DE19859664A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten eines Rotors - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Auswuchten eines Rotors soll mit möglichst wenig Testläufen ein genauer Unwuchtausgleich erreicht werden. Dies wird dadurch erzielt, daß zunächst eine Urunwuchtmessung und anschließend ein erster Testlauf erfolgt und mit den gewonnenen Daten anhand eines Iterationsverfahrens eine Berechnung einer Näherungslösung für das Auswuchtproblem erfolgt, die mit einer vorgebbaren Optimierungsbedingung verglichen wird und wenn die Optimierungsbedingung erfüllt ist, ein Auswuchten mit der durch die Näherungslösung berechneten Größe erfolgt oder das Verfahren mit weiteren Testläufen solange fortgeführt wird, bis die Optimierungsbedingung erfüllt ist und dann ein Auswuchten mit den berechneten Größen erfolgt.

Description

Massenunsymmetrien bezüglich der Drehachse eines Rotors erzeu­ gen aufgrund der Zentrifugalkraft bei Drehung eine periodische Kraft auf die Lagerung des Rotors. Ursachen von Massenunsymme­ trien können beispielsweise Konstruktionsfehler, Materialfeh­ ler, Fertigungs- und Montagefehler oder betriebsbedingte Feh­ ler sein. Dies führt zu einer Schwingungsbelastung der Maschi­ ne und ihrer Bauteile, z. B. der Lagerung und damit zu Ver­ schleiß und Schäden. Diese ungünstigen Auswirkungen zu mini­ mieren, den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen und die Si­ cherheit beim Betrieb der Maschine zu erhöhen, ist die Aufgabe des Auswuchtens. Beim Auswuchten wird die Massenunsymmetrie bestimmt und durch Ausgleichsgewichte kompensiert.

Das Aus­ wuchten erfolgt auf Auswuchtmaschinen. Wird der ausgewuchtete Rotor in die Maschine eingebaut, so können sich Veränderungen des Auswuchtzustandes ergeben. Desgleichen kann über die Be­ triebszeit der Maschine, z. B. durch Korrosion, Erosion und Anbackungen sich der Auswuchtzustand verschlechtern.

Den Rotor in seiner endgültigen Lagerung (in situ) abhängig von sich im Betrieb verschlechterndem Auswuchtzustand auszu­ wuchten und einen vorgegebenen Laufzustand sicherzustellen ist Aufgabe des Betriebsauswuchtens. Beim Betriebsauswuchten läßt sich die Unwucht eines Rotors nicht direkt bestimmen. Es wer­ den die an den Lagerstellen auftretenden absoluten Lager­ schwingungen oder die relativen Wellenschwingungen mittels Aufnehmern erfaßt. Hierbei werden die umlauffrequenten Schwin­ gungen ermittelt und nach Betrag und Phasenwinkel angezeigt. Ein Referenzgeber erstellt dabei einen Drehzahl- und Winkelbe­ zug zum Rotor.

In Abhängigkeit von den konstruktiven Gegebenheiten des Rotors wird bei einem schmalen, scheibenförmigen Rotor das Ein- Ebenen-Auswuchten (Massenkorrektur in einer Radialebene des Rotors), bzw. bei einem langgestreckten, walzenförmigen Rotor ein Zwei- oder Mehrebenen-Auswuchten durchgeführt (Massenkor­ rekturen in zumindest zwei Radialebenen). Als Berechnungsme­ thode wird hierbei das sogenannte Einflußkoeffizientenverfah­ ren verwendet, das in dem Aufsatz "A least squares method for computing balance corrections" Goodman, T. P., Trans. ASME, Ser. 3, Vol. 36, No. 3, August 1964, auf Seite 273 in den Schritten 1 bis 6 beschrieben ist. Ein Kennzeichen dieses Verfahrens ist es, daß in sogenannten Testläufen eine Kalibrierung erfolgen muß, da im allgemeinen die Schwingungs­ übertragungseigenschaften der Lagerung und Fundamentierung nicht bekannt sind. Die Anzahl der Testläufe ist mindestens gleich der Anzahl der Ebenen in denen ausgewuchtet werden soll. Diese Testläufe stellen einen erheblichen Aufwand dar. Weiterhin ist es beim Betriebsauswuchten häufig unklar, ob in ein oder zwei bzw. mehr Ebenen ausgewuchtet werden soll. Wird bei einem unbekannten Auswuchtfall, der physikalisch ein Ei­ nebenenproblem darstellt, aus Unkenntnis in zwei Ebenen ausge­ wuchtet, so hat dies gravierende Nachteile. Zum einen wird der Aufwand durch einen mindestens zweiten Testlauf deutlich er­ höht und zum anderen wird der Unwuchtausgleich bei der Errech­ nung der Ausgleichsgewichte aufgrund ihrer gegenseitigen Ab­ hängigkeiten ungenauer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswuchten eines Rotors zu schaffen, wobei mit möglichst wenig Testläufen ein genauer Unwuchtaus­ gleich erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird be­ reits nach einem, ersten Testlauf mittels eines Iterationsver­ fahrens in mehreren Schritten eine Näherungslösung für das Auswuchtproblem errechnet. Diese Näherungslösung, die als Er­ gebnis die Größe sowie die Winkellage einer Ausgleichsmasse in einer vorgegebenen Ausgleichsebene sowie die verbleibende Restschwingung angibt, wird anschließend mit einer Optimie­ rungsbedingung verglichen. Wenn die Optimierungsbedingung er­ füllt ist, dann liegt ein Einebenenproblem vor. Wird die Opti­ mierungsbedingung nicht erfüllt, dann kann ein Zwei- oder Mehrebenenproblem vorliegen, so daß mindestens ein weiterer Testlauf und die Vorgabe mindestens einer weiteren Auswucht­ ebene erfolgen muß.

Durch das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren werden unnötige Testläufe vermieden und somit wird die Genauigkeit des Unwuchtausgleichs verbessert. Es werden pur die erforder­ lichen Testläufe durchgeführt, so daß der Aufwand sowie der Zeitbedarf und damit die Stillstands Zeit der Maschine beim Betriebsauswuchten verringert wird.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beim Betriebs­ auswuchten eines Rotors anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1, die eine mögliche Variante zeigt, näher beschrie­ ben.

Der auszuwuchtende Rotor 1 ist über zwei Lagerstellen in einem Gehäuse 2 um die Drehachse 3 drehbar gelagert. Das Gehäuse 2 ist auf einem Fundament 4 abgestützt. Zur Ermittlung der Mas­ senunsymmetrien bezüglich der Drehachse 3 des Rotors 1 ist den beiden Lagerstellen jeweils ein Meßwertaufnehmer 5, 5' zuge­ ordnet, die die an den Lagerstellen auftretenden absoluten Lagerschwingungen erfassen. Anstelle der absoluten Lager­ schwingungen könnten auch die relativen Wellenschwingungen gemessen werden.

Die gemessenen Schwingungssignale des Rotors 1 werden einer Auswerteeinheit 6 zugeführt. Des weiteren ist ein Referenz­ geber, z. B. ein fotoelektrischer Abtastkopf 7 beabstandet an einem aus dem Gehäuse ragenden Wellenende 8 des Rotors 1 an­ geordnet, der eine mit dem Wellenende 8 unlaufende Referenz­ marke 9 abtastet. Die von dem Referenzgeber 7 ermittelten Re­ ferenzsignale werden ebenfalls der Auswerteeinheit 6 zu­ geführt. Die Referenzsignale stellen den Winkel und Drehzahl­ bezug zwischen auszuwuchtendem Rotor 1 und Auswerteeinheit 6 her.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem ersten Schritt eine Urunwuchtmessung durchgeführt, d. h. der Rotor läuft mit Betriebsdrehzahl um und die Schwingungssignale an den beiden Lagerstellen werden gemessen und der Auswerte­ einheit 6 übermittelt. Desweiteren wird ein Referenzsignal von dem Referenzgeber 7 abgetastet und der Auswerteeinheit 6 über­ mittelt.

