Dynamisches Auswuchten für Rotorschneider zur Vibrationsvermeidung

Hochtourige Vibrationen beeinträchtigen die Betriebszeit und die Qualität. Bei Rotationsschneidern können bereits wenige Zehntel Gramm Abweichung bei Betriebsdrehzahl zu starken Stößen führen, die sich in Form von Rattermarken, Materialspuren und Feinschnitten, vorzeitigem Messerverschleiß, Lagerhitze und aufsteigendem Abfall äußern. Statisches Auswuchten hilft zwar bei der Beseitigung von Unwuchten in einer Ebene, kann aber die bei hohen Drehzahlen auftretenden Unwuchten nicht korrigieren.

Die dynamische Zwei-Ebenen-Wuchtung behebt die Schwächen der statischen Wuchtung. Durch die Messung von Amplitude und Phase an beiden Lagern und die anschließende Berechnung der Korrekturmassen in zwei Ebenen lässt sich die Restunwucht auf eine definierte Toleranz reduzieren und die Vibrationen in einem zulässigen Bereich halten.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die Auswuchtklasse nach ISO 21940 auswählen, e_per und U_per anhand eines anschaulichen Zahlenbeispiels berechnen und den Workflow zur Bestimmung des Einflusskoeffizienten Schritt für Schritt durchführen – sowohl an einer Auswuchtmaschine als auch im Feld. Wartungsteams, OEMs und Produktionsleiter finden hier praxisnahe Zielvorgaben, Formeln und Abnahmeprüfungen, die sie sofort anwenden können.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die dynamische Zwei-Ebenen-Auswuchtung behebt Unwuchten, die mit statischen Methoden nicht behoben werden können, und reduziert so Vibrationen bei Betriebsdrehzahl.
• Verwenden Sie die ISO 21940 Balance Grade, um eine Qualitätsstufe (G) in eine zulässige Restunwucht U_per umzurechnen, die Sie überprüfen können.
• Die wichtigste Formel, die Sie verwenden werden: U_per (g·mm) = 9549 × G × m / n. Ein G2,5, 5,0 kg Rotor bei 3000 U/min → U_per ≈ 39,8 g·mm (≈0,055 oz·in).
• Abnahme mit zwei Kriterien: Restunwucht pro Ebene innerhalb des Zielbereichs und Gesamtschwingungsgeschwindigkeit innerhalb der ISO 20816 Zone B oder besser über den gesamten Betriebsbereich.
• Nach dem Nachschleifen, Messerwechseln, Stapelverschiebungen oder wenn die Vibrationstendenzen Ihre Grenzwerte überschreiten, muss eine erneute Auswuchtung erfolgen.

Warum Rotationsmäher ausbalancieren

Ursachen von Hochgeschwindigkeitsvibrationen

Unwucht ist die häufigste Ursache: Massenexzentrizität aufgrund von Messerverschleiß, ungleichmäßigem Nachschleifen, Späneansammlungen, Nabenrundlauf oder Toleranzabweichungen. Momentenunwucht entsteht, wenn Massen in entgegengesetzte Richtungen über Ebenen hinweg verschoben werden – statische Prüfungen erfassen dies nicht. Weitere Ursachen sind Fluchtungsfehler, verbogene Wellen, Spiel und Resonanzen nahe der Betriebsdrehzahl, wobei Unwucht meist der erste Hebel zur Reduzierung von Vibrationen ist.

Messbare Leistungssteigerungen

Durch die Reduzierung der Restunwucht werden die dynamischen Kräfte auf Lager und Rahmen verringert, was zu weniger Lärm, Wärmeentwicklung und Verschleiß führt. In Pelletier- und Konvertierungsanlagen bedeutet dies eine gleichmäßigere Schnittlänge, weniger Materialreste, längere Standzeiten der Messer zwischen den Nachschliffen und eine höhere Gesamtanlageneffektivität (OEE). Man kann es sich so vorstellen: Jedes Gramm pro Millimeter, das entfernt wird, entspricht einem winzigen Hammerschlag weniger pro Umdrehung.

Wann sollte man das Gleichgewicht wiederherstellen?

