Forståelse af ubalance i roterende maskiner
Ubalance — bruges i flæng med ubalance — er den tilstand, hvor en Rotor’s tyngdepunkt falder ikke sammen med dens rotationsakse. Massen er ujævnt fordelt omkring akslen, så når rotoren drejer, skaber den forskudte masse en netto centrifugalkraft som trækker rotoren væk fra dens centrum og får hele maskinen til at ryste. Denne forskydning af massens centrum i forhold til det geometriske centrum er rotorens excentricitet, og den vibration, den forårsager, gør ubalance til den absolut mest almindelige fejl i roterende maskiner — og som regel den første, en tekniker undersøger.
1. Definition: Hvad forårsager kraften?
Den påvirkende kraft er centrifugalkraften: F = m·r·ω², hvor m·r er ubalancen (den forskudte masse ganget med dens radius) og ω er vinkelhastigheden. Der følger straks to konsekvenser. For det første roterer kraften med akslen, så den udøver et tryk på lejerne én gang pr. omdrejning. For det andet er den proportional med firkant hvad angår hastighed — en rotor, der føles fin, når man drejer den langsomt med hånden, kan blive en prøvelse ved fuld omdrejningshastighed, og det er derfor, balancekvalitet Kravene skærpes markant, når omdrejningshastigheden stiger. Ubalancen udtrykkes som massen ganget med radius, normalt i gram-millimeter (g·mm), da både massens afvigelse fra midten og afstanden til aksen er afgørende for kraften.
2. Diagnosticering af ubalance: Det klassiske kendetegn
Ubalance er forholdsvis let at opdage, fordi dens vibrationer signaturen er så konsekvent — en af de vigtigste grunde til, at den er det naturlige udgangspunkt i Vibrationsanalyse:
- Frekvens: vibrationen ligger præcis på 1× omdrejningshastigheden (den løbehastighed). Uanset om man øger eller sænker maskinens hastighed, følger spidsen perfekt med.
- Retning: energien er hovedsageligt radial — vandret og lodret — med typisk kun lidt aksial (tryk)vibration.
- Amplitude: proportional med kvadratet på omdrejningshastigheden, så en fordobling af hastigheden omtrent firedobler ubalancekraften og den deraf følgende vibration.
- Fase: den 1× fase Målingen er stabil og repeterbar, hvilket gør det muligt at lokalisere det tunge punkt.
Da en dominerende 1×-top også kan skyldes forskydning, a Bøjet aksel eller resonans, bekræfter en omhyggelig analytiker ubalancen ved hjælp af dens whole mønster: højt 1×, lavt harmoniske, hovedsageligt radial energi, og en stabil fase. En markant 2×-komponent peger derimod i retning af fejljustering eller mekanisk løshed.
3. De tre former for ubalance
Statisk ubalance
Også kaldet »kraftubalance«; dette er den enkleste type, hvor massen er forskudt i et enkelt plan – tænk på et tungt punkt på en tynd skive. Den er »statisk«, fordi den viser sig i hvile: Når rotoren balancerer på friktionsfrie knivskær, ruller den, indtil det tunge punkt kommer til at hænge nederst. En enkelt vægt placeret 180° modsat det tunge punkt udligner ubalancen, hvilket er området for enkeltplansbalancering.
Ubalance i parforholdet
To lige store tyngdepunkter i hver sin ende af rotoren, 180° fra hinanden, ophæver hinanden som en samlet kraft, men danner en par — et vippemoment, der drejer rotoren rundt om sin egen akse. En sådan rotor er statisk afbalanceret (den vil ikke rulle på knivskarpe kanter), men vibrerer kraftigt under drift, og det kræver to korrigerende vægte i to separate planer for at udligne momentet.
Dynamisk ubalance
Dynamisk ubalance, som forekommer i næsten alle virkelige maskiner, er en kombination af statiske og momentmæssige effekter. For at korrigere dette kræves der masseændringer i mindst to planer langs rotoren — dynamisk (to-plan) afbalancering. Når vinkelkomponenterne for den statiske kraft og momentet tilfældigvis ligger på linje, kaldes dette særlige tilfælde kvasi-statisk ubalance.
4. Almindelige årsager
Der kan forekomme ubalance fra produktionsstadiet eller opstå under drift. Hyppige årsager er blandt andet:
- Fremstillingsfejl: Porøsitet i støbegods, ujævn materialedensitet og bearbejdningstolerancer.
- Montagefