موازنة الدوار: عدم التوازن الساكن والديناميكي، والرنين، والإجراءات العملية
يشرح هذا الدليل موازنة الدوار ل دوارات صلبة: what “unbalance” يعني، وكيف يختلف عدم التوازن الساكن عن الديناميكي، ولماذا يمكن للرنين واللاخطية أن يمنعا الحصول على نتيجة جيدة، وكيف يُجرى التوازن عادة في مستوى تصحيح واحد أو مستويين.
محتويات
- ما هو الدوار وما الذي يُصححه التوازن؟
- أنواع الدوارات وأنواع اللاتوازن
- اهتزاز الآليات: ما يمكن وما لا يمكن إزالته من خلال الموازنة
- الرنين: عامل يمنع التوازن
- النماذج الخطية مقابل النماذج غير الخطية: متى تتوقف الحسابات عن العمل
- أجهزة الموازنة وآلات الموازنة
- موازنة الدوارات الصلبة (ملاحظات عملية)
- كيفية إجراء الموازنة الديناميكية (طريقة التشغيل الثلاثي)
- معايير تقييم جودة الموازنة
- المعايير والمراجع
- FAQ
ما هو الدوار وما الذي يُصححه التوازن؟
الدوار هو جسم يدور حول محور ما ويتم تثبيته بواسطة أسطح محامل في الدعامات. تنقل أسطح محامل الدوار الأحمال إلى الدعامات عبر محامل دوارة أو منزلقة. وأسطح المحامل هي أسطح الأعمدة الدوارة أو الأسطح التي تحل محلها.
في الدوّار المتوازن تمامًا، تتوزع كتلته بشكل متناظر حول محور الدوران، أي أن أي عنصر من عناصر الدوّار يمكن مطابقته مع عنصر آخر متناظر حول محور الدوران. في الدوّار المتوازن، تتوازن قوة الطرد المركزي المؤثرة على أي عنصر من عناصر الدوّار مع قوة الطرد المركزي المؤثرة على العنصر المتناظر. على سبيل المثال، تؤثر قوتا الطرد المركزي F1 وF2، متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه، على العنصرين 1 و2 (المُشار إليهما باللون الأخضر في الشكل 1). ينطبق هذا على جميع عناصر الدوّار المتناظرة، وبالتالي فإن إجمالي قوة الطرد المركزي المؤثرة على الدوّار يساوي صفرًا، ويكون الدوّار متوازنًا.
ولكن إذا انكسر تناسق الدوار (يُشار إلى العنصر غير المتناسق باللون الأحمر في الشكل 1)، فإن قوة الطرد المركزي غير المتوازنة F3 تؤثر على الدوار. وعند الدوران، يتغير اتجاه هذه القوة مع دوران الدوار. ويتم نقل الحمل الديناميكي الناتج عن هذه القوة إلى المحامل، مما يؤدي إلى تسارع التآكل والتلف.
بالإضافة إلى ذلك، تحت تأثير هذه القوة المتغيرة الاتجاه، يحدث تشوّه دوري في الدعامات والأساس الذي يُثبَّت عليه الدوار، أي يحدث اهتزاز. ولإزالة عدم توازن الدوار والاهتزاز المصاحب له، يجب تركيب كتل موازنة لاستعادة تناظر الدوار.
توازن الدوار هو عملية تصحيح عدم التوازن عن طريق إضافة كتل موازنة. بعبارة أخرى، هدف التوازن هو تقريب المحور المركزي الرئيسي لعطالة الدوار قدر الإمكان من محور دورانه، بحيث يقع عدم التوازن المتبقي ضمن الحدود المحددة.
تتمثل مهمة الموازنة في تحديد حجم وموضع (زاوية) كتلة موازنة واحدة أو أكثر.
أنواع الدوارات وأنواع اللاتوازن
مع الأخذ في الاعتبار قوة مادة الدوار ومقدار قوى الطرد المركزي المؤثرة عليه، يمكن تقسيم الدوارات إلى نوعين - الدوارات الصلبة والدوارات المرنة.
تتشوه الدوارات الصلبة بشكل طفيف تحت تأثير قوة الطرد المركزي في أوضاع التشغيل، ويمكن تجاهل تأثير هذا التشوه في الحسابات.
لم يعد بالإمكان تجاهل تشوّه الدوارات المرنة. فتشوّه الدوارات المرنة يعقّد حل مشكلة الموازنة ويتطلب تطبيق نماذج رياضية مختلفة مقارنةً بمشكلة موازنة الدوارات الصلبة. وتجدر الإشارة إلى أن الدوار نفسه قد يتصرف كدوار صلب عند السرعات المنخفضة، وكدوار مرن عند السرعات العالية. المعيار العملي هو سرعة التشغيل بالنسبة للسرعة الحرجة الأولى (الانحناء) للدوار: يُعتبر الدوار صلبًا — يتحدث المعيار ISO 21940-11 عن دوار ذي "سلوك صلب" — عندما يعمل دون هذه السرعة بفارق كبير، أي عمليًا دون حوالي 50–70% من السرعة الحرجة الأولى. وفوق ذلك، ينحني الدوار في شكل نمطي يتغير مع السرعة: فيصبح مرنًا ويجب موازنته بطرق نمطية (modal) أو متعددة المستويات (ISO 21940-12). وفيما يلي، سنتناول فقط موازنة الدوارات الصلبة.
