DE10032600A1

DE10032600A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten eines Rotors

Info

Publication number: DE10032600A1
Application number: DE2000132600
Authority: DE
Inventors: Roland Sonnenschein; Manfred Weigel
Original assignee: Schenck Vibro GmbH
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-07-08
Also published as: DE10032600B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsauswuchtverfahren mit einem Auswuchtmeßgerät (11), mit dem zunächst eine Urunwuchtmessung und anschließend ein Testlauf mit vorgegebenen Testgewichten in jeder Auswuchtebene durchgeführt wird. Daraus werden nach bekannten Rechenverfahren die Einflußkoeffizienten (a¶11¶, a¶12¶, a¶21¶, a¶22¶) ermittelt, mit deren Hilfe dann die Ausgleichsmassen (m¶3¶, m¶4¶) bestimmt und am Rotor angebracht bzw. entfernt werden. Hiernach wird in bekannter Art und Weise eine Kontrollauf zur Ermittlung der Restunwucht vorgenommen. Soweit die für die jeweilige Maschine zulässige Restunwucht überschritten ist, wird aus der ermittelten Restunwucht und den gespeicherten Urunwuchtmeß- und Testlaufdaten unter Minimierung des Einflußkoeffizientenabstandes (d) neue Einflußkoeffizienten (b¶11¶, b¶12¶, b¶21¶, b¶22¶) errechnet. Mit Hilfe der neuen Einflußkoeffizienten (b¶11¶, b¶12¶, b¶21¶, b¶22¶) und der ermittelten unzulässigen Restunwucht sind dann iterativ neue Unwuchtausgleichsmassen (m¶5¶, m¶6¶) solange bestimmbar, bis die Maschine (1) in einen zulässigen Unwuchtbereich ausgewuchtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten eines Ro tors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 6.

Bei der Herstellung und Montage von Rotoren treten bezüglich der Drehachse häufig Massenunsymmetrien auf, die im Betrieb eine Zentrifugalkraft in den Lagern erzeugen. Diese Zentrifu galkraftwirkungen können zu einem erhöhten Verschleiß, hoher Geräuschbelastung oder auch zur Beschädigung und Zerstörung der Maschinen oder deren Bauteile führen. Deshalb werden viele Rotoren vor der Montage auf stationären Auswuchtmaschinen aus gewuchtet, durch die derartige Massenunsymmetrien auf eine zu lässige Restunwucht ausgewuchtet werden.

Allerdings treten auch während und nach dem Einbau der Rotoren in Maschinen oder anderen Geräteteilen noch Veränderungen auf, durch die sich der Auswuchtzustand verändern kann. So können an Rotoren oder deren Lagerungen durch Korrosion, thermische Einflüsse, Anbackungen oder andere Materialverschiebungen Ver änderungen am Auswuchtzustand auftreten, die nur an der kom plett montierten Maschine ausgeglichen werden sollen. Ein der artiger Unwuchtausgleich wird in der Praxis durch das Be triebsauswuchten von Rotoren im eingebauten Zustand erreicht. Beim Betriebsauswuchten läßt sich die Unwucht eines Rotors nicht direkt bestimmen. Es werden die an den Lagerstellen auf tretenden absoluten Lagerschwingungen oder die relativen Wel lenschwingungen mittels Aufnehmern erfaßt. Hierbei werden die umlauffrequenten Schwingungen ermittelt und nach Betrag und Phasenwinkel angezeigt. Ein Referenzgeber erstellt dabei ein Drehzahl- und Winkelbezug zum Rotor.

In Abhängigkeit von den konstruktiven Gegebenheiten des Rotors wird bei einem schmalen, scheibenförmigen Rotor das Ein- Ebenen-Auswuchten in einer Radialebene, bzw. bei einem langge streckten walzenförmigen Rotor ein Zwei- oder Mehrebenenaus wuchten in zumindest zwei Radialebenen durchgeführt. Als Be rechnungsmethode wird hierbei das sogenannte Einflußkoeffi zientenverfahren verwendet. Ein Kennzeichen dieses Verfahrens ist es, daß in sogenannten Testläufen eine Kalibrierung erfol gen muß, da im allgemeinen die Schwingungsübertragungseigen schaften der Lagerung und Fundamentierung nicht bekannt sind. Die Anzahl der Testläufe ist mindestens gleich der Anzahl der Ebenen, in denen ausgewuchtet werden soll.

Aus der DE 198 59 664 A1 ist ein derartiges Verfahren zum Be triebsauswuchten von eingebauten Rotoren anhand eines Iterati onsverfahrens vorbekannt. Dabei wird zunächst nur ein Testlauf wie bei einer Einebenenauswuchtung durchgeführt und die ent sprechenden Einflußkoeffizienten und näherungsweise die Aus gleichsmasse nach Betrag und Winkellage sowie die verbleibende Restunwucht mathematisch bestimmt. In weiteren Iterations schritten kann die ermittelte Restunwucht optimiert und mit vorgegebenen Optimierungsbedingungen verglichen werden, die eine Einebenenauswuchtung bei zulässiger Restunwucht zulassen. Sind diese Optimierungsbedingungen erfüllt, so ist eine Ein ebenenauswuchtung möglich, wobei sonst ein weiterer Testlauf für die Zweiebenen- oder weitere Testläufe für die Mehrebenen auswuchtung notwendig sind.

Dieses Verfahren setzt einen linearen Zusammenhang zwischen der unsymmetrischen Massenverteilung am Rotor und der gemesse nen Unwuchtschwingung voraus. Da bei einer nichtlinearen Be ziehung insbesondere die tatsächliche Restunwucht nicht mathe matisch ermittelbar ist, führt dieses Optimierungsverfahren nur bei linearen schwingfähigen Systemen zu befriedigenden Er gebnissen.

In der Praxis treten aber Sonderfälle auf, bei denen bei spielsweise Maschinen auf Gummilagern oder Schwingmetallen aufgestellt sind oder drehzahlabhängige Lagerungen aufweisen, durch die die Beziehung zwischen der unsymmetrischen Massen verteilung am Rotor und der gemessenen Unwuchtschwingung nicht linear ist. Für das Auswuchten bedeutet eine derartige Nicht linearität, daß jedes grafische und jedes rechnerische Verfah ren versagt und in der Praxis nur noch ein grafisch unter stütztes Probieren weiterhilft. Allerdings ist aus dem Fach buch von K. Federn, Auswuchttechnik, Band 1, 1977, Seiten 374 und 375 für das Betriebsauswuchten bekannt, daß bei Abweichung von der Linearität die mit großen Testunwuchten ermittelten Einflußkoeffizienten nicht mehr zutreffen und dann zusätzliche Testläufe mit kleineren Testunwuchten durchgeführt werden müs sen. Hierdurch erhöht sich aber der Aufwand für das Durchfüh ren der Testläufe und die Stillstandszeit der Maschinen erheb lich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betriebsauswuchten zu schaffen, durch das auch bei Nicht linearitäten mit möglichst wenig Testläufen ein genauer Un wuchtausgleich erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und Patentan spruch 6 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vor teilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß dieses Verfahren und diese Vorrichtung sowohl für nichtlineare als auch für lineare aus zuwuchtende Systeme gleichsam ohne besondere Überprüfung an wendbar ist, so daß stets auch nichtlineare auszuwuchtende Sy steme erfaßt und mit wenigen Testläufen auswuchtbar sind, so daß gleichzeitig auch der Aufwand an Testläufen und erforder liche Stillstandszeiten der auszuwuchtenden Maschinen verrin gert wird.

Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, daß bei einem vorher gegangenen Unwuchtausgleich und einem durchgeführten Kontroll lauf ein relativ genauer Restunwuchtausgleich auch bei nicht linearen Systemen rein rechnerisch durchführbar ist. Da dieses Rechenverfahren programmgesteuert ausführbar ist, kann es vor teilhafterweise unter geringfügiger Erhöhung des Rechenauf wands sowohl für Ein- als auch für Mehrebenenauswuchtsysteme durchgeführt werden.

Die Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, daß durch das ite rierte Vorgehen bei der Berechnung der Einflußkoeffizienten auch stark nichtlineare auszuwuchtende Systeme mit wenigen Test- oder Kontrolläufen auswuchtbar sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Auswuchtmeßgerät 11, das mit einem Referenzgeber 10 und zwei in den Lagerebenen eines Elektromotors 1 angeordneten Meßwertaufnehmern 8, 9 verbunden ist, durch das die Lagerschwingungen und deren Phasenlage er faßt wird und mit dessen Hilfe die Ausgleichsmassen ermittel bar sind.