Die gemessenen Schwingungsignale werden zunächst verstärkt und anschließend gefiltert. Die Filterschaltung eliminiert die Störschwingungen, so daß man als Ergebnis die Unwuchtanteile der Lagerschwingungen erhält. Aus den Unwuchtanteilen der La­ gerschwingungen können nun die Schwingungsamplitude sowie die Phasenwinkel der Unwuchtschwingungen unter Einbeziehung der Referenzsignale ermittelt werden. Diese Daten werden als Urun­ wuchtdaten in der Auswerteeinheit 6 abgespeichert.

In einem zweiten Schritt wird nun eine Auswuchtebene festge­ legt. Beim Betriebsauswuchten ist es häufig unklar, ob in ein oder zwei bzw. mehr Ebenen ausgewuchtet werden muß. Man geht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst von einem Eine­ benenproblem aus. Nachdem eine Auswuchtebene festgelegt ist, wird eine Testmasse an der Auswuchtebene befestigt. Die Daten des Testlaufes, d. h. Größe; Befestigungswinkel sowie eventu­ ell Befestigungsradius der Testmasse werden, der Auswerteein­ heit übermittelt.

Anschließend erfolgt ein Testlauf, d. h. dar Rotor mit Test­ masse läuft um und die Schwingungssignale an den beiden Lager­ stellen werden gemessen und der Auswerteeinheit zugeführt. Des weiteren werden die von dem Referenzgeber 7 abgetasteten Refe­ renzsignale der Auswerteeinheit 6 übermittelt. Die gemessenen Schwingungssignale sowie die Referenzsignale werden entspre­ chend den Erläuterungen zu der Urunwuchtmessung weiterverar­ beitet und ausgewertet, so daß die aus den Unwuchtanteilen der Lagerschwingung resultierenden Schwingungsamplituden sowie die Phasenwinkel der Unwuchtschwingung angezeigt und als Testlauf­ daten abgespeichert werden können.

Nach der vorbeschriebenen Urunwuchtmessung sowie des ersten Testlaufes erfolgt mittels eines Iterationsverfahrens eine Berechnung einer Näherungslösung für das Auswuchtproblem. Das nachfolgend genannte Iterationsverfahren ist im einzelnen in dem Aufsatz Thomas P. Goodman, "A Least-Squares Method for Computing Balance Corrections", Journal of Engineering for Industry, August 19-64, Seiten 273 bis 277 beschrieben und wird daher nur kurz erläutert.

Bei diesem Iterationsverfahren werden zunächst in einer ersten Iteration die Urunwuchtdaten sowie die Testdaten zur Berech­ nung der Einflußkoeffizienten herangezogen. Die Methode der Berechnung der Einflußkoeffizienten ist ebenfalls in dem oben genannten Aufsatz ausführlich erläutert. Mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgt anschließend anhand der Urun­ wuchtmeßdaten sowie der Einflußkoeffizienten eine Berechnung der Größe sowie der Winkellage einer Ausgleichsmasse in der vorgegebenen Ausgleichsebene sowie der verbleibenden Rest­ schwingungen.

Nach der ersten Iteration erfolgt eine weitere Iteration, bei der die Methode der gewichteten kleinsten Fehlerquadrate ange­ wendet wird. Bei dieser Methode erfolgt eine optimale Minimie­ rung der verbleibenden Restschwingungen i. S. d. Auswuchtens, da bei dem zugrundeliegenden mathematischen Algorithmus große Restschwingungen einen größeren Einfluß haben, d. h. eine Wichtung entsprechend des Betrages der. Restschwingungen er­ folgt.

Das Ergebnis der weiteren Iteration auf Basis der Methode der gewichteten kleinsten Fehlerquadrate kann durch weitere Itera­ tionsschritte mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate optimiert werden.