• Nach jedem Messerwechsel, Nachschleifen oder Umbau des Messerstapels/Halters
• Nach Lager- oder Kupplungsarbeiten
• Wenn die Gesamtschwingungsgeschwindigkeit in einer Zone (z. B. von A nach B) ansteigt oder die Phase in der Nähe der Sollwerte instabil wird
• Nach Zwischenfällen: Reibung, Blockaden oder Stößen
• Auf Kalender-/Durchsatzbasis, wenn Ihr Prozess abrasiv oder hochfüllend ist.

Normen und ISO 21940 Balance Grade

Auswahl einer Balancequalitätsklasse

Die Wahl einer Auswuchtklasse nach ISO 21940 legt ein messbares Ziel für die Restunwucht fest. Für industrielle Rotationsschneidmaschinen sind folgende Klassen üblich:

• G2.5 bei mittleren bis hohen Drehzahlen, wenn hohe Qualität ohne Spindelpräzision gewünscht ist.
• G6.3 für langsamere, schwerere Rotoren, bei denen Präzision weniger wichtig ist
• G1.0 für hochpräzise Werkzeugaufnahme bei sehr hohen Geschwindigkeiten

ISO 21940-11 (Nachfolger von ISO 1940-1) ist die gemeinsame Referenz für die Qualitätsklassen der Auswuchtung von Starrrotoren und die Methode zur Ableitung zulässiger Restunwuchtziele. Praktische Auswahlhinweise und Erläuterungen zur Terminologie finden Sie in der EASA-Servicecenter-Übersicht und in der Erläuterung der Qualitätsklassen von BalanceMaster.

• Gemäß der EASA-Servicecenter-Übersicht (2016) definiert ISO 21940‑11 die Qualitätsstufen für Waagen und die mathematischen Grundlagen zur Ableitung zulässiger Restwerte. Wie sich der Qualitätsstandard ISO 21940-11 auf die Auslastungsplanung von Servicezentren auswirkt
• Eine praxisorientierte Zusammenfassung, wo G1.0/G2.5/G6.3 einzuordnen sind, finden Sie in der Erklärung von BalanceMaster. Erläuterung der ISO-Auswuchtklassen

Berechnung von eper und Uper

Nutzen Sie die von ISO abgeleitete Beziehung, die viele maßgebliche Quellen wiedergeben:

U_per (g·mm) = 9549 × G × m / n

Dabei ist G die gewählte Steigung (mm/s), m die Rotormasse (kg) und n die Betriebsdrehzahl (U/min). Prinzipiell gilt: U_per = e_per × m, und für eine gegebene Steigung nimmt e_per mit steigender Drehzahl ab.

Durchgerechnetes Beispiel (G2.5 bei 3000 U/min):

• Gegeben: m = 5,0 kg, n = 3000 U/min, G = 2,5
• Berechnung: U_per = 9549 × 2,5 × 5,0 / 3000 ≈ 39,8 g·mm
• Würde man bei einem Radius von r = 75 mm eine äquivalente Einzelebene anwenden, ergäbe sich bei diesem Radius eine Masse von m_c = U_per / r ≈ 39,8 / 75 ≈ 0,53 g (die Zwei-Ebenen-Verteilung folgt der Lösung der Einflussmatrix).
• Umrechnung in imperiale Einheiten: 1 oz·in = 720 g·mm → 39,8 g·mm ≈ 0,055 oz·in

Schnellvergleich (gleiche Formel):

• G6,3 @ 1800 U/min, m = 12 kg → U_per ≈ 9549 × 6,3 × 12 / 1800 ≈ 401 g·mm (≈0,557 oz·in)
• G1.0 @ 6000 U/min, m = 2.0 kg → U_per ≈ 9549 × 1.0 × 2.0 / 6000 ≈ 3.18 g·mm (≈0.0044 oz·in)

Überprüfen Sie Ihre Werte mit einem anerkannten Rechner, der die Beziehungen nach ISO 21940-11 implementiert. Nutzen Sie dazu den Restunwuchtrechner von Vibromera. Restunsaldo-Rechner (ISO 21940‑11)

