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Verfahren zum Auswuchten umlaufender Körper. DieErfindung betrifft
neueVerfahrensarten zum Auswuchten umlaufender Körper, z. B. der rotierenden Teile
von Maschinen, z. B. von Elektrogeneratoren, Turbinen, Turbokompressoren usw. Damit
ein rotierender Körper, z. B. das Laufrad einer Dampfturbine, der Rotor einer elektrischen
Maschine, ein Schwungrad usw., sich störungsfrei bewegt, ist es bekanntlich nötig,
seine Maße so anzuordnen, daß die Drehachse genau mit einer Hauptträgheitsachse
zusammenfällt. Wenn beide Achsen voneinander abweichen, wird der umlaufende Körper
Kräfte auf seine Lager ausüben, die nachteilige Schwingungen der Maschine und ihrer
Umgebung zur Folge haben. Insbesondere sind z. B. rasch laufende Maschinen, wie
Turbomaschinen, äußerst empfindlich gegen die geringste Abweichung der wirklichen
Umdrehungsachse von- der Hauptträgheitsachse. Bei einem mit 3 ooo Touren umlaufenden
Rotor genügt z. B. die Verlagerung des Schwerpunktes um den Betrag von 'I", mm,
um Zentrifugalkräfte hervorzurufen, die gleich dem Gewicht des rotierenden Körpers
sind. Die Lager haben also z. B. bei einem mittelgroßen Rotor von 6ooo kg Gewicht
in 5omaligem Wechsel pro Sekunde Zusatzkräfte von der genannten Größe aufzunehmen,
wodurch Schwingungen der Maschine und ihrer Umgebung mit den bekannten nachteiligen
Folgen entstehen. Es stellt sich dann während des Betriebes ein dauerndes Erzittern
ein, das besonders im Falle der Resonanz mit dem tragenden Fundament und den sonstigen
Unterlagen die Maschine unfähig macht, ihren Dienst auch nur für kurze Zeit zu versehen.
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Um umlaufende Körper auszuwuchten, benutzte man bisher komplizierte
Auswuchtmaschinen, in deren Lagern der Körper zur Drehung gebracht wurde. Wo man
keine Auswuchtmaschinen zur Verfügung hat, z. B. bei fertigen Anlagen, bei denen
z. B. eine auf dem Transport oder durch Reparaturen entstandene Verlagerung beseitigt
werden muß, war man bisher auf ein Austarieren aufs Geradewohl angewiesen, das nur
bei großem Zeit- und Kostenaufwand rein zufällig zum Ziele führte.
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Mit den neuen Verfahrensarten entsprechend der Erfindung gelingt es,
in einfachster Weise und unter geringstem Zeitaufwand das Auswuchten von Maschinen
usw. sowohl in der Werkstatt wie in der fertigen Anlage, insbesondere auch ohne
Herausnehmen der umlaufenden Teile aus ihren Lagern und unter Verzicht auf besondere
komplizierte Auswuchtmaschinen, durchzuführen, und zwar auch bei der Betriebsdrehzahl,
also unter Berücksichtigung der hierbei auftretenden zentrifugalen Deformation,
Verlagerung infolge Erwärmung usw.
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Das Verfahren beruht auf einer neuen, vom Erfinder erschlossenen Erkenntnis
des Zusaminenhanges zwischen den durch den umlaufenden Körper erzeugten Schwingungen
und- den sie verursachenden störenden Kräften.
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Unter Schwingungszustand eines Punktes des -Systems soll nachfolgend
die allgemeine Form der räumlichen oder ebenen Bahn des
betrachteten
Punktes verstanden werden, die im praktischen Falle sich z. B. als Achsenverhältnis
einer ellipsenartigen Kurve oder in besonderen Fällen auch als Kreisform oder als
Form einer linearen Schwingung darstellen wird.
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Der Erfinder hat nun gefunden, daß dieser Schwingungszustand des Systems
bzw. eines Punktes des Systems sich in Abhängigkeit von der Drehzahl wesentlich
ändert, so daß sich also bei verschiedenen Drehzahlen z. B. anders gestaltete und
anders liegende Ellipsen ergeben können.
