Arten der Unwucht: statisch, Moment und dynamisch — Was ist der Unterschied?

Statische Unwucht (Einebene)

Die Physik

Statische Unwucht tritt auf, wenn die Hauptmittelträgheitsachse des Rotors parallel zur Drehachse verschoben ist. Einfacher ausgedrückt: Es gibt einen einzigen „schweren Punkt" am Rotor, der den Massenschwerpunkt verschiebt.

Abb. 1. Statische Unwucht: der schwere Punkt rollt stets nach unten unter der Schwerkraft. Im Ruhezustand nimmt der Rotor eine bestimmte Position ein.

Wie sie sich zeigt

Das Besondere an der statischen Unwucht ist, dass sie bereits im Ruhezustand erkennbar ist. Legt man einen solchen Rotor auf waagerechte Messerschneiden oder hängt ihn an einer Achse mit minimaler Reibung auf, dreht die Schwerkraft ihn stets so, dass er mit dem „schweren Punkt" nach unten zum Stillstand kommt.

Genau auf diesem Prinzip basiert das einfache statische Auswuchten „auf Messerschneiden" – eine seit dem 19. Jahrhundert bekannte Methode.

Für welche Rotoren sie typisch ist

Statische Unwucht dominiert bei schmalen, scheibenförmigen Rotoren, bei denen das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) gering ist – unter 0,25–0,5. Beispiele:

• Schleifscheiben
• Dünne Riemenscheiben
• Schmale Lüfterräder
• Kreissägeblätter
• Dünne Schwungräder

Die Korrektionsmethode

Sie wird durch Anbringen eines einzigen Korrektionsgewichts in einer Korrektionsebene korrigiert, diametral gegenüber dem „schweren Punkt" (180° versetzt).

Dies kann sogar ohne Rotation des Rotors durchgeführt werden – durch statisches Auswuchten auf Messerschneiden. Für ein genaues Ergebnis wird jedoch dynamisches Auswuchten mit Schwingungsmessung bei Betriebsdrehzahl empfohlen.

Momentenunwucht

Die Physik

Momentenunwucht entsteht, wenn die Hauptträgheitsachse des Rotors die Drehachse im Massenschwerpunkt schneidet, ihr aber in einem Winkel geneigt ist. Physikalisch entspricht dies zwei gleichen Unwuchtmassen, die in verschiedenen Ebenen längs des Rotors angeordnet und um 180° gegeneinander verdreht sind.

Abb. 2. Momentenunwucht: Die beiden Massen M1 und M2 erzeugen ein Paar von Fliehkräften F1 und F2, die den Rotor „taumeln" lassen

Wie sie sich zeigt

Im Ruhezustand (ohne Rotation) ist ein solcher Rotor ausgewuchtet – er nimmt auf den Messerschneiden keine bevorzugte Lage ein. Statisches Auswuchten deckt dieses Problem daher nicht auf.

Beim Drehen erzeugt das Masspaar jedoch ein Kippmoment, das den Rotor senkrecht zur Drehachse zu kippen versucht. Dies verursacht starke Schwingungen an den Lagern, wobei die Schwingungen an beiden Lagern in Gegenphase sind (Phasenverschiebung von ca. 180°).

Für welche Rotoren sie typisch ist

Momentenunwucht ist typisch für lange, schlanke Rotoren, wie zum Beispiel:

• Lange Wellen ohne Scheibe in der Mitte
• Kardanwellen
• Lange Axialläufer-Rotoren

Die Korrektionsmethode

Zur Kompensation der Momentenunwucht müssen Korrektionsgewichte in mindestens zwei Korrektionsebenen angebracht werden, die ein kompensierendes Moment erzeugen.

Dynamische Unwucht (kombiniert)

Die Physik

Dies ist der allgemeinste und in der Praxis häufigste Fall. Dynamische Unwucht ist eine Kombination aus statischer und Momentenunwucht.

In mechanischer Hinsicht: Die Hauptmittelträgheitsachse des Rotors verläuft weder parallel zur Drehachse noch schneidet sie diese im Massenschwerpunkt – sie kreuzt sie schräg (windschief) im Raum.

Wie sie sich zeigt

Dynamische Unwucht zeigt sich nur während der Rotation. Im Ruhezustand kann eine Teilunwucht beobachtet werden (wenn ein statischer Anteil vorhanden ist), aber das vollständige Bild ist erst beim laufenden Rotor sichtbar.

Für welche Rotoren sie typisch ist

Dynamische Unwucht tritt bei den meisten industriellen Rotoren auf:

• Zentrifugallüfterräder
• Elektromotor- und Generatorrotoren
• Pumpenläufer
• Brecher- und Mühlenrotoren
• Mähdrescherdreschwerkstrommeln
• Jeder Rotor mit L/D > 0,5

Die Korrektionsmethode

Die Korrektur dynamischer Unwucht erfordert stets das Auswuchten in mindestens zwei Korrektionsebenen. Dies ermöglicht die gleichzeitige Kompensation sowohl des Kraft- (statischen) als auch des Momenten-Anteils der Unwucht.