Der Elektromotor 1 besteht aus einem Gehäuse 2, in dem ein ro tierender Läufer 3 gelagert ist, an dessen Antriebswelle 4 ei ne abtastbare Referenzmarke 7 angebracht ist. Der Elektromotor 1 ist über elastische Gummielemente 5 gegenüber einem Funda ment 6 abgestützt.

Am Elektromotor 1 sind in jeder der beiden Lagerebenen, ein Meßwertaufnehmer 8, 9 angeordnet, mit dem die Lagerschwingun gen in jeder Lagerebene erfaßbar sind. Zur Ermittlung der Um lauffrequenz und Winkellage ist am Läufer 3 bzw. Rotor ein Re ferenzgeber 10 vorgesehen, durch den die Referenzmarke 7 op tisch abgetastet wird. Die Meßwertaufnehmer 8, 9 und der Refe renzgeber 10 sind mit einem Auswuchtmeßgerät 11 verbunden, das aus den Meßsignalen die Unwuchtwirkung in den Lagerebenen und die Ausgleichsmassen in der oder den Ausgleichsebenen nach Be trag und Winkellage ermittelt und anzeigt.

Beim erfindungsgemäßen Betriebsauswuchtverfahren wird zunächst mit Hilfe des Auswuchtmeßgerätes 11 in einem ersten Schritt ein sogenannter Urunwuchtmeßlauf durchgeführt. Dazu wird der Elektromotor 1 auf Betriebsdrehzahl beschleunigt und die in den Lagerebenen erfaßten Schwingungssignale einer Auswertevor richtung im Auswuchtmeßgerät 11 zugeführt und dort gespei chert. Gleichzeitig werden mit dem Referenzgeber 10 Referenz signale des Rotors 3 optisch abgetastet und ebenfalls der Aus wertevorrichtung übermittelt. Diese Signale werden verstärkt und Filterschaltungen zugeführt um Störschwingungen zu elimi nieren, so daß man für jede Lagerebene aufgrund der Unwuchtan teile Lagerschwingungen erhält. In der Auswertevorrichtung werden unter Berücksichtigung der Referenzsignale aus den La gerschwingungen die Unwucht nach Betrag und Phasenlage be stimmt und als Urunwuchtdaten gespeichert.

Hiernach erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt ein Test lauf mit einer vorgegebenen Testmasse, die zunächst an einer vorbestimmten Ebene, vorzugsweise an einer der beiden Aus gleichsebenen angebracht wird. Bei dem dargestellten Elektro motor 1 wird meist in zwei Ausgleichsebenen ausgewuchtet, so daß dann zwei Testläufe mit jeweils einer Testmasse in jeder Ausgleichsebene vorgesehen sind. Bei einem scheibenförmigen Rotor wird häufig nur in einer Ebene ausgewuchtet, so daß dann nur ein Testlauf und bei längeren Rotoren mit drei und mehr Ausgleichsebenen auch drei und mehr Testläufe durchgeführt.

Die Daten des ersten Testlaufs wie beispielsweise Größe der angebrachten Testmasse, Befestigungswinkel und eventuelle Be festigungsradien werden der Auswertevorrichtung übermittelt und gespeichert. Vorzugsweise wird für jede Ausgleichsebene eine gleich große Testmasse vorgesehen und jeweils ein Test lauf durchgeführt und deren Schwingungsdaten gespeichert. Mit Hilfe bekannter Rechenverfahren werden in der Auswertevorrich tung aus den Schwingungsdaten des Urunwuchtmeßlaufs und der beiden Testläufe vier Einfluß koeffizienten a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂ er rechnet und mit deren Hilfe die erforderlichen Ausgleichs massen nach Betrag und Winkellage bestimmt, um den Läufer 3 auszuwuchten bzw. unter einen zulässigen Restunwuchtwert aus zugleichen.

Nach dem Auswuchtvorgang mit den zuvor ermittelten Ausgleichs massen wird ein Kontrollauf durchgeführt, um festzustellen, ob auch tatsächlich der zulässige Restunwuchtwert eingehalten wird. Sollte der vorgegebene zulässige Restunwuchtwert über schritten sein, so kann dies auf einen ungenauen Auswuchtvor gang oder auch auf eine Nichtlinearität der Rotor- oder der Motorlagerung zurückzuführen sein, so daß weitere Auswucht schritte erforderlich sind.

