gegen Verdrehen fest gespannt werden wie Abb. 2.2 beispielhaft zeigt. Gegenüber an der Arbeitsmaschine erfolgt die Anregung mit Impulshammer in tangentialer Richtung. Oder sie wird realisiert wie abgebildet mit einem Shaker mit der in der Frequenz einstellbaren Schwingungsanregung. Der Shaker stellt eine Spule mit regelbarer Spannung dar, mit deren entsprechend schwingenden magnetischen Kern der Rotor hier tangential über einen Koppelstab verbunden wird. Das Antwortsignal zur Anregung wird vergleichsweise dann an der Abtriebsseite des Rotors gemessen. Über einen zweiten Beschleunigungssensor am Shakerkern wird dabei die Anregung im Pegel konstant gehalten. Entgegen der mangelnden Verbreitung in der Praxis ist eine derartige maschinennahe Eigenschwingungsanalyse mit üblichen Schwingungsmessgeräten vor Ort relativ einfach realisierbar und liefert schnell brauchbare Ergebnisse zur praktischen Beurteilung. Nach der bisherigen designorientierten und systematischen Betrachtung beider Maschinenfehler werden im nächsten Kapitel deren Auswirkungen diskutiert. Damit wird die Möglichkeit eröffnet diese Fehler genauer zu beobachten, zu erfassen, zu bewerten und schließlich für einen fehlerfreien Maschinenbetrieb zu beseitigen.

Literatur 1. Abbildungen aus Datenblättern der KWD Kupplungswerk Dresden GmbH. 2. „Torsionsmessung am Schwingungsmodell“, Ingenieurbüro Dieter Franke, Messbericht unveröffentlicht, Dresden, 2013

3

Übersicht der Auswirkungen von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern

3.1

Auswirkungen in Maschinensätzen

Im Folgenden werden die vielfältigen Auswirkungen der relativ häufigen Maschinenfehler der Fehlausrichtung betrachtet. Nur punktuell werden die deutlich seltener auftretenden Kupplungsfehler an den passenden Stellen erwähnt. Die Fehlausrichtung im Wellenstrang wird in der Regel von der Ursache her als ein technisch beherrschbarer und überschaubarer geometrischer Fehler betrachtet. Dieser kann im Stillstand mit üblichen technischen Mitteln relativ sicher erfasst werden. Dessen technische Auswirkungen sind dagegen relativ komplex und nur etwas aufwendiger zweifelsfrei im Betrieb nachweisbar. Sie können an den meisten einfachen Maschinensätzen aber als Fehlausrichtungen der beiden Rotoren im Wellenstrang relativ einfach im Stillstand gemessen werden. Genauso einfach können diese durch ein radiales Verschieben oder ein Anheben der Antriebsmotorgehäuse beseitigt werden. Die ökonomischen Auswirkungen des Maschinenfehlers der Fehlausrichtung auf den Betrieb und die Instandhaltung sind langfristig kostenintensiv für Maschinenbetreiber, wie die nachfolgende Übersicht aufzeigen soll. • Dauerhafte Erhöhung des Energieverbrauchs im Betrieb durch Senkung des Wirkungsgrades • Statische und dynamische Mehrbelastung der beteiligten Bauteile führt zu erhöhtem Verschleiß in den Kontaktflächen • Dauerhafte Mehrbelastung der beteiligten Bauteile führt ggf. zu deren vorzeitigem Ausfall • erhöhter Ersatzteilbedarf an den Kupplungen und Kupplungsteilen, Wälzlagern, Dichtungen, Lagergehäusen und Lagerschilden • Daraus erhöhter Instandhaltungsaufwand

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5_3

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18

3  Übersicht der Auswirkungen von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern

• Verlängerte und ungeplante Maschinenstillstände aus Folgeschäden wie Wälzla­ gerschäden, lokaler Gehäusesitzverschleiß und Abschaltungen nach Schwingstärke-­ überschreitungen Die technischen Auswirkungen bei Fehlausrichtungen betreffen zuerst die unmittelbar beteiligten Maschinenelemente. Das nachfolgende Beispiel soll das veranschaulichen. Abb. 3.1 zeigt die Auswirkungen eines horizontalen Parallelversatzes an einem horizontalen Maschinensatz in Draufsicht. Wird der oben abgebildete entkuppelte Maschinensatz bei der Verschiebung des Motors gekuppelt, führt dies zu den hier überdehnt ge­ zeichneten Verformungen der Wellen und den daraus resultierenden Winkelfehlern der Kupplungshälften. Die zum Stator ortsfesten statischen Rotordurchbiegungen wirken im Rotor dagegen umlaufend als Durchbiegung. In den Elastomeren der Kraftübertragungs­ ebene wirken die zusätzlichen statischen und dynamischen Kräfte (Reibungskoppelung) in die Richtung der Fehlausrichtung. In den Kugellagern wirken die Winkelfehler als weniger kritische zusätzliche Zwangskräfte. Die radialen und axialen Verschiebungen ändern damit die statischen Kräfte in allen Lagern. Durch die Rotordurchbiegung im Motor tritt bei stärken Ausrichtabweichungen eine Änderung des elektro-magnetischen Spaltes ein, was so zu einer zusätzlichen Unsymmetrie im Stator führen kann. Abhängig von der Maschinen- und Kupplungsbauart tritt wie gezeigt auch automatisch ein Winkelfehler mit dem Parallelversatz ein.

Abb.  3.1  a), b): Draufsicht auf einen schematischen Maschinensatz a) oben entkuppelt und b) unten gekuppelt mit horizontalen Parallelversatz am Motor. Daraus resultieren Winkelfehler in der Kupplung und den Wälzlagern, zum Stator ortsfeste statische Rotordurchbiegungen, weniger kritischen Winkelfehler auch im Kugellager, unsymmetrische Kräfte im Kupplungselastomer und zusätzliche Motorasymmetrie durch Wellendurchbiegung und Winkelfehler

3.2  Auswirkungen in der Kupplung

19

Abb. 3.2  Pumpe mit Kupplung und einzelnen Maschinenelementen

Weiterführend sollen nun die wirkenden Kräfte und Mechanismen am horizontalen Wellenstrang betrachtet werden, um die Auswirkungen von Fehlausrichtungen und Kupplungsfehlern beurteilen zu können. Im Kraftwerksbereich sind die meisten Pumpen als häufigste Maschinen starr und horizontal aufgestellt und im Antriebsstrang biege-elastisch gekuppelt wie im Abb. 3.2 gezeigt wird. Dort sind auch die Bezeichnungen der Lagerebenen und Messrichtungen zur Verständigung für die nachfolgenden Diskussionen be­ zeichnet. Richtung (rechts) als Uhrzeitposition oder als Winkel nach [2] (in Kapitel 4).

3.2

Auswirkungen in der Kupplung

Radiallauffehler, Planlauffehler und Teilungsfehler der Kupplung treten ursächlich in den einzelnen Rotoren an den Kupplungshälften auf. Sie wirken weiterhin gegeneinander über die Koppelelemente je nach Spiel und Steifigkeit in einem ortsfesten Winkel im rotierenden System. Die damit einhergehenden statischen und dynamischen Kräfte und Verformungen im Rotorstrang laufen gegen den Stator wirkend drehfrequent um. Sie führen i. d. R. damit zu einfach und vielfach drehfrequenten Schwingungsanregungen. Die verursachten statischen und dynamischen Kräfte im Rotor und zum Stator wirken in der Rotation weiterhin im Durchlaufen der Ungleichmäßigkeit der Wälzlagerung (Lageranisotropie), wie nachfolgend erläutert. Abb. 3.3 zeigt schematisch einen lokalen radialen Versatz eines Bolzens durch Lagefehler im Bohrungsdurchmesser an einer Bolzenkupplung als Kupplungsfehler einer wälzgelagerten Maschine. Es entsteht so eine Rotoranisotropie (richtungsabhängiger Steifigkeitsverlauf) im Bereich der Kupplung im Winkelbereich beidseitig des fehlerhaften Bolzens durch radial einseitig stärkeres zusammendrücken des umschließenden Elastomer-­ Körpers. Dieses ist ortsfest im Elastomer-Element in dessen Blauton symbolisiert. In den

20

3  Übersicht der Auswirkungen von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern

Abb. 3.3  a), b): Umlaufender Teilungs-Kupplungsfehler an einem Bolzen einer Kupplungshälfte einer Bolzenkupplung mit der modellhaft rot markierten Intensität der Kräfte im Lager und dem Verschieben und Zusammendrücken in dem blauen Elastomer und beim durchlaufen der nummerierten Bolzen

anderen drei Elastomeren verteilt tritt über die Bolzen eine gleichgroße statische Gegenkraft in den Elastomeren auf. Die Lageranisotropie (Ungleichmäßigkeit) im horizontalen wälzgelagerten Rotor ist durch die steifere vertikale Auflage (roter Winkelbereich) im Wälzlager-Lastgebiet nach unten und die Lagerluft nach oben immer gegeben. Mit dem drehfrequenten Umlauf des fehlerhaften Bolzens (blauer Winkelbereich) läuft nun die dadurch ausgelöste Rotoranisotropie drehfrequent gegen die Lageranisotropie (roter Bereich) um und erzeugt so eine geringere drehfrequente meist stoßförmige Anregung. Diese kann einfach drehfrequent sein beim Eintritt ins Lastgebiet oder doppelt bei Ein- und Austritt aus dem Lastgebiet. Durch die stoßförmige Anregung können auch höhere Vielfache davon mit angeregt werden. Dagegen kommen die statischen Kräfte bei Fehlausrichtungen ursächlich i. d. R. vom falsch montierten Stator und sind im Stator ortsfest. Die daraus entstehenden Wellendurchbiegungen wirken damit auch ortsfest zum Stator und führen zu ortsfesten statischen Kräften im Stator. Sie wirken aber auch auf den umlaufenden Rotor im drehfrequenten Durchlaufen der richtungsbezogenen Schiefstellung als eine Biegewechselbeanspruchung. Sie verursachen daraus entsprechende Lagerreaktionskräfte und in den dynamischen Verformungen entsprechende Rückstellkräfte. Abb. 3.4 und 3.5 zeigen schematisch einen radialen vertikalen Parallelversatz zwischen den Maschinen und den Kupplungshälften aus parallelem Höhenversatz der Antriebsmaschine an einer elastischen Kupplung. Die Lagerreaktionskräfte sind im Stator raumfest vertikal, wogegen die Kupplung mit den darin vertikal sich aufbauenden Aktions- und Reaktionskräften (Rückstellkräfte) beim Durchlaufen jedes vertikal „zwängenden“ Bolzens umläuft. Es entsteht so im Drehen keine Änderung der Rotoranisotropie, die bereits mit den vier Bolzen fest gegeben ist wie Kap. 1 bereits erläutert. Aber die vertikale sich

3.2  Auswirkungen in der Kupplung

21

Abb. 3.4  a), b): Vertikaler Radialversatz an beiden Kupplungshälften einer Bolzenkupplung mit. Intensität der Lagerreaktionskräfte am Lager aus der axialen Blickrichtung

Abb. 3.5  Vertikaler Versatz als Ausrichtfehler am Pumpensatz (Copyright liegt bei der Prüftechnik Dieter Busch GmbH in Ismaning)

ändernde Kraft wird im vertikalen Zwängen in den Lagern mit jedem Bolzendurchlauf gegenüber deren Zwischenräumen hervorgerufen. So ändern sich die radialen Kräfte entscheidend in der Kupplung doppelt drehfrequent im Durchlaufen der beiden mit statischen Kräften beaufschlagten vertikalen Bereiche oben und unten. Als Änderung zwischen diesen wirken im Durchlaufen die kräftemäßig nicht zusätzlich beaufschlagten horizontalen Bereichen. Ausricht- und Kupplungsfehler sind bekanntermaßen unterschiedlich zu beheben und als Schlussfolgerung entsprechend bei der Abklärung immer sicher zu unterscheiden. Entweder muss als Abhilfe die Kupplung instandgesetzt werden, oder der Antriebsmotor ist auszurichten. In den schwingungsmäßigen Auswirkungen ähneln sich diese aber häufig.

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3  Übersicht der Auswirkungen von Ausrichtfehlern und Kupplungsfehlern

Für eine Unterscheidung müssen im schwierigsten Fall die beiden Wellen ggf. entkuppelt werden bzw. muss auch die Kupplung ganz demontiert werden. In der Praxis lässt sich ohne Demontage dies einfacher mit einer Ausrichtmessung abklären. Kupplungsfehler sind in der Regel seltener fertigungsbedingt und im Verschleiß i. d. R. betriebsdauerbedingt. Ausrichtfehler sind in der Regel montagebedingt bei der Aufstellung der Maschinen auf dem Schwingrahmen oder dem gegossenen Betonfundament. Sie werden weiterhin durch die Qualität der Maschinengeometrie zwischen Welle und Maschinenfüßen und den Motor- und Lagerböcken und Lagerfußplatten bestimmt. Durch die Masse der Maschinen und die Verteilung der Schwingungsdämpfer unter dem Schwingrahmen wird die Ausrichtung bei elastisch aufgestellten Maschinensätzen gleichfalls über die Durchbiegung des Rahmens beeinflusst. In derartigen Fällen kann die Einfederungstiefe der einzelnen Schwingungsdämpfer einfach mit einem Längenmaß kontrolliert werden. Die Abweichung der Lagerfußplatten zur Horizontalen ist leicht mit einer Maschinenwasserwaage überprüfbar. Eine Prüfung der Ausrichtung erfolgt im Stillstand wie in Kap. 5 beschrieben, wenn die Möglichkeit zur Abschaltung besteht. Damit lässt sich in der Regel eine Prüfung der Rundlauffehler der ge- bzw. besser entkuppelten Kupplungshälften und der zugänglichen Rotorteile verbinden. Damit sind dann die Ausricht- und Kupplungsfehler in der Regel meist relativ sicher zu unterscheiden. Im stehenden gekuppelten Maschinensatz kann dies meist nur bei Stehlagergehäusen großer Maschinen über eine Messung der Kupplungsspalte mit Fühllehren geprüft werden, wenn diese dafür zugänglich sind. Ebenso kann die ggf. zum Sollwert geänderte Lagerluft der kupplungsseitigen Wälzlager mit Fühllehren gemessen werden. Die Auswirkung der Ausrichtung im Wellenstrang auf die horizontale oder vertikale Verschiebung des Rotors in den Lagern kann so direkt im Wälzlager nachgeprüft werden. Bei kleineren und mittleren Maschine sind diese Lager meist kaum zugänglich dafür. An der Kupplung sollte ebenso stets der Axialspalt zwischen den Kupplungshälften auf Einhaltung der Vorgaben des Maschinen- bzw. Kupplungsherstellers als Teilaufgabe der Ausrichtung geprüft und dokumentiert werden. Axialspaltfehler und Teilungsfehler an Kupplungen sind häufig nur bei Demontage an Verschleißbildern der Übertragungsflächen erkennbar oder an genauen 3-D-Koordinaten-­ Vermessungen der Kupplungshälften. Sie werden bei Reparaturen an den Verschleißbildern in der Kupplung erkennbar (vgl. Fallbeispiel 11.3).

3.3

Zusammenfassung der Auswirkungen

Die bekannten Auswirkungen der Fehlausrichtung lassen sich für die nachfolgenden detaillierteren Erläuterungen wie folgt beschreiben:

3.3  Zusammenfassung der Auswirkungen

23

• Die unterschiedlichen Auswirkungen hängen von Baugröße, Bauform und Drehzahl der Maschine und dem Typ der Lagerung, des Rotors und der Kupplung und deren Steifigkeiten ab. • Die Auswirkungen der Fehlausrichtung folgen einer Funktion der Drehzahl und Steifigkeit. Das heißt, je schneller (>1500  min−1) und je steifer der Rotorstrang (starre Kupplungen und Wellen) und die Auflagerung eines Maschinensatzes ist, umso stärker sind die Auswirkungen an den Maschinenelementen. Umso stärker die Auswirkungen sind, umso höher sind die Anforderungen an die Ausrichtung und die Erfassung der Ausrichtfehler. • Dagegen je langsamer ( +0,02

- 0,00

Bewertung Ausrichtung: exzellent, akzeptabel, schlecht 0) Messung im Trudeln, 2) Messung unter Last u. Hochlauf getrennt

98

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Tab. 11.6  Ausrichtwerte, Bewertungsmaßstäbe Quelle

Bewertung

Winkelfehler

Parallelversatz

Prüftechnik [7] Prüftechnik [7] Prüftechnik [7] Prüftechnik [7] Hersteller WEA

exzellent akzeptabel exzellent akzeptabel akzeptabel

0,7 mrad = 0,040 ° 1,2 mrad = 0,07°

0,30 mm 0,86 mm 0,07 mm / 100 Zwischenwelle 0,12 mm / 100 Zwischenwelle < 0,5 mm

Hersteller Kupplung

Zulässig 1)

< 0,2 mm / 100 mm = 0,11 ° Winkelverlagerung 2 x 1,5°,

Radialverlagerung 14 mm

1) reduziert zu dem Summenwert beider Fehler

Die Ausrichtung des Generators ohne Last ist nach Tab. 11.5 „schlecht“ und unter Last im Betrieb unzureichend; diese liegt im Bereich „schlecht“ horizontal und exzellent vertikal. Sie sollte durch Neuausrichtung durch korrekte Vorgaben verbessert werden, um die statische Mehrbelastung durch statische Verlagerung und gleichfalls die dynamischen Mehrbelastungen durch Fehlausrichtung bei Last zu reduzieren und die hohen Schwingstärken an der Abtriebswelle besser auszugleichen. Diese Vorgaben ergeben sich aus den Änderungen im Betrieb mit umgekehrten Vorzeichen.

11.3 Fehlausrichtung und Wälzlagerschäden an Umluftgebläse An zwei Glühöfen-kammern für die Vergütung von Stahlwerkstücken werden Umluftventilatoren nach Tab. 11.7 beidseitig eingesetzt, um die darin erhitzte Luft gleichmäßig durch Umwälzen zu verteilen. Die fliegend gelagerten Ventilatorwellen sind extra gelagert wie Abb. 11.10 zeigt und über Zwischenwellen und Rohrstücke an die Glühöfen angeflanscht. Nach Auftreten von mehreren Lagerschäden nach kurzer Laufzeit wurde eine einfache analoge Wälzlager-Dauerüberwachung eingesetzt. Nach Lagertausch traten z.T. bereits nach 14 Tagen erneute Schäden auf, von denen Abb. 11.9 ein typisches Beispiel zeigt. Zur Ursachenfindung erfolgte eine Diagnose. Nach einer eingehenden Analyse der Schadensbilder und Begutachtung an einem Wälzlager wurde als Ursache starker abrasiver Verschleiß durch Lagerunterlastung zugeordnet. In der Breite der Laufspur der Kugeln wurde je eine „rauhe Nut“ ca. 1,5 mm breit und bis 1 mm tief gleichmäßig umlaufend festgestellt. An dem zweireihigen Kugellager war diese Nut auf der Ventilatorseite tiefer eingearbeitet.

Tab. 11.7  Maschinendaten Fallbeispiel 3 – Ausrichtfehler Umluftventilator Diagnoseobjekt 4 Umluftventilatoren mit Zwischenwelle Anlass Lagerschäden nach fallweise nur 14 Tagen Leistung 75 KW

Aufstellung Gebläse Kupplung

starr an Flansch

Drehzahl

3600 min−1

Klauenkupplung

11.3  Fehlausrichtung und Wälzlagerschäden an Umluftgebläse

99

An den Kugeln war eine Vielzahl von kleinen Kratern sichtbar. Dieses Fallbeispiel wird im Buchband Wälzlagerdiagnose mit diesen Aspekten noch tiefergehender erläutert. Abb. 11.10 zeigt eine Bewertung der gemessenen Schwingstärken v rms in mm/s nach DIN-ISO 10816-3 die zwischen dem Bereich für „Langzeitbetrieb und nur für Kurzzeitbetrieb zulässig“ liegen an den vier Maschinensätzen. Damit können diese Schwingstärken nicht Ursache sein für diese in extrem kurzer Zeit auftretenden Lagerschäden (Abb. 11.11). An den einzelnen Maschinensätzen traten schwankende Pegel während der Charge und zwischen verschiedenen Chargenläufen auf. Die Abb. 11.12 und 11.13 zeigen

Abb. 11.9  Lagerschaden an Umluftventilator

Abb. 11.10  Umluftventilator und Messstellen

Abb. 11.11  Bewertung der Messergebnisse Schwingstärke

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

100

Abb. 11.12  a), b): Messbildschirm von wechselnder temporärer Schwingstärkeanregung an Motor A-Seite vertikal links mit 2. Harmonische od. rechts mit 1. Harmonische Drehfrequenz

a v mm/s 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0 -4,5 -5,0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 t ms

b v mm/s 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550 f Hz

Abb. 11.13  a), b): Schwingstärkeanregung an Motor A-Seite, vertikal, links a) Zeitsignal sinusförmig mit Drehfrequenz, rechts b) im Spektrum 1. v (fn) mit 3,1 mm/s

11.3  Fehlausrichtung und Wälzlagerschäden an Umluftgebläse

101

für dieses Fallbeispiel typische Schwingungsanregungen im Schwinggeschwindigkeitsspektrum wechselnd mit 1. und 2. Harmonischer der Drehfrequenz an der Antriebsseite des Motors, die im 60 Hz-Netz an einem zweipoligen Motor bei ca. 60 bzw. 120 Hz liegen. Um eine Resonanzverstärkung auszuschließen wurde die Eigenfrequenz der Zwischenwellen im Anschlagversuch gemessen. In beiden Hauptträgheitsachsen vertikal und horizontal liegen diese mit 94,1 und 88,8 Hz außerhalb des Resonanzbereiches, wie im Diagramm im Abb. 11.14 dokumentiert. Die o. a. Anregung mit Drehfrequenz ist ein Hinweis auf Fehlausrichtung, weshalb eine Ausrichtmessung installiert und durchgeführt wurde. Da Laserausrichtgeräte oft keine Flanschbetriebsart haben wurde eine dafür angefertigte Stahlplatte zur Abdeckung einer Kupplungshälfte eingebaut und darauf eine Messuhr mit Magnetstativ angebracht, wie auf Abb. 11.15, 11.16 und 11.17 gezeigt. Prinzipiell funktioniert dies aber auch mit einem Lasersystem als Mehrpunktmessung ungekuppelt mit Laser auf der Welle und Magnet-­Gleit-­ Spannvorrichtung auf dem Flansch mit dem Flanschdurchmesser als Kupplungsdurchmesser. Die Messung des Winkelversatzes ergaben Werte von 0,8 bis 1,7 mm laut Tab. 11.8. Die zulässigen Abweichungen bei 200 mm Kupplungsdurchmesser und 3600 min−1 liegen bei 0,08 mm, die damit deutlich überschritten würden. Über die Hebelverhältnisse liegen die Werte am laufradseitigen Lager um 4,2 höher und in der Kupplungsmitte bei 50 % davon.

Abb. 11.14  a): Bildschirm Anschlagversuch Gebläsewelle vertikal 94,1  Hz b) Messbildschirm Anschlagversuch Gebläsewelle horizontal 88,8 Hz

Abb. 11.15  Messung von Winkelversatz und Parallelversatz am Kupplungsflansch

102

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Abb. 11.16  a), b): Einbausituation der Klauenkupplung mit a) links axialen und b) rechts radialen Verschleißspuren

Abb. 11.17  a), b): Ausrichtung mit Messuhr und Magnetstativ an antriebseitiger Kupplungshälfte, a) links Parallelversatz, b) rechts Winkelversatz am Flanschdurchmesser Tab. 11.8  Winkelversatz und Parallelversatz am Kupplungsraum-Flansch gemessen

Sollwert 0,08mm V1 V2 V3 V4

Winkelversatz davor in mm 0,99 bei 8:00 1,05 bei 3:00 0,8 bei 9:00 1,6 bei 3:00

Parallelversatz davor in mm 0,92 bei 8:00 - 1,14 bei 9:00 0,87 bei 9:00 - 1,73 bei 9:00

Winkelversatz danach in mm 0,35 bei 8:00 -0,4 bei 3:00 0,51 bei 8:00 0,80 bei 3:00

Parallelversatz danach In mm - 0,11 bei 6:00 - 0,42 bei 6:00 - 0,35 bei 6:00 - 0,30 bei 6:00

axialer Kupplungsabstand mm vor/nach davor/ danach 5/6,5 3/6,5 4/6,5 3/6,5

11.3  Fehlausrichtung und Wälzlagerschäden an Umluftgebläse

103

Die Berechnung der durch die Fehlausrichtung auftretenden radialen statischen Kräfte zeigt in einer Übersicht die Tab. 11.9. Dafür wurden die Geometrieabweichungen mit den dafür im Versuch ermittelten radialen Steifigkeitswerten des Elastomerringes umgerechnet. Um die Lagerunterlastung zu beseitigen, wurde ein zusätzlicher vertikaler Versatz durch neue „schief“ ausgeführte und exzentrisch gedrehte Flanschringe realisiert. Die Berechnung der durch die Fehlausrichtung auftretenden axialen statischen Kräfte zeigt in einer Übersicht Tab. 11.10. Dafür wurden die Geometrieabweichungen mit der dafür im Versuch ermittelten axialen Steifigkeitswerte des Elastomer-Ringes umgerechTab. 11.9 Auswirkung der Fehl­ ausrichtungen in radialer Richtung

Position gemessene radiale Verschiebung bei Testbelastung ergibt eine radiale Steifigkeit von Wälzlagerlast durch seitlichen radialen Versatz vor der Neuausrichtung in Kupplungsmitte bei ergibt Radialkraft von – wirkt seitlich zur statischen Last keine kritischen Auswirkungen auf das Wälzlager Wälzlagerlast – radialen Versatz in Schwerkraftrichtung: realisierter radialer gezielter Versatz am Motorflanschring in Schwerkraftrichtung beträgt in Kupplungsmitte und ergibt eine zusätzliche Radialkraft von damit ein Überschreiten der radialen Mindestbelastung von

Daten 0,15 mm bei 13 kg 850 N/mm von max. 0,8 bis 1,7 mm 0,38 bis 0,81 mm 323 bis 693 N

max. 0,11 bis 0,42 mm 0,05 mm bis 0,20 mm 43 N bis 170 N 320 N

Tab. 11.10  Auswirkung der Fehlausrichtungen in axialer Richtung Position Axialspiel der Kupplungshälften 4,3 bis 5,5 mm gemessene radiale Verschiebung bei Testbelastung Unterschreitungen des Sollwertes des Herstellers von gemessene axiale Verschiebung von Testbelastung ergibt eine axiale Steifigkeit von axialen Unterschreitung von ergibt dies eine zusätzliche Axialkraft von Diese wirkt entgegen der aeromechanischen statischen Axialkraft aus dem Laufrad Führt zur Entlastung einer Lagereihe des doppelreihigen Pendelkugellagers (die auf der Kupplungsseite)

