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Aug 04, 2023

Pumpenvibrationen und Strategien zur Fehlerbehebung, Teil 1

Vibration ist eine der am häufigsten an Pumpen und Antrieben durchgeführten Messungen, um den Betrieb und Zustand der Ausrüstung zu beurteilen. Einige der Gründe für die Messung der Pumpenvibration sind: Wenn ein Benutzer

Vibration ist eine der am häufigsten an Pumpen und Antrieben durchgeführten Messungen, um den Betrieb und Zustand der Ausrüstung zu beurteilen. Einige der Gründe für die Messung von Pumpenvibrationen sind:

Wenn ein Benutzer ein Problem mit starken Vibrationen hat, wird er wahrscheinlich Fragen haben. Zum Beispiel: Ist es zu hoch? Ist oder wird ein Schaden eingetreten sein? Wie finde ich die Ursache heraus? Dies sind alles logische Fragen, aber die Antwort ist wahrscheinlich kompliziert und erfordert ein Verständnis der Vibrationsprinzipien, des Pumpendesigns, der von der Pumpe erzeugten Kräfte und Dynamik, der Messtechniken, der Instrumentierung, der Analysegeräte und der Methoden zur Fehlerbehebung.

Pumpenvibration, Einheiten, erzwungene Vibration, freie Vibration und Modenformen

Vibration kann als oszillierende Bewegung eines Objekts um seine Ruheposition aufgrund der Beziehung zwischen einer Reaktionskraft, der Masse, der Dämpfung und der Steifigkeit beschrieben werden. Bild 1 veranschaulicht diese oszillierende Bewegung und weist darauf hin, dass die Vibration uns sagt, wie stark sich das Teil bewegt oder verschiebt. Am Startpunkt (rot) hat das Objekt eine Amplitude von Null. Wenn es sich um 90 Grad (ganz nach rechts) bewegt hat, hat es sich um 1 Mil bewegt. Anschließend schwingt es zurück, durchquert den Nullpunkt (rot) bei 180 Grad, bewegt sich auf -1 mil bei 270 Grad (ganz nach links) und dann zurück zum Nullpunkt, um einen Zyklus abzuschließen. Üblicherweise wird diese Bewegung als Spitze-Spitze-Verschiebung (pp) gemessen, die in diesem Fall 2 mil pp beträgt.

Die Darstellung in Bild 1 ist vereinfacht und berücksichtigt nur einen einzelnen Zyklus freier Schwingung. Die Häufigkeit hängt von der Zeit ab, die zum Abschluss des Zyklus benötigt wird. Wenn dieser Schwingungszyklus beispielsweise zehnmal pro Sekunde auftritt, beträgt die Frequenz 10 Hertz (Hz) oder 600 Zyklen pro Minute (cpm). Die Zeitspanne, die benötigt wird, um einen Zyklus abzuschließen, ist der Kehrwert der Frequenz oder eine Zehntelsekunde für das 10-Hz-Beispiel. Dieses Beispiel hat die Einheit mil pp, was eine übliche Methode zur Darstellung von Verschiebungsamplituden ist. Bild 2 veranschaulicht, was mit pp gemeint ist, veranschaulicht aber auch, dass Einheiten wie gezeigt als Null-zu-Spitze (pk) und quadratischer Mittelwert (RMS) kommuniziert werden können. Zusätzlich ist die Periode des Zyklus in der Zeit (T) dargestellt.

Für eine Vorzeichenwelle mit einer einzelnen Frequenz, wie in der linken Abbildung von Bild 2 dargestellt, beträgt die pp-Schwingung das Doppelte des pk-Werts und die RMS-Schwingung das 0,707-fache des pk-Werts. Für eine Zeitwellenform, bei der es sich nicht um eine einzelne Frequenz handelt, ist die Bestimmung der Werte von pp, pk und RMS-Schwingung jedoch nicht so einfach, sondern in der rechten Abbildung in Bild 2 dargestellt.

Andere Amplitudeneinheiten sind Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die Geschwindigkeit misst, wie schnell das Objekt vibriert (Zoll/Sekunde), und die Beschleunigung misst die Geschwindigkeitsänderungsrate (G). Beide hängen mit der Verschiebung zusammen, und die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsamplitude können aus der Verschiebung basierend auf der Frequenz berechnet werden, wie in Bild 3 dargestellt. Es wird deutlich, dass bei einer konstanten Geschwindigkeit (0,250 Zoll/Sekunde pk) die Verschiebung ausgeprägter ist als auch die Beschleunigung ist bei niedrigen Frequenzen begrenzt. Umgekehrt ist die Verschiebung begrenzt und die Beschleunigung ist bei hohen Frequenzen ausgeprägt.