Depending on how the unbalanced masses are distributed along the rotor, ISO 21940-2 distinguishes several states of unbalance:
- عدم التوازن الساكن — يكون المحور الرئيسي للقصور الذاتي مزاحًا موازيًا لمحور العمود؛ ويمكن اكتشافه دون دوران، لأن الدوار يدور تحت تأثير الجاذبية حتى تصل نقطته الثقيلة إلى الأسفل. تُزال هذه الحالة بكتلة تصحيح واحدة في مستوى واحد؛
- couple (moment) unbalance — يتقاطع المحور الرئيسي للقصور الذاتي مع محور العمود عند مركز الكتلة؛ ويقع عدم التوازنين المتساويين في مستويين مختلفين وبفارق 180°. لا يظهر هذا إلا أثناء الدوران، ويتطلب كتلتي تصحيح في مستويين؛
- الاختلال الديناميكي — الحالة العامة والواقعية: مزيج من عدم التوازن الساكن والمزدوج. لا يكون المحور الرئيسي للقصور الذاتي موازيًا لمحور العمود ولا يتقاطع معه. مستويا تصحيح اثنان ضروريان وكافيان للدوار الصلب.
المصطلح القديم “عدم توازن العزم” مرادف لعدم التوازن المزدوج؛ ولا ينبغي الخلط بينه وبين عدم التوازن الديناميكي، الذي هو مجموع المكوّنين الساكن والمزدوج. يُعرض مثال على دوار ذي عدم توازن ساكن في الشكل 2.
Couple unbalance appears only when the rotor is rotating.
An example of a rotor with couple unbalance is shown in Fig. 3.
في هذه الحالة، تقع الكتلتان المتساويتان غير المتوازنتين M1 و M2 في مستويين مختلفين — أي في موضعين مختلفين على طول الدوار. في الوضع الساكن، أي عندما لا يدور الدوار، لا يؤثر على الدوار سوى الجاذبية، وتتوازن الكتلتان معًا. أما في الوضع الديناميكي، أي عندما يدور الدوار، فتبدأ القوتان الطارديتان المركزيتان Fc1 وFc2 بالتأثير على الكتلتين M1 وM2. هاتان القوتان متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه. غير أنهما تؤثران في موضعين مختلفين على طول العمود ولا تقعان على الخط نفسه، لذا فهما لا تلغيان بعضهما البعض. تُنتج القوتان Fc1 وFc2 عزمًا يؤثر على الدوار — ولهذا يُسمى عدم توازن الزوج أيضًا عدم توازن العزم. وبناءً عليه، تؤثر القوى الطاردة المركزية غير المعوَّضة على مواضع المحامل، وقد تتجاوز بكثير القيم المحسوبة وتقلّل من عمر المحامل الافتراضي.
نظرًا لأن هذا النوع من عدم التوازن يظهر فقط أثناء دوران الدوار، فلا يمكن تصحيحه في الظروف الساكنة بموازنة "على السكاكين" أو طرق مماثلة. ولإزالة عدم توازن الزوج، يجب تركيب وزنين تعويضيين ينتجان عزمًا مساويًا في المقدار ومعاكسًا في الاتجاه للعزم الناتج عن الكتلتين M1 وM2. ولا يلزم أن تكون الكتلتان التعويضيتان في موضع معاكس تمامًا ومساويتين في المقدار للكتلتين M1 وM2. المهم هو أن تُنتجا عزمًا يعوّض بالكامل عزم عدم التوازن.
بشكل عام، قد لا تكون الكتلتان M1 و M2 متساويتين، لذا سينشأ مزيج من عدم التوازن الساكن وعدم توازن الزوج — وهذه الحالة العامة هي بالضبط ما يسميه المعيار ISO 21940-2 عدم التوازن الديناميكي. وقد ثبت نظريًا أنه بالنسبة للدوار الصلب، يكفي وزنان يفصل بينهما مسافة على طول الدوار لإزالة عدم توازنه، وهما ضروريان في الوقت نفسه. هذان الوزنان يعوّضان معًا العزم الناتج عن عدم توازن الزوج والقوة الطاردة المركزية الناتجة عن عدم تناظر الكتلة بالنسبة لمحور الدوار (عدم التوازن الساكن). وعادةً ما يميّز عدم توازن الزوج الدوارات الطويلة، مثل الأعمدة، بينما يميّز عدم التوازن الساكن الدوارات الضيقة. غير أنه إذا كان الدوار الضيق منحرفًا بالنسبة للمحور، أو متشوهًا (على شكل "رقم ثمانية")، فسيصعب عندئذٍ إزالة عدم توازن الزوج (انظر الشكل 4)، لأنه يصعب في هذه الحالة تركيب أوزان تصحيح تُنتج العزم التعويضي اللازم.
القوتان F1 و F2 لا تقعان على نفس الخط ولا تعوض إحداهما الأخرى.
نظرًا لأن الذراع المتاحة لإنشاء العزم التعويضي صغيرة بسبب ضيق الدوار، قد تُطلَب أوزان تصحيح كبيرة. غير أن هذا يؤدي أيضًا إلى "عدم توازن مستحث" بسبب تشوّه الدوار الضيق تحت تأثير القوى الطاردة المركزية لأوزان التصحيح. (انظر، على سبيل المثال، Methodological instructions for balancing rigid rotors to GOST 22061-76 — the modern international counterpart is ISO 21940-11, formerly ISO 1940-1 — Section 10, "Rotor–supports system").
This is noticeable on narrow fan impellers, where, in addition to mass unbalance, an aerodynamic unbalance موجود أيضًا: فهندسة الشفرات غير المتساوية تُنتج حِملًا غير متساوٍ على الشفرات وبالتالي قوة شعاعية صافية. وكما هو الحال مع القوة الطاردة المركزية لوزن التصحيح، تتناسب هذه القوة مع مربع السرعة، لكنها تعتمد أيضًا على نقطة التشغيل — كثافة الهواء، موضع المخمّد، مقاومة القناة — لذا فوزن التصحيح المُوازَن عند نقطة تشغيل واحدة لن يبقى مثاليًا عند نقطة أخرى. لذا يجب تصحيح هذا المكوّن الديناميكي الهوائي باستعادة هندسة الشفرة، وليس بإضافة كتلة.
القوى الكهرومغناطيسية في الآلة الكهربائية (الجذب المغناطيسي غير المتوازن الناتج عن فجوة هوائية لا مركزية، قضبان مكسورة، صفائح مقصورة) تتصرف بشكل مختلف مرة أخرى: فهي تخضع لتدفق الفجوة الهوائية، وليس لسرعة الدوران، وتُثير الآلة في الغالب عند ضعف تردد الخط الكهربائي وعند الحزم الجانبية لعبور الأقطاب، وليس عند 1×. ولأنها تعمل عند ترددات غير تردد الدوران، فلا يمكن للموازنة تعويضها إطلاقًا. باختصار، تزيل الموازنة فقط الإثارة المرتبطة بالكتلة عند 1× — ولا يمكنها إزالة كل مصادر الاهتزاز في الآلة.
اهتزاز الآليات
الاهتزاز هو رد فعل تصميم الآلية على تأثيرات قوة تحفيزية دورية. ويمكن أن تكون هذه القوة ذات طبيعة مختلفة.
تُعدّ قوة الطرد المركزي الناتجة عن عدم توازن الدوّار قوةً غير مُعوَّضة تؤثر على "النقطة الأثقل". ويمكن التخلص من هذه القوة والاهتزاز الناتج عنها عن طريق موازنة الدوّار.
تنشأ قوى التفاعل ذات الطبيعة "الهندسية" نتيجةً لأخطاء التصنيع والتجميع في الأجزاء المتزاوجة. قد تنشأ هذه القوى، على سبيل المثال، نتيجةً لعدم استدارة أعناق الأعمدة، أو أخطاء في شكل أسنان التروس، أو تموج مجاري المحامل، أو عدم محاذاة الأعمدة المتزاوجة، وما إلى ذلك. في حالة عدم استدارة أعناق الأعمدة (عدم الاستدارة)، سينزاح محور العمود تبعًا لزاوية دورانه. على الرغم من أن هذا الاهتزاز يحدث أيضًا عند سرعة الدوار، إلا أنه يكاد يكون من المستحيل التخلص منه عن طريق الموازنة.
القوى الهوائية الديناميكية الناتجة عن دوران دوارات المراوح وآليات الريش الأخرى. القوى الهيدروديناميكية الناتجة عن دوران دوارات المضخات الهيدروليكية والتوربينات وغيرها.
القوى الكهرومغناطيسية الناتجة عن تشغيل الآلات الكهربائية، مثل لفات الدوار غير المتماثلة، ولفات الدائرة القصيرة، وما إلى ذلك.
لا تعتمد شدة الاهتزاز (مثل سعته Av) على قوة الإثارة Fv المؤثرة على الآلية بتردد دوراني ω فحسب، بل تعتمد أيضًا على صلابة الآلية k، وكتلتها m، ومعامل التخميد C، كما توضح الصيغة (1) أدناه.
يمكن استخدام أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار لقياس الاهتزاز وموازنة الآليات، ومنها:
- مستشعرات الاهتزاز المطلقة المصممة لقياس تسارع الاهتزاز (مقاييس التسارع) ومستشعرات سرعة الاهتزاز؛
- أجهزة استشعار الاهتزاز النسبي - تيار دوامي أو سعوي، مصممة لقياس إزاحة الاهتزاز؛
- في بعض الحالات (عندما يسمح تصميم الآلية بذلك)، يمكن أيضًا استخدام مستشعرات القوة لتقييم حمل الاهتزاز الخاص بها؛ على وجه الخصوص، يتم استخدامها على نطاق واسع لقياس حمل الاهتزاز لدعامات آلة الموازنة ذات المحامل الصلبة.
إذن، الاهتزاز هو رد فعل الآلة على تأثير القوى الخارجية. ولا يعتمد مقدار الاهتزاز على مقدار القوة المؤثرة على الآلية فحسب، بل يعتمد أيضًا على صلابة تصميم الآلية. فقد تؤدي القوة نفسها إلى اهتزازات مختلفة. في الآلات ذات المحامل الصلبة، حتى لو كان الاهتزاز ضئيلاً، فقد تتعرض المحامل لأحمال ديناميكية كبيرة. ولهذا السبب، تُستخدم مستشعرات القوة بدلاً من مستشعرات الاهتزاز (مقاييس تسارع الاهتزاز) عند موازنة الآلات ذات المحامل الصلبة.