Dieses Ergebnis wird anschließend mit einer Optimierungsbedin­ gung verglichen. Diese Optimierungsbedingung kann aus einem oder mehreren Kriterien bestehen, die vorher festgelegt wer­ den. Nachfolgend werden einige mögliche wählbare Kriterien beispielhaft aufgezählt:

• a) Zwei größte Restschwingungen sind betragsmäßig gleich
• b) Größte Restschwingung ist minimal
• c) Eine festlegbare Abweichung beispielsweise um wieviel hat sich die größte Restschwingung in Bezug auf Urunwucht­ messung oder in Bezug auf absolut vorgebbaren Wert ver­ ringert.

Wenn bei dem Vergleich der vorgegebenen Optimierungsbedingun­ gen mit der nach den vorbeschriebenen Iterationsschritten be­ rechneten optimalen Ausgleichsmasse sowie der ermittelten Restschwingungen das bzw. die vorgegebenen Kriterien erfüllt werden, dann kann das vorliegende Auswuchtproblem als Eineben­ enproblem angesehen werden und es kann ein Unwuchtausgleich mit der berechneten optimalen Ausgleichsmasse vorgenommen wer­ den.

Ist die Optimierungsbedingung nicht erfüllbar, dann muß ein zweiter Testlauf vorgenommen werden. Nach dem weiteren Test­ lauf erfolgt eine Berechnung der Ausgleichsmassen. Zeigt ein anschließender Prüflauf nach Anbringen der Ausgleichsmassen, daß die geforderte Auswuchtgüte nicht erreicht ist, so ist das oben beschriebene Verfahren auf mehr als zwei Ebenen zu er­ weitern.

Anstelle des im Aufsatz von Thomas P. Goodman, "A Least-Squa­ res Method for Computing Balance Corrections", Journal of En­ gineering for Industry, August 1964, Seiten 273 bis 277 be­ schriebenen Iterationsverfahrens könnten auch andere Verfah­ ren, beispielsweise das MinMax-Verfahren oder lineare Program­ mierung verwendet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens können die einzelnen zu optimierenden Restschwingungen mit Gewichtsfaktoren versehen werden, die eine individuelle Bewertung der einzelnen Schwingungsgrößen ermöglichen. Damit läßt sich das Verfahren z. B. an die Verwendung unterschiedli­ cher Aufnehmer, an die unterschiedliche Auswirkungen der Schwingung auf die auszuwuchtende Anlage anpassen.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren in tragbaren Meßeinrich­ tungen integriert. Das Meßgerät verbindet die Meßeinrichtung, Messung der umlauffrequenten Schwingung nach Betrag und Phase mit der Energieversorgung der Meßwertaufnehmer und der Aus­ werteeinrichtung. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil das Be­ triebsauswuchten meistens vor Ort an der Maschine erfolgen muß.

Das Verfahren könnte auch in einer weiteren Ausgestaltung auf einem Rechner implementiert sein, der über Datenfernübertra­ gung mit der Meßwerterfassung verbunden ist. In einer vorteil­ haften Ausgestaltung könnte die Datenerfassung eine Schwin­ gungsüberwachungsanlage sein, die z. B. über eine Kopplung mittels Telefon oder Internet mit der Auswerteeinheit verbun­ den ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Auswuchten eines Rotors bei dem zunächst eine Urunwuchtmessung und anschließend ein erster Test­ lauf erfolgt und mit den gewonnenen Daten anhand eines Iterationsverfahrens eine Berechnung einer Näherungslö­ sung für das Auswuchtproblem erfolgt, die mit einer vor­ gebbaren Optimierungsbedingung verglichen wird und wenn die Optimierungsbedingung erfüllt ist ein Auswuchten mit der durch die Näherungslösung berechneten Größe erfolgt oder das Verfahren mit weiteren Testläufen solange fort­ geführt wird, bis die Optimierungsbedingung erfüllt ist und dann ein Auswuchten mit den berechneten Größen er­ folgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei als Optimierungs­ bedingung ein oder mehrere Kriterien vorgebbar sind.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei als Kriterium die maximal zu erwartende Restschwingung nach dem Unwuchtaus­ gleich an allen Meßstellen vorgebbar ist.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die einzelnen zu optimierenden Restschwingungen in Abhängigkeit von den Meßstellen gewichtet werden.