Automatisches Wuchten magnetgelagerter elastischer Rotoren mit Ringwuchtaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die Effizienz einer rotierenden Maschine zu steigern, muss der Drehzahl-Betriebsbereich bei minimalem Rotorgewicht erweitert werden. Zur Erweiterung des Betriebsbereiches müssen in der Regel kritische Drehzahlen des Rotors durchfahren werden. Problematisch dabei ist, dass das rotierende System bei den kritischen Drehzahlen umso empfindlicher ist, je weniger Dämpfung im System vorhanden ist. Unwuchten, bedingt durch Fertigungstoleranzen und Montageungenauigkeiten, stellen die Hauptanregungsmechanismen in der Rotordynamik dar, schon eine kleine Unwucht kann großen Schwingungsausschlägen in den Resonanzen verursachen. Bei zu großen Schwingungsamplituden sind die kritischen Drehzahlen nicht mehr durchfahrbar und demzufolge die gewünschte Betriebsdrehzahl nicht mehr erreichbar. Eine Optimierung der Auswuchtprozeduren elastischer Rotoren, um die Unwuchtschwingungen im Betrieb bei minimalem Zeitaufwand klein zu halten und demzufolge den Betriebsbereich zu erweitern, erfordert den Einsatz von aktiven Stellgliedern. Hierbei lässt sich das aktive Auswuchten in zwei Kategorien unterteilen: das aktive Auswuchten durch Einleitung von Radialkräften mit Kraftaktoren und das aktive Auswuchten durch Änderung der Massenverteilung mit Auswuchtaktoren. Der Hauptvorteil des aktiven Auswuchtens mit Kraftaktoren ist die Schnelligkeit, mit der die Aktorkräfte auf Systemänderungen reagieren. Durch Anbringung schnell wechselnder Radialkräfte in die rotierende Maschine können fast alle drehzahl- und nichtdrehzahlsynchronen Schwingungen reduziert werden. Nachteile des Verfahrens sind die begrenzten generierbaren Aktorkräfte. Zudem benötigen die Kraftaktoren eine permanente Energiezufuhr, die mit der Drehzahl quadratisch ansteigt. Daher werden diese Verfahren – die den bisherigen Stand der Technik darstellen – meist als nicht energieeffizient angesehen. Im Gegensatz hierzu sind die Verfahren zum aktiven Auswuchten durch Änderung der Massenverteilung des Rotors energieeffizienter. Sie können in einem weiteren Drehzahlbereich die Ursache der Fliehkräfte – die Initialunwuchten des Rotors – kompensieren. Die mit den Auswuchtaktoren generierten Unwuchten erzeugen auf dem Rotor zum Quadrat der Drehzahl proportionale, zusätzliche Fliehkräfte, die zur Erregungskompensation genutzt werden können. Dabei benötigen die Auswuchtaktoren keine permanente Energiezufuhr, sondern lediglich Antriebsenergie zu Verstellung ihrer unwuchtbehafteten Ringe auf die Ausgleichpositionen bei den zu beeinflussenden Wuchtdrehzahlen. Ziel dieser Forschungsarbeit war die Entwicklung einer automatische Auswuchtstrategie, mit deren Hilfe Personalaufwand während des Wuchtprozesses vollständig eliminiert und zugleich die Laufruhe und demzufolge die Energieeffizienz der rotierenden Maschine weiter optimiert werden kann. Die entwickelte automatische Auswuchtstrategie basiert hierbei auf der Kombination der folgenden drei aktiven Systemen: aktive Magnetlager (AML), aktive Auswuchtsysteme (AA) und aktive Antriebseinheit (AE). Durch eine übergreifende Ansteuerung der drei aktiven Systeme durch folgende Funktionsfestlegung: AML: kontaktlose Lagerungs- und Schwingungsüberwachung AA: Minimierung der Unwuchtschwingungen im Betrieb AE: Drehzahlsteuerung in Abhängigkeit des gegenwärtigen Schwingungspegels können neben der vollständigen Automatisierung des Wuchtprozesses die Auslenkungen in den Messebenen kontinuierlich im gesamten Drehzahlbereich bis zur Betriebsdrehzahl (auch in den Resonanzen) unter einer definierten Schranke gehalten werden. Die Machbarkeit und Effizienz der entwickelten automatischen Auswuchtstrategie wurden an einem magnetgelagerten elastischen Rotor zur Lagerberuhigung durch Nutzung von zwei AA demonstriert. In weiterführenden Untersuchungen sollte die Zeitdauer des Betriebswuchtprozesses mit Hilfe der entwickelten Auswuchtstrategie optimiert werden. Bei Werkzeugmaschinen ist es gewünscht, den Rotor so schnell wie möglich zur Betriebsdrehzahl hochzufahren, um mit der Werkstückbearbeitung beginnen. Daher sollen in weiteren Untersuchungen Ansätze entwickelt werden, mit deren Hilfe der Rotor ohne Unterbrechung des Hochlaufes beruhigt werden kann (instationäres Auswuchten). Abschließend soll die Strategie beim Auswuchten mit mehr als zwei AA zur Beruhigung sowohl der Lagerebenen als auch einer Ebene in der Mitte des Rotors (gemischte Beruhigung) untersucht werden. Neben der Beruhigung der Lagerebenen kann es auch von Interesse sein, eine weitere Messebene in der Mitte des Rotors zu beruhigen, um die ungeraden Eigenformen des Rotors oder eine Messebene in der Nähe eines Prozesses in der Mitte des Rotors zu beeinflussen (wie z.B. ein mögliches Anstreifen zwischen Rotor und Stator zu verhindern).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Active Balancing Of a Flexible Rotor in Active Magnetic Bearings, ISMB 11, The Eleventh International Symposium on Magnetic Bearings in Nara Prefectural New Public Hall from August 26 to 29, 2008
- Experimentelle Untersuchung der Anwendbarkeit einer automatisierten Auswuchtprozedur. Technische Universität Darmstadt, Advanced Design Project, 2008
Tonkonog; Weigand; Eberlen und Sattler
- Automatische Auswuchtstrategie für einen magnetgelagerten Rotor mit Auswuchtaktoren. Technische Universität Darmstadt, 2009
Fomi, F.
