Част I: Теоретични и регулаторни основи на динамичното балансиране

Динамичното балансиране на място е една от ключовите операции в технологията за регулиране на вибрациите, насочена към удължаване на експлоатационния живот на промишленото оборудване и предотвратяване на аварийни ситуации. Използването на преносими инструменти като Balanset-1A позволява тези операции да се извършват директно на работната площадка, като се минимизират времето за престой и разходите, свързани с демонтажа. Успешното балансиране обаче изисква не само умение за работа с инструмента, но и задълбочено разбиране на физическите процеси, лежащи в основата на вибрациите, както и познаване на регулаторната рамка, регулираща качеството на работа.

Принципът на методологията се основава на инсталиране на пробни тежести и изчисляване на коефициентите на влияние на дисбаланса. Казано по-просто, инструментът измерва вибрациите (амплитуда и фаза) на въртящ се ротор, след което потребителят последователно добавя малки пробни тежести в определени равнини, за да „калибрира“ влиянието на допълнителната маса върху вибрациите. Въз основа на промените в амплитудата и фазата на вибрациите, инструментът автоматично изчислява необходимата маса и ъгъл на инсталиране на коригиращите тежести, за да елиминира дисбаланса.

Този подход реализира т.нар. метод с три преминавания За двуплоскостно балансиране: първоначално измерване и две измервания с пробни тежести (по една във всяка равнина). За едноплоскостно балансиране обикновено са достатъчни две измервания - без тежест и с една пробна тежест. В съвременните инструменти всички необходими изчисления се извършват автоматично, което значително опростява процеса и намалява изискванията за квалификация на оператора.

Раздел 1.1: Физика на дисбаланса: Задълбочен анализ

В основата на всяка вибрация във въртящото се оборудване се крие дисбалансът или небалансът. Дисбалансът е състояние, при което масата на ротора е неравномерно разпределена спрямо оста му на въртене. Това неравномерно разпределение води до появата на центробежни сили, които от своя страна причиняват вибрации на опорите и цялата конструкция на машината. Последиците от неотстранения дисбаланс могат да бъдат катастрофални: от преждевременно износване и разрушаване на лагерите до повреда на фундамента и самата машина. За ефективна диагностика и отстраняване на дисбаланса е необходимо ясно да се разграничат неговите видове.

Видове дисбаланс

Статичен дисбаланс (едноравнинен): Този тип дисбаланс се характеризира с изместване на центъра на масата на ротора успоредно на оста на въртене. В статично състояние такъв ротор, монтиран върху хоризонтални призми, винаги ще се върти с тежката страна надолу. Статичният дисбаланс е доминиращ за тънки, дискови ротори, където съотношението дължина към диаметър (L/D) е по-малко от 0,25, например шлифовъчни дискове или тесни вентилаторни перки. Елиминирането на статичния дисбаланс е възможно чрез инсталиране на една коригираща тежест в една коригираща равнина, диаметрално противоположна на тежката точка.

Дисбаланс на двойка (момент): Този тип възниква, когато главната ос на инерция на ротора пресича оста на въртене в центъра на масата, но не е успоредна на нея. Чифтовият дисбаланс може да се представи като две равни по величина, но противоположно насочени небалансирани маси, разположени в различни равнини. В статично състояние такъв ротор е в равновесие и дисбалансът се проявява само по време на въртене под формата на „люлеене“ или „клатене“. За да се компенсира, е необходимо монтирането на поне две коригиращи тежести в две различни равнини, създаващи компенсиращ момент.

Динамичен дисбаланс: Това е най-често срещаният вид дисбаланс в реални условия, представляващ комбинация от статичен и двоен дисбаланс. В този случай главната централна ос на инерция на ротора не съвпада с оста на въртене и не я пресича в центъра на масата. За да се елиминира динамичният дисбаланс, е необходима корекция на масата в поне две равнини. Двуканални инструменти като Balanset-1A са проектирани специално за решаване на този проблем.

Квазистатичен дисбаланс: Това е специален случай на динамичен дисбаланс, при който главната ос на инерцията пресича оста на въртене, но не в центъра на масата на ротора. Това е фино, но важно разграничение за диагностициране на сложни роторни системи.

