Kritische Drehzahl ist die Drehzahl, bei der die Eigenfrequenz eines Rotors mit seiner Betriebsdrehzahl zusammenfällt und eine resonante Vibrationsverstärkung erzeugt, die von einer geringfügigen Belästigung bis zu einem maschinenzerstörenden Ereignis reichen kann. Jede wellengetragene rotierende Maschine hat eine oder mehrere dieser Drehzahlen, und zu wissen, wo sie relativ zum Betriebsbereich liegen, ist zentral für die Spezifikation, Inbetriebnahme und Fehlersuche an der Ausstattung.
Ein Rotor ist ein mass-elastisches System, das auf Lagern gelagert ist, die sich wie Federn und Dämpfer verhalten, sodass er Eigenfrequenzen hat, bei denen er angeregt schwingen wird. Die dominante Anregung ist Unwucht, eine Kraft, die synchron mit der Welle rotiert und mit dem Quadrat der Drehzahl wächst. Wenn die Drehzahl einer Eigenfrequenz entspricht, pumpt die Unwuchtkraft bei jeder Umdrehung Energie in diesen Modus und die Schwingung steigt scharf an: das ist die kritische Drehzahl. Entfernt davon bestimmen Steifigkeit und Trägheit die Antwort; in der Nähe legt die Dämpfung fest, wie groß der Peak wird.
Ein flexibler Rotor hat eine unendliche Reihe von Biegemoden, wobei jedoch nur die niedrigsten wenigen innerhalb des Drehzahlbereichs der meisten Maschinen relevant sind.
Lagersteifigkeit, Auflagerflexibilität und Kupplungseffekte verschieben diese Frequenzen gegenüber den theoretischen Werten der alleinstehenden Welle, weshalb die Analyse das vollständige Lager‑ und Auflagersystem modellieren muss und nicht nur die Welle.
Die Klassifizierung ist wichtig, weil sie ändert, wie die Maschine auszuwuchten und zu analysieren ist:
| Rotor‑Klasse | Definition | Typisches Beispiel | Auswuchtvorgehen |
|---|---|---|---|
| Starre Rotoren | Unterhalb von etwa 70–75 % der ersten kritischen Drehzahl | Kleine Pumpen, Ventilatoren, Niederdrehzahlmotoren | Ein‑ oder Zwei‑Ebenen‑Auswuchten bei niedriger Drehzahl |
| Flexible Rotoren | Annähert sich, erreicht oder überschreitet eine Biegungs‑kritische Drehzahl | Mehrstufige Kompressoren, Dampfturbinen, Generatoren | Mehr‑Ebenen‑Auswuchten plus Rotordynamik‑Analyse |
| Quasi‑flexible Rotoren | Etwa 75–100 % der ersten kritischen | Einige Hochgeschwindigkeits‑Pumpen und Gebläse | Einzelfallentscheidung; oft als flexibel behandelt |
Ein bei niedriger Drehzahl starrer Rotor kann zum flexiblen Rotorproblem werden, sobald ein Frequenzumrichter (VFD) ihn in einen höheren Bereich zwingt – ein Grund, warum VFD‑Nachrüstungen eine rotordynamische Prüfung verdienen und nicht nur eine Motor‑ und Antriebsprüfung.
Die meisten Maschinen mit einer kritischen Drehzahl unterhalb der Betriebsdrehzahl durchlaufen diese Resonanz zweimal pro Laufzyklus: einmal beim Beschleunigen, einmal beim Abbremsen. Die Amplitude während des Durchgangs hängt von der Beschleunigungsrate und der Dämpfung dieses Modus ab, weshalb langsame Drehzahlhaltungen in der Nähe einer kritischen Drehzahl zu vermeiden sind. Fluidfilm‑Lager fügen typischerweise mehr Dämpfung hinzu als Wälzlager und begrenzen so den Peak, bringen aber drehzahlabhängige Steifigkeit mit, die in der Analyse berücksichtigt werden muss. Überprüfen Sie den Zustand des Ölfilms zusammen mit den Schwingungsdaten; siehe unseren Leitfaden zu Schmierregimen.