Daten 4,3 bis 5,5 mm 6,5 mm 1,30 mm bei 80 kg 604 N/mm max. 3,5 mm < 2114 N max. 1800 N

104

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Abb. 11.18  Übersicht Abhilfemaßnahmen an Umluftgebläse

net. Die Unterschreitungen der axialen Abstände der Kupplungshälften wirken gegen die Kraft durch das Laufrad und resultierend zur Entlastung einer Lagerreihe des zweireihigen Festlagers. Nach einstellen des korrekten Axialabstands wurde dies beseitigt. Nach den nachfolgenden Korrekturmaßnahmen laufen die Anlagen seitdem problemlos. Die gezielte Fehlausrichtung wurde eingesetzt, um die Lagerbelastung zu erhöhen und damit die radiale Lagerunterlastung zu beseitigen. Abb. 11.18 zeigt eine Übersicht der Abhilfemaßnahmen, die nachfolgend in einer Liste dazu aufgelistet sind. Weitere Details zu den Abhilfemaßnahmen des Wälzlagerbetriebs diese Fallbeispiels sind im Band Wälzlagerdiagnose erläutert. Übersicht der Abhilfemaßnahmen: 1. Axiales Zwängen in der Kupplung beseitigt – durch axiales verschieben einer Kupplungsseite auf dem Wellensitz 2. Antriebsseitige Wälzlager mit beginnendem oder fortgeschrittenem Schadensbild wurden ausgetauscht 3. Empfehlung Wälzlager verkleinern 4. Zusätzliche radiale Belastung der Problemlager mittels gezieltem radialem Wellenversatz 5. Winkelversatz der Ventilatorwelle- durch eine gezielt einseitig geänderte Dicke der Distanzringe am Motorflansch ausgeglichen 6. Empfehlung Welle verkleinern

11.4 Axiale falsche Ausrichtung im Motor an Absaugventilator An einem Ventilator nach Tab. 11.11 traten stark erhöhte axiale Schwingstärken auf. Eine Besonderheit des Maschinensatzes auf Abb. 11.19 ist das fehlende Axiallager am Motor, weshalb das motorseitige Festlager des Ventilators diese Funktion übernehmen muss. Dies war allerdings in der Maschinenkonstruktion im Design so nicht vorgesehen. Die erhöhten Schwingstärkewerte am Ventilator lagen nach Tab. 11.12 mit den Maximalwerten axial im „Bereich, in dem Schäden entstehen“. Die erhöhten Schwingstärkewerte am Motor lagen nach Tab. 11.13 mit den Maximalwerten ebenso axial und bis auf die B-Seite in vertikaler

11.4  Axiale falsche Ausrichtung im Motor an Absaugventilator

105

Tab. 11.11  Maschinendaten Fallbeispiel 4 – Ausrichtfehler an Absaugventilator Diagnoseobjekt 1 Abluftgebläse, neu 97 m3/h; 235 mbar, 59°C Anlass Axial Schwingungen bis 30 mm/s, Gehäuserisse Leistung Motor

2,38 MW gebraucht mit Gleitlager ohne Axiallager

10816-3

11,0 ↓

v rms

7,1 ↓

2 Hz… ...1 kHz

Ventilator Läufer Kupplung Drehzahl Aufstellung Gebläse/Motor

Radial einflutig, Drallregler am Ansaug, Anlauf mit FU In Zwischenlagerung, B-Lager Lagerbock, Bolzenkupplung 1500 min−1 Rahmen starr auf Beton

4,5 ↓ 2,8 ↓

Abb. 11.19  Motor mit Gleitlager an wälzgelagerten Radialventilator mit Messebenen Tab. 11.12  Schwingstärkewerte des Motors v rms und v 0p nach ISO 10816-3 in mm/s ISO 7919-3 v mm/s v mm/s v mm/s v mm/s v mm/s v mm/s

Messstelle M DE M DE M DE M DE M DE M DE

Richtung v v2 h h2 ax ax2

v rms

v 0p

13,6 21,0 7,0 8,2 26,6 30,7

35,0 -55,0 20,0 25,0 75,0 78

Messstelle M NDE M NDE M NDE M NDE M NDE M NDE

Richtung v v2 h h2 ax ax2

v rms

v 0p

GV

3,6 3,9 6,4 8,3 4,3 5,2

11,0 10,0 20,0 30,0 13,0 17,0

35 35 35 35 35 35

Neu in Betrieb < 2,0 mm/s, Langzeitbetrieb < 3,9 mm/s, Kurzzeitbetrieb < 5,9 mm/s, Schäden entstehen > 5,9 mm/s, ISO 7919-3 spp shaft < 120 µm, < 230 µm, > 350 µm … in v rms umgerechnete Werte

106

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Richtung alle im „Bereich, in dem Schäden entstehen“ und beim bis zum 2,5-fachen der Werte am Ventilator. Die Grenzwerte für Gleitlager im Schwingweg an der Welle wurden über die maximale Schwingungskomponente Drehfrequenz hier zum Vergleich in Geschwindigkeitswerte umgerechnet. Da die hier verglichenen Gehäusewerte durch die Lagerdämpfung niedriger sind als Werte an der Welle, ist die Bewertung auf der sicheren Seite. Damit lässt sich zunächst der Motor als dominant axial schwingende Anregungsquelle identifizieren. Der Motor wurde mit Gleitlagern ausgeführt und der einflutige Radialventilator mit Wälzlagern. Die Kupplung ist als Bolzenkupplung ausgeführt und wurde mit einem Laser­ ausrichtgerät vermessen. Die Ausrichtwerte sind in Tab. 11.14 aufgelistet. Im Stillstand zeigt sich der Axialspalt in der Kupplung im Rahmen der Toleranz. Im Betrieb konnten visuell und optisch stark axiale Bewegungen der Motorwelle mit 0,2 Hz beobachtet werden bis ca. einen Millimeter. Die Spektren der Abb. 11.23, 11.24, 11.26 zeigen nur Anregungen axial dominierend mit der 1. und 2. Harmonischen der Drehfrequenz. Die Hochlaufkurven im Abb. 11.20 und 11.21 zeigen ein starkes Ansteigen der Schwinganregung in der 1. Harmonischen mit der Drehzahl ab 1000 bis 1500 min−1. Die Phasendrift im weiten Drehzahlbereich im Abb. 11.22 Tab. 11.13  Schwingstärkewerte des Ventilators v rms/v 0p nach ISO 10816-3 in mm/s ISO 10816-3 v mm/s v mm/s

Messstelle V DE V DE

Richtung v1 v

v rms

v 0p

Richtung v1 v

v rms

v 0p

GV

20,0 30,0

Messstelle V NDE V NDE

6,6 7,4

1,4 2,1

3,0 5,0

40 40

v mm/s v mm/s v mm/s v mm/s

V DE V DE V DE V DE

h1 h ax1 ax2

4,8 5,1 12,3 12,1

10,0 15,0 55,0 40,0

V NDE V NDE V NDE V NDE

h1 h ax1 ax2

4,2 4,6 3,6 3,1

12,0 15,0 12,0 10,0

40 40 40 40

Richtung h h

s mm

Neu in Betrieb < 3,5 mm/s, Langzeitbetrieb Kurzzeitbetrieb 11,0 mm/s,

Tab. 11.14  Abweichungen von Fluchtungen Länge

Teil

Lagerlänge Lagerlänge

Lager Welle

Teil Welle Welle

Messstelle M DE M DE

Richtung h h

Messstelle M zu V DE M zu V DE

Länge

Teil

Maschinensatz Maschinensatz

s mm + 0,25 + 0,3

Richtung an DE an NDE

Richtung v h

Richtung h

s mm

Welle

Messstelle M NDE

Welle

M DE

h

+ 0,0

+ 0,9

Richtung zu DE Motor zu DE Motor

Messstelle M NDE M NDE

Parallel Versatz *) -0,16 +0,02

+ 0,2 + 0,3

Richtung an DE an NDE

Winkelversatz *) +0,01 +0,01

Messstelle V DE

Richtung h

s mm

V DE

h

- 1,1

- 0,36

Richtung zu DE Motor zu DE Motor

- Fehler von der Horizontalen Linie am Lager sind berechnet aus den erwähnten Fehlern, Nullpunkt am Motor - 0,06 mm für Gleitlager Ölfilm bei 1500 min−1, Grenze 0,10 mm - *) gemessen mit Laserausrichtsystem von Betriebspersonal

11.4  Axiale falsche Ausrichtung im Motor an Absaugventilator

v [mm/s]

107

M

20 15 10 5 0 Phase [°]

300

400

Title

M

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400 Speed [RPM]

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400 Speed [RPM]

150 100 50 0 -50 -100 -150

Abb. 11.20  Hochlaufkurve, 1. Harmonische min−1, 1465 min−1, M DE: 12 mm/s; V DE: 9 mm/s, blau Motor horizontal DE, braun Ventilator, horizontal DE; M DE max. bei 1413 M DE: 16.0 mm/s, V DE: 3.0 mm/s

v [mm/s]

M

50 40 30 20 10 400 Phase [°]

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Speed [RPM]

Title

M

150 100 50 0 -50 -100 -150 400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

Speed [RPM]

Abb. 11.21  Hochlaufkurve, 1. Harmonische min−1, 1490  min−1, M DE: 33.9  mm/s; V DE: 10,6 mm/s, blaue Kurve Motor axial DE; braune Kurve Ventilator axial, DE

v [mm/s] 5

M

4 3 2 1 0 200 Phase [°]

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Title

1400 Speed [RPM] M

150 100 50 0 -50 -100 -150 200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400 Speed [RPM]

Abb. 11.22  Nachlaufkurve, 1. Harmonische min−1, 1456 min−1, DE: 3.3 mm/s; NDE: 2.8 mm/s, blaue Kurve Motor axial DE; braune Kurve Ventilator axial, DE

0

0

10

10

Title

20

20

M

M

30

30

40

40

50

2

50

2

60

60

70

70 3

3

80

80

90

90

100

4

100

4

110

110

120

120 5

5

130

130

140

140

150

D

150

D

160

160

170 f [Hz]

170 f [Hz] 10 9 8 7

10 9 8 7

Abb. 11.23  Frequenzbereich, Geschwindigkeit, 1 … 6. Harmonische fn min−1, 24,97 Hz; Zoom: Motor horizontal DE, unten Ventilator, horizontal, DE; Seitenband 0,43 Hz

0

2

4

6

8

vop [mm/s] 10

0

2

4

6

8

10

vop [mm/s]

108 11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

11.4  Axiale falsche Ausrichtung im Motor an Absaugventilator vop [mm/s] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

109

sDe2 3e4 4 3e2s1sM

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85 f [Hz]

Abb. 11.24  Frequenzbereich, Hüllkurve Geschwindigkeit, 1. ... 3. Harmonische, fn 24.79 Hz, Motor axial DE; Seitenband 0,76 Hz

v [mm/s channel A]

D

M

100 50 0 -50 -100

0

500

v [mm/s channel B] 100

1000 Title

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000 t [ms]

D

M

50 0 -50 -100

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000 t [ms]

Abb. 11.25  Zeitbereich, Geschwindigkeit, delta t 1485 ms, oben Motor axial DE, unten Ventilator, axial, DE

weist auf eine stärker erhöhte axiale Vorspannkraft hin. Im Gegensatz dazu zeigt die Nachlaufkurve im Abb. 11.22 ein sofortiges Abfallen der Schwingstärke nach Strom aus auf 20 % des Schwingstärkepegels. Damit ist nachgewiesen, dass die Anregung axial lastabhängig und von einer starken axialen ­elektromagnetischen Unsymmetrie des Motors ohne Festlager verursacht wird. Eindrucksvoll zeigt Abb. 11.27 das Auslenken des Rotors durch Asymmetrie mit der Spitze im negativen und das Anstoßen an der Kupplung in positiver Richtung mit stark begrenzter Auslenkung. Auch sind die dominierenden Anregungen nur am Motor und niedriger am Ventilator. Abb. 11.25 in einer anderen Situation zeigt eine periodische Änderung der Kräfte im axialen Auslenken durch den elektromagnetischen Zug zur Magnetfeldmitte im Motor und im Zurückziehen durch das Festlager am Ventilator als Schwebung der drehfrequenten Anregung. Es kann eine Beseitigung nur durch korrektes axiales elektromagnetisches Ausrichten des Rotors im Motor erreicht werden. Der Rotor muss in seiner axialen Lage in die elektromagnetische Mitte gebracht werden als Abhilfe. Als Folge der axialen extremen Schwingstärken war bereits am Motor eine Stütze des Hilfsrahmens unter dem antriebsseitigen Lager des Motors gerissen.

0

0

10

T itle

10

20

20

M

M

30

30

40

40

50

D

50

D

60

60

70

70 3

3

80

80

90

90

100

4

100

4

110

110

120

120 5

5

130

130

140

140

150

6

150

6

160

160

170 f [Hz]

10 78 9

170 f [Hz]

10 78 9

b

Abb. 11.26  a), b): a) Frequenzbereich, Geschwindigkeit, 2 … 5. Harmonische min−1 , 24.79 Hz; oben Motor axial DE, unten Ventilator, axial, DE; Seitenband 0,68 Hz; b) Zoom: M DE ax 30.0 mm/s; unten: V NDE ax 3.5 mm/s

0

10

20

30

40

50

vop [mm/s]

0

10

20

30

40

50

vop [mm/s]

a

110 11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

11.5  Radiale Wellenausrichtung an vertikaler Pumpe

111

v [mm/s channel A] 40 20 0 -20 -40 0

100

v [mm/s channel B]

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

T itle

2000 t [ms]

40 20 0 -20 -40 0

100

200

2000 t [ms]

Abb. 11.27  Zeitbereich, Geschwindigkeit, Asymmetrie, Spitzen mit Abstand Drehperiode, oben Motor axial, DE, unten Ventilator, axial, NDE

11.5 Radiale Wellenausrichtung an vertikaler Pumpe Die Lager des vertikalen Motors (wie auf Abb. 11.28) an einer Kondensatzwischenpumpe nach Tab. 11.15 in einem Kraftwerk fallen auch schon bereits nach 0,3 bis 1,8 Jahren mit Überstromabschaltung am Motor aus. Mehrfach fallen die Lager jedoch auch schon nach wenigen Stunden bereits aus. Es lag eine Befundung von einem defekten Lager vor und zeigte eine mäßige Schiefstellung, zeitweise hohe Axialbelastung und Schmierstoffausfall als potenzielle Ursachen auf. Die Schwingstärke des Maschinensatzes war geringer und lag bei 1–2 und vereinzelt bei 2,3 mm/s nach [1]. Abb. 11.29 zeigt neben der geringen Unwuchtanregung eine in der Schwingstärke seltene Anregung durch den Käfigumlauf, der auf hohe Kräfte im unten liegenden Festlager hindeutet, das die Rotormasse als Axiallast trägt. Das nichtantriebsseitige oben liegende Loslager ist dagegen durch fehlende Radiallast und geringe Axiallast in der Unterschreitung der Mindestbelastung permanent ausfallgefährdet. Abb. 11.30 zeigt im Hüllkurvenspektrum impulsförmige Anregung aus gestörtem Käfigumlauf im Körperschall, was an Axiallagern auf impulsförmigen Radial-­Axiallastwechsel hinweist. Die auffälligen sofortigen Ausfälle nach Wiederinbetriebnahme eines Motors stehen hier erfahrungsgemäß mit einer mangelnden Loslagerfunktion nach Erwärmung unter Leistungsanstieg und dem folgenden Strecken des Rotors und temporär hoher AxialTab. 11.15  Maschinendaten Fallbeispiel 5 – Wellenausrichtung an vertikaler Pumpe Diagnoseobjekt Kraftwerk Kondensatzwischenpumpe Anlass div. Lagerschäden an Motor Leistung 200 KW

Aufstellung Motor/Pumpe Kupplung Drehzahl

Starr vertikal auf Betonfußboden biege-, drehelastisch 1490 min−1, ungeregelt

112

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Abb. 11.28  a), b): Vertikale Kondensatzwischenpumpe im Kraftwerk mit a) Motor links nach oben und b) Pumpe rechts unten mit Zwischenlagerung und Kupplung

Abb. 11.29  Motor AS horizontal: Spektrum Schwinggeschwindigkeit [2] am14.03.2012

last in Zusammenhang. Dabei könnte hier die Kombination einer Schiefstellung im Axiallager durch Winkel-Fehlausrichtung im Rotorsatz unter Last und Ausbiegen des Rotors unter axialer Blockade am Loslager auftreten. Bei Ausfall nach längerer Laufzeit tritt dabei ein Zusammenhang mit Mangelschmierung auf. Am B-Lager kann damit ein Ausfall wegen Unterlastung und dadurch verursachten Schmierungsausfall angenommen werden. Abb. 11.31 zeigt die Messwerte des Ausrichtprotokolls mit einer Messuhr. Die Werte vom 19.03.2012 links zeigen nach Lagerwechsel eine festgelegte größere Fehlausrichtung von 1,15 mm, um so die Radiallast am Loslager ausreichend zu erhöhen.

0

10

2

(10, 20) K ä f igfreq.

