Динамично балансиране на място

Част I: Теоретични и регулаторни основи на динамичното балансиране

Field dynamic balancing is one of the key operations in vibration commissioning and condition-based maintenance, aimed at extending the service life of industrial equipment and preventing emergency situations. The use of portable instruments such as Balanset-1A allows these operations to be performed directly at the operating site, minimizing downtime and costs associated with dismantling. However, successful balancing requires not only the ability to work with the instrument, but also a deep understanding of the physical processes underlying vibration, as well as knowledge of the regulatory framework governing the quality of work.

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): In this type of unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the axis of rotation - the center of mass is offset radially from the rotation axis. In a static state, such a rotor, installed on horizontal knife-edges (parallel ways), will always turn with the heavy side downward. Static unbalance is dominant for thin, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5, for example, grinding wheels or narrow fan impellers. Static unbalance elimination is possible by installing one corrective weight in one correction plane, diametrically opposite to the heavy point - a single-plane approach that is valid at moderate speeds (roughly under 1000 rpm); high-speed narrow discs still require two-plane balancing.

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 моментен 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 21940-11 (по-рано ISO 1940-1): Изисквания за качество при балансиране на твърди ротори

This standard is the fundamental document for determining permissible residual unbalance. It introduces the concept of balance quality grade (G), which is chosen by machine type only. The speed enters later, when the grade is converted into a permissible specific unbalance: e_на = (G × 9549) / n.

Степен на качество G: Each type of equipment corresponds to a specific quality grade that remains constant regardless of rotation speed. For example, grade G6.3 is recommended for fans, pumps and general-purpose electric motors, G16 for crushers and agricultural machinery, and G2.5 for turbines and turbo-compressors.

Изчисляване на допустимия остатъчен дисбаланс (U_на): The standard allows calculation of a specific permissible unbalance value that serves as a target indicator during balancing. The calculation is performed in three stages:

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.
3. Allocation of U_на between the two correction planes. For a symmetric rotor, split it 50/50 (in the example below: 19.9 g·mm per plane). For an asymmetric between-bearing rotor: U_ляво = U_на × (b/L), U_{правилно} = U_на × (a/L), where a and b are the distances from the center of mass to the left and right bearings and L = a + b. Overhung rotors require a moment-based recalculation with a tighter tolerance on the overhung plane. Balanset-1A performs this allocation automatically and shows the per-plane residual unbalance (D1, D2) next to the balancing tolerance on the Result tab.

ISO 20806:2009: Критерии и предпазни мерки за балансиране на място на средни и големи ротори

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

The success of balancing depends overwhelmingly on the thoroughness of preparatory work. Most failures are related not to instrument malfunction, but to ignoring factors affecting measurement repeatability. The main preparation principle is to exclude all other possible sources of vibration so that the instrument measures only the effect of unbalance.

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: Thoroughly clean all rotor surfaces from dirt, rust and built-up deposits (caked product). Even a small amount of dirt at a large radius creates significant unbalance. Check for absence of broken or missing elements.
• Лагери: Проверете лагерните възли за прекомерен луфт, външен шум и прегряване. Износените лагери няма да позволят получаване на стабилни показания.
• Основа и рамка: Ensure that the unit is installed on a rigid foundation. Check the torque of the anchor bolts and the absence of cracks in the frame.
• 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):

• Connect sensor cables to corresponding instrument connectors (e.g., X1 and X2 for Balanset-1A; on newer revisions the connectors are labeled Ch-1 and Ch-2).
• 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):

• Connect the sensor to the special input (X3 for Balanset-1A; labeled Tacho on newer revisions).
• 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)

• Launch the software and connect the USB interface module (administrator rights are not required).
• Go to the balancing module (F7 - Balancing). Create a new record for the unit being balanced.
• Select balancing type: 1-plane (static, the F2 - Single-plane tab) for narrow rotors or 2-plane (dynamic, the F3 - Two-plane tab) for most other cases.
• 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: The trial weight mass should be sufficient to cause noticeable change in vibration parameters (amplitude change of at least 20-30% OR phase change of at least 20-30 degrees). You do not have to guess the starting mass: after Run 0 the software's First Trial Weight Estimator recommends both the trial weight mass and its installation angle from the tachometer mark, and the program warns if the installed weight turns out to be too small.
• 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 remove the trial weight. If removing it is impractical, you can leave it installed - check the "Leave on rotor" box in the software so the calculation accounts for it.

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 remove the trial weight (or leave it with the "Leave on rotor" box checked, as in Run 1).

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.

Run T (Trim): Verification measurement and fine balancing

• 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.

Using the vibration spectrum for differential diagnosis (in the Balanset software: F8 - Charts, "F5-Spectrum (Hz)" tab):

• Разминаване на валовете: Основен признак - висок пик на вибрации при честота 2x RPM. Характерна е високата аксиална вибрация.
• Дефекти на търкалящите лагери: Manifest as high-frequency vibration at characteristic "bearing" frequencies (BPFO, BPFI, BSF, FTF). Note that detailed rolling-bearing diagnostics is beyond the scope of Balanset-1A: the instrument measures vibration velocity in the 5-1000 Hz band, the sensor response rolls off above roughly 550 Hz, and there is no envelope (demodulation) analysis - use a dedicated bearing analyzer for that task.
• Двигател на вала: Manifests as high peak at 1x RPM but often accompanied by noticeable component at 2x RPM. When the rotor is balanced on a mandrel, the software offers built-in runout compensation: the F7 - Run Ecc measurement (taken with the rotor turned 180 degrees on the mandrel) together with the "Subtract mandrel runout from measurements" option, so eccentricity is not mistaken for unbalance.
• 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%.
• Inconsistent operating speed between runs: 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: Strictly follow the methodology - remove the trial weight after the run, or, if it stays on the rotor, make sure the "Leave on rotor" box is checked so the calculation accounts for it.