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Es soll weiterhin unter dem Verhältnis fron räumlich angeordneten
Kräften die Proportion ihrer absoluten Beträge und die Größe ihrer räumlichen Winkel
untereinander und mit der Drehachse des umlaufenden Körpers erstanden werden. Bei
zwei sich im Räum kreuzenden Kräften würde ihr Verhältnis also bestimmt sein, wenn
ihre absoluten Beträge festliegen und ihre Winkel untereinander und gegenüber der
Drehachse bestimmt sind. Werden die absoluten Beträge auf das Zweifache, Dreifache
oder n-fache vergrößert oder in derselben Weise verringert, oder wird die Kraftfigur
z. B. um die Drehachse gedreht, ohne die Winkel zwischen den Kräften und der Achse
zu ändern, so werden die Kräfte unter Einhaltung ihres oben definierten Verhältnisses
geändert.
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Wie bekannt, lassen sich die in dem umlaufenden Körper wirksamen störenden
Kräfte immer als ein räumliches Kraftsystem darstellen, das sich im besonderen auf
zwei sich kreuzende Kräfte, z. B. auf in zwei zur Achse senkrechten Ebenen wirksame
Kräfte, zurückführen läßt.
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Der Erfinder hat festgestellt, daß der Schwingungszustand bei irgendeiner
Drehzahl nicht geändert wird, wenn die im Körper vorhandenen störenden Kräfte unter
Einhaltung ihres Verhältnisses entsprechend der oben gegebenen Erklärung geändert
werden. Es sei der Schwingungszustand bei einer bestimmten Drehzahl, z. B. durch
das Achsenverhältnis einer bestimmt gelegenen Ellipse, charakterisiert. Führt man
nun die wirksamen störenden Kräfte auf zwei in radialen Ebenen gelegene Kräfte zurück
und ändert diese unter Einhaltung ihres Verhältnisses, so wird der Schwingungszustand
des Punktes nicht geändert, d. h. man - erhält wiederum als Schwingung eine der
ersten ähnliche Ellipse von gleichem Achsenverhältnis. Das gleiche würde der Fall
sein, wenn die Schwingung ein Kreis oder eine andere Kurve war oder wenn sie lineare
Form besaß.
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Führt man dieselbe Betrachtung für eine andere Drehzahl durch, so
würde man finden, daß zwar der Schwingungszustand bei anderer Drehzahl ein anderer
geworden ist, z. B. in einer anderen Ellipse mit anderem Achsenverhältnis besteht;
ändert man aber bei diesem Schwingungszustand wiederum die störenden Kräfte unter
Einhaltung ihres Verhältnisses, so erhält man auch in diesem Fall eine ähnliche
Ellipse, d. h. es gilt allgemein das Gesetz, daß eine Änderung der störenden Kräfte
.unter Einhaltung ihres Verhältnisses bei beliebiger Drehzahl den jeweilig herrschenden
Schwingungszustand nicht ändert.
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Auf Grund dieser Gesetzmäßigkeit läßt sich das Auswuchten eines umlaufenden
Körpers in einfacher Weise folgendermaßen durchführen: Man bestimmt unter Voraussetzung
zweier einander zugeordneter Werte der Drehzahl und des Schwingungszustandes das
Verhältnis der störenden Kräfte, die z. B. aus mehreren räumlich angeordneten Kräften
und im besonderen auch aus zwei z, B. sich kreuzenden Kräften bestehen können. Diese
Bestim-.iiung kann z. B. in der Weise- durchgeführt werden, daß man den Schwingungszustand
irgendeines Systempunktes beobachtet, z. B. graphisch aufzeichnen läßt, photographiert,
durch einen empfindlichen Schwingungsmesser, z. B. einen Resonanzschwingüngsmesser,
veranschaulicht usw. Alsdann nimmt man unter Beibehaltung der Umdrehungszahl an
dem Körper Massenveränderungen vor, z. B. indem man in Tarierebenen Massen hinzubringt
oder fortnimmt, und beobachtet gleichzeitig den Schwingungszustand desselben Punktes.
Ergibt sich durch die vorgenommenen Kraftveränderungen eine ähnliche Schwingungskurve,
z. B, eine der ersten ähnliche Ellipse von gleichem Achsenverhältnis, so hat man
die Gewähr dafür, daß das Verhältnis der in den Tarierebenen angebrachten Kräfte
dasjenige der störenden Kräfte ist.