Abb. 3. Schema des dynamischen Auswuchtens: Zur Korrektur dynamischer Unwucht werden Korrektionsgewichte in zwei Ebenen angebracht und Schwingungssensoren an beiden Lagern montiert

Kurzübersicht: Bestimmung der Unwuchtart

Verwenden Sie diese Tabelle, um schnell die wahrscheinliche Unwuchtart und die Anzahl der benötigten Korrektionsebenen zu ermitteln:

Praktische Empfehlungen

Starre und biegsame Rotoren

Eine wichtige Ergänzung zur Klassifizierung ist die Unterscheidung zwischen starren und biegsamen Rotoren:

• Starrer Rotor: Die Betriebsdrehzahl liegt deutlich unterhalb der ersten kritischen Drehzahl. Der Rotor verformt sich unter Fliehkräften kaum. Für solche Rotoren ist das Auswuchten in zwei Ebenen ausreichend. Die meisten industriellen Rotoren sind starr.
• Biegsamer Rotor: Er arbeitet bei einer Drehzahl nahe der kritischen oder darüber. Die elastische Biegung der Welle wird vergleichbar mit der Verlagerung des Massenschwerpunkts. Das Auswuchten biegsamer Rotoren erfordert spezielle Methoden und kann mehr als zwei Korrektionsebenen erfordern.

Wann eine vorherige mechanische Prüfung erforderlich ist

Vor dem Auswuchten empfiehlt sich die Prüfung von:

1. Radialschlag: Der Rotor darf keinen Schlag haben
2. Axialschlag: Scheiben müssen senkrecht zur Achse stehen
3. Der Passung auf der Welle: Kein Versatz bei der Montage

Werden geometrische Mängel festgestellt, müssen diese zuerst behoben werden, da Auswuchten sonst wirkungslos ist.

Starre und biegsame Rotoren: ein entscheidender Unterschied

Eines der grundlegenden Konzepte beim Auswuchten ist die Einteilung von Rotoren in starre und biegsame. Diese Einteilung bestimmt sowohl die Möglichkeit eines erfolgreichen Auswuchtens als auch die anzuwendende Methodik.

Der starre Rotor

Definition: Ein Rotor gilt als starr, wenn seine Betriebsdrehzahl deutlich unterhalb seiner ersten kritischen Drehzahl liegt und er unter Fliehkräften keine wesentliche elastische Verformung (Biegung) erfährt.

Merkmale:

• Die Betriebsdrehzahl beträgt in der Regel weniger als 70 % der ersten kritischen Drehzahl
• Wellenbiegung unter Fliehkräften ist vernachlässigbar
• Auswuchten in zwei Korrektionsebenen ist in der Regel ausreichend
• Geräte wie der Balanset-1A sind genau für die Arbeit mit starren Rotoren ausgelegt

Der biegsame Rotor

Definition: Ein Rotor gilt als biegsam, wenn er bei einer Drehzahl nahe einer seiner kritischen Drehzahlen oder darüber betrieben wird. In diesem Fall wird die elastische Biegung der Welle vergleichbar mit der Verlagerung des Massenschwerpunkts und trägt selbst wesentlich zur Gesamtschwingung bei.

Das Problem: Der Versuch, einen biegsamen Rotor mit der Methodik für starre Rotoren (in zwei Ebenen) auszuwuchten, scheitert häufig. Korrektionsgewichte können Schwingungen bei niedriger Unterkritikaldrehzahl kompensieren, aber wenn die Betriebsdrehzahl erreicht und der Rotor gebogen wird, können dieselben Gewichte die Schwingung verstärken, indem sie eine der Biegeeigenformen anregen.

So bestimmen Sie den Rotortyp

Eine praktische Methode:

1. Betriebsdrehzahl des Rotors (U/min) ermitteln
2. Auslaufversuch durchführen (Schwingung beim Auslauf nach Abschalten messen)
3. Wenn auf dem Auslaufdiagramm deutliche Peaks sichtbar sind, handelt es sich um Resonanzen (kritische Drehzahlen)
4. Wenn die Betriebsdrehzahl nahe einem Resonanzpeak liegt (±20 %), befindet sich der Rotor im Gefahrenbereich

Was zu tun ist, wenn der Betrieb nahe der Resonanz erfolgt:

• Wenn die Resonanz nicht vermieden werden kann (z. B. läuft die Maschine mit fester Drehzahl, die mit der Resonanz zusammenfällt), empfiehlt es sich, die Aufstellungsbedingungen der Anlage während des Auswuchtens vorübergehend zu ändern
• Zum Beispiel die Steifigkeit der Lagerung verringern oder temporäre elastische Lagerungen einbauen, um die Resonanz zu verschieben
• Sobald die Rotorunwucht korrigiert und die Schwingung normalisiert wurde, kann die Maschine wieder in ihre Standardaufstellungsbedingungen zurückversetzt werden