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Über dieses Buch

Auswuchten ist für das Qualitätsmanagement von Rotoren ein unverzichtbarer Prozess, der viele Etappen vom Entwurf bis zur Inbetriebnahme betrifft. Mit jeder Weiterentwicklung der Rotoren – mit neuen Konzepten, Materialien und Bearbeitungsmethoden – verändern sich die Anforderungen an die Auswuchttechnik. Auf der Suche nach der jeweils optimalen Lösung dieser komplexen Aufgaben helfen keine Patentrezepte, sondern nur ein fundiertes Wissen über die theoretischen Hintergründe des Auswuchtens, seine praktische Durchführung und die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Auswuchtsysteme.

Dieses Buch unterstützt die systematische Einarbeitung in das Fachgebiet und die permanente Weiterbildung – in der Praxis ebenso wie in der Theorie.

Der Fokus der aktuellen Auswuchtnormen richtet sich auf Abweichungen, die beim Auswuchten auftreten – absichtlich generiert, oder zufällig entstanden. Sie müssen richtig analysiert und berücksichtigt werden, um die zulässigen Anzeigen für die Restunwucht festzulegen. Ergänzend wurden die Akzeptanzkriterien präzisiert, damit das Auswuchtziel – die angestrebte Auswuchtgüte – zuverlässig erreicht werden kann.

Beim Auswuchten von Rotoren mit wellenelastischem Verhalten wird häufig noch nach überkommenen Mustern gearbeitet. Deshalb wurde der neue modale Ansatz – z.T. anhand DIN ISO 21940-Teil 12, Beiblatt 1 – weiter ausgearbeitet. Für die praktische Anwendung wird die schwierige Wahl der Ausgleichsebenen und der relevanten Biegeeigenformen anhand von Beispielen erklärt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Chapter 1. Einführung

Zusammenfassung
Auswuchten ist ein Vorgang, bei dem die Massenverteilung eines Rotors geprüft und – wenn erforderlich – soweit verbessert wird, dass die Unwuchten in zulässigen Grenzen liegen. Als Rotor in diesem Sinne gelten nicht nur alle die Teile, die sich im Betriebszustand drehen, sondern auch jene, die aus funktionalen Gründen drehbar gelagert sind und Beschleunigungen ausgesetzt sind. Rotoren können extrem unterschiedliche Eigenschaften haben und dadurch extrem unterschiedliche Aufgaben stellen. Bei nahezu allen Rotoren wird heute das Auswuchten als unbedingt notwendig angesehen, sei es, um die Funktion der Maschine zu verbessern, ihre Lebensdauer zu verlängern, oder um durch einen schwingungs- bzw. geräuscharmen Lauf besondere Einsatzmöglichkeiten oder ein zusätzliches Verkaufsargument zu erhalten. Obwohl die meisten Verantwortlichen von seiner Existenz wissen, findet der Auswuchtprozess auch heute noch häufig in einer Nische statt und wird nur in manchen Unternehmen einem der weit verbreiteten Qualitätsmanagementsysteme – z. B. DIN ISO EN 9000 – unterworfen.
Hatto Schneider

Chapter 2. Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung
Die Auswuchttechnik basiert in ihrer Theorie auf den allgemeinen physikalischen Grundlagen. Damit nicht aus anderen Büchern die einzelnen Ableitungen und Erklärungen mühsam zusammengesucht werden müssen, wurden die wichtigsten Punkte für das Auswuchten in den nächsten Abschnitten zusammengestellt.
Hatto Schneider

Chapter 3. Begriffe und Erläuterungen

Zusammenfassung
Bevor in den nächsten Kapiteln die Theorie und Praxis der Auswuchttechnik beschrieben werden, sollen einige ganz zentrale Begriffe näher erläutert werden, damit keine Verständnisprobleme auftreten. Eine umfangreiche Übersicht über alle für die Auswuchttechnik wichtigen Begriffe und Definitionen wird in Kap. 19.3 gegeben, zusammen mit den englischen und französischen Fachbegriffen.
Hatto Schneider

Chapter 4. Theorie des Auswuchtens

Zusammenfassung
Ein idealer Rotor mit starrem Verhalten würde während der Rotation – auf einer etwas nachgiebigen Lagerung – zwar Bewegungen zeigen, aber keine Durchbiegung des Rotors. Alle Verlagerungen des Rotors würden durch die Bewegung der Lager und der tragenden Struktur entstehen. In Wirklichkeit ist natürlich kein Rotor bis zur Betriebsdrehzahl (bzw. Überdrehzahl) absolut starr und wird deshalb auch immer kleine Durchbiegungen zeigen – in einer oder sogar mehreren Biegeeigenformen. Das Rotorverhalten kann trotzdem als starr angesehen werden, so lange diese Durchbiegungen vernachlässigbar sind, d. h.:
  • klein gegenüber der Unwuchttoleranz sind,
  • und beim Auswuchten nicht kontrolliert werden müssen.
Hatto Schneider

Chapter 5. Theorie des Rotors mit starrem Verhalten

Zusammenfassung
In Kap. 5 wurde ein Rotor mit starrem Verhalten vorausgesetzt, dessen Unwucht und Form sich mit der Drehzahl nicht verändern. Wie sieht es nun mit einem Rotor aus, dessen Verhalten nicht starr ist, sondern nachgiebig, dessen Zustand sich also mit der Drehzahl verändert, bzw. der Durchbiegungen zeigt?Die zugrunde liegende Systematik wurde in Kap. 4 beschrieben, eine gute Übersicht bietet die Tab. 4.3. Man unterscheidet Plastizität (die Verformung bleibt, auch nachdem die Last weggenommen wurde, meistens „Setzungsverhalten“ genannt) und Elastizität (die Verformung bildet sich mit der Lastrücknahme wieder zurück). Die Elastizität wird im Zusammenhang mit dem Auswuchten zweckmäßigerweise noch in Körperelastizität und Wellenelastizität unterteilt. In den Fällen Plastizität und Körperelastizität ist die Unwucht des Rotors drehzahlabhängig; im Fall der Wellenelastizität nicht.Die richtige Handhabung beim Auswuchten ist in allen 3 Fällen sehr unterschiedlich.
Hatto Schneider

Kapitel 6. Theorie des Rotors mit nachgiebigem Verhalten

Zusammenfassung
In Kap. 5 wurde ein Rotor mit starrem Verhalten vorausgesetzt, dessen Unwucht und Form sich mit der Drehzahl nicht verändern. Wie sieht es nun mit einem Rotor aus, dessen Verhalten nicht starr ist, sondern nachgiebig, dessen Zustand sich also mit der Drehzahl verändert, bzw. der Durchbiegungen zeigt? Die zugrunde liegende Systematik wurde in Kap. 4 beschrieben, eine gute Übersicht bietet die Tabelle 4.3.
Man unterscheidet Plastizität (die Verformung bleibt, auch nachdem die Last weggenommen wurde, meistens „Setzungsverhalten“ genannt) und Elastizität (die Verformung bildet sich mit der Lastrücknahme wieder zurück). Die Elastizität wird im Zusammenhang mit dem Auswuchten zweckmäßigerweise noch in Körperelastizität und Wellenelastizität unterteilt.
In den Fällen Plastizität und Körperelastizität ist die Unwucht des Rotors drehzahlabhängig; im Fall der Wellenelastizität nicht.
Die richtige Handhabung beim Auswuchten ist in allen 3 Fällen sehr unterschiedlich.
Hatto Schneider