تُستخدم مستشعرات الاهتزاز في الآليات ذات الدعامات المرنة نسبياً، حيث يؤدي تأثير قوى الطرد المركزي غير المتوازنة إلى تشوه ملحوظ في الدعامات وظهور اهتزازات. أما مستشعرات القوة فتُستخدم في الدعامات الصلبة، حيث لا تؤدي حتى القوى الكبيرة الناتجة عن عدم التوازن إلى اهتزازات ملحوظة.
الرنين هو عامل يمنع تحقيق التوازن الديناميكي
ذكرنا سابقًا أن الدوارات تنقسم إلى صلبة ومرنة. ولا ينبغي الخلط بين صلابة الدوار أو مرونته وصلابة أو حركة الدعامات (الأساس) التي يُركَّب عليها الدوار. ويُعتبر الدوار صلبًا عندما يكون تشوهه (انحنائه) تحت تأثير قوى الطرد المركزي ضئيلًا للغاية بحيث يمكن تجاهله. أما تشوه الدوار المرن فهو كبير نسبيًا ولا يمكن تجاهله.
في هذه المقالة، سنقتصر على تناول موازنة الدوارات الصلبة. ويمكن تركيب الدوار الصلب (غير القابل للتشوه) بدوره على دعامات صلبة أو متحركة (مرنة). ومن الواضح أن صلابة الدعامات وقدرتها على التحمل هي أيضًا أمور نسبية، حيث تعتمد على سرعة الدوار ومقدار قوى الطرد المركزي الناتجة. ويُعد تردد الاهتزازات الطبيعية لدعامات الدوار حدًا شرطيًا.
بالنسبة للأنظمة الميكانيكية، يتحدد شكل وتردد الاهتزازات الطبيعية بكتلة ومرونة عناصر النظام الميكانيكي. أي أن تردد الاهتزازات الطبيعية خاصية داخلية للنظام الميكانيكي ولا يعتمد على القوى الخارجية. عند انحراف الدعامات عن حالة الاتزان، تميل بفعل المرونة إلى العودة إلى موضع الاتزان. لكن بسبب قصور الدوار الثقيل، تأخذ هذه العملية طابع الاهتزازات المخمَّدة. وهذه الاهتزازات هي الاهتزازات الطبيعية لنظام الدوار والدعامات. ويعتمد ترددها على نسبة كتلة الدوار إلى مرونة الدعامات، كما توضح المعادلة (2) أدناه.
عندما يبدأ الدوار في الدوران ويقترب تردد دورانه من تردد الاهتزازات الطبيعية، تزداد سعة الاهتزاز بشكل حاد، مما قد يؤدي إلى تدمير الهيكل.
تحدث ظاهرة الرنين الميكانيكي. قرب الرنين، تُضخَّم الاستجابة بمعامل الجودة Q = 1/(2ζ)، وعادةً ما يتراوح بين 3–17 للهياكل الآلية، ويمكن أن تكون الذروة ضيقة: فتغيّر في السرعة بمقدار بضع نسب مئوية قد يغيّر مستوى الاهتزاز عدة أضعاف. عبر الرنين، يتأرجح تأخر الطور بمقدار 180°، مارًّا بـ 90° عند الذروة.
إذا كان تصميم الآلية غير موفَّق وكان تردد تشغيل الدوار قريبًا من تردد الاهتزازات الطبيعية، فسيصبح تشغيل الآلية مستحيلًا بسبب الاهتزاز المرتفع بشكل غير مقبول. عندئذٍ تصبح الموازنة بالطرق المعتادة مستحيلة، لأن حتى تغيرًا صغيرًا في السرعة يغيّر معاملات الاهتزاز بشكل جذري. وللموازنة في منطقة الرنين، تُستخدم طرق خاصة لا يتناولها هذا المقال.
يمكن تحديد تردد الاهتزازات الطبيعية للآلية أثناء التباطؤ (عند توقف دوران الدوار) أو عن طريق طريقة الصدمة مع إجراء تحليل طيفي لاحق لاستجابة النظام للصدمة.
بالنسبة للآليات التي يكون تردد دورانها التشغيلي أعلى من تردد الرنين، أي تعمل في النظام فوق الحرج (بعد الرنين)، تُعتبر الدعامات متحركة وتُستخدم مستشعرات الاهتزاز للقياس، وبشكل رئيسي مقاييس التسارع الاهتزازي، التي تقيس تسارع العناصر الإنشائية. أما بالنسبة للآليات العاملة في وضع ما قبل الرنين، فتُعتبر الدعامات صلبة. وفي هذه الحالة، تُستخدم مستشعرات القوة.
النماذج الخطية وغير الخطية للنظام الميكانيكي. تعد عدم الخطية عاملاً يمنع الموازنة
عند موازنة الدوارات الصلبة، تُستخدم نماذج رياضية تُعرف بالنماذج الخطية لإجراء حسابات الموازنة. ويعني النموذج الخطي أن إحدى القيم في هذا النموذج تتناسب (بشكل خطي) مع القيمة الأخرى. فعلى سبيل المثال، إذا تضاعفت الكتلة غير المعوضة على الدوار، فإن قيمة الاهتزاز ستتضاعف هي الأخرى. وبالنسبة للدوارات الصلبة، يمكن استخدام النموذج الخطي، لأنها لا تتشوه.