M

20

3 4

5

6

30

7

8

40

9

10

12

50

11

13

60

14

70

15 16

17 19

80

18

20

90

21 22

(102,94) Überrollfrequenz

100

23

24

25

110

26

120

27 28

(122,55) Aussenringfrequenz

29

31

130

30

32 34

140

33

150

35

36

37 160

38

170

39 40

41

43

180

42

(176,05) Innenringfrequenz

44

190

200

45 46 47

48

49

56

61

210

220

230

240

250

260 f [Hz]

RPM 54 : 1490 (24,83Hz) M(x) : 4,14 Hz (0,17 Ordnungen) M(y) : 0,107 m/s² 62 D(x) : 265,25 57 Hz 58 (10,68 60 Ordnungen) 50 51 63 D D(y) : 0,013 m/s² 59 52 53

55

Abb. 11.30  Motor AS horizontal: Hüllkurvenspektrum Schwingbeschleunigung nach [5] am 14.03.2012 mit Impulsspektrum aus impulsförmiger Käfiganregung

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

a rms [m/s²]

11.5  Radiale Wellenausrichtung an vertikaler Pumpe 113

114

11  Fallbeispiele der Fehlausrichtung

Abb. 11.31  Messwerte horizontale Ausrichtung Motor in mm mit Messuhr an Motorseite der Klauenkupplung, links am 19.3.2012 und rechts am 13.02.2013

Nach erneuten Lagerproblemen wurde nach Lagerwechsel am 13.02.2013 in der Neuausrichtung diese gezielte Fehlausrichtung versäumt (nur 0,01 mm Fehler). In der Folge traten erhöhte Lagertemperaturen auf, die erst nach einer erneuten gezielten Fehlausrichtung wieder verschwanden. Bilder  und Messdaten des Fallbeispiels 11.5 wurde freundlicherweise von Herrn Patrick Stang zur Verfügung gestellt. Die aufgeführten Messdatengrafiken sind Ausgaben von Messgeräten und der PC-Software der Prüftechnik Dieter Busch GmbH.

Literatur 1. DIN-ISO 10816-3 „Mechanische Schwingungen“ – Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen  – Teil  3: Industrielle Maschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 min−1 und 15000 min−1 bei Messungen am Aufstellungsort (ISO 10816-3:2009 + Amd.1:2017) 2. DIN-ISO 20816-1: Mechanische Schwingungen – Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-1:2016) 3. VDI 3834, Blatt 1: Messung und Beurteilung der mechanischen Schwingungen von Windenergieanlagen und deren Komponenten – Windenergieanlagen mit Getriebe; 2015-08 4. Handbuch Ausrichten, Prüftechnik Alignment System GmbH, Ausgabe 1: 10/2005, Ismaning 5. VDI 3832: Schwingungs- und Körperschallmessung zur Zustandsbeurteilung von Wälzlagern in Maschinen und Anlagen, 2013–04

Zusammenfassung

12

12.1 Ausrichtmethodik an Maschinensätzen Die wichtigsten Zusammenhänge aus diesem Band werden hier für die praktische Anwendung als Übersicht in Stichpunkten zusammengefasst. Die Fehlausrichtung im Wellenstrang wird als gut beherrschbarer geometrischer Fehler betrachtet. Dessen technische Auswirkungen und Erscheinungen sind dagegen aber meist relativ komplex. Als Maschinenfehler führt er zunächst zu Änderungen der statischen Kräfte und weiterhin zu zusätzlichen dynamischen Kräften zwischen den Maschinenkomponenten. Fehlausrichtungen können durch die Änderung der statischen Kräfte zu kritischen Wälzlagerfehlern und durch Geometriefehler zu Dichtungsfehlern führen. Aus­ wirkungen daraus können über die Betriebsdauer final zu Schäden an den betroffenen Komponenten führen. Über komplexere Übertragungswege führt er weiterhin zu erhöhten Schwingstärkeanregungen und zu erhöhtem Verbrauch von Antriebsenergie. Er kann relativ einfach im Stillstand mit Laserausrichtsystemen erfasst und durch verschieben der Antriebsmotorgehäuse und mittels Beilagen unter die Motorfüße einfach beseitigt werden. Die Ausrichtkontrolle und -korrektur sollte bei Montage und Instandhaltung über den gesamten Lebensdauerzyklus von Maschinensätzen im Maschinenpark lückenlos umgesetzt werden. Bei relevanten Ausrichtänderungen im Betrieb müssen diese in der Ausrichtvorschrift und bei der Ausrichtung im Stillstand beachtet werden.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5_12

115

116

12 Zusammenfassung

12.2 Anwendung der Wellen-Ausrichtung 12.2.1 Sichere Handhabung von Ausrichtzuständen • Die Fehlausrichtung von Wellensträngen in Maschinensätzen wird in Statistiken als der zweithäufigste Maschinenfehler nach der Rotorunwucht genannt. • Sie sollte für die konkrete Anwendung bis zu einer zulässigen Rest-Fehlausrichtung reduziert werden und ist als reduzierter Maschinenfehler immer vorhanden. • Über eine flächendeckende Durchführung der Ausrichtung an gekuppelten Antriebsmaschinen über deren Lebensdauer ist diese in Maschinenparks mit Laserausrichtsystemen relativ sicher realisierbar. • Hauptanwendung der Ausrichtung ist die Wellenfluchtung von zwei und mehr Maschinen in Maschinensätzen mit gekuppelten Wellensträngen. • Besondere Bedeutung hat weiterhin die Fluchtung der Bohrungshälften der Sitze der Lagerschalen bei langen schweren Rotoren in der Lagergasse an Turbinensätzen im Stillstand unter Berücksichtigung des massebedingten Rotordurchhangs und die Erfassung und Einrechnung der „Vorgaben“ des thermischen Wachstums im Betrieb. • Bei stärker elastisch aufgestellten Antriebssträngen wie auf Maschinenträgern von Windturbinen müssen die lastbedingten mittleren „Verlagerungen“ im Betrieb durch quasistatische Verformungen unter dem Lastmoment als „Vorgaben“ vorher ermittelt und in die Ausrichtung eingerechnet werden. • Beim Einkauf und der Abnahme von Maschinensätzen müssen die zulässigen und vorhandenen Ausrichttoleranzen definiert, erfasst und dokumentiert sein. Sie müssen ggf. mit Ausrichtkontrolle und/oder Schwingstärkemessung geprüft werden. Die Wartungsanleitung sollte die gesamte Ausrichtvorschrift ausreichend dokumentieren. Dazu gehören auch potenziell relevante Ausrichtänderungen im Betrieb.

12.2.2 Erfassung und Auswertung von Fehlausrichtungen und Kupplungsfehlern 1. Die Messung der Fehlausrichtung im Wellenstrang erfolgt im „quasi“ Stillstand der Maschine zwischen beiden Kupplungshälften, als Bezugszustand der Ausrichtung. 2. Bei der Fertigung von Getrieben ist die passende innere Fluchtung der Lagerbohrungen und damit geringe Winkelfehler im Betrieb der Rollenlager und der Zahneingriffe zu sichern. Winkelfehler entstehen unter der Resultierenden von Querkraft aus dem Moment- und aus der Schwerkraftwirkung. Bei der Montage von Getrieben ist unter den Verformungswirkungen der Momente und Kräfte die äußere Fluchtung der Antriebs- und Arbeitsmaschine jeweils zum Getriebe ausreichend zu sichern; was auch bei sich im Betrieb ändernden Verformungen und Temperaturen im Mittel der Fall sein sollte.

12.2  Anwendung der Wellen-Ausrichtung

117

3. Im Gegensatz zu Ausrichtfehler treten geometrische Kupplungsfehler erfahrungsgemäß deutlich seltener auf und haben weniger kritische Auswirkungen. 4. Designfehler der Biegesteifigkeit in der Auswahl der elastischen Kupplung führen zu erhöhten Biegeschwingungen bei stärkeren Fehlausrichtungen im Rotorstrang und nachfolgend zu erhöhten Schwingstärken radial am Gehäuse. 5. Designfehler der Torsionssteifigkeit in der Auswahl der Kupplung führen zu erhöhten Torsionsschwingungen im Rotorstrang und nicht am Gehäuse. 6. Kupplungsbauarten mit Klauen, Bolzen haben tangential in der Momentenübertragung starke Steifigkeitssprünge zwischen den Teilungen in den elastischen Zwischen­ elementen, die zu Schwingungsanregungen bei Fehlausrichtungen und Kupplungsfehlern führen. 7. Die Erfassung des Ausrichtzustandes erfolgt im quasi Stillstand ohne größeres Drehmoment im langsamen Verdrehen in die sollgemäße Drehrichtung an den beiden Kupplungshälften. Die Bewertung der Messergebnisse in der Abweichungen zur Fluchtung erfolgt dort gleichfalls in der Kraftübertragungsebene. 8. Die Bewertung erfolgt i. d. R. automatisch im Laserausrichtsystem nach Toleranztabellen mit sinkenden Toleranzen für steigende Maschinendrehzahlen. 9. Bei stärker „elastischen“ Aufstellungen kommen die lastabhängigen Verlagerungen im Ausrichtvorgang hinzu, die als Vorgabe im Betrieb vorher ermittelt werden und die in die Korrekturergebnisse einfließen. 10. Bei den großen Turbinensätzen und thermisch höher beanspruchten Maschinen kommen die thermischen Verlagerungen im Ausrichtvorgang als im Betrieb vorher zu ermittelnde Vorgaben hinzu. 11. Einzelne Ausrichtmessungen pro Umdrehung sollten mehrfach wiederholt und die Ergebnisse mehrerer Messreihen dann gemittelt werden, um Messfehler zu minimieren und die temporären Einflüsse auszugleichen. 12. Laserausrichtsysteme haben sich heute für die Maschinenausrichtung im Maschinenpark auf Grund einer Vielzahl von Vorteilen in der Anwendung als Stand der Technik durchgesetzt.