Балансиране на стандартите за качество

Note: the grade number is the product e_на·ω in mm/s. The permissible specific unbalance itself is speed-dependent: e_на = (G × 9549) / n [μm]. Example: G6.3 at 1500 rpm gives e_на = 40.1 μm; at 3000 rpm it gives 20.1 μm.

Част IV: Често задавани въпроси и бележки за приложение

Раздел 4.1: Общи често задавани въпроси (ЧЗВ)

Кога трябва да използвам балансиране в 1 равнина срещу балансиране в 2 равнини?
Use 1-plane (static) balancing for narrow, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5 and the speed is moderate (roughly under 1000 rpm), such as grinding wheels or narrow fan impellers. Use 2-plane (dynamic) balancing for elongated rotors, for any L/D above approximately 0.5, and for high-speed narrow discs. Two-plane balancing corrects both static unbalance and couple (moment) unbalance.

Какво трябва да направя, ако пробната тежест причини опасно увеличение на вибрациите?
Незабавно спрете машината. Това показва, че пробната тежест е била инсталирана близо до съществуващата тежка точка, което е влошило дисбаланса. Решението е да преместите пробната тежест на 180 градуса от първоначалната ѝ позиция и да повторите измерването. Това гарантира, че пробната тежест ще създаде противоположен ефект, вместо да допринесе за съществуващия дисбаланс.

Мога ли да използвам запазени коефициенти на влияние за друга машина?
Да, но само ако машините са абсолютно идентични - един и същ модел, един и същ ротор, една и съща основа, едни и същи лагери. Всяка промяна в структурната твърдост ще промени коефициентите на влияние и ще ги направи невалидни. Най-добрата практика е винаги да се провеждат нови пробни пускания за всяка нова машина, за да се гарантират точни корекционни изчисления.

Каква е разликата между статичен и динамичен дисбаланс?
In static unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the rotation axis - the center of mass is offset radially from the axis - and it can be detected without spinning by placing the rotor on knife-edge supports. Dynamic unbalance is a combination of static and couple unbalance where the principal axis of inertia doesn't coincide with the rotation axis - it only manifests during rotation and requires two-plane correction.

Защо балансираните ми показания са нестабилни (плаващи)?
Нестабилните показания показват, че вибрационният отговор на системата е непредсказуем. Често срещани причини включват: механична хлабина (хлабави болтове, пукнатини), износени лагери с прекомерен луфт, нестабилност на процеса (кавитация в помпи, турбуленция във вентилатори), резонанс (работна скорост близка до собствената честота), топлинни ефекти по време на загряване или вибрации от съседно оборудване. Отстранете тези проблеми, преди да се опитате да балансирате.

Какво представлява трипроходният метод при двуравнинно балансиране?
Методът с три цикъла включва: Цикъл 0 - първоначално измерване без никакви пробни тежести за установяване на базовата вибрация; Цикъл 1 - измерване с пробна тежест, инсталирана в равнина 1, за определяне на нейното влияние; Цикъл 2 - измерване с пробна тежест, преместена в равнина 2. Въз основа на тези три точки от данни, инструментът изчислява точните коригиращи тежести, необходими за двете равнини, използвайки метода на коефициента на влияние.

Как да изчисля допустимия остатъчен дисбаланс съгласно ISO 1940-1?
First calculate permissible specific unbalance: e_на = (G × 9549) / n, where G is the quality grade (e.g., 2.5 for turbines, 6.3 for fans) and n is RPM. Then calculate permissible residual unbalance: U_на = e_на × M, where M is rotor mass in kg. For example, a 5 kg rotor at 3000 RPM with G2.5: e_на = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm, U_на = 7,96 × 5 = 39,8 г·мм.

Какъв е минималният ефект на пробната тежест, необходим за точно балансиране?
Пробната тежест трябва да предизвика промяна в амплитудата на вибрациите от поне 20-30% ИЛИ промяна във фазовия ъгъл от 20-30 градуса. Ако ефектът е твърде малък, полезният сигнал се заглушава от шум от измерването, което води до неточни корекционни изчисления. Ако нищо не се промени, увеличете масата на пробната тежест (в безопасни граници), докато постигнете достатъчен ефект.

How do I account for keyways? (ISO 8821, now ISO 21940-32:2012)
Standard practice is to use a "half-key" in the shaft keyway when balancing without the mating part, as specified in ISO 21940-32:2012 (which superseded ISO 8821). This compensates for the mass of that part of the key that fills the groove on the shaft.

Раздел 4.2: Ръководство за балансиране на специфични типове оборудване

Industrial fans and induced-draft (ID) fans:

• 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: Use the vibration spectrum (F8 - Charts) to check for vibration at twice the supply frequency. Its presence indicates electrical malfunction, not unbalance.

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.