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Um nun den umlaufenden Körper zu beruhigen, braucht man nur das gefundene
Kraftsystem unter Einhaltung seines Verhältnisses so lange zu ändern, bis eine-beliebige
Schwingungskomponente irgendeines Systempunktes verschwindet.
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Für die praktische Durchführung des Verfahrens ergeben sich dadurch
besondere Vereinfachungen, daß man den Schwingungszustand bei einer bestimmten Drehzahl
besonders vereinfacht, z. B. derart, daß man ihn in lineare Form bringt.
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Man beobachtet z. B. bei einer bestimmten Umdrehungszahl den Schwingungszustand
eines beliebigen Punktes des Systems, dem z. B. in einer zur Achse senkrechten Ebene
im allgemeinen eine Schwingungskurve vön elliptischer Gestalt entsprechen wird,
Diesen Schwingungszustand des Punktes beeinflußt
man z. B. durch
Austarieren, d. h. durch Hinzufügen oder Wegnehmen von Massen von ,lein umlaufenden
Körper bei beliebiger Drehzahl, derart, daß ihm eine bestimmte Schwingungskompcnente,
z. B_ die horizontale, genommen wird, so daß er hierauf eine lineare Schwingung
ausführt.
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Alsdann bestimmt man das Verhältnis der noch verbleibenden Störungskräfte
in der Weise, daß man in eine beliebig gelegene, z. B. senkrecht zur Achse stehende
Tarierebene eine Störungskraft, z. B. eine Tariermasse, bringt. Das Hinzufügen dieser
Kraft wird den Schwingungszustand des beobachteten Punktes ändern, so daß er also
wieder in elliptischer Form schwingt bzw. wieder eine horizontale Komponente erhält.
Nunmehr bringt man in einer zweiten Tarierebene durch Massenänderung eine zweite
Kraft an und regelt diese derart, daß die horizontale Komponente des beobachteten
Punktes wiederum aufgehoben wird.
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Die beiden Kräfte, nämlich die gewählte Störungskraft in der einen
Tarierebene und die durch Austarieren gefundene Ausgleichskraft in der anderen Tarierebene.
stehen im gleichen Verhältnis wie die nach Vernichtung der horizontalen Schwingung
noch im Rotor verbliebenen unbekannten Störungskräfte bezüglich der beiden Tarierebenen,
d. h. sie bilden, in Richtung der Achse gesehen, miteinander denselben Winkel wie
diese unbekannten Störungskräfte, und sie haben das gleiche Größenverhältnis wie
diese.
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Nachdem dieses Verhältnis gefunden ist. kann das weitere Auswuchten
des Körpers in -infachster Weise derart erfolgen, daß man nunmehr einen zweiten
Punkt des schwingenden Systems, z. B. einen Punkt der Achse, z. B. die Mitte des
zweiten Lagers, beobachtet und in den beiden Tarierebenen gleichzeitig mit zwei
Kräften, die stets in dem soeben gefundenen Verhältnis stehen, so lange austariert,
bis der zweite beobachtete Punkt zur Ruhe gebracht wird. Hierfür genügt es, wenn
der Schwingung des zweiten Punktes eine beliebige Komponente genommen wird. Das
Stillsetzen dieses zweiten Punktes kann nicht nur bei der oben gewählten, sondern
bei jeder beliebigen Drehzahl geschehen. Da das zuletzt genannte Austarieren unter
Einhaltung des gefundenen Kräfteverhältnisses s iimtliche i noch im Körper
. teckenden störenden Kräfte vernichtet, sc ist hiernach der ganze Körper
ausgewuchtet.
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In der beiliegenden Zeichnung sind in Abb. i diese verschiedenen Maßnahmen
scheinatisch veranschaulicht.