Üblicherweise werden Amplitudeneinheiten wie folgt verwendet:

Frequenz und Periode spielen eine Rolle, da erzwungene Pumpenschwingungen im Allgemeinen als Funktion oder Intervall der Wellendrehzahl (x) auftreten. Als solches muss das Konzept der freien Schwingung und der erzwungenen Schwingungsfrequenzen verstanden werden. Erzwungene Vibrationen entstehen durch äußere Kräfte (Wucht, Fehlausrichtung, Reibung usw.) bei bestimmten Frequenzen (Bild 4). Andere erzwungene Vibrationen, die hydraulischer Natur sind (Kavitation oder Rezirkulation), führen im Allgemeinen zu Stößen und Vibrationen, die nicht an eine ganze Zahl der Wellendrehzahl gebunden sind. Vielfache oder Ordnungen dieser erzwungenen Schwingungen können als Harmonische auftreten (für Flügelraddurchlauf: 3x, 6x, 9x usw.).

Freie Schwingung ist die Schwingung des Systems bei seinen Eigenfrequenzen. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um die Frequenzen und Modenformen, die das System bei natürlicher Anregung zum Schwingen bringt. Wenn wir eine vertikale Pumpe und die oberirdische Struktur betrachten, gibt es eine Eigenfrequenz mit einer Modenform, die die Ablenkung darstellt, wie in der rechten Abbildung von Bild 5 dargestellt. Dies ist die erste oberirdische Eigenfrequenzmode und wird als bezeichnet Reed-Kritikfrequenz (RCF). Wie in den Abschnitten XX und YY erwähnt, variiert der RCF-Wert in die Richtung. Beachten Sie, dass möglicherweise zusätzliche Eigenfrequenzen und unterschiedliche Modenformen berücksichtigt werden müssen.

Die erzwungene Vibration und Dynamik einer Pumpe kann komplex sein, was zu vielen verschiedenen erzwungenen Vibrationsfrequenzen führt und zusammen mit der Dynamik der Struktur und des Rotors zur Gesamtvibration einer Pumpe beiträgt. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass, wenn die erzwungene Schwingungsanregungsfrequenz (auch wenn die Kraft gering ist) mit einer Eigenfrequenz übereinstimmt, ein Resonanzzustand vorliegt, der zu einer Verstärkung der Schwingung führt. Daher muss im Allgemeinen ein Abstand von mindestens 10 % zwischen einer erzwungenen Schwingung und der Eigenfrequenz bestehen, es sei denn, es ist genügend Dämpfung vorhanden, um die Verstärkung zu begrenzen (Bild 6). Es gibt bestimmte Fälle, in denen das Auftreten von Resonanzen wahrscheinlicher ist, und es kann ratsam sein, im Vorfeld eine dynamische Analyse festzulegen oder durchzuführen, um das Risiko starker Vibrationen aufgrund von Resonanzen zu begrenzen. Weitere Hinweise und Empfehlungen finden Sie im American National Standards Institute (ANSI)/Hydraulic Institute (HI) 9.6.8 Rotodynamic Pumps – Guideline for Dynamics of Pumping Machinery.

Teil 2 dieses Artikels wird in einer späteren Ausgabe veröffentlicht. Es behandelt die Messung von Pumpenvibrationen für die Erstabnahme, stellt eine Fehlerbehebungsmethode bei zunehmender Komplexität vor und bietet Beispielanalysen unter Verwendung von Trends, Zeitwellenformen, Frequenzspektren und mehr.

Hydraulic Institute, ANSI/HI 9.6.4 Rotodynamische Pumpen für Messungen und akzeptable Werte, www.pumps.org

Hydraulic Institute, ANSI/HI 9.6.5 Rotodynamic Pumps Guideline for Condition Monitoring, www.pumps.org

Hydraulic Institute, ANSI/HI 9.6.8 Rotodynamic Pumps Guideline for Dynamics of Pumping Machinery, www.pumps.org

Gaydon, Claxton, Cropper, Marscher, Methoden zur Bestimmung und Spezifikation der dynamischen Analyse rotodynamischer Pumpen, OakTrust – Texas A&M University Libraries, Oaktrust.library.tamu.edu

Pump Systems Matter, Webinar „Einführung in die Pumpenvibration“, www.training.pumps.org

Pump Systems Matter, Webinar zur Fehlerbehebung bei Vibrationen, www.training.pumps.org

Pete Gaydon ist stellvertretender Geschäftsführer des Hydraulic Institute. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.pumps.org.