Betriebsauswuchten

Andreas Mühlbauer,

Die Geschichte des Betriebsauswuchtens

Wie viele andere Prozesse in der Produktion ist das Auswuchten heute in die digitale Umgebung eingebunden und in weiten Teilen automatisiert. Das war freilich nicht immer so. Es begann vor langer Zeit mit viel Handarbeit. Dieser Artikel zeigt die Entwicklung des Auswuchtens von der Antike bis heute.

Auswuchten mit dem mobilen Betriebsauswuchtgerät SmartBalancer. © Schenck Rotec

Wer Unwuchten bei einem Kompressor in einer chemischen Anlage oder bei einer Spindel in einer Werkzeugmaschine beseitigen möchte, der steht vor einer Herausforderung. Der auszuwuchtende Rotor lässt sich nämlich meistens nicht einfach ausbauen. Eine mögliche Lösung ist das sogenannte Betriebsauswuchten, also das Auswuchten eines Rotors in der Maschine. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass der Anwender die Maschine nicht demontieren und den Rotor nicht auslagern muss. So lässt sich besonders schnell und kostengünstig auswuchten.

Dies ist aber noch gar nicht so lange möglich, und viele Entwicklungsschritte waren notwendig, um zu diesem Punkt zu gelangen. Der Anfang dieser Technikgeschichte lässt sich sogar bis ins alte Rom zurückverfolgen.

Auswuchten ohne Messtechnik und mit wenig Know-how

In der Antike war das sogenannte statische Wuchten geläufig: Ein scheibenförmiger Rotor, zum Beispiel ein Steinrad, hatte an einer Stelle mehr Gewicht, sprich: Er hatte eine Unwucht. Um diese zu beseitigen, wurde das Steinrad beispielsweise mittels eines Holzstabs aufgebaut, damit es an der Mitte gelagert ist und sich frei drehen kann. Dann wurde es in Rotation versetzt. Im nächsten Schritt wartete man bis zum Ende der Drehbewegung. Aufgrund der Schwerkraft befindet sich die schwerste Stelle jetzt ganz unten. Der „Auswuchter“ wusste damit, wo die Unwucht liegt.

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Anschließend musste auf der gegenüberliegenden Seite, um 180 Grad versetzt, entweder ein kleines Gewicht angebracht oder an der schwersten Stelle etwas Gewicht abgetragen werden – so lange, bis der Rotor weitestgehend unwuchtfrei war. Auf diese Weise wurden ohne komplizierte Messtechnik und mit dem begrenzten Know-how der damaligen Zeit Schwingungen und Vibrationen zumindest grob beseitigt. Die heutige Technik ist hier natürlich viel exakter und kann Unwuchtmassen im Milligramm-Bereich problemlos feststellen und korrigieren.

Sensoren und Elektronik beschleunigen die Entwicklung

Auswuchtmaschine von 1963. © Schenck Rotec

Bis ins 19. Jahrhundert blieb das Verfahren weitestgehend unverändert. Erst 1870 wurde die erste Auswuchtmaschine erwähnt. 1881 gründete der Unternehmer Carl Schenck die Carl Schenck Eisengießerei & Waagenfabrik. Ab 1907 wurden dort auch Auswuchtmaschinen produziert. Dies war auch der Startschuss für die heutige Schenck RoTec GmbH aus Darmstadt. Das Unternehmen erwarb die Lizenz für die Auswuchtmaschine, die der Ingenieur Franz Lawaczeck 1908 patentieren ließ.

„Von da an waren alle technischen Verbesserungen sehr stark von Sensoren, Messtechnik und später zunehmend von Elektronik und Mikroprozessoren abhängig“, sagt Marc Frisch, Technical Sales Manager bei Schenck RoTec. Schon in den 1920er-Jahren wurden erste Sensoren entwickelt, mit sich Schwingungen messen ließen und so auf die Unwucht geschlossen werden konnte. Problematisch war zu diesem Zeitpunkt jedoch noch die Vermessung der Winkellage der Unwucht auf dem rotierenden Körper. Erst mit dem sogenannten watt-metrischen Verfahren aus den 1940er-Jahren ließen sich Winkel und Unwuchtkenngrößen exakt bestimmen. Allerdings waren die Messgeräte zu diesem Zeitpunkt noch sehr groß und schwer und deshalb nicht einfach zu transportieren. Das änderte sich ab den 60er- und 70er-Jahren mit dem Einzug der Transistortechnik.