Dazu ist das nachfolgend beschriebene iterative Rechenverfah ren vorgesehen, das von der Auswertevorrichtung nach der Kon trollmessung durchgeführt wird. Dies besteht im wesentlichen daraus, daß aus den Schwingungsdaten der Kontrollmessung und den gespeicherten Daten neue iterativ ermittelte Einflußkoef fizienten b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂ berechnet werden, mit deren Hilfe der nächstfolgende Ausgleichsvorgang bestimmt wird.

Bei einem Zweiebenenauswuchtvorgang werden zunächst die Ein flußkoeffizienten aus den Schwingungsänderungen zwischen dem Urunwuchtmeßlauf und dem ersten Testlauf nach folgenden be kannten Gleichungen ermittelt:

S₁ = a₁₁ . m₁ + a₁₂ . m₂;

S₂ = a₂₁ . m₁ + a₂₂ . m₂

Dabei sind:
S₁ = Schwingungsänderung in Lagerebene 1dd zwischen Urun wuchtmeßlauf und erstem Testlauf;
S₂ = Schwingungsänderung in Lagerebene 2 zwischen dem Urunwuchtmeßlauf und dem zweiten Testlauf;
m₁ = vorgegebene Testmasse an Ausgleichsebene 1;
m₂ = vorgegebene Testmasse an Ausgleichsebene 2 und
a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂ = Einfluß koeffizienten beim Zweiebenen ausgleich.

Mit Hilfe eines bekannten Rechenverfahrens und den ermittelten Meßwerten werden durch die Auswertevorrichtung die vier Ein flußkoeffizienten a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂ berechnet. Daraus werden in einem weiteren Rechenschritt mit Hilfe der Daten der Urun wuchtmessung die Ausgleichsmassen m₃ und m₄ berechnet und an den vorgesehenen Ausgleichsstellen befestigt oder entfernt.

Der erfinderische Schritt des weiteren Verfahrens geht nun da von aus, daß sich bei einer Nichtlinearität des auszuwuchten den Systems das Schwingungsübertragungsverhalten durch zusätz liche Ausgleichsgewichte ändert, so daß sich auch die Einfluß koeffizienten verändern. Deshalb wird ein Berechnungsverfahren vorgeschlagen, durch das neue Einflußkoeffizienten b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂ berechnet werden. Dabei wird von den zuvor errechneten Ausgleichsmassen m₃ und m₄ und den durch die Kontrollmessung ermittelten neuen Lagerschwingungswerten s₃ und s₄ ausgegangen, die die Berechnungsgrundlage für die neue und verbesserte Ein flußkoeffizientenmatrix aus den folgenden Schwingungsgleichun gen bildet:

s₃ = b₁₁ . m₃ + b₁₂ . m₄;

s₄ = b₂₁ . m₃ + b₂₂ . m₄

Um gezielt iterativ vorzugehen, wird vorgesehen, den Abstand d zwischen dem vorausberechneten Einflußkoeffizienten a_ij und den neuen verbesserten Einflußkoeffizienten bis nach folgender Funktion zu minimieren:

Da diese Minimierung gezielt und in möglichst wenigen Aus wuchtschritten unter Berücksichtigung des vorherigen Schwing verhaltens des auszuwuchtenden Systems erfolgen soll, wird dies mathematisch durch ein Berechnungsverfahren nach Lagrange berücksichtigt, in dem die Lagrange-Multiplikatoren λ und µ vorgesehen werden. Daraus ergeben sich für die notwendige Mi nimierung des Abstands d des nächstfolgenden Auswuchtschrittes folgendes Differentialgleichungssystem:

Dabei ist das Differentialgleichungssystem sowohl für den Re alteil Re als auch den Imaginärteil Im aufgestellt. Nach einer Differentation dieses Differentialgleichungssystems ergibt sich für die Ermittlung der neuen und verbesserten Einflußkoeffi zienten b_ij beim Zweiebenenausgleich folgende Matrix:

Die Elemente der vorstehenden Matrix sind bekannt, ebenso die rechte Seite. Damit sind jetzt die unbekannten neuen Einfluß koeffizienten b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂ durch die Auswertevorrichtung berechenbar, woraus dann wiederum die neuen Korrekturmassen m₅, m₆ nach Betrag und Phasenlage bestimmbar sind.