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Die beiden Lager des umlaufenden Körpers sind hier mit a und b bezeichnet,.
die beiden Tarierebenen finit c und d. Man geht nun so vor, daß man zunächst den
Mittelpunkt k des Lagers b horizontal beruhigt, indem man in der Tarierebene d eine
Ausgleichskraft g hinzufügt. Nunmehr bringt man in derTarierebened eine störendeKraftli.
an, durch welche das Lager b bzw. der Punkt k wieder eine horizontale Schwingung
erhält. Alsdann wird durch Versuch in der zweiten Tarierebene c eine Kraft e ermittelt,
durch welche das Lager b bzw. der Punkt k wieder zur Ruhe kommt: durch die Kräfte
e und 1i. ist dann das Verhältnis der unbekannten Störungskräfte gegeben. Setzt
man nunmehr z. B. das zweite Lager a. bzw. dessen Mittelpunkt i. still, indem man
in den beiden Tarierebenen c und d unter Einhaltung des Kräfteverhältnisses mit
Ausgleichskräften arbeitet, die sich wie die gefundenen Kräfte e und 1i verhalten,
und deren Winkel gleich dem Winkel der Kräfte e und li. ist, so ist der umlaufende
Körper hierdurch vollständig ausgeglichen.
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Anstatt der Lagerpunkte k und i hätte man auch zwei
beliebige andere Puhkte des schwingenden Systems, z. B. die Punkte l und
in, des Fundaments, in der beschriebenenWeise stillsetzen und dadurch den Rotor
auswuchten können.
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Anstatt, von bestimmten Drehzahlen ausgehend, das Verhältnis der Störungskräfte
zu finden, kann man auch, umgekehrt ein bestimmtes Verhältnis der Störungskräfte
bzw. der sie aufhebenden Tarierkräfte annehmen und die zugehörige Drehzahl ermitteln.
Dieser Weg wird z. B. bei geringer Reibung des rotierenden Körpers zweckmäßig sein.
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In diesem Fall gestaltet sich das Auswuchten z. B. folgendermaßen:
Man stellt zunächst irgendeine Ausschlagkomponente eines beliebigen Punktes des
Systems, z. B. die Größe der horizontalen Ausschläge des einen Lagers, als Funktion
der Drehzahl fest, z. B. indem man eine Anzahl Werte der Drehzahl und der Ausschläge
ermittelt, die gegebenenfalls graphisch aufgetragen und zur Erzeugung einer Kurve
als Bild der Funktion verwendet werden können. Hierauf unterwirft man den Rotor
Zentrifugalkräften in zwei Tarierebenen entsprechend dem gewählten Kräfteverhältnis
und ermittelt abermals die Ausschlagkomponenten desselben Punktes als Funktion der
Drehzahl, wodurch eine zweite Kurve gewonnen wird. Der Schnittpunkt der beiden Kurven
entspricht dann der »charakteristischen Drehzahl«, bei welcher die beiden Arten
von Ausschlagkomponenten einander gleich sind. Anstatt durch graphische Darstellungen,
z. B. Kurven, könnte man den gemeinsamen Punkt der beiden Funktionen natürlich auch
rechnerisch ermitteln.
Nunmehr bringt man bei der charakteristischen
Drehzahl die gewählten Ausschlagkomponenten, also z. B. den horizontalen Ausschlag
des einen Lagers, zum Verschwinden, indem man diesen durch Austarieren in irgendeiner
Tarierebene vernichtet. Alsdann beobachtet man den zweiten Punkt des Systems, z.
B. die Mitte des zweiten Lagers, und bringt bei beliebiger Drehzahl durch Austarieren
unter Aufrechterhaltung des gewählten Kräfteverhältnisses eine beliebige Schwingungskomponente
desselben, z. B. die horizontale oder vertikale, zum Verschwinden. Der Körper ist
alsdann vollkommen ausgewuchtet.
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An Stelle der Lagermitten kann man auch andere Punkte der Achse oder
des schwingenden Systems in der beschriebenen Weise benutzen. Ebenso kann anstatt
der z. B. horizontalen Bewegung eine andereSchwingungskomponente zugrunde gelegt
werden.