Auswuchtmaschinen werden intelligenter

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts gab es Auswuchtmaschinen. Hier ein Gerät von 1912. © Schenck Rotec

Ende der 1970er-Jahre machte die Entwicklung dann den nächsten wichtigen Schritt. Mit programmierbaren Taschenrechnern konnten die Anwender Auswuchtalgorithmen lösen, die sie bis dahin manuell grafisch berechnen mussten. Das bedeutet, die Messwerte wurden auf ein Blatt Papier – ein Polardiagramm – gezeichnet und die Unwucht mithilfe eines iterativen, grafischen Verfahrens aus den Schwingungs- und Kalibrierwerten bestimmt. Das war nicht nur sehr aufwendig, es waren auch nur wenige Spezialisten dazu in der Lage. Die zunehmende Verfügbarkeit von Taschenrechnern machte das Auswuchten dann wesentlich einfacher. Mit dem Aufkommen der Mikroprozessortechnik ließen sich programmierbare Taschenrechner in die Maschinen integrieren, sodass das Gerät selbst die Unwucht und ihre Position mithilfe eines Auswuchtalgorithmus berechnete. Zudem verbesserten sich die Displays und Anzeigemöglichkeiten der Messgeräte immer weiter. Waren anfangs nur bestimmte Kennzahlen – beispielsweise Schwingungen, Betrag oder Phase – darstellbar, kamen in den 1990er-Jahren zunehmend grafische Darstellungsmöglichkeiten dazu. Auf den neuen Monitoren ließ sich die Unwucht in Polarkoordinatenform darstellen – eine wesentliche Hilfe für den Auswuchter. Nach und nach wurden die Messgeräte schneller, genauer, die Anzeigen wurden farbig und die Werte konnten gespeichert werden. Und heute? Anwender speichern die Messwerte, übertragen diese entweder auf einen stationären Rechner oder nutzen IIoT-Lösungen wie Schenck One. So sind Maschinendaten weltweit verfügbar, sorgen für effizientere Prozesse und Maschinen lassen sich besser und kostengünstiger nutzen und warten.

Wohin wird sich das Betriebsauswuchten entwickeln?

„Ich denke, dass aus heutiger Sicht, ähnlich wie in vielen anderen Bereichen, die grundlegende Technologie für das Betriebsauswuchten weitestgehend ausgereift ist. Die Technik könnte man zwar immer noch weiterentwickeln, aber in der Praxis würde das kein Anwender mehr merken. Der nächste große Schritt ist die Optimierung, nicht nur der Maschine, sondern aller Prozesse rund ums Auswuchten. Und da sind wir mit den Themen Software und Digitalisierung unserer Produkte schon auf dem richtigen Weg“, sagt Frisch. Als nächste Meilensteine sind beispielsweise weitere Vereinfachungen beim Thema Betriebssysteme für ein Betriebswuchtgerät denkbar.

Ein analoger Schwingungsaufnehmer von 1920. © Schenck Rotec

Messtechnik an sich ist sehr komplex. Eventuell lässt sich dies in Zukunft noch vereinfachen. Ein weiterer interessanter Punkt ist die Optimierung des Condition Monitoring. Hier geht es darum, Vorhersagen über den Zustand von Maschinen treffen zu können. Beispielsweise wann das Lager voraussichtlich ausfallen wird, weil im Schwingungsverlauf bestimmte Charakteristika zu sehen sind. Die neuen Maschinen sammeln Daten, die über eine Cloudanbindung zentralisiert werden und über die der Instandhalter einen Überblick hat. Die Daten lassen sich also also im Leitstand oder mobil abrufen. Trotz aller Technik und Verbesserungen, das Auswuchten ist immer noch eine Sache des Know-hows. Die Technik kann immer nur so gut sein wie die Person, die sie bedient. Und manchmal sind die Bedingungen für das Betriebsauswuchten nicht gerade ideal: Die Maschine kann Resonanzen, unerwartete Betriebszustände oder Nichtlinearitäten aufweisen. In solchen Fällen kann ein erfahrener Auswuchtprofi von Schenck RoTec als Unterstützung sehr hilfreich sein.

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