Leistungsindikatoren und Akzeptanzziele

• Restunwucht pro Ebene: Verteilen Sie die Gesamtunwucht U_per mithilfe der Einflusskoeffizienten (bei symmetrischer Geometrie oft ähnlich) auf die Ebenen. Notieren Sie die endgültigen Korrekturmassen und -winkel; berechnen Sie die Residuen, um sicherzustellen, dass die gewählte Güte bei der Zieldrehzahl erreicht wird.
• Gesamtschwingungsgeschwindigkeit: Überprüfen Sie die Schwingungsgeschwindigkeit zwischen Lager und Gehäuse (Effektivwert). Viele Betriebe akzeptieren als praktisches Ziel mindestens Zone B gemäß ISO 20816 für die jeweilige Maschinengruppe und Fundamentklasse. Notiz: Die numerischen Zonengrenzen hängen vom ISO-20816-Teil/der Tabelle und der Maschinengruppe/dem Fundament ab. Überprüfen Sie daher die geltenden Grenzwerte anhand der Norm und Ihres OEM-Handbuchs. Siehe die Referenzübersicht der ISO-20816-Zonen des Mobius Institute. Zusammenfassung der Schwingungszonen nach ISO 20816
• Phasenstabilität und Sweep: Überprüfen Sie, ob die Phase über den gesamten Betriebsbereich stabil bleibt und keine Resonanzspitzen in der Nähe der eingestellten Drehzahl dominieren.

Zwei-Ebenen-Ausgleichsverfahren

Shop-Ausgleich (Zwei-Ebenen)

Ein typischer Zwei-Ebenen-Workflow verwendet eine kalibrierte Auswuchtmaschine und die Einflusskoeffizientenmethode (Versuchsgewichtsmethode): Erfassung einer Basislinie bei Zielgeschwindigkeit, Durchführung eines Versuchs in Ebene 1, Durchführung eines Versuchs in Ebene 2, Auflösung der 2×2-Einflussmatrix nach Korrekturvektoren, Anbringen von Massen/Winkeln und Überprüfung der Residuen.

Sicherheitshinweis (vor dem Laufen lesen): Auswuchtarbeiten können schwere Verletzungen oder Sachschäden verursachen, wenn ein Rotor, ein Probegewicht oder eine Schutzvorrichtung versagt. Diese Arbeiten dürfen nur von qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Befolgen Sie vor dem Anbringen/Entfernen von Gewichten die LOTO-Vorschriften (Lockout/Tagout) Ihres Betriebs, lassen Sie die Schutzvorrichtungen nach Möglichkeit angebracht und verwenden Sie redundante, fest montierte Probegewichte (keine Befestigung nur mit Klebeband). Überprüfen Sie die Abstände, ziehen Sie die Befestigungselemente mit dem vorgeschriebenen Drehmoment an und halten Sie sich während des Anlaufs und Auslaufens außerhalb der Rotationsebene auf.

Wenn Sie OEM/ODM-Messer beziehen, ist ein neutrales Beispiel hilfreich: MAXTOR METAL fertigt kundenspezifische, präzisionsgeschliffene Klingen und bietet vor dem Versand dynamisches Auswuchten und Rundlaufprüfungen im Werk an. Konkret bedeutet dies, dass Rotoren nach ISO 21940 ausgewuchtet werden können, inklusive eines nachvollziehbaren Berichts über die Korrekturschritte und gemessenen Abweichungen. Weitere Informationen zu den Auswucht- und Rundlaufverfahren finden Sie auf der Unternehmensseite. Hochgeschwindigkeits-Dynamikauswuchtung und Konzentrizität

Wichtige Ladenschritte

1. Vorbereitung: Rotorgeometrie prüfen, Dichtflächen reinigen, Rundlauf prüfen und Vorrichtungen befestigen. Drehzahlmesser-Referenzmarke anbringen.
2. Ausgangszustand: Amplitude und Phase an beiden Peilungen bei der definierten Betriebsgeschwindigkeit messen; Vektoren aufzeichnen.
3. Versuche: Eine bekannte Testmasse unter einem bekannten Winkel in Ebene 1 hinzufügen; erneut messen. Die Testmasse entfernen und den Vorgang in Ebene 2 wiederholen; erneut messen.
4. Lösung: Verwenden Sie Software oder manuelle Vektorrechnung, um die 2×2-Einflussmatrix zu invertieren und die Korrekturmassen/-winkel pro Ebene zu berechnen.
5. Überprüfung: Wenden Sie Korrekturen an und wiederholen Sie den Lauf, um zu bestätigen, dass die Residuen innerhalb der U_per-Ziele liegen und die Vibrationen in Ihrer Akzeptanzzone liegen.

Feldabgleich (In‐situ)

Die Feldwuchtung (in-situ) korrigiert das montierte System ohne Demontage. Sie benötigen einen phasenbezogenen Drehzahlmesser, zwei Beschleunigungsmesser oder Geschwindigkeitssensoren an den Lagergehäusen, sicheren Zugang für Probegewichte sowie die entsprechenden Sperr- und Kennzeichnungsverfahren.

