WO2000039554A1 - Verfahren zum auswuchten eines rotors - Google Patents

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Wolfgang Scheithe
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Schenck Vibro Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/14—Determining imbalance
    • G01M1/16—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested
    • G01M1/20—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested and applying external forces compensating forces due to imbalance
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/16—Centering rotors within the stator; Balancing rotors
    • H02K15/165—Balancing the rotor

Definitions

  • mass asymmetries with respect to the axis of rotation of a rotor Due to the centrifugal force during rotation, mass asymmetries with respect to the axis of rotation of a rotor produce a periodic force on the bearing of the rotor.
  • the causes of mass asymmetries can be, for example, design errors, material errors, manufacturing and assembly errors or operational errors. This leads to a vibration load on the machine and its components, e.g. B. the storage and thus wear and damage.
  • the task of balancing is to minimize these unfavorable effects, to increase the efficiency of the machine and to increase the safety when operating the machine.
  • the mass asymmetry is determined during balancing and compensated for by counterweights. The balancing takes place on balancing machines. If the balanced rotor is installed in the machine, changes in the balancing condition can result. Likewise, the operating time of the machine, e.g. B. deterioration due to corrosion, erosion and caking.
  • Balancing the rotor in its final storage (in situ) depending on the deteriorating balance condition during operation and ensuring a specified running condition is the task of the operation balancing.
  • the imbalance of a rotor cannot be determined directly during operational balancing.
  • the absolute bearing vibrations occurring at the bearing points or the relative shaft vibrations are recorded by means of sensors.
  • the circulating frequency vibrations are determined and displayed according to magnitude and phase angle.
  • a reference encoder creates a speed and angle reference to the rotor.
  • single-plane balancing is carried out for a narrow, disc-shaped rotor (mass correction in a radial plane of the rotor), or two-plane or multi-plane balancing is carried out for an elongated, roller-shaped rotor (mass corrections in at least two radial planes).
  • influence coefficient method is used as the calculation method, which is described in the article "A least Squares method for Computing balance corrections" Goodman, TP, Trans. ASME, Ser. 3, vol. 36, no. 3, August 1964, on page
  • test runs since the vibration transmission properties of the mounting and foundation are generally not known.
  • the number of test runs is at least equal to the number of levels in which balancing is to take place. These test runs represent a considerable effort.
  • the method according to the invention described above avoids unnecessary test runs and thus improves the accuracy of the unbalance compensation. Only the necessary test runs are carried out so that the effort and the time required and thus the downtime of the machine during operational balancing is reduced.
  • the rotor 1 to be balanced is rotatably mounted about the axis of rotation 3 in two housings in a housing 2.
  • the housing 2 is supported on a foundation 4-.
  • the two bearing points are each assigned a measuring sensor 5, 5 ', which record the absolute bearing vibrations occurring at the bearing points.
  • the relative shaft vibrations could also be measured.
  • the measured vibration signals of the rotor 1 are fed to an evaluation unit 6.
  • a reference transmitter for.
  • a photoelectric scanning head 7 is arranged at a distance from a shaft end 8 of the rotor 1 which projects from the housing and which scans a reference mark 9 which rotates with the shaft end 8.
  • the reference signals determined by the reference transmitter 7 are also fed to the evaluation unit 6.
  • the reference signals establish the angle and speed reference between the rotor 1 to be balanced and the evaluation unit 6.
  • an initial unbalance measurement is carried out in a first step, i. H. the rotor rotates at the operating speed and the vibration signals at the two bearing points are measured and transmitted to the evaluation unit 6. Furthermore, a reference signal is sampled by the reference transmitter 7 and transmitted to the evaluation unit 6.
  • the measured vibration signals are first amplified and then filtered.
  • the filter circuit eliminates the spurious vibrations so that the unbalance components of the bearing vibrations are obtained as a result. From the unbalance components of the bearing vibrations, the vibration amplitude and the phase angle of the unbalance vibrations can be taken into account
  • Reference signals are determined. These data are stored as primary unbalance data in the evaluation unit 6.
  • a balancing level is now defined.
  • balancing operations it is often unclear whether balancing must be carried out on one or two or more levels.
  • a test mass is attached to the balancing plane.
  • the data of the test run ie size, mounting bracket and possibly The fastening radius of the test mass is transmitted to the evaluation unit.
  • a test run is carried out. H. the rotor with the test mass rotates and the vibration signals at the two bearing points are measured and fed to the evaluation unit. Furthermore, the reference signals sampled by the reference transmitter 7 are transmitted to the evaluation unit 6. The measured vibration signals and the reference signals are processed and evaluated in accordance with the explanations for the original unbalance measurement, so that the vibration amplitudes resulting from the unbalance components of the bearing vibration as well as the phase angle of the unbalance vibration can be displayed and stored as test run data.
  • the initial unbalance data and the test data for calculating the influence coefficients are first displayed in a first iteration.
  • the method of calculating the influence coefficients is also explained in detail in the above-mentioned article.
  • the original unbalance measurement data and the influence coefficients are then used to calculate the size and the angular position of a balancing mass in the predetermined balancing plane and the remaining vibrations.
  • the weighted least squares method there is another iteration using the weighted least squares method. This method optimally minimizes the remaining vibrations i. S. d. Balancing, since large residual vibrations have a greater influence on the underlying mathematical algorithm, ie weighting takes place according to the amount of the residual vibrations.
  • the result of the further iteration based on the weighted least squares method can be optimized by further iteration steps using the least squares method.
  • This result is then compared to an optimization condition.
  • This optimization condition can consist of one or more criteria that are defined in advance. Some possible criteria that can be selected are listed below as examples:
  • the existing balancing problem can be viewed as a single level problem and an unbalance compensation can be carried out using the calculated optimal balancing mass. If the optimization condition cannot be met, a second test run must be carried out. After the further test run, the compensation weights are calculated. If a subsequent test run shows that the required balancing quality has not been achieved, the procedure described above must be expanded to more than two levels.
  • the individual residual vibrations to be optimized can be provided with weight factors which enable an individual evaluation of the individual vibration quantities. So that the method z. B. adapt to the use of different transducers to the different effects of the vibration on the system to be balanced.
  • the method is advantageously integrated in portable measuring devices.
  • the measuring device connects the measuring device, measurement of the orbital frequency oscillation according to amount and phase with the energy supply of the measuring transducers and the evaluation device. This is advantageous because the operational balancing usually has to take place on the machine.
  • the method could also be implemented on a computer which is connected to the measured value acquisition via remote data transmission.
  • the data acquisition could supply monitoring system Being r z .. B-. is connected to the evaluation unit via a coupling via telephone or Internet.

