04102 Funktionssicherheit und Energieeffizienz rotierender Anlagen
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Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den verschiedenen Methoden einer exakten und möglichst fehlerfreien Wellenausrichtung, um die Lebensdauer der Maschinen zu verlängern, die MTBF zu erhöhen, Stillstandszeiten zu minimieren und die Energieeffizienz zu steigern. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Wellenausrichtung mit dem Laser. von: |
1 Einführung und Problemstellung
In der produzierenden Industrie sind rotierende Aggregate fast überall zu finden. Ob es um Pumpen, Motoren, Ventilatoren, Kompressoren, Getriebe usw. geht, sind drehende Wellen der Antrieb vieler Anlagenteile und somit vieler Produktionsprozesse. Eine möglichst optimale Nutzung dieser rotierenden Aggregate sollte also im Fokus jeder Instandhaltungs-, aber auch Produktionsabteilung sein.
Optimierung der OEE und TCO
Ziel ist es, die Lebensdauer dieser Maschinen zu optimieren, die MTBF (Mean Time Between Failure) zu erhöhen, die Stillstandszeiten zu minimieren und ungeplante Stillstände generell zu vermeiden. Zudem ist in den letzten Jahren die optimale Ressourcennutzung immer mehr in den Mittelpunkt vieler Betrachtungen gerückt. Angefangen von der verbesserten Energieeffizienz der Anlagen, bis hin zur Reduzierung der Häufigkeit des Austauschs von Verschleißteilen, wie zum Beispiel Dichtungen und Lager an Wellen.
Ziel ist es, die Lebensdauer dieser Maschinen zu optimieren, die MTBF (Mean Time Between Failure) zu erhöhen, die Stillstandszeiten zu minimieren und ungeplante Stillstände generell zu vermeiden. Zudem ist in den letzten Jahren die optimale Ressourcennutzung immer mehr in den Mittelpunkt vieler Betrachtungen gerückt. Angefangen von der verbesserten Energieeffizienz der Anlagen, bis hin zur Reduzierung der Häufigkeit des Austauschs von Verschleißteilen, wie zum Beispiel Dichtungen und Lager an Wellen.
Auf einen Nenner gebracht bedeutet dies, es müssen die OEE – Overall Equipment Efficiency – und die TCO – Total Cost of Ownership – optimiert werden.
Ideale Kraftübertragung sicherstellen
Das Aufstellen bei Neuinstallationen oder nach Reparaturen von Anlagenteilen und das Sicherstellen der idealen Kraftübertragung bei über Wellen gekuppelten Antrieben ist somit ein Kernthema im praktischen Alltag der Instandhaltung. Auch das regelmäßige Überprüfen der Fluchtung von Antriebswellen oder Wellen generell ist von immenser Bedeutung, da somit der Einfluss der Umwelt oder die Veränderungen durch Alterungen in den Aggregaten kontrolliert werden. Zudem gibt es viele Condition Monitoring Systeme, um die Anlagen im Betrieb zu überwachen. Somit können gegebenenfalls frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet und Havarien vermieden werden.
Das Aufstellen bei Neuinstallationen oder nach Reparaturen von Anlagenteilen und das Sicherstellen der idealen Kraftübertragung bei über Wellen gekuppelten Antrieben ist somit ein Kernthema im praktischen Alltag der Instandhaltung. Auch das regelmäßige Überprüfen der Fluchtung von Antriebswellen oder Wellen generell ist von immenser Bedeutung, da somit der Einfluss der Umwelt oder die Veränderungen durch Alterungen in den Aggregaten kontrolliert werden. Zudem gibt es viele Condition Monitoring Systeme, um die Anlagen im Betrieb zu überwachen. Somit können gegebenenfalls frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet und Havarien vermieden werden.
Enormes Einsparpotenzial bei Pumpenanwendung
Wenn man bedenkt, dass in Europa allein auf den Bereich Pumpen 30 % des Energieverbrauchs für elektromotorengetriebene Anwendungen entfallen, wird das immense Einsparpotenzial allein bei Pumpenanwendungen deutlich [1]. Berücksichtigt man zudem, dass im Jahr 2011 knapp die Hälfte des gesamten Stroms in Deutschland von der Industrie verbraucht wurde, stellt man fest, dass es sich lohnt, bei der Instandhaltung von Industrieanlagen großes Augenmerk auf Energie- und Ressourceneffizienz zu legen [2] (s. Abb. 1).