Das Campbell‑Diagramm stellt die Eigenfrequenz des Rotors (und deren Harmonische) gegen die Drehzahl dar. Die 1X‑Linie repräsentiert die Frequenz der Unwuchtkraft, die definitionsgemäß der Drehzahl entspricht; dort, wo sie eine Eigenfrequenzkurve schneidet, liegt eine kritische Drehzahl vor. Linien für 2X und andere Harmonische werden oft für Fluchtungsfehler, Lockerheit, Zahnradverzahnung oder Schaufeldurchgänge ergänzt. Bei Fluidfilm‑Systemen ändert sich die Lagersteifigkeit mit der Drehzahl, sodass die Frequenzkurven nicht flach sind und das Diagramm über den gesamten Betriebsbereich aufgebaut werden muss. Die Betrachtung des Diagramms zusammen mit Schwingungstrends ist aussagekräftiger als die Amplitude allein; siehe unsere Reviews zu ISO 10816‑3 Schwingungs‑Schwere und ISO 20816 Schwingungs‑Schwerezonen.
Der Trennungsabstand (Separation Margin, SM) ist die erforderliche Lücke zwischen den kritischen Drehzahlen eines Rotors und seinem Betriebsbereich, angegeben als Prozentsatz, damit normale Variationen in Steifigkeit, Masse oder Dämpfung eine kritische Drehzahl nicht in den Betriebsbereich ziehen können.
API 610 (Zentrifugalpumpen für die Erdöl‑, Petrochemie‑ und Erdgasindustrie) fordert einen Mindest‑Trennungsabstand zwischen dem Betriebsdrehzahlbereich und der nächstgelegenen kritischen Drehzahl, üblicherweise mit 10 bis 20 Prozent angegeben, abhängig davon, ob die kritische über oder unter dem Band liegt. API 684 (das in API 610, 612 und 617 zitierte Rotordynamik‑Tutorial) legt die Analysemethode fest, einschließlich undämpfer kritischer Drehzahl, gedämpfter Unwuchtantwort und Stabilitätsanalyse, und koppelt den Abstand an einen Verstärkungsfaktor (AF) aus dem Antwortpeak: Eine scharf ausgeprägte, leicht gedämpfte Antwort benötigt mehr Abstand als eine breite, gut gedämpfte.
Das Aufzeichnen von Schwingungstransienten beim Anlaufen und Abbremsen, zusammen mit Lagerzustand und Ausrichtungsaufzeichnungen, verwandelt eine einmalige rotordynamische Untersuchung in ein fortlaufendes Zuverlässigkeitsprogramm. Das Erfassen dieser Signaturen gegenüber der Wartungshistorie in einem System wie Fabrico ermöglicht es, einen schrittweisen Anstieg der Amplitude an kritischen Drehzahlen zu erkennen, oft ein frühes Anzeichen für Lagerverschleiß oder Dichtungs‑Rub, bevor es zu einer Abschaltung kommt. Buchen Sie eine Fabrico‑Demo, um zu sehen, wie Zustandsdaten und Arbeitsauftrags‑Historie an einem Ort verknüpft werden.
Nein. Dauerbetrieb dort erhält die resonante Verstärkung aufrecht und kann zu schnellem Schaden an Dichtungen, Lagern oder Kupplungen führen. Maschinen haben Trennungsabstand, um dies zu vermeiden; wenn eine kritische Drehzahl durch Verschleiß in den Betriebsbereich driftet, ist die Ursache zuerst zu ermitteln.
Die kritische Drehzahl ist ein Biegungsmodus des Rotors, der durch synchrone Unwucht angeregt wird. Lager‑ oder Auflager‑Eigenfrequenzen sind separate Resonanzen in den stationären Teilen, interagieren aber über die Steifigkeit mit den Rotormodi.
Auswuchten reduziert die Unwuchtkraft, die den Modus anregt, und verringert damit die Spitzenamplitude, verschiebt aber nicht die kritische Drehzahl selbst. Sitzt sie zu nah am Betriebsbereich, ist eine konstruktive Änderung von Steifigkeit, Masse oder Lagerung erforderlich.
Der Umrichter an sich ändert nicht die Eigenfrequenzen des Rotors, aber das Fahren über einen größeren Drehzahlbereich erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass eine kritische Drehzahl in das neue Band fällt. Jede VFD‑Nachrüstung an Geräten, die nicht für variable Drehzahl ausgelegt sind, sollte eine rotordynamische Prüfung einschließen.
Anmeldung
Blog