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Abstract

Verfahren zum Auswuchten eines Rotors, bei dem zunächst eine Urunwunchtmessung und anschliessend ein Testlauf mit einem Testgewicht an einer vorbestimmten Auswuchtebene zur Bestimmung der Einflusskoeffizienten durchgeführt werden. Daraufhin wird ein Auswuchtgewicht näherungsweise iterativ berechnet, um die Restschwingungen zu minimieren. Nun werden die zu erwartenden Restschwingungen mathematisch ermittelt und mit einer Optimierungsbedingung verglichen. Falls die Optimierungsbedingung nicht erfüllt ist, liegt kein Einebenenproblem, sondern ein Zwei- oder Mehrebenenproblem vor, und es wird eine weitere Auswuchtebene festgelegt, wobei dann wieder ein Testlauf mit einer bekannten Testmasse durchgeführt wird, die an die weitere Auswunchtebene angebracht wird, um die entsprechenden Einflusskoeffizienten zu bestimmen, wonach nun ein Satz von zwei Ausgleichsgewichten und die entsprechenden Restschwingungen zum Vergleich mit der Optimierungsbedingung iterativ berechnet werden. Es werden so lange weitere Auswuchtebenen festgelegt und Testläufe durchgeführt, bis die Optimierungsbedingung erfüllt ist. Erst dann erfolgt ein Auswuchten mit den berechneten Ausgleichsmassen.

Description

VERFAHREN ZUM AUSWUCHTEN EINES ROTORS
Massenunsymmetrien bezüglich der Drehachse eines Rotors erzeugen aufgrund der Zentrifugalkraft bei Drehung eine periodische Kraft auf die Lagerung des Rotors. Ursachen von Massenunsymme- trien können beispielsweise Konstruktionsfehler, Materialfehler, Fertigungs- und Montagefehler oder betriebsbedingte Fehler sein. Dies führt zu einer Schwingungsbelastung der Maschine und ihrer Bauteile, z. B. der Lagerung und damit zu Verschleiß und Schäden. Diese ungünstigen Auswirkungen zu mini- mieren, den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen und die Sicherheit bei Betrieb der Maschine zu erhöhen, ist die Aufgabe des Auswuchtens. Beim Auswuchten wird die Massenunsymmetrie bestimmt und durch Ausgleichsgewichte kompensiert. Das Auswuchten erfolgt auf Auswuchtmaschinen. Wird der ausgewuchtete Rotor in die Maschine eingebaut, so können sich Veränderungen des Auswuchtzustandes ergeben. Desgleichen kann über die Betriebszeit 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 auszuwuchten 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 Lagerschwingungen oder die relativen Wellenschwingungen mittels Aufnehmern erfaßt. Hierbei werden die Umlauffrequenten Schwingungen 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 (Massenkorrekturen in zumindest zwei Radialebenen) . Als Berechnungsmethode wird hierbei das sogenannte Einflußkoeffizientenverfahren 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 Einebenenproblem darstellt, aus Unkenntnis in zwei Ebenen ausgewuchtet, 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 Errechnung der Ausgleichsgewichte aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten 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 Unwuchtausgleich 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 Iterationsverfahrens in mehreren Schritten eine Näherungslösung für das Auswuchtproblem errechnet. Diese- Näherungslösung, die als Ergebnis die Größe sowie die Winkellage einer Ausgleichsmasse in einer vorgegebenen Ausgleichsebene sowie die verbleibende RestSchwingung angibt, wird' anschließend mit einer Optimierungsbedingung verglichen. Wenn die Optimierungsbedingung erfüllt ist, dann liegt ein Einebenenproblem vor. Wird die Optimierungsbedingung nicht erfüllt, dann kann ein Zwei- oder Mehrebenenproblem vorliegen, so daß mindestens ein weiterer Testlauf und die Vorgabe mindestens einer weiteren Auswuchtebene erfolgen muß .
Durch das vorbeschriebene erfindungsgemäß Verfahren werden unnötige Testläufe vermieden und somit wird die Genauigkeit des Unwuchtausgleichs verbessert. Es werden nur die erforderlichen Testläufe durchgeführt, so daß der Aufwand sowie der Zeitbedarf und damit die Stillstandszeit 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 beschrieben.
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 Massenunsymmetrien bezüglich der Drehachse 3 des Rotors 1 ist den beiden Lagerstellen jeweils ein Meßwertaufnehmer 5, 5' zugeordnet, die die an den Lagerstellen auftretenden absoluten Lagerschwingungen erfassen. Anstelle der absoluten Lagerschwingungen könnten auch die relativen Wellenschwingungen gemessen werden. Die gemessenen Schwingungssignale des Rotors 1 werden einer Auswerteeinheit 6 zugeführt. Des weiteren ist ein Referenzgeber, 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 umlaufende Referenzmarke 9 abtastet. Die von dem Referenzgeber 7 ermittelten Referenzsignale werden ebenfalls der Auswerteeinheit 6 zugeführt. Die Referenzsignale stellen den Winkel und Drehzahlbezug 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 Auswerteeinheit 6 übermittelt. Desweiteren wird ein Referenzsignal von dem Referenzgeber 7 abgetastet und der Auswerteeinheit 6 übermittelt .
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 Lagerschwingungen 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 Einebenenproblem aus. Nachdem eine Auswuchtebene festgelegt ist, wird eine Testmasse an der Auswuchtebene befestigt. Die Daten des Testlaufes, d. h. Größe, Befestigungswinkel sowie eventu- eil Befestigungsradius der Testmasse werden der Auswerteeinheit übermittelt.