بالنسبة للدوارات المرنة، لم يعد بالإمكان استخدام النموذج الخطي. ففي حالة الدوار المرن، إذا زادت كتلة نقطة الثقل أثناء الدوران، فسيحدث تشوه إضافي، وبالإضافة إلى الكتلة، سيزداد أيضًا نصف قطر موقع نقطة الثقل. ولذلك، بالنسبة للدوار المرن، ستزداد الاهتزازات بأكثر من الضعف، ولن تنجح طرق الحساب المعتادة.
مصدر آخر للاخطية هو تغيّر صلابة الدعامات عند الانحرافات الكبيرة: فعند الانحرافات الصغيرة تحمل مجموعة من العناصر الإنشائية الحمل، بينما تدخل عناصر أخرى في العمل عند الانحرافات الكبيرة. ولهذا لا يمكن موازنة الآليات غير المثبتة على أساس، بل الموضوعة مثلًا ببساطة على الأرض. فعند الاهتزازات الكبيرة، يمكن لقوة عدم التوازن أن ترفع الآلية عن الأرض، مما يغيّر بشكل كبير خصائص صلابة النظام. يجب تثبيت أرجل المحرك بإحكام، وشد قواعد البراغي، ويجب أن يوفر سُمك الحلقات صلابة تثبيت كافية، وما إلى ذلك. وإذا كانت المحامل تالفة، فقد يحدث اختلال محاذاة كبير في العمود وصدمات، مما يؤدي أيضًا إلى ضعف الخطية وعدم القدرة على تحقيق موازنة عالية الجودة.
أجهزة الموازنة وآلات الموازنة
Recall that balancing is the process of aligning the main central axis of inertia with the rotor's axis of rotation.
يمكن تنفيذ هذه العملية بطريقتين.
تتضمن الطريقة الأولى تصنيع محاور الدوار بحيث يتطابق المحور المار عبر مراكزها مع المحور المركزي الرئيسي لعطالة الدوار. ونادرًا ما تُستخدم هذه التقنية في الممارسة العملية، ولن يتم تناولها بالتفصيل في هذه المقالة.
وتتمثل الطريقة الثانية (الأكثر شيوعًا) في نقل أو تركيب أو إزالة أوزان التصحيح الموجودة على الدوار، والتي يتم وضعها بحيث يكون محور القصور الذاتي للدوار أقرب ما يمكن من محور دورانه.
يمكن نقل أو إضافة أو إزالة أوزان التصحيح أثناء عملية الموازنة من خلال عدة عمليات تقنية، منها: الحفر، والتفريز، والتسوية السطحية، واللحام، والربط أو فك البراغي، والقطع بالليزر أو بحزمة الإلكترونات، والتحليل الكهربائي، والتسوية السطحية الكهرومغناطيسية، وما إلى ذلك.
يمكن إجراء عملية الموازنة بطريقتين:
- Field balancing (in situ) — يُوازَن الدوار المُجمَّع في محامله الخاصة، وعلى قاعدته الخاصة، وعند سرعة تشغيله الخاصة، باستخدام طقم توازن محمول؛
- Shop balancing — the rotor is dismounted and balanced on a dedicated balancing machine.
لموازنة الدوارات في محاملها الخاصة، تُستخدم عادةً أجهزة موازنة متخصصة (أطقم)، تتيح قياس اهتزاز الدوار المُوازَن عند تردد دورانه في شكل متجه، أي قياس كل من سعة الاهتزاز وطوره. وتُصنَّع هذه الأجهزة حاليًا بالاعتماد على تقنية المعالجات الدقيقة، وتوفّر بالإضافة إلى قياس وتحليل الاهتزاز حسابًا تلقائيًا لمعاملات أوزان التصحيح الواجب تركيبها على الدوار لتعويض عدم توازنه.
وتشمل هذه الأجهزة:
- وحدة قياس وحساب تعتمد على جهاز كمبيوتر أو وحدة تحكم صناعية؛
- اثنان (أو أكثر) من أجهزة استشعار الاهتزاز؛
- a phase angle sensor;
- ملحقات لتركيب أجهزة الاستشعار في الموقع؛
- برنامج متخصص، مصمم لإجراء دورة كاملة من قياس معلمات اهتزاز الدوار في مستوى تصحيح واحد أو اثنين أو أكثر.
هناك نوعان من آلات الموازنة هما الأكثر شيوعًا حاليًا:
- Soft-bearing machines (with pliable supports);
- Hard-bearing machines (with rigid supports).
Soft-bearing (above-resonance) machines لديها دعامات مرنة نسبيًا، تعتمد مثلًا على نوابض مسطحة. وعادةً ما يكون تردد الاهتزازات الطبيعية لهذه الدعامات أقل بـ 2–3 مرات من تردد دوران الدوار المُوازَن المُركَّب عليها، لذا تعمل الآلة فوق الرنين. وتُستخدم عادةً مستشعرات الاهتزاز (مقاييس التسارع، مستشعرات سرعة الاهتزاز، إلخ) لقياس حركة دعامات هذه الآلات فوق الرنينية.
Hard-bearing (pre-resonance) machines استخدم دعامات صلبة نسبيًا، يجب أن يكون ترددها الطبيعي للاهتزاز أعلى بمقدار 2-3 مرات من تردد دوران الدوار الجاري توازنه، بحيث تعمل الآلة تحت مستوى الرنين. تُستخدم محولات القوة عادةً لقياس الحمل الديناميكي على دعامات آلة ما قبل الرنين.