Kapitel 7. Toleranzen des Rotors mit starrem Verhalten

Zusammenfassung
Das Auswuchten eines Rotors mit starrem Verhalten hat meistens eine bestimmte Laufruhe im Betrieb zum Ziel. Diese Laufruhe wird häufig als Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit bei Betriebsdrehzahl definiert.
Auf einer Auswuchtmaschine werden diese Rotoren dagegen meistens bei niedrigeren Drehzahlen ausgewuchtet, zudem stimmt die Lagerabstützung nicht mit dem Betrieb überein. Die o. g. Schwingungs-Grenzwerte sind deshalb hier nicht verwendbar. Eine Eigenschaft des Rotors mit starrem Verhalten, die unabhängig von den o. g. Randbedingungen ist, ist seine Unwucht (s. Kap. 5).
Für die Normung der Unwuchttoleranz stellte sich dabei eine große Aufgabe: Man suchte nach einem passenden Maßstab, mit dem Rotoren von weniger als l g Masse (z. B. Uhrunruhen) bis zu 320 t (Niederdruckturbine eines Kernkraftwerkes) ebenso einfach beurteilt warden können wie langsam laufende Werkzeugmaschinenspindeln mit 100 min–1 neben Turbinen von Zahnbohrern, die eine Drehzahl bis zu 1.000.000 min–1 haben können.
Hatto Schneider

Kapitel 8. Toleranzen des Rotors mit nachgiebigem Verhalten

Zusammenfassung
Der Begriff nachgiebiges Verhalten (flexible behaviour) wird von dem maßgeblichen ISOGremium nun wieder als Überbegriff aufgefasst und wurde bei der Umstrukturierung aller Auswuchtnormen als Teile von ISO 21940 auch in diesem Sinn verwendet.1
Unter dem Begriff nachgiebiges Verhalten sind heute folgende Rotorverhalten angeordnet, s.Tab. 4.3:
1.
wellenelastisches Verhalten,
 
2.
körperelastisches Verhalten,
 
3.
Setzungsverhalten.
 
Beim Auswuchten von Rotoren mit nachgiebigem Verhalten wird das Ziel verfolgt,akzeptable Werte für alle von der Unwucht des Rotors erzeugten Effekte zu erreichen, den Schwingungen, den Kräften, den Durchbiegungen.
Hatto Schneider

Kapitel 9. Verfahren zum Auswuchten von Rotoren mit starremVerhalten

Zusammenfassung
Mit den Grundlagen (s. Kap. 2), der Theorie des Auswuchtens (s. Kap. 4), der Theorie des Rotors mit starrem Verhalten (s. Kap. 5) und den Hinweisen zu seinen Unwuchttoleranzen (s. Kap. 7) sind die grundlegenden Voraussetzungen zum Auswuchten von Rotoren mit starrem Verhalten beschrieben.
In der Praxis können aber noch Probleme auftreten, die besondere Verfahren erforderlich machen. Die wichtigsten Probleme werden im Folgenden vorgestellt und geeignete Verfahren erläutert.
Hatto Schneider

Kapitel 10. Verfahren zum Auswuchten von Rotoren mit nachgiebigem Verhalten

Zusammenfassung
Bei den nachgiebigen Rotoren ist das wellenelastische Rotorverhalten weitaus am verbreitetsten, so dass sich die meisten Verfahren auf dieses Verhalten beziehen (s. Kap. 6).
Die Verfahren für das körperelastische Verhalten (s. Abschn. 10.4.9) und das Setzungsverhalten (s. Abschn. 10.4.10) werden am Ende dieses Kapitels behandelt.
Das Auswuchten von Rotoren mit wellenelastischem Verhalten wird seit vielen Jahrzehnten praktiziert. Verständlicherweise haben typische Eigenschaften der jeweiligen Rotoren sowie der verwendeten Auswuchteinrichtungen zu unterschiedlichen Verfahren geführt.
Nachdem lange Zeit sehr um eine allgemein verständliche Einordnung gerungen wurde, beschreibt die aktuelle DIN ISO 21940-12 sechs niedertourige Verfahren und drei hochtourige Verfahren. Aber wann reicht ein niedertouriges Verfahren aus, wann muss hochtourig gearbeitet werden? Der zeitliche Aufwand und die Kosten der Ausrüstung für das hochtourige Auswuchten liegen deutlich höher. Manchmal beträgt dieser Unterschied sogar ein bis zwei Zehnerpotenzen, so dass es wirtschaftlich von großer Bedeutung ist, ein der jeweiligen Aufgabe optimal angepasstes Verfahren zu finden.
Hatto Schneider