Nach Durchführung dieses zweiten Auswucht- oder Korrekturvor gangs erfolgt dann eine weitere Kontrollmessung. Sollte sich auch jetzt noch ein unzulässig hoher Restunwuchtwert ergeben, kann der ganze Rechenvorgang mit wiederum verbesserten Ein flußkoeffizienten c₁₁ bis c₂₂ nochmals oder noch weitere Male durchgeführt werden, um den Elektromotor 1 bis auf einen zu lässigen Restunwuchtwert auszuwuchten. In der Praxis hat sich gezeigt, daß bei einer Zweiebenenauswuchtung auch stark linea res Schwingungsverhalten der unwuchtigen Maschinen bereits nach zwei Auswuchtvorgängen in der Regel bis auf einen zuläs sigen Restunwuchtwert auswuchtbar sind. Da ein derartiges Ver fahren bereits nach jeder Kontrollmessung lediglich durch ein Rechenverfahren durchführbar ist, kann es ohne Nachteile auch bei linearen Schwingverhalten durchgeführt werden. Dabei wür den sich dann aber die neuen Einflußkoeffizienten b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂ nicht von den alten Einfluß koeffizienten a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂ unterscheiden, so daß auch diese Auswuchtvorgänge mit der gleichen Meßgenauigkeit durchführbar sind.

Dieses erfindungsgemäße iteritierte Auswuchtverfahren ist auch für eine Auswuchtung für den Ein- und Mehrebenenausgleich ge eignet, wobei beim Drei- und Mehrebenenausgleich der Rang der Matrix der Koeffizientendeterminanten entsprechend größer wä re, wodurch sich der Rechenaufwand aber nur unbedeutend er höht. Da heutige programmgesteuerte Auswertevorrichtungen in Auswuchtmeßgeräten über leistungsfähige Rechenprozessoren und Speichereinrichtungen verfügen, können derartige Rechenverfah ren auch mit herkömmlichen Auswuchtmeßgeräten ohne großen Mehraufwand ausgeführt werden. Diese Verfahren sind sowohl von mobilen als auch von stationären Auswuchtmeßgeräten durchführ bar.

Claims

1. Verfahren zum Auswuchten eines Rotors (3) bei dem zu nächst eine Urunwuchtmessung und anschließend minde stens ein Testlauf durchgeführt wird, aus dem die Ein flußkoeffizienten (a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂) berechnet werden, mit deren Hilfe die Ausgleichsmassen (m₃, m₄) bestimmt und in einem Ausgleichsvorgang am Rotor (1) vorgesehen werden, wonach ein Kontrolllauf zur Ermittlung der ver bliebenen Restunwucht vorgenommen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß beim überschreiten eines zulässigen Re stunwuchtwertes aus dem Restunwuchtwert (s₃, s₄) und den vorgesehenen Ausgleichsmassen (m₃, m₄) neue Einflußkoef fizienten (b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂) berechnet werden, aus denen mindestens eine weitere Ausgleichsmasse (m₅, m₆) zum Re stunwuchtausgleich errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die neuen Einflußkoeffizienten (b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂) unter Minimierung des Abstands (d) gegenüber den vorhergehen den Einflußkoeffizienten (a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂) ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die neuen Einflußkoeffizienten (b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂) unter Berücksichtigung des vorherigen Mas senausgleichs mit Hilfe von Lagrange-Multiplikatoren (λ, µ) vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Unwuchtausgleich bei nichtlinearem System iterativ in mindestens zwei und bis zu fünfzehn Auswuchtstufen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Unwuchtausgleich für Ro toren (3) mit Ein- und Mehrebenenunwuchtausgleich vor gesehen ist.

6. Vorrichtung zum Unwuchtausgleich nach einem der vorher gehenden Verfahren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Auswuchtmeßgerät (11) mit einer Auswertevorrichtung vorgesehen ist, an das mindestens zwei Schwingungsaufnehmer (8, 9) und ein Referenzgeber (10) angeschlossen ist, wobei die Auswertevorrichtung elektronische Rechen- und Speicherelemente enthält, mit deren Hilfe aus den Schwingungs- und Referenzsignalen Einflußkoeffizienten (a₁₁, a₁₂, a₂₁, a₂₂) für einen ersten Unwuchtausgleich und neue Einflußkoeffizienten (b₁₁, b₁₂, b₂₁, b₂₂) für weitere unzulässige Restunwuchtwerte errechenbar sind, woraus ein weiterer Unwuchtausgleich nach Betrag und Phase bestimmbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswuchtmeßgerät (11) als stationäres Gerät oder mobiles Handmeßgerät ausgebildet ist.