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In manchen Fällen kann man das Auswuchten vereinfachen, insbesondere
dann, wenn man den nach Stillsetzen von Lager i noch im Körper verbleibenden und
bei geringer Reibung in einer achsialen Ebene liegenden Störungskräften K,. und
KZ bestimmte Eigenschaften vorschreibt, auf Grund deren sie leicht austariert «-erden
können. Wie der Erfinder gefunden hat, steht untei# der Voraussetzung, daß z. B.
die Lagermitte i nicht horizontal schwingt, also etwa durch Austarieren zur Ruhe
gebracht ist, das Verhältnis der Beträge der Störungskräfte KZ und K,. in einer
bestimmten mathematischen Beziehung zur Drehgeschwindigkeit to und zu den spezifischen
Rückstellkräften. Es ist nämlich
wobei nach Abb. 2 bedeuten: in die Maße des Rotors, T sein Trägheitsmoment bezüglich
einer durch den Schwerpunkt gehenden Achse senkrecht zur Rotationsachse, cl und
c, die spezifischen Rückstellkräfte der etwa nur in horizontaler Richtung federnden
Lager i und 2 mit den Abständen ll und 1, ihrer Lagermitten vom Schwerpunkt
des Rotors, wobei L - l,. -(- l.= und wobei die Störungskräfte K, und K,
in Ebenen El und E= wirken sollen, welche die Abstände A.,_ bzw. 2, vom Schwerpunkt
haben. Verlangt man z. B., daß nach Stillsetzung von Lager i die noch vorhandenen
Störungskräfte in einem Kräftepaar bestehen, so hat man in G1. A. für
zu setzen. Dies tritt aber dann ein, wenn Lager i von irgendeiner Tarierebene aus
beruhigt wird, bei einer Dreheeschwindi£'keit
die in einfacher Weise aus G1. A. für den Wert
gewonnen wird. Wird also bei dieser Drehgeschwindigkeit das Lager i beruhigt, so
weiß man, daß nur noch ein reines Kräftepaar im Körper vorhanden ist, das durch
Tarierkräftepaare von irgendwelchen Tarierebenen aus bei beliebiger Drehzahl entfernt
werden kann.
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Ferner kann man z. B. verlangen, daß nach Stillsetzen von Lager i
die Störungskräfte nur in einzigen Kraft bestehen sollen, die durch die Tarierebene
Ei geht. Folglich muß jetzt die in der Störungsebene E, liegende Kraft K_ verschwinden,
und damit
Setzt man in G1.
so verschwindet der Zähler, und man erhält für die Drehgeschwindigkeit 0,), mit
welcher das Lager i von irgendeiner Tar ierebene aus stillzusetzen ist, damit nur
eine störende Kraft in der Ebene El v erhlPiht-
Stellt man jetzt (las Lager 2 oder überhaupt irgendeinen anderen Punkt der Drehachse
still von der Ebene El aus, und zwar jetzt bei einer beliebigen Drehzahl, so ist
der Körper wieder ausgewuchtet.
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Das beschriebene Verfahren gestattet auch ein annäherungsweises Auswuchten
in folgender Weise: Läuft z. B. der auszuwuchtende Körper in zwei Lagern und kennt
man wenigstens annähernd die beiden charakteristischen Drehzahlen bei einem gewählten
Kräfteverhältnis, etwa für die horizontale Schwingungskomponente sowohl der rechten
wie der linken Lagermitte, so kann der Körper dadurch ausgewuchtet werden, daß bei
der ungefähren charakteristischen Drehzahl des linken Lagers mit Hilfe des entsprechenden
Kräfteverhältnisses die horizontale Schwingungskomponente des rechten Lagers vernichtet
wird, dann entsprechend die horizontale Schwingungskomponente des linken Lagers,
dann wieder die des rechten Lagers usw., bis der Körper völlig ausgewuchtet ist.
Das Gesamtverfahren ist ferner in allen seinen Ausführungsformen unabhängig von
der Anzahl der Lagerstellen des umlaufenden Körpers. Besitzt die Maschine z. B.
drei Lager, so ist sie ausgewuchtet, sobald entsprechend dem beschriebenen Verfahren
zwei Lagerstellen oder überhaupt zwei Punkte des gesamten schwingenden Systems behandelt
sind. Ein besonderer Vorzug des neuen Verfahrens besteht darin, daß es unter Fortfall
besonderer Auswuchtmaschinen ausgeführt werden kann. Die
allgemeinen
Formen des Verfahrens sind insbesondere auch dann anwendbar, wenn der umlaufende
Körper, z. B. der Rotor, sich in seinen Lagern befindet. Es ist also z. B. bei fertigen
Anlagen, wo ein nachträgliches Auswuchten des Rotors erforderlich ist, kein Herausnehmen
derselben aus der Lagerung notwendig.