Kapitel 11. Beschreibung der Auswuchtaufgabe

Zusammenfassung
Wie man heute Auswuchtaufgaben systematisch ordnen kann ist in Abschn. 4.1.5 dargestellt. Das reicht aber noch nicht aus, um die Anforderungen durch einen Rotor konkret zu beschreiben, z. B. für:
  • die Anschaffung einer passenden Auswuchtmaschine,
  • die Auswahl der richtigen Auswuchtmaschine aus dem Werkstattbestand,
  • eine Vergabe des Auswuchtprozesses an eine andere Firma.
Dazu scheint es sinnvoll zu sein, zwischen Rotoren mit starrem Verhalten und Rotoren mit nachgiebigem Verhalten zu unterscheiden.
Die Informationen, die hier zusammengestellt sind, betreffen die Auswucht-Ziele. Für den jeweiligen Auswuchtprozess selbst sind einige Abweichungen zu berücksichtigen, wie sie in Abschn. 4.7 im Prinzip erläutert und in den Kap. 7 und 8 detailliert sind.
Hatto Schneider

Kapitel 12. Auswuchtmaschinen

Zusammenfassung
Jeder Auswuchtaufgabe muss eine geeignete Auswuchtmaschine zugeordnet werden. Da die meisten Auswuchtmaschinen einen Bereich von Rotormassen und -abmessungen aufnehmen können, kommen bei einem Maschinenpark manchmal verschiedene Ausführungen und Größen alternativ in Frage. Dabei sind Tendenzen wichtig, wenn die Auswuchtaufgabe schwierig ist in Bezug auf die geforderte Restunwucht, den Ausgleichsschritt oder die Komplexität des Prozesses. Es ist nicht ganz einfach, Angebote auf Auswuchtmaschinen und die zugehörige technische Dokumentation richtig zu interpretieren. ISO 21940-21 gibt hier einige praktische Hinweise, die auch den folgenden Abschnitten zugrunde liegen. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern, wird hier in horizontale und vertikale Auswuchtmaschinen, Auswuchtwaagen und hochtourige Auswuchtmaschinen gegliedert.
Hatto Schneider

Chapter 13. Tests an Auswuchtmaschinen

Zusammenfassung
Auswuchtmaschinen sind Messmittel für die Unwucht und müssen deshalb im Sinne der Qualitätssicherung regelmäßig überprüft werden. Die Art der Überprüfung und ihre Häufigkeit sind von der jeweiligen Auswuchtaufgabe und den Risiken abhängig, die bei einer Fehlfunktion entstehen.
Wird ein Produkt in Serie hergestellt, können große Mengen von Messwerten gewonnen und zugrunde gelegt werden. Zur Auswertung werden üblicherweise statistische Mittel eingesetzt. Leider gibt es in diesem schwierigen Sektor bisher weder internationale, noch nationale Fachnormen zur Statistik.
Auf einige der grundsätzlichen Probleme wird in Abschn. 13.2 hingewiesen, detaillierte Aussagen zum Einsatz statistischer Mittel in der Auswuchttechnik findet man in der entsprechenden Auswucht-Fachliteratur, z. B. bei H. SCHÖNFELD.
Für Auswuchtmaschinen, die primär für Einzelrotoren eingesetzt werden, ist die Statistik nur bedingt anwendbar, hier schlägt die DIN ISO 21940-21 verschiedene Testrotoren und eine Reihe von Tests vor, mit denen wesentliche Leistungsmerkmale der Auswuchtmaschinen überprüft werden können (s. Abschn. 13.3–13.7).
Hatto Schneider