12.2.3 Auswirkungen von Fehlausrichtungen 1. Auswirkungen der Fehlausrichtung hängen von Größe, Bauform und Drehzahl des Maschinensatzes und dem Typ der Lagerung und Kupplung sowie insbesondere von deren Steifigkeiten zwischen den einzelnen Maschinen und Komponenten ab. 2. Die zulässige Ausrichttoleranz ist abhängig von der Drehzahl und unterschieden in der Elastizität in der Kupplung der beiden gekuppelten Maschinen (Rotors- Lager-­ Sätze) im Maschinensatz. 3. Die Fehlausrichtung im Wellenstrang erhöht ansteigend mit ihrem Ausmaß den Antriebs-­Energie-Verbrauch des Maschinensatzes um bis zu 3 % max. 5 %.

118

12 Zusammenfassung

4. Umso schneller ein Maschinensatz dreht, umso stärker sind die dynamischen Auswirkungen einer Fehlausrichtung an den Maschinenelementen und umso höher sind die Anforderungen an die Ausrichtung und die Erfassung der Ausrichtfehler und umso niedriger die zulässigen Toleranzwerte. Gegeben durch deren meist kleinere und mittlere Baugrößen sind auch Änderung der statischen Belastungen durch Fehlausrichtung nur in engeren Grenzen tolerierbar. 5. Umso langsamer ein Maschinensatz ist, umso geringer sind die dynamischen Auswirkungen einer Fehlausrichtung und umso höher können die zulässigen Toleranzwerte sein. Langsame Maschine haben meist größere Abmessungen und ertragen dadurch auch besser begrenzte statische Mehrbelastungen oder Entlastungen. 6. Die Fehlausrichtung wirkt zuerst zum „Elastischen“ hin, was zuerst die Lagerluft (Betriebsspiel), die Kupplungsspiele und die Lagersitzspiele betrifft. Weiter ansteigend führt diese zu Änderung der Lagerbelastung, der statischen Wellendurchbiegungen und bis zu Gehäuse- und Rahmenverformungen (vgl. Abschn. 12.3). 7. Die durch Fehlausrichtung erhöhte statische bzw. dynamische Kräfte führen zu erhöhten statischen bzw. dynamischen Verformungen und Beanspruchungen von Wälzlagern, Kupplungselementen und Lagergehäusesitzen und Rahmen und Fundamentanbindungen. 8. Der Normalbetrieb im Lastgebiet der Wälzlager kann durch größere insbesondere vertikale Fehlausrichtung und die dadurch verursachten statischen und dynamischen Kräfte als Wälzlagerfehler im Betrieb massiv gestört werden. 9. Fehlausrichtungen können fallspezifisch potenziell das Dreh-Eigen-Schwingungsund das radiale (Biegung) Eigenschwingungsverhalten der Maschinen relevant beeinflussen. 10. Die axiale und radiale elektromagnetische Unsymmetrie an gekuppelten Elektromaschinen kann von den statischen und dynamischen Wellendurchbiegungen durch Fehlausrichtungen und axialen Kupplungsversatz beeinflusst werden. 11. Kupplungsfehler sind im Rotor ortsfest und laufen gegen den Stator als zusätzliche Rotoranisotropie in der Kupplungsebene drehfrequent um. Diese führt über die La­ geransiotropie in der Lagerebene zu meist mehrfach drehfrequenten Anregungen am Gehäuse. 12. Ausrichtfehler sind ortsfest zum Stator und führen zu ortsfesten statischen Kräften im Stator und auch auf die Lagerebenen. Die Rotorwelle erfährt darin bei ihren potenziellen ausrichtbedingten Verformungen in den Lagern eine Biegewechselbeanspruchung in ihrer Rotation. 13. Die Ausrichtfehler werden für die bewegliche Antriebseite der beiden Kupplungshälften bezogen auf die als feststehend angenommene Hälfte der Arbeitsseite erfasst und in den Korrekturwerten auf die Befestigung der Antriebsmaschine umgerechnet. 14. Kritisch für die Wälzlager können stärkere vertikale Fehlausrichtungen an horizontalen Rotoren sein, bei denen die dadurch ausgelösten statischen Kräfte zu einer unzulässigen Entlastung der Wälzlager und Verschlechterung der Schmierung führen können.

12.3  Zusammenfassung des Ausrichtvorgangs

119

15. Grenzen der Fehlausrichtung für die statischen Kräfte sollten richtungsbezogen im Design ausgelegt und für die Montage und Wartung definiert werden in den Ausrichttoleranzen. Die allgemein verbreiteten Ausrichttoleranzen reflektieren in erster Linie die dynamischen Auswirkungen. 16. Dynamische Kräfte entstehen aus der Wechselwirkung der Rotoranisotropie und der Lageranisotropie in der Läuferrotation. Mit dem Ansteigenden der Steifigkeit der elastischen Elemente der Kupplung, der Rotorsteifigkeit und der der Maschinenaufstellung entstehen im Schwingstärkespektrum zunehmend erhöhte und vielfachere Harmonische der Drehfrequenz. Zunehmende Vielfache der Ersten, der Doppelten, der Dritten und bis zur 15. Harmonischen der Drehfrequenz treten jeweils auf. 17. Parallelversatz vertikal oder horizontal führt zu radialer Schwingungsantworten dominierend in die jeweilige Richtung der Fehlausrichtung mit erhöhten Schwingstärkewerten an den Gehäusen in den Lagerebenen beiderseits der Kupplung. 18. Winkelversatz führt zu Schwingungsantworten dominierend in axialer Richtung mit erhöhten Schwingstärkewerten an den Gehäusen in den Lagerebenen beiderseits der Kupplung bzw. auf der jeweiligen Festlagerseite. 19. Der Pegel der Erhöhung der Schwingstärke-Kennwerte durch Fehlausrichtung hängt von der Drehzahl und den Steifigkeiten der an den Schwingungsantworten maßgeblich beteiligten Komponenten ab.

12.3 Zusammenfassung des Ausrichtvorgangs • Der Ausrichtvorgang im Wellenstrang erfolgt in Bezug zu den erfassten Messwerten beidseits der Teilungs- bzw. Kraftübertragungsebene der Kupplung in axialer und radialer Richtung und jeweils getrennt in horizontaler und vertikaler Richtung. • Ausrichtfehler treten als Parallelversatz in horizontaler oder vertikaler Richtung und als Winkelversatz dieser Richtungen auf und werden in beide Richtungen getrennt erfasst und behoben. • Mit den umgerechneten Ergebniswerten mit umgekehrten Vorzeichen erfolgt die Ausrichtung mit den Korrekturwerten an den Maschinenfüßen oder -flanschen für die horizontale Verschiebung des Antriebs oder das Einbringen von vertikalen Beilagen unter die Motorfüße oder zwischen den Flanschen. • Für den Ausrichtvorgang werden die Maschinenabmessungen im Laserausrichtsystem eingeben und daraus die Fußkorrekturwerte für die Antriebsmaschine berechnet. • Je nach Ausmaß der Fehlausrichtung treten Auswirkungen an den verschiedenen Bauteilen auf, wie Tab. 12.1 zusammenfassend in Abhängigkeit der Steifigkeiten zeigt. • Der Ausrichtzustand kann an der Kupplung in Bewertungsstufen nach Bild 28 bewertet werden. Anzustreben ist eine „Exzellente“ bis max. „Akzeptable“ Ausrichtung. • Die Bewertungsstufen der Fehlausrichtung für „Schlecht“ liegt über dem Grenzwert für „Akzeptabel“ näherungsweise aus einer Verdopplung dessen Wertes. Die Bewertungs-

120

12 Zusammenfassung

stufen der Fehlausrichtung für „kritisch“ können näherungsweise aus einer Verdopplung des Wertes für „schlecht“ angenommen werden. • Bei größeren Fehlausrichtungen mit relevanten Verformungen der Maschinen oder bei zusätzlichen Fehlern sind potenziell mehrere Ausrichtschritte notwendig. Zusätzliche Fehler sind das Verformung auslösende Kippfußphänomen (vgl. Abb.  4.11), Verformungen am Maschinenrahmen, Lose an Passflächen und Geometriefehler der Auflageflächen. Diese müssen zuerst beseitigt oder ausgeglichen werden für das Erreichen der festgelegten Toleranzwerte und Korrekturergebnisse. • Die zu erreichende Restabweichung zum Sollwert kann an vertikalen Maschinensätzen annähernd im Bereich von „akzeptabel“ nach Toleranztabelle gelegt werden, um eine meist notwendige Erhöhung der Radiallast an den meist unterlasteten Radiallagern durch gezielte Fehlausrichtung zu erreichen. Tab. 12.1 strukturiert die Auswirkungen der Fehlausrichtung im Maschinensatz nach den Bereichen der Bewertungsstufen der Toleranzwerte. Tab.  12.2 zeigt zusammenfassend stärker unterschiedliche Auswirkungen zugeordnet zu eher starren oder mehr elastischen Maschinensätzen.