Sicherheitshinweis (vor dem Laufen lesen): Das Auswuchten vor Ort birgt Gefahren durch rotierende Maschinenteile. Bei allen manuellen Arbeiten ist die LOTO-Methode anzuwenden. Schutz- und Sperrzonen sind zu überprüfen und Probegewichte mit mechanischen Befestigungsmitteln und einer zusätzlichen Sicherung zu sichern. Die Nenndrehzahl der Maschine darf nicht überschritten werden. Bei Reibung, ungewöhnlichen Geräuschen, steigender Lagertemperatur oder plötzlicher Phaseninstabilität ist der Vorgang sofort zu stoppen.

• Ausgangslage: Amplitude und Phase beider Lager bei oder nahe der Betriebsdrehzahl erfassen. Vorher auf weiche Lagerfüße und strukturelle Lockerheit prüfen.
• Versuchsablauf: Füge einen sicheren, kontrollierten Versuch in Ebene 1 hinzu; miss beide Peilungen erneut; entferne und wiederhole den Vorgang für Ebene 2.
• Lösen und anwenden: Korrekturvektoren berechnen und permanente Gewichte anbringen oder Schrauben an den berechneten Winkeln/Radien justieren.
• Überprüfung: Durchlaufen Sie den gesamten Betriebsbereich, um sicherzustellen, dass keine Resonanzverstärkung auftritt; akzeptieren Sie das Produkt, sobald sowohl die Restunwucht pro Ebene als auch die Schwingungsgeschwindigkeitsziele erreicht sind.

Ein praktisches Codierungsbeispiel für den Einflusskoeffizientenansatz veröffentlicht National Instruments in einem zweidimensionalen DAQmx-Beispiel, das die gleiche Sequenz mit Phasoren und Tachometerindexierung implementiert. Zwei-Ebenen-Ausgleichsbeispiel mit DAQmx

Hinweise zur Instrumentierung (für reproduzierbare Phase und Amplitude): Verwenden Sie an beiden Lagergehäusen denselben Sensortyp und dieselbe Ausrichtung (für Vergleiche nach ISO 20816 wird häufig die Drehzahlmessung bevorzugt). Montieren Sie die Sensoren fest (z. B. mit einem Bolzen oder einem starken Magneten auf einer sauberen, ebenen Fläche), achten Sie auf eine einheitliche Kabelführung und verwenden Sie eine zuverlässige Drehzahl-/Zeigerzeiger-Referenz am Rotor. Stellen Sie sicher, dass die Instrumentenkalibrierung aktuell ist, und dokumentieren Sie die Messband- und Filtereinstellungen, um vergleichbare Folgeprüfungen zu gewährleisten.

Fallstricke und Sicherheitschecks

Typische Anzeichen dafür, was Sie sehen werden, und worauf Sie zuerst achten sollten:

• Phasenwanderungen oder Phasenumkehrungen Zwischen den Läufen: Überprüfen Sie erneut die Drehzahlmesser-/Tastenphasen-Aufnahme, die Steifigkeit der Sensorbefestigung, Lockerheit/weiche Füße und ob eine Resonanz das Ansprechverhalten dominiert.
• Die Reaktion im Versuch ist zu gering oder nicht linear: Das Gewicht des Versuchsgewichts soll erhöht/verringert werden, um eine Änderung von ~30–70% gegenüber dem Ausgangswert zu erreichen. Dabei wird überprüft, ob der Referenzradius/-winkel des Versuchs wiederholbar ist.
• Großer Amplitudenpeak nahe der eingestellten Geschwindigkeit: Um Resonanzen zu identifizieren und ein Ausbalancieren genau am Maximum zu vermeiden, führen Sie einen kontrollierten Frequenzdurchlauf durch; ändern Sie zuerst Geschwindigkeit, Steifigkeit oder Dämpfung und gleichen Sie dann bei einer stabilen Geschwindigkeit neu aus.
• Starrer vs. flexibler Rotor: Liegt eine kritische Drehzahl nahe am Betriebspunkt, können die Annahmen für einen starren Rotor unzutreffend sein; konsultieren Sie die entsprechenden Teile der ISO 21940 für Methoden für flexible Rotoren.
• Anwendungsbereichsgrenze: Wenn sich der Rotor bei oder nahe der Betriebsdrehzahl wie ein flexibler Rotor verhält (z. B. Betrieb nahe einer kritischen Drehzahl), sollte keine Zwei-Ebenen-Lösung für einen starren Rotor erzwungen werden – stattdessen ist die entsprechende ISO 21940-Methode für flexible Rotoren anzuwenden und akzeptable Drehzahlrampen und Betriebsbedingungen mit dem OEM abzustimmen.
• Inkonsistente Einflusskoeffizienten: Versuche wiederholen; Sensorpolarität, Drehzahlmesserposition, Lockerheit und Wiederholgenauigkeit der Montage überprüfen. Versuchsmasse so anpassen, dass sich die Reaktion um ca. 30–70% vom Ausgangswert ändert.
• Geometrie und Rückhaltung: Testgewichte redundant sichern, Schutzvorrichtungen und Abstände prüfen und Reibung vermeiden. Sperr- und Kennzeichnungsverfahren durchführen und die Baustellenvorschriften befolgen.
• Wartungshinweis: Nach dem Nachschleifen oder Messerwechsel ist mit einer Unwucht zu rechnen. Eine Wartungsanleitung für Granulatormesser bietet praktische Hinweise zum Nachschleifen, die sich gut mit einer Überprüfung der Auswuchtung kombinieren lassen. Kunststoffgranulatormesser warten und schärfen

Schlussfolgerung

• Prüfen Sie anhand der ISO-Beziehung, ob die Restunwucht in jeder Ebene bei der Zieldrehzahl die von Ihnen gewählte ISO 21940-Auswuchtklasse erfüllt.
• Überprüfen Sie die Schwingungsgeschwindigkeit über den gesamten Betriebsbereich (streben Sie ISO 20816 Zone B oder besser an) und dokumentieren Sie Amplituden-/Phasen- und Korrekturdaten.
• Planen Sie eine Neuauswuchtung nach dem Nachschleifen, dem Messerwechsel, Arbeiten an Nabe oder Lager oder wenn die Trends die Grenzwerte überschreiten.
• Erstellen Sie einen nachvollziehbaren Auswuchtbericht und analysieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit. Für Leser, die den Kontext des Lieferanten benötigen, bietet die MAXTOR METAL-Übersicht zu dynamischem Auswuchten und Rundlauf ein Beispiel dafür, welche Anforderungen an eine Werkstatt gestellt werden sollten. Hochgeschwindigkeits-Dynamikauswuchtung und Konzentrizität

Referenzen (Auswahl): Überblick über ISO 21940-11 (EASA); Zusammenfassung der ISO-Klassenauswahl (BalanceMaster); ISO-Restunwuchtprüfung (Vibromera-Rechner); Zusammenfassung der ISO-20816-Zonenbänder (Mobius Institute); Beispiel für die Implementierung des Zwei-Ebenen-Einflusskoeffizienten (National Instruments DAQmx). (Links finden Sie in den obigen Abschnitten.)

Was in einem nachvollziehbaren Bilanzbericht erfasst werden sollte (Checkliste zum Kopieren/Einfügen): Rotor-ID/Seriennummer, Konfiguration (Messer/Halter installiert), Rotormasse M, Korrekturradius RServicegeschwindigkeit N, ausgewählter ISO 21940 Balancegrad G, berechnet U_per, Sensorpositionen und -ausrichtung, Drehzahlreferenzposition, Instrumentenmodell + Kalibrierungsdatum, Messband/Filterung, Basislinienamplitude/-phase an jedem Lager, Probegewicht Masse/Winkel/Radius für Ebene 1 und Ebene 2, berechnete Korrekturmasse/-winkel/-radius pro Ebene, endgültige Verifizierungsamplitude/-phase, endgültige Restunwuchtschätzung pro Ebene und ein Ergebnis des Betriebsgeschwindigkeitsdurchlaufs (bestanden/nicht bestanden im Vergleich zu Ihrem ISO 20816-Geschwindigkeitsziel).

Über den Autor: Tommy Tang ist Senior Sales Engineer bei Nanjing METAL Industrial und verfügt über 12 Jahre Erfahrung in der Betreuung von Anwendungen im Bereich industrieller Schneid- und Rotationsmaschinen. Zertifizierungen: CSE, CME, Six Sigma Green Belt, PMP.