تكمن ميزة آلات التوازن ذات ما قبل الرنين (المحامل الصلبة) في إمكانية إجراء التوازن عليها بسرعات دوار منخفضة نسبيًا (تصل إلى 400 - 500 دورة/دقيقة)، مما يبسّط كثيرًا من تصميم الآلة وقاعدتها، ويزيد من إنتاجية عملية التوازن وسلامتها.
موازنة الدوارات الصلبة
مهم!
- لا يزيل التوازن سوى الاهتزازات الناتجة عن التوزيع غير المتماثل لكتلة الدوار بالنسبة لمحور دورانه. أما أنواع الاهتزازات الأخرى فلا يزيلها التوازن!
- تخضع للموازنة الآليات الفنية التي يضمن تصميمها عدم حدوث رنين عند تردد الدوران التشغيلي، والمثبتة بشكل موثوق على الأساس، والمركبة على محامل سليمة.
- يجب إصلاح الآلات المعيبة قبل إجراء عملية الموازنة. وإلا، فلن يكون من الممكن إجراء موازنة جيدة.
الموازنة لا تحل محل الإصلاح!
المهمة الرئيسية للموازنة هي العثور على كتلة وموقع أوزان التعويض التي تعاكس قوى الطرد المركزي.
كما ذُكر أعلاه، بالنسبة للدوارات الصلبة، يكون تركيب وزنين تعويضيين ضروريًا وكافيًا بشكل عام. سيؤدي ذلك إلى إزالة كل من المكوّن الساكن والمكوّن المزدوج لعدم توازن الدوار. المخطط العام لقياس الاهتزاز أثناء التوازن هو كما يلي.
تُركَّب مستشعرات الاهتزاز على دعامات المحامل عند النقطتين 1 و2. تُثبَّت علامة دوران على الدوار، عادة بشريط عاكس. تُستخدم علامة الدوران من قبل مقياس الدوران الليزري لتحديد سرعة الدوار وطور إشارة الاهتزاز.
كيفية إجراء الموازنة الديناميكية (طريقة التشغيل الثلاثي)
في معظم الحالات، تُجرى الموازنة الديناميكية بطريقة التشغيلات الثلاثة. تعتمد الطريقة على وضع أوزان تجريبية معلومة الكتلة على الدوار بالتتابع في المستويين 1 و2، ثم حساب كتل ومواضع أوزان الموازنة استنادًا إلى نتائج تغيرات معاملات الاهتزاز.
The plane in which a correction weight is installed is called a مستوى تصحيح محدد مسبقًا. Correction planes are located on the rotor itself — عادة عند طرفي جسم الدوار، على أقراص المروحة أو المروحة الدافعة، أو على حلقات توازن مخصصة. ينبغي اختيارها بعيدة عن بعضها قدر ما يسمح به التصميم على طول العمود، بحيث ينتج عن وزن معتدل عزم تصحيح كافٍ. وهذا ليس مثل measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).
عند التشغيل الأول تُقاس الاهتزازات الأولية (في برنامج Balanset يُطلق عليها Run 0). ثم يُوضع وزن تجريبي معلوم الكتلة على الدوار بالقرب من أحد المحملين. يُجرى تشغيل ثانٍ (Run 1) وتُقاس معاملات الاهتزاز، التي يجب أن تتغيّر نتيجة تركيب الوزن التجريبي. ثم يُزال الوزن التجريبي من المستوى الأول ويُركَّب في المستوى الثاني. يُجرى تشغيل تجريبي ثالث (Run 2) وتُقاس معاملات الاهتزاز. يُزال الوزن التجريبي ويحسب البرنامج تلقائيًا كتل وزوايا تركيب أوزان الموازنة.
تُركَّب أوزان التصحيح المحسوبة في مستوياتها ثم يُجرى تشغيل تحقق — في برنامج Balanset يُطلق عليه Run T (Trim). يُقارَن الاهتزاز المتبقي بالتفاوت المسموح به. إذا كانت النتيجة لا تزال أعلى من الهدف، يعيد البرنامج استخدام معاملات التأثير المحدَّدة مسبقًا، لذا لا حاجة لتشغيلات جديدة بأوزان تجريبية — بل يُحسب ويُركَّب تصحيح دقيق إضافي صغير فقط.
الغرض من تركيب الأوزان التجريبية هو تحديد كيفية استجابة النظام لتغيرات عدم التوازن. كتل ومواضع الأوزان التجريبية معروفة، لذا يستطيع البرنامج حساب ما يُسمى معاملات التأثير، التي توضح كيف يؤثر إدخال عدم توازن معلوم على معاملات الاهتزاز. معاملات التأثير هي خصائص للنظام الميكانيكي نفسه وتعتمد على صلابة الدعامات وكتلة (قصور) نظام الدوار والدعامات.
بالنسبة للآليات من نفس النوع والتصميم، ستكون معاملات التأثير متقاربة. ومن الممكن حفظها في ذاكرة الكمبيوتر واستخدامها لموازنة الآليات من نفس النوع دون الحاجة إلى إجراء اختبارات تشغيل، مما يزيد بشكل كبير من إنتاجية عملية الموازنة. تجدر الإشارة إلى أنه يجب اختيار كتلة الأوزان الاختبارية بحيث تتغير معلمات الاهتزاز بشكل ملحوظ عند تركيبها. وإلا، فإن خطأ حساب معاملات التأثير يزداد وتتدهور جودة الموازنة.
كما ترى من الشكل 1، تؤثر قوة الطرد المركزي في الاتجاه الشعاعي، أي عموديا على محور الدوّار. لذلك، يجب تركيب حساسات الاهتزاز بحيث يشير محور حساسيتها أيضا إلى الاتجاه الشعاعي. وعادة ما تكون صلابة الأساس في الاتجاه الأفقي أقل، لذلك يكون الاهتزاز في الاتجاه الأفقي أعلى. لذلك، ومن أجل زيادة الحساسية، يجب تركيب الحساسات بحيث يكون محور حساسيتها موجها أفقيا أيضا. ومع أنه لا يوجد اختلاف جوهري. وبالإضافة إلى الاهتزاز في الاتجاه الشعاعي، يجب مراقبة الاهتزاز في الاتجاه المحوري، على طول محور دوران الدوّار. وعادة لا ينتج هذا الاهتزاز عن عدم الاتزان، بل عن أسباب أخرى، ترتبط أساسا بعدم محاذاة الأعمدة المتصلة عبر أداة الاقتران.
لا يمكن إزالة هذا الاهتزاز بالموازنة، وفي هذه الحالة يلزم إجراء محاذاة. عمليًا، عادةً ما تعاني هذه الآلات من عدم توازن الدوار وسوء محاذاة العمود معًا، مما يجعل مهمة إزالة الاهتزاز أصعب بكثير. في مثل هذه الحالات، يجب أولًا توسيط الآلة ثم موازنتها. (رغم أنه مع عدم توازن العزم القوي، يحدث الاهتزاز أيضًا في الاتجاه المحوري بسبب "التواء" هيكل الأساس.)
مقالات ذات صلة (أمثلة على حوامل التوازن)
معايير تقييم جودة آليات الموازنة
يمكن تقييم جودة توازن الدوارات (الآليات) بطريقتين. تتضمن الطريقة الأولى مقارنة مقدار عدم التوازن المتبقي الذي يُحدَّد أثناء عملية التوازن بتفاوت عدم التوازن المتبقي المسموح به. وهذه التفاوتات لفئات الدوارات المختلفة محددة في ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1).
How the tolerance is computed (ISO 21940-11). The standard specifies a balance quality grade G, which is the product of the permissible specific unbalance eper and the service angular velocity ω, expressed in mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], where n is the service speed in rpm;
- eper = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (numerically equal to µm of center-of-mass offset) — equivalently eper = 9549 · G / n;
- Uper = هـper · m [g·mm], where m is the rotor mass in kg.
Worked example. Rotor m = 50 kg, service speed n = 3000 rpm, grade G 6.3 (fans, pumps, standard electric motors): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; eper = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (cross-check: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Uper = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm for the whole rotor.
Splitting the tolerance between two planes. لأي دوار يقع مركز كتلته بين مستويي التصحيح، يُوزَّع إجمالي التفاوت المسموح به عكسيًا مع المسافة من مركز الكتلة إلى كل مستوى؛ وبالنسبة لدوار متماثل فهذا يعني ببساطة النصف في كل مستوى — حوالي 500 جرام·مم لكل مستوى في المثال أعلاه. لا ينبغي أن يُخصَّص لأي مستوى أكثر من 70% أو أقل من 30% من Uper.
Typical grades: G 0.4 — الجيروسكوبات، مغازل آلات الطحن الدقيقة · G 1 — مغازل آلات الطحن، المسلَّحات الدقيقة · G 2.5 — التوربينات، المولّدات التوربينية، محركات آلات القطع · G 6.3 — الهندسة العامة: المراوح، دفّاعات المضخات، دواليب الموازنة، المحركات الكهربائية القياسية · G 16 — أعمدة الإدارة (كاردان) ذات المتطلبات الخاصة، الآلات الزراعية، الكسّارات · G 40 — عجلات السيارات، أعمدة الإدارة (أعمدة كاردان) · G 100 — أعمدة إدارة المرافق للمحركات الديزل عالية السرعة.
ومع ذلك، فإن الالتزام بالتفاوتات المحددة لا يضمن بشكل كامل موثوقية تشغيل الآلية، المرتبطة بتحقيق الحد الأدنى من اهتزازها. ويُفسر ذلك بحقيقة أن حجم اهتزاز الآلية لا يتحدد فقط بحجم القوة المرتبطة بعدم التوازن المتبقي في دوارها، بل يعتمد أيضًا على عدة معلمات أخرى، بما في ذلك: صلابة k للعناصر الهيكلية للآلية، وكتلتها m، وعامل التخميد، بالإضافة إلى تردد الدوران. لذلك، لتقدير الخصائص الديناميكية للآلية (بما في ذلك جودة توازنها) في عدد من الحالات، يوصى بتقدير مستوى الاهتزاز المتبقي للآلية، والذي ينظمه عدد من المعايير.