Твърди и гъвкави ротори: критично разграничение

Една от основните концепции при балансирането е разграничението между твърди и гъвкави ротори. Това разграничение определя самата възможност и методология за успешно балансиране.

Твърд ротор: Роторът се счита за твърд, ако работната му честота на въртене е значително по-ниска от първата му критична честота и не претърпява значителни еластични деформации (отклонения) под действието на центробежни сили. Балансирането на такъв ротор обикновено се извършва успешно в две корекционни равнини. Инструментите Balanset-1A са предназначени предимно за работа с твърди ротори.

Гъвкав ротор: Роторът се счита за гъвкав, ако работи с честота на въртене, близка до една от критичните му честоти или я надвишава. В този случай еластичното отклонение на вала става сравнимо с изместването на центъра на масата и самото по себе си допринася значително за общите вибрации.

Преди започване на работа е изключително важно да се класифицира роторът, като се съпостави работната му скорост с известни (или изчислени) критични честоти. Ако е невъзможно да се избегне резонансът, се препоръчва временно да се променят условията на монтаж на устройството по време на балансирането, за да се измести резонансът.

Раздел 1.2: Регулаторна рамка: ISO стандарти

Стандартите в областта на балансирането изпълняват няколко ключови функции: те установяват унифицирана техническа терминология, определят изискванията за качество и, което е важно, служат като основа за компромис между техническата необходимост и икономическата осъществимост.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Изисквания за качество при балансиране на твърди ротори

Този стандарт е основният документ за определяне на допустимия остатъчен дисбаланс. Той въвежда концепцията за степен на качество на балансиране (G), която зависи от типа на машината и нейната работна честота на въртене.

Степен на качество G: Всеки тип оборудване съответства на специфичен клас на качество, който остава постоянен, независимо от скоростта на въртене. Например, клас G6.3 се препоръчва за трошачки, а G2.5 за котви на електродвигатели и турбини.

Изчисляване на допустимия остатъчен дисбаланс (U_на): Стандартът позволява изчисляване на специфична допустима стойност на дисбаланс, която служи като целеви индикатор по време на балансиране. Изчислението се извършва на два етапа:

1. Определяне на допустим специфичен дисбаланс (e_на) използвайки формулата:
   e на = (G × 9549) / n
   където G е степента на качество на балансиране (например 2.5), n е работната честота на въртене, об/мин. Единицата за измерване на e_на е g·mm/kg или μm.
2. Определяне на допустимия остатъчен дисбаланс (U_на) за целия ротор:
   U на = e на × M
   където M е масата на ротора, kg. Единицата за измерване за U_на е г·мм.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Балансиране на място

Този стандарт директно регулира процеса на балансиране на полето.

Предимства: Основното предимство на балансирането на място е, че роторът е балансиран в реални работни условия, върху опорите си и под работно натоварване. Това автоматично отчита динамичните свойства на опорната система и влиянието на свързаните компоненти на валовата верига.

Недостатъци и ограничения:

• Ограничен достъп: Често достъпът до корекционните равнини на сглобена машина е труден, което ограничава възможностите за монтаж на тежести.
• Необходимост от пробни пускания: Процесът на балансиране изисква няколко цикъла "старт-стоп" на машината.
• Трудност при тежък дисбаланс: В случаи на много голям начален дисбаланс, ограниченията върху избора на равнина и масата на коригиращата тежест може да не позволят постигане на необходимото качество на балансиране.

Част II: Практическо ръководство за балансиране с инструменти Balanset-1A

Успехът на балансирането зависи от щателността на подготвителната работа. Повечето повреди не са свързани с неизправност на инструмента, а с игнориране на фактори, влияещи върху повторяемостта на измерването. Основният принцип на подготовката е да се изключат всички други възможни източници на вибрации, така че инструментът да измерва само ефекта от дисбаланса.

Раздел 2.1: Основа на успеха: Диагностика преди балансиране и подготовка на машината

Стъпка 1: Първична вибрационна диагностика (Наистина ли е дисбаланс?)