Wenn man bedenkt, dass in Europa allein auf den Bereich Pumpen 30 % des Energieverbrauchs für elektromotorengetriebene Anwendungen entfallen, wird das immense Einsparpotenzial allein bei Pumpenanwendungen deutlich [1]. Berücksichtigt man zudem, dass im Jahr 2011 knapp die Hälfte des gesamten Stroms in Deutschland von der Industrie verbraucht wurde, stellt man fest, dass es sich lohnt, bei der Instandhaltung von Industrieanlagen großes Augenmerk auf Energie- und Ressourceneffizienz zu legen [2] (s. Abb. 1).
Energieeffizienz berücksichtigen!
Bei der Betrachtung eines Pumpensystems beispielsweise ergibt sich, dass sich die Lebenszykluskosten zu circa 80 % aus den Energiekosten, d. h. aus den Kosten für den Antrieb der Pumpe zusammensetzen können. Etwa 10 % stellen die Anschaffungskosten und weitere 10 % die Instandhaltungskosten dar [3] (s. Abb. 2). Dieses Verhältnis zeigt eindeutig auf, dass es sich lohnt, bei der Anschaffung eines Pumpensystems die Energieeffizienz während des Betriebs der Anlage in den Fokus der Betrachtungen zu stellen und nicht den Anschaffungspreis allein, was aber leider immer noch häufig gemacht wird.
Bei der Betrachtung eines Pumpensystems beispielsweise ergibt sich, dass sich die Lebenszykluskosten zu circa 80 % aus den Energiekosten, d. h. aus den Kosten für den Antrieb der Pumpe zusammensetzen können. Etwa 10 % stellen die Anschaffungskosten und weitere 10 % die Instandhaltungskosten dar [3] (s. Abb. 2). Dieses Verhältnis zeigt eindeutig auf, dass es sich lohnt, bei der Anschaffung eines Pumpensystems die Energieeffizienz während des Betriebs der Anlage in den Fokus der Betrachtungen zu stellen und nicht den Anschaffungspreis allein, was aber leider immer noch häufig gemacht wird.
Diese Betrachtungen und Untersuchungen sind in den letzten Jahren stark forciert und beachtet worden. Allerdings sind die prinzipiellen Erkenntnisse schon seit einigen Jahrzehnten bekannt. Dies zeigt folgendes Zitat aus dem Jahre 1952: „Industry worldwide is losing billions of dollars a year due to misalignment of machinery" [4]. Frei übersetzt bedeutet dies: Die Industrie verliert Milliarden von Dollar pro Jahr weltweit aufgrund fehlausgerichteter Maschinen.
2.1 Generelle Betrachtungen
Beim Wellenausrichten werden zwei oder mehrere Maschinen so positioniert, dass die Mittellinien der Wellen zueinander fluchten, d. h. eine gemeinsame Gerade bilden. Wichtig ist der Zusatz, dass dies bei normaler Betriebstemperatur und normalen Betriebsbedingungen der Anlage erreicht werden muss. Idealerweise sollten sich die Wellen überall dort, wo sie verbunden sind (z. B. an der Kupplung), um eine perfekte lineare Achse drehen, um Rückstellkräfte an der Kupplung und Lagerverschleiß möglichst gering zu halten. (Ausnahmen: Bogenzahnkupplungen benötigen für die Schmierung einen gewissen Grad an Fehlausrichtung und Kardanwellen weisen einen baubedingten Versatz auf.)
Alle Wellen haben aufgrund ihres Eigengewichts eines gemeinsam: Sie sind nicht absolut gerade. Folglich kann die Ausrichtung der beiden Wellen nur an dem Punkt verglichen werden, an dem die Kraft von einer Welle zur anderen übertragen wird.
Nicht mit Kupplungsausrichtung verwechseln
Sehr wichtig ist, dass man die Wellenausrichtung nicht mit der Kupplungsausrichtung verwechselt. Das Kupplungsgehäuse sollte nicht benutzt werden, um den Ausrichtzustand zu messen, da es nicht gleichzusetzen ist mit der Drehachse der Welle. Um Herstellkosten zu senken, sind Kupplungsgehäuse oft nur grob und in manchen Fällen überhaupt nicht bearbeitet. Deswegen stoßen herkömmliche Methoden zum Ausrichten von Wellen entweder an Grenzen oder es müssen viele Randbedingungen berücksichtigt werden.
Sehr wichtig ist, dass man die Wellenausrichtung nicht mit der Kupplungsausrichtung verwechselt. Das Kupplungsgehäuse sollte nicht benutzt werden, um den Ausrichtzustand zu messen, da es nicht gleichzusetzen ist mit der Drehachse der Welle. Um Herstellkosten zu senken, sind Kupplungsgehäuse oft nur grob und in manchen Fällen überhaupt nicht bearbeitet. Deswegen stoßen herkömmliche Methoden zum Ausrichten von Wellen entweder an Grenzen oder es müssen viele Randbedingungen berücksichtigt werden.
Betriebsbedingungen
Ein besonderes Augenmerk ist auf die Betriebsbedingungen der auszurichtenden Anlage zu legen. Die Ausrichtbedingungen können sich verändern, wenn die Maschine in Betrieb geht. Das kann eine Reihe von Gründen haben, einschließlich thermischen Wachstums, Verformung durch angeschlossene Rohre und Leitungen, Fundamentbewegung und Lagerspiel, um nur einige zu nennen. Diese Einflüsse müssen berücksichtigt und beim Ausrichtvorgang vorgehalten werden.
Ein besonderes Augenmerk ist auf die Betriebsbedingungen der auszurichtenden Anlage zu legen. Die Ausrichtbedingungen können sich verändern, wenn die Maschine in Betrieb geht. Das kann eine Reihe von Gründen haben, einschließlich thermischen Wachstums, Verformung durch angeschlossene Rohre und Leitungen, Fundamentbewegung und Lagerspiel, um nur einige zu nennen. Diese Einflüsse müssen berücksichtigt und beim Ausrichtvorgang vorgehalten werden.
Wellendurchhang
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Wellendurchhang. Der Grad des Durchhangs einer Maschinenwelle hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Steifigkeit der Welle, dem Gewicht der Welle zwischen den Lagerböcken, der Bauart der Lager und dem Abstand zwischen den Lagerböcken.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Wellendurchhang. Der Grad des Durchhangs einer Maschinenwelle hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Steifigkeit der Welle, dem Gewicht der Welle zwischen den Lagerböcken, der Bauart der Lager und dem Abstand zwischen den Lagerböcken.
Bei langen Maschinenzügen, wie sie z. B. bei Turbine-Generator-Einheiten in Kraftwerken oder bei Maschinen mit langen Zwischenwellen wie bei Kühlturmgebläsen und Gasturbinen zu finden sind, muss die sogenannte Biegelinie mitberücksichtigt werden. Ein sehr typisches Beispiel dafür sind die bis über 100 m langen Antriebswellen auf großen Container- oder Frachtschiffen.
2.2 Grundsatzfrage: Können Kupplungen Fehlausrichtungen ausgleichen?
Sehr oft hört man: „Warum soll man sich überhaupt mit der Maschinenausrichtung abgeben, wenn die Maschine ohnehin mit einer flexiblen Kupplung ausgestattet ist?” Die Erfahrung und auch die Empfehlung von Kupplungsherstellern zur maximal zulässigen Fehlausrichtung besagen das Gegenteil. Fallstudien deuten darauf hin, dass 50 % der Maschinenausfälle direkt auf eine schlechte Wellenausrichtung zurückzuführen sind.
Schneller Verschleiß ist die Folge
Es ist richtig, dass flexible Kupplungen zu dem Zweck entwickelt wurden, Fehlausrichtungen aufzunehmen, üblicherweise bis zu einem Radialversatz der Wellen von 10 mm oder mehr. Aber die Reaktionskräfte, die in fehlausgerichteten Kupplungen entstehen, führen zu einer drastischen Erhöhung der Last, die auf die Wellen und somit auch auf die Lager und Dichtungen wirkt, was einen schnellen Verschleiß dieser Bauteile nach sich zieht. Zum Beispiel erzeugt eine 445-mm-Kupplung, ausgelegt für einen maximalen Radialversatz von 6 mm bei 600 Umdrehungen pro Minute, eine Reaktionskraft von 1,2 kN pro mm Radialversatz [7].
Es ist richtig, dass flexible Kupplungen zu dem Zweck entwickelt wurden, Fehlausrichtungen aufzunehmen, üblicherweise bis zu einem Radialversatz der Wellen von 10 mm oder mehr. Aber die Reaktionskräfte, die in fehlausgerichteten Kupplungen entstehen, führen zu einer drastischen Erhöhung der Last, die auf die Wellen und somit auch auf die Lager und Dichtungen wirkt, was einen schnellen Verschleiß dieser Bauteile nach sich zieht. Zum Beispiel erzeugt eine 445-mm-Kupplung, ausgelegt für einen maximalen Radialversatz von 6 mm bei 600 Umdrehungen pro Minute, eine Reaktionskraft von 1,2 kN pro mm Radialversatz [7].