Kapitel 14. Ausgleich

Zusammenfassung
Ausgleichen eines Rotors mit starrem Verhalten bedeutet, den Unwuchtzustand so zu verändern, dass die Massenträgheitsachse hinreichend genau mit der Schaftachse (s. Abschn. 5.4.2) übereinstimmt (Abb. 14.1).
Bei Rotoren mit wellenelastischem Verhalten kommt dann noch der Ausgleich der modalen Unwuchten hinzu. Eine Möglichkeit des Ausgleichens besteht darin, die Schaftachse zur Trägheitsachse hin zu verlagern. Dieses Verfahren – Massenzentrieren (Wuchtzentrieren) genannt – wird in einigen Fällen beim Ein-Ebenen-Auswuchten und beim Zwei-Ebenen-Auswuchten angewendet.
Der viel üblichere Weg ist aber die Verlagerung der Massenträgheitsachse zu der Schaftachse hin durch Abtragen, Verlagern, oder Zusetzen von Material. Dazu sind alle fertigungstechnisch überhaupt möglichen Verfahren einsetzbar.
Hatto Schneider

Chapter 15. Vorbereitung und Durchführung des Auswuchtens

Zusammenfassung
Wenn das Auswuchten richtig geplant ist, braucht nur sichergestellt zu werden, dass die Bedienperson nach Anweisung auswuchtet. Je mehr Details in die Entscheidung des „Wuchters“ gestellt werden, umso deutlicher wird die Tatsache sichtbar, dass andere Bereiche der Firma ihre Aufgaben nicht voll erfüllt haben.
Ein zentraler Punkt wird häufig nicht ausreichend berücksichtigt: der richtig geplante Unterschied in der Auswuchtgüte zwischen dem Auswuchtziel und dem Auswuchtprozess, s. Abschn. 4.8. In diesem Kapitel geht es neben vielen anderen Aufgaben auch darum, wie der gewählte Prozess den zulässigen Unwuchtzustand für den Auswuchtprozess beeinflusst.
Oder andersherum: wie der Prozess angepasst werden muss, um den zulässigen Unwuchtzustand für den Auswuchtprozess und letzten Endes das Auswuchtziel zu erreichen.
Hatto Schneider

Chapter 16. Abweichungen beim Auswuchten

Zusammenfassung
Die Unwuchttoleranz (meistens die Gütestufe) beschreibt nach DIN ISO 21940-11 die für die Lieferung zulässige Unwucht, stellt also ein wichtiges Vertragsdetail für Hersteller und Abnehmer dar. Beim Auswuchten müssen dann die Grenzen enger gezogen werden, zum Einen, weil das Messmittel Abweichungen aufweist, zum Anderen, weil meistens beim Auswuchten eine andere Situation gegeben ist als im Lieferzustand – oder aus wirtschaftlichen oder praktischen Gründen absichtlich erzeugt wird – z. B. durch:
  • Eine andere Lagerung,
  • einen anderen Zusammenbauzustand,
  • Auswuchtzubehör, z. B. Aufnahmen, Mitnehmer, Passfedern usw.,
  • durch physikalische Effekte, wie Luftkräfte, Zwangskräfte, Axialschub, oder magnetische Felder.
Wie die Abweichungen – vor allem die unbeabsichtigten – erkannt und wie sie reduziert werden können, wird in DIN ISO 21940-14 und in diesem Kapitel beschrieben.
Hatto Schneider