Anschließend erfolgt ein Testlauf, d. h. der Rotor mit Test- masse läuft um und die Schwingungssignale an den beiden Lagerstellen werden gemessen und der Auswerteeinheit zugeführt. Des weiteren werden die von dem Referenzgeber 7 abgetasteten Referenzsignale der Auswerteeinheit 6 übermittelt. Die gemessenen Schwingungsignale sowie die Referenzsignale werden entspre- chend den Erläuterungen zu der Urunwuchtmessung weiterverarbeitet und ausgewertet, so daß die aus den Unwuchtanteilen der Lagerschwingung resultierenden Schwingungsamplituden sowie die Phasenwinkel der UnwuchtSchwingung angezeigt und als Testlaufdaten 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 1964, 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 Berechnung der Einflußkoeffiz enten he angez -gen.- 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 Einflu koeffizienten eine Berechnung der Größe sowie der Winkellage einer Ausgleichsmasse in der vorgegebenen Ausgleichsebene sowie der verbleibenden Restschwingungen . Nach der ersten Iteration erfolgt eine weitere Iteration, bei der die Methode der gewichteten kleinsten Fehlerquadrate angewendet wird. Bei dieser Methode erfolgt eine optimale Minimierung 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 erfolgt.
Das Ergebnis der weiteren Iteration auf Basis der Methode der gewichteten kleinsten Fehlerquadrate kann durch weitere Iterationsschritte mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate optimiert werden.
Dieses Ergebnis wird anschließ-end mit einer Optimierungsbedingung verglichen. Diese Optimierungsbedingung kann aus einem oder mehreren Kriterien bestehen, die vorher festgelegt werden. 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 verringert .
Wenn bei dem Vergleich der vorgegebenen Optimierungsbedingungen 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 Einebenenproblem 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 Testlauf 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 erweitern.
Anstelle des im Aufsatz von Thomas P. Goodman, "A Least-Squa- res Method for Computing Balance Corrections", Journal of Engineering for Industryr August 1964, Seiten 273 bis 277 beschriebenen Iterationsverfahrens könnten auch andere Verfahren, beispielsweise das MinMax-Verfahren ode lineare Programmierung verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die einzelnen zu optimierenden RestSchwingungen mit Gewichtsfaktoren versehen werden, die eine individuelle Bewertung der einzelnen Schwingungsgroßen ermöglichen. Damit läßt sich das Verfahren z. B. an die Verwendung unterschiedlicher 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 Meßwert ufnehmer und der Aus- werteeinrichtung. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil das Betriebsauswuchten meistens vor Ort an der Maschine erfolgen muß.
Das Verfahren könnte auch in einer weiteren Ausgestaltung auf einem Rechner implementiert sein, der über Datenfernübertragung mit der Meßwerterfassung verbunden ist. In einer vorteil- haften Ausgestaltung könnte die Datenerfassung eine Schwin- gungsüberwachungsanlage sein-r die z .. B-. über eine Kopplung mittels Telefon oder Internet mit der Auswerteeinheit verbunden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Auswuchten eines Rotors bei dem zunächst eine Urunwucht essung und anschließend ein erster Testlauf erfolgt und mit den gewonnenen Daten anhand eines Iterationsverfahrens eine Berechnung einer Näherungslö- sung für das Auswuchtproblem erfolgt r 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 fort- geführt wird, bis die Optimierungsbedingung erfüllt ist und dann ein Auswuchten mit den berechneten Größen erfolgt .
2. Verfahren nach Patentanspruch 1Λ 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 .
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die einzelnen zu optimierenden Restschwingungen in Abhängigkeit von den Meßstellen gewichtet werden.
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