المعيار الأكثر استخدامًا لمستويات الاهتزاز المسموح بها للآلات الصناعية هو ISO 20816-3 (المعروف سابقًا باسم ISO 10816-3). يشمل الآلات التي تتجاوز قدرتها 15 كيلوواط وتعمل بسرعة 120–15,000 دورة/دقيقة، ويصنّفها حسب بعدين: مجموعة القدرة (المجموعة 1 — أكثر من 300 كيلوواط؛ المجموعة 2 — من 15 إلى 300 كيلوواط) ونوع الدعامة (صلبة أو مرنة). ولكل توليفة حدود مناطق A/B وB/C وC/D الخاصة بها بوحدة مم/ثانية RMS. الآلات خارج هذا النطاق لها أجزاء مخصصة من السلسلة (مجموعات التوربينات — ISO 20816-2، الآلات الهيدروليكية، الآلات الترددية، المضخات) أو معايير خاصة بالمنتج مثل ISO 14694 للمراوح الصناعية.
For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic ISO 10816-1 zones (now part of ISO 20816-1) give the following boundaries of vibration velocity, mm/s RMS:
| فصل | أ/ب | ب/ج | سي/دي |
|---|---|---|---|
| Class I (small machines, up to 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Class II (medium machines, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Class III (large machines, rigid foundation) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Class IV (large machines, flexible foundation) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
تُمثّل المنطقة A اهتزاز الآلات الجديدة؛ والمنطقة B مقبولة للتشغيل طويل الأمد دون قيود؛ والمنطقة C تسمح فقط بتشغيل مقيّد؛ والمنطقة D تشير إلى اهتزاز شديد بما يكفي لإحداث ضرر.
المعايير والمراجع
- ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. (Replaces ISO 1940-1, which is withdrawn.) G-grades and tolerance calculator →
- ISO 21940-2 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary. (Definitions of static, couple, quasi-static and dynamic unbalance.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines. (Replaces ISO 10816-1 and ISO 7919-1.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — الاهتزاز الميكانيكي — قياس وتقييم اهتزاز الآلات — الجزء 3: الآلات الصناعية ذات القدرة الاسمية التي تزيد عن 15 كيلوواط والسرعات الاسمية بين 120 و15,000 دورة/دقيقة. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Industrial fans — Specifications for balance quality and vibration levels.
FAQ
هل يؤدي التوازن إلى إزالة جميع الاهتزازات؟
لا. تعمل عملية الموازنة على إزالة الاهتزازات الناتجة عن التوزيع غير المتماثل لكتلة الدوار بالنسبة لمحور دورانه. أما الاهتزازات الناتجة عن عدم المحاذاة، وعيوب المحامل، والقوى الديناميكية الهوائية/الهيدروديناميكية، والقوى الكهرومغناطيسية، وغيرها من الأسباب، فتتطلب تشخيصات وإجراءات تصحيحية منفصلة.
لماذا قد تفشل الموازنة بالقرب من الرنين؟
بالقرب من الرنين، يمكن أن تُحدث تغيرات طفيفة في السرعة تغيرات كبيرة في سعة الاهتزاز وانزياحًا في الطور بمقدار 180 درجة. في مثل هذه الظروف، تصبح نتائج القياس غير مستقرة، وقد لا تتقارب إجراءات الموازنة التقليدية دون استخدام أساليب خاصة.
متى تحتاج إلى موازنة مستوى واحد مقابل موازنة مستويين؟
One plane يكفي للدوارات القرصية الشكل، حيث يكون الطول المحوري للدوار صغيرًا مقارنةً بالقطر — كقاعدة عامة L/D < 0.5 — وسرعة التشغيل أقل بكثير من السرعة الحرجة الأولى. أمثلة نموذجية: دولاب طحن، دفّاع مروحة أحادي القرص، بكرة، عجلة سيارة. مثل هذا الدوار يحمل عدم توازن ساكن شبه خالص.
طائرتان مطلوبة للدوارات المستطيلة (L/D ≥ 0.5)، ولأي دوار يحتوي على مروحتين دافعتين أو قرصين أو أكثر موزعة على طول العمود، وكلما اختلف طور الاهتزاز عند المحملين بشكل ملحوظ — وهي علامة على وجود مكوّن مزدوج. لا يحتاج الدوار الصلب أبدًا إلى أكثر من مستويين.
عند الشك، قِس كلا المحملين: إذا أدى التصحيح بمستوى واحد إلى تقليل الاهتزاز عند أحد المحملين وزيادته عند الآخر، فإن الدوار يحتوي على مكوّن مزدوج ويحتاج إلى توازن بمستويين.
ما الذي يجب فعله قبل إجراء عملية الموازنة؟
تأكد من صلاحية الجهاز للاستخدام: تثبيته بإحكام على القاعدة، سلامة المحامل، عدم وجود ارتخاء شديد، وعدم وجود أي مصادر واضحة للانحراف عن الخطية. الموازنة ليست بديلاً عن الإصلاح.
أهم النقاط
- يعمل التوازن على تصحيح الإثارة المتعلقة بالكتلة (الطرد المركزي)؛ فهو لا يحل مشكلة عدم المحاذاة أو تلف المحامل أو المصادر الكهرومغناطيسية/الديناميكية الهوائية.
- يمكن أن يؤدي الرنين وعدم الخطية إلى جعل الموازنة التقليدية غير فعالة أو غير آمنة.
- For rigid rotors, two-plane balancing is the general solution for dynamic unbalance (the combination of static + couple).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