Преди балансиране е полезно да се извърши предварително измерване на вибрациите в режим на виброметър. Софтуерът Balanset-1A има режим "Виброметър" (бутон F5), където можете да измерите общите вибрации и отделно на компонента при честота на въртене (1×), преди да инсталирате каквито и да е тежести.

Класически признак за дисбаланс: Спектърът на вибрациите трябва да бъде доминиран от пик при честотата на въртене на ротора (пик при честота 1x RPM). Амплитудата на този компонент в хоризонтална и вертикална посока трябва да е сравнима, а амплитудите на другите хармоници трябва да са значително по-ниски.

Признаци на други дефекти: Ако спектърът съдържа значителни пикове при други честоти (напр. 2x, 3x RPM) или при некратни честоти, това показва наличието на други проблеми, които трябва да бъдат отстранени преди балансиране.

Стъпка 2: Цялостна механична проверка (контролен списък)

• Ротор: Почистете старателно всички повърхности на ротора от замърсявания, ръжда, полепнали продукти. Дори малко количество замърсявания на голям радиус създава значителен дисбаланс. Проверете за липса на счупени или липсващи елементи.
• Лагери: Проверете лагерните възли за прекомерен луфт, външен шум и прегряване. Износените лагери няма да позволят получаване на стабилни показания.
• Основа и рамка: Уверете се, че устройството е монтирано върху твърда основа. Проверете затягането на анкерните болтове, липсата на пукнатини в рамката.
• Карам: За ремъчни задвижвания, проверете опъването и състоянието на ремъка. За съединителни връзки - центровката на вала.
• Безопасност: Осигурете наличието и изправността на всички защитни предпазни устройства.

Раздел 2.2: Настройка и конфигурация на инструмента

Инсталиране на хардуер

Сензори за вибрации (акселерометри):

• Свържете кабелите на сензорите към съответните конектори на инструмента (напр. X1 и X2 за Balanset-1A).
• Монтирайте сензори върху корпусите на лагерите възможно най-близо до ротора.
• Ключова практика: За да се получи максимален сигнал, сензорите трябва да се монтират в посоката, където вибрациите са максимални. Използвайте мощна магнитна основа или резбовано крепление, за да осигурите здрав контакт.

Фазов сензор (лазерен тахометър):

• Свържете сензора към специалния вход (X3 за Balanset-1A).
• Прикрепете малко парче светлоотразителна лента към вала или друга въртяща се част на ротора.
• Инсталирайте тахометъра така, че лазерният лъч стабилно да достига маркировката през цялото оборот.

Конфигурация на софтуера (Balanset-1A)

• Стартирайте софтуера (като администратор) и свържете USB интерфейсния модул.
• Отидете в модула за балансиране. Създайте нов запис за балансирания модул.
• Изберете тип балансиране: 1-равнинно (статично) за тесни ротори или 2-равнинно (динамично) за повечето други случаи.
• Дефинирайте корекционни равнини: изберете места върху ротора, където коригиращите тежести могат да бъдат безопасно инсталирани.

Раздел 2.3: Процедура за балансиране: Ръководство стъпка по стъпка

Изпълнение 0: Първоначално измерване

• Стартирайте машината и я стабилизирайте до стабилна работна скорост. Изключително важно е скоростта на въртене да е еднаква при всички следващи пускания.
• В програмата стартирайте измерването. Уредът ще запише началните стойности на амплитудата и фазата на вибрациите.

Пробно изпитание 1: Пробно тегло в равнина 1

• Спрете машината.
• Избор на пробно тегло: Масата на пробното тегло трябва да е достатъчна, за да предизвика забележима промяна в параметрите на вибрациите (промяна на амплитудата от поне 20-30% ИЛИ промяна на фазата от поне 20-30 градуса).
• Монтаж на пробна тежест: Закрепете здраво претеглената пробна тежест на известен радиус в равнина 1. Запишете ъгловото положение.
• Стартирайте машината със същата стабилна скорост.
• Извършете второто измерване.
• Спрете машината и ОТСТРАНЕТЕ пробната тежест.

Изпълнение 2: Пробна тежест в равнина 2 (за балансиране в 2 равнини)

• Повторете точно процедурата от стъпка 2, но инсталирайте пробната тежест в равнина 2.
• Старт, измерване, спиране и ОТСТРАНЕТЕ пробната тежест.

Изчисляване и монтаж на коригиращи тежести

• Въз основа на промените във вектора, регистрирани по време на пробните изпълнения, програмата автоматично ще изчисли масата и ъгъла на монтаж на коригиращата тежест за всяка равнина.
• Ъгълът на монтаж обикновено се измерва от мястото на пробната тежест по посока на въртенето на ротора.
• Закрепете здраво постоянните коригиращи тежести. Когато използвате заваряване, не забравяйте, че самият заваръчен шев също има маса.

Изпълнение 3: Проверка на измерването и фино балансиране

• Стартирайте машината отново.
• Извършете контролно измерване, за да оцените нивото на остатъчните вибрации.
• Сравнете получената стойност с допустимото отклонение, изчислено съгласно ISO 1940-1.
• Ако вибрациите все още надвишават допустимото отклонение, инструментът ще изчисли малка "фина" (подравняваща) корекция.
• След завършване, запазете отчета и коефициентите на влияние за евентуална бъдеща употреба.

Част III: Разширено решаване на проблеми и отстраняване на неизправности

Този раздел е посветен на най-сложните аспекти на балансирането на полето - ситуации, при които стандартната процедура не дава резултати.

Раздел 3.1: Диагностика и преодоляване на нестабилността на измерването

Симптом: При многократни измервания при идентични условия, показанията на амплитудата и/или фазата се променят значително („плаване“, „скок“). Това прави изчисляването на корекцията невъзможно.

Основна причина: Инструментът не е неизправен. Той точно отчита, че вибрационният отговор на системата е нестабилен и непредсказуем.

Систематичен диагностичен алгоритъм:

• Механична хлабавост: Това е най-честата причина. Проверете затягането на монтажните болтове на корпуса на лагера, анкерните болтове на рамката. Проверете за пукнатини във фундамента или рамката.
• Дефекти на лагерите: Прекомерната вътрешна хлабина в търкалящите лагери или износването на лагерната обвивка позволява на вала да се движи хаотично вътре в опората.
• Нестабилност, свързана с процеса:
  • Аеродинамични (вентилатори): Турбулентният въздушен поток и отделянето на потока от лопатките могат да причинят случайни силови ефекти.
  • Хидравлика (помпи): Кавитацията създава мощни, произволни хидравлични удари, които маскират периодичния сигнал от дисбаланс.
  • Вътрешно движение на масата (трошачки, мелници): Материалът може да се преразпредели вътре в ротора, действайки като "подвижен дисбаланс".
• Резонанс: Ако работната скорост е много близка до естествената честота на конструкцията, дори малки промени в скоростта причиняват огромни промени в амплитудата и фазата на вибрациите.
• Термични ефекти: Докато машината се загрява, термичното разширение може да причини огъване на вала или промени в подравняването.

Раздел 3.2: Когато балансирането не помага: Идентифициране на коренови дефекти

Симптом: Процедурата по балансиране е извършена, показанията са стабилни, но крайната вибрация остава висока.

Използване на спектрален анализатор за диференциална диагноза:

• Разминаване на валовете: Основен признак - висок пик на вибрации при честота 2x RPM. Характерна е високата аксиална вибрация.
• Дефекти на търкалящите лагери: Проявява се като високочестотна вибрация при характерни "носещи" честоти (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Двигател на вала: Проявява се като висок пик при 1x RPM, но често е придружен от забележим компонент при 2x RPM.
• Електрически проблеми (електродвигатели): Асиметрията на магнитното поле може да причини вибрации при два пъти по-висока от честотата на захранването (100 Hz за мрежа от 50 Hz).