Kapitel 17. Schutz beim Auswuchten

Zusammenfassung
Bei der Auslegung und der Nutzung von Auswuchtmaschinen muss darauf geachtet werden, dass Gefahren durch den Betrieb der Maschine möglichst klein gehalten werden. Gefahren können in der Nähe der Maschine entstehen, z. B. durch Berühren rotierender Teile, aber auch entfernt von ihr durch Teile, die sich bei Rotation von dem Rotor lösen.
Die Norm DIN ISO 7475 wurde weiterentwickelt zum Teil 23 der Normenreihe DIN ISO 21940 und 2012 veröffentlicht, sie definiert mehrere Schutzklassen. Zur Analyse der Risiken im Prozess müssen verschiedene Bereiche betrachtet werden, sie können bedingt sein durch die Rotoren, die vorgesehene Ausgleichsmethode, die geplanten Abläufe, die Aufstellbedingungen.
Schutzeinrichtungen der Klasse C werden häufig von dem Hersteller bzw. Lieferant der Auswuchtmaschine ausgelegt und geliefert, für die Klasse D zumindest dimensioniert. Es ist jedoch Aufgabe des Betreibers, die Sicherheit seiner Betriebsmittel sicherzustellen, z.B. bei Änderung der Auswuchtaufgabe die Schutzeinrichtung der Auswuchtmaschine entsprechend anzupassen bzw. anpassen zu lassen.
Hatto Schneider

Chapter 18. Auswuchten im Betriebszustand

Zusammenfassung
Unter Betriebsauswuchten versteht man das Auswuchten von Maschinen oder ganzen Maschinen-Strängen, die entweder am Einsatzort oder im Prüffeld unter betriebsmäßigen Bedingungen laufen, deren Schwingungszustand nicht zufrieden stellt und deshalb verbessert werden soll (Abb. 18.1).
Um diese Feststellung zu treffen (Schwingungszustand nicht zufriedenstellend), muss also der Schwingungszustand gemessen und mit zulässigen Grenzwerten (Toleranzen) verglichen werden. Die Schwingungen der Maschinen werden überwiegend breitbandig betrachtet, d. h. für das Schwingungsgemisch werden Maßstäbe gebildet, die dieses Gemisch (und nicht die einzelnen Bestandteile) beschreiben.
Der Unwuchtanteil des Schwingungszustandes ist zwar nur eine Schwingungsursache unter vielen, kann aber wesentlich zur Erhöhung des Schwingungspegels beitragen. Die Unwucht eines Rotors oder einer Maschine lässt sich nicht direkt, sondern nur über die Messung einer Unwuchtwirkung bestimmen.
Hatto Schneider

Chapter 19. Formelzeichen, Begriffe und Definitionen

Zusammenfassung
Einige wichtige Informationen für das Lesen dieses Buches und für die Verständigung über die Auswuchttechnik sind hier zusammengefasst:
1.
Die im Buch verwendeten Formelzeichen s. Abschn. 19.2,
 
2.
Begriffe und Definitionen der Auswuchttechnik, angelehnt an DIN ISO 21940, Teil 2 s. Abschn. 19.3.
 
Hatto Schneider

Kapitel 20. Unterlagen zur Berechnung

Zusammenfassung
Hier sind Informationen für die Berechnung von physikalischen Daten für den Auswuchtprozess, sowie für Unwuchten und den Unwuchtausgleich zusammengefasst.
  • Dezimale Vielfache und Teile von Einheiten können durch Voranstellen von bestimmten Vorsilben (Vorsätzen) vor dem Namen der Einheit bezeichnet werden, Tab. 20.1.
  • Leider werden auch heute noch in einigen wichtigen Industrieländern der Welt Einheiten verwendet, die nicht dem SI-Maßsystem entsprechen. So kann es also passieren, dass bei der Schilderung einer Auswuchtaufgabe inch, pound und davon abgeleitete Einheiten genannt werden. Die folgenden Angaben sollen Ihnen den Übergang von einem Maßsystem auf das andere erleichtern, Tab. 20.2.
  • Mit Hilfe der Nomogramme können schnell verschiedene Überschlagsrechnungen gemacht werden, s. Abb. 20.4 bis 20.11.
  • Die Diagramme dienen dazu, schnell einige physikalische Daten zu ermitteln, z.B.: Massen bzw. Unwuchten zu überschlagen – bei unterschiedlichen Materialien, Bohrungen mit/ohne Bohrkegeln, oder bei sehr speziellen Ausgleichsmethoden, s. Abb. 20.12 bis 20.25.
Hatto Schneider

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