Tab. 12.1  Fallunterscheidung der Auswirkungen abhängig vom Maß der Fehlausrichtung für horizontale Rotoren mit ansteigenden Fehlerstufen nach D. Franke Fehlausrichtung Vernachlässigbar

Bewertung im Gerät Exzellent

Globale Auswirkung

Verformungen Lagerbelastung

Lager- u.Kupplungsspiel bis aufgebraucht

Rotoren kaum

Restfehler Akzeptabel

Elastomere od. Lamellen etwas bis stärker verformt

Rotoren etwas meist Belastung und Gehäuse kaum Entlastung unkritisch

Relevant

Schlecht

und Verformungen im Rotor, relevante geometrische Wälzlagerfehler 1) selten kritisch

Rotoren stärker Entlastung vertikal Gehäuse etwas kritisch; für Lagersitze langfristig relevant

Kritisch

Kritisch

zusätzlich Verformungen im Gehäuse, geometrische Wälzlagerfehler 1) kritisch

Rotoren ggf. kritisch; Gehäuse stärker bis kritisch

Kaum Änderungen

Über- und Entlastung relevant bis kritisch; für Lagersitze langfristig kritisch

1) Wälzlagerfehler relevante Änderung der dynamischen und statischen Belastung zu den jeweils zulässigen Belastungen führen zu: ▪ Unterschreitung des mindesten Lager-Betriebsspiels bei Radiallagern ▪ unzulässiges Lagerspiel oder Winkelfehler bei Axiallagern

12.3  Zusammenfassung des Ausrichtvorgangs

121

Tab. 12.2  Auswirkungen der Fehlausrichtung zu eher starren oder mehr elastischen Maschinensätzen zugeordnet Starre Maschinensätze (Rotorstrang, Gehäuse, Maschinensätze/Merkmal Aufstellung) Anforderungen an Ausrichtung deutlich strenger Statische Kräfte durch Erhöhte Fehlausrichtung -kritisch Fehlausrichtung, Merkmale für Wälzlager/Gleitlager und Wellenbiegung Statische Kräfte durch Fehlausrichtung, lokale Wirkung

Wirkung dynamischer Kräfte aus erhöhter Fehlausrichtung Schwingungsmerkmale im Spektrum

Schwingstärkeanregungen

Körperschallanregungen

Weniger biegeelastische Kupplungen Stärker biegeelastischere Kupplungen

Exponentiell zur Fehlausrichtung – lokal extreme Stellen an kupplungsseitigen Rotor, Lagern und Gehäusen Stärker im Körperschall

Elastischere Maschinensätze (Rotorstrang, Gehäuse, Aufstellung) niedriger Erhöhte Fehlausrichtung -vertikal gerichtet ggf. kritisch für Wälzlager und weniger in Wellenbiegung Exponentiell zur Fehlausrichtung – lokal verteilte an kupplungsseitigen Rotor, Lagern und Gehäusen Stärker in Schwingstärke

Meist stärker über 2 … 3. Harmonische und höhere Vielfache Harmonische der Drehfreq. ↓ relativ geringer, stärker relevant über 1500 min−1, annähernd proportional zur Fehlausrichtung ↑ relativ stärker, stärker relevant über 1500 min−1, annähernd proportional zur Fehlausrichtung geeignet

Meist stärker 1 … 2. Harmonische der Drehfreq. und niedrigere Vielfache Harmonische der Drehfreq. ↑ relativ stärker, stärker relevant über 1500 min−1, annähernd proportional zur Fehlausrichtung ↓relativ geringer, stärker relevant über 1500 min−1, annähernd proportional zur Fehlausrichtung meist ungeeignet

geeignet

geeignet

Glossar

Ausrichtanweisung [2]

Vorschrift mit Angaben über den anzustrebenden Endzustand nach dem Ausrichten (Ausrichtvorgabe, Ausrichttoleranzen). Fehlausrichtung im Wellenstrang Geometrische Abweichungen (in den Hauptträgheitsachsen) von gekuppelten Drehachsen von Maschinen im Maschinensatz im Stillstand und in den Betriebszuständen. Klaffung [2] Axialer Kupplungsspalt am Außendurchmesser der Kupplung (Messstelle dafür). Lagerungsanisotropie nach [1] Abweichung der Lagerungselastizität in zwei radiale Richtungen zueinander. Ungleichmäßige Steifigkeit über den Umfang des Wälzlagers in den Kraftübertragungen der Komponenten über deren Kontaktflächen. Maschinenfehler [3] Nicht bestimmungsgemäßer technischer Zustand von Bauteilen oder des Betriebs einer Maschine. Abweichungen von realisierten technischen Daten von Komponenten in Maschinen in deren Funktionen im Zusammenwirken zu deren Sollwertbereich. Maschinenschäden [3] Zustand einer Betrachtungseinheit nach Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes des Abnutzungsvorrates, der eine im Hinblick auf die Verwendung unzulässige Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit bedingt (DIN 31051). Funktionell relevanter Materialabtrag, -zerstörung oder -veränderung an Maschinenkompone­nten.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5

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124

Messstellen, Bezeichnungen, Formelzeichen, Einheiten

Restabweichung nach [2]

Rotoranisotropie nach [1]

(Wellen-)Versatz [2]

Verlagerung [2]

Anmerkung

Wälzlagerfehler nach [3]

Glossar

M … Antriebsmotor, A … Arbeitsmaschine (P, V) (Pumpe, Ventilator) AW(DS) … Antriebswelle (Drive Shaft), NAW(NDS) … Nicht-Antriebswelle (Non Drive Shaft), A (DE) … Antriebsseite, BS (NDE) ... Nicht-­ Antriebsseite h … horizontal (0°  = 3:00  Uhr, 180°  =  9:00  Uhr), v … vertikal (90° = 12:00 Uhr, 270° = 6:00 Uhr), ax … axial (axial/horizontal; axial/vertikal) Abweichung zwischen den Istwerten im Ausrichtprotokoll zu den Sollwerten in der Ausrichtanweisung, oder in Anwendung einer Toleranz tabelle. Unterschiedliche Biegesteifigkeit am Rotor in zwei senkrecht stehenden Rich­tungen. Kupplungsanisotropie: Ungleichmäßige Geometrie und Steifigkeit über den Umfang am Wirkungsdurch­ messer (hier in der Kraftübertragungsebene). Geometrische Lageabweichung zweier (gekuppelter) Drehachsen beim Ausrichten (Parallelversatz, Winkelversatz, Axialversatz (zum Sollabstand)). … der Antriebsmaschine zur Arbeitsmaschine; bewertet in der Kupplungsteilungsebene. Lageveränderung der Drehachse einer Welle beim Wechsel von einem Betriebszustand zu einem anderen. Tritt beispielsweise in der Verformung der ­Maschinenrahmen und Schwingungsdämpfer unter dem sich ändernden Drehmoment auf. In relativ langsamen quasi-statischen Vorgängen oder dynamisch durch sehr tieffrequente Schwingungen (ca. unter 1 Hz) sich zueinander ändernde Lage von Gehäuseteilen als Abweichung zur Fluchtung der beiden Drehachsen im Maschinensatz (Parallelversatz, Winkelversatz, Axialversatz). Nicht bestimmungsgemäßer technischer Zustand bei Montage und im Betrieb des Wälzlagers und an dessen Bauteilen.

Glossar

Wälzlagerschäden sinngemäß nach [3] Formelzeichen, Einheiten

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Funktionell relevanter Materialabtrag, -zerstörung oder -veränderung an Wälzlagerkomponenten. s … Schwingweg in μm, s … Verlagerung in mm, s … Abstand in mm, v … Schwinggeschwindigkeit in mm/s, a … Schwingbeschleunigung in m/s2, v rms … Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit, v0p … Spitzenwert der Schwinggeschwindigkeit, 1. fn … 1. Harmonische der Drehfrequenz in Hz

Literatur 1.  VDI 3839 Blatt 2: 2013-01 Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von Maschinen – Schwingungsbilder für Anregungen aus Unwuchten, Montagefehlern, Lagerungsstörungen und Schäden an rotierenden Bauteilen 2.  VDI 2726: Ausrichten von Getrieben, 2019-04 3. VDI 3832: Schwingungs- und Körperschallmessung zur Zustandsbeurteilung von Wälzlagern in Maschinen und Anlagen, 2013-04

Bildnachweis

Copyright für die nachfolgenden Bilder liegen bei der Prüftechnik Dieter Busch GmbH in Ismaning. Die Bilder 3.5, 4.1 bis 4.8, 4.10, 4.11, 5.3 bis 5.6, 6.1, 6.3, 8.1 bis 8.4, 9.1, 9.2 wurden freundlicherweise für dieses Buch zur Verfügung gestellt. Die abgebildeten Messdatengrafiken sind Ausgaben von Messgeräten und der PC-­ Software der Prüftechnik Dieter Busch GmbH. Die Bilder 2.1 a) … e) zeigen Serienmuster von Kupplungstypen, für die die KWD Kupplungswerk Dresden GmbH das Copyright der Abbildungen hält.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 D. Franke, Ausricht- und Kupplungsfehler an Maschinensätzen, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61027-5

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