Често срещани грешки при балансиране и съвети за предотвратяване

• Балансиране на дефектен или замърсен ротор: Винаги проверявайте състоянието на механизма преди балансиране.
• Пробното тегло е твърде малко: Стремете се към правилото за промяна на вибрациите 20-30%.
• Неспазване на постоянството на режима: Винаги поддържайте стабилна и еднаква скорост на въртене по време на всички измервания.
• Грешки във фазата и маркировката: Внимателно следете определянето на ъгъла. Ъгълът на коригиращата тежест обикновено се измерва от позицията на пробната тежест по посока на въртене.
• Неправилно закрепване или загуба на тежести: Стриктно спазвайте методиката - ако е необходимо премахване на пробната тежест, отстранете я.

Балансиране на стандартите за качество

Част IV: Често задавани въпроси и бележки за приложение

Раздел 4.1: Общи често задавани въпроси (ЧЗВ)

Кога да се използва балансиране в 1 равнина и кога в 2 равнини?
Използвайте едноравнинно (статично) балансиране за тесни ротори с форма на диск (съотношение L/D < 0,25). Използвайте двуплоскостно (динамично) балансиране за практически всички останали ротори, особено с L/D > 0.25.

Какво да направите, ако пробната тежест е причинила опасно увеличение на вибрациите?
Незабавно спрете машината. Това означава, че пробната тежест е била монтирана близо до съществуващата тежка точка. Решението: преместете пробната тежест на 180 градуса от първоначалното ѝ положение.

Могат ли запазените коефициенти на влияние да се използват за друга машина?
Да, но само ако другата машина е абсолютно идентична - същият модел, същият ротор, същата основа, същите лагери. Всяка промяна в структурната твърдост ще ги направи невалидни.

Как да се отчитат шпонковите канали? (ISO 8821)
Стандартната практика е да се използва "полушпонка" в шпонковия канал на вала при балансиране без свързващата част. Това компенсира масата на онази част от шпонката, която запълва канала на вала.

Раздел 4.2: Ръководство за балансиране на специфични типове оборудване

Промишлени вентилатори и димоуловители:

• проблем: Най-податливи на дисбаланс поради натрупване на продукт върху остриетата или абразивно износване.
• Процедура: Винаги почиствайте старателно работното колело преди започване на работа. Обърнете внимание на аеродинамичните сили, които могат да причинят нестабилност.

Помпи:

• проблем: Основен враг - кавитация.
• Процедура: Преди балансиране, осигурете достатъчен запас от кавитация на входа (NPSHa). Проверете дали смукателният тръбопровод не е запушен.

Трошачки, смилачки и мулчери:

• проблем: Екстремно износване, възможност за големи промени в дисбаланса поради счупване или износване на чука.
• Процедура: Проверете целостта и закрепването на работните елементи. Може да се наложи допълнително закрепване на рамката на машината.

Арматура на електродвигатели:

• проблем: Може да има както механични, така и електрически източници на вибрации.
• Процедура: Използвайте спектрален анализатор, за да проверите за вибрации при двойна честота на захранването. Наличието им показва електрическа неизправност, а не дисбаланс.

Заключение

Динамичното балансиране на ротори на място с помощта на преносими инструменти като Balanset-1A е мощен инструмент за повишаване на надеждността и ефективността на работата на промишленото оборудване. Успехът на тази процедура обаче зависи не толкова от самия инструмент, колкото от квалификацията на специалиста и способността му да прилага систематичен подход.

Ключови принципи:

• Подготовката определя резултата: Цялостното почистване на ротора, проверката на състоянието на лагерите и основата, както и предварителната вибрационна диагностика са задължителни условия за успешно балансиране.
• Спазването на стандартите е основата на качеството: Прилагането на ISO 1940-1 трансформира субективната оценка в обективен, измерим и правно значим резултат.
• Инструментът е не само балансьор, но и диагностичен инструмент: Невъзможността за равновесие или нестабилността при четене са важни диагностични признаци, показващи по-сериозни проблеми.
• Разбирането на физиката на процесите е ключово за решаването на нестандартни задачи: Познаването на разликите между твърди и гъвкави ротори, разбирането на резонансното влияние позволява на специалистите да вземат правилни решения.

Следването на препоръките, посочени в това ръководство, ще позволи на техническите специалисти не само успешно да се справят с типични задачи, но и ефективно да диагностицират и решават сложни, нетривиални проблеми, свързани с вибрациите на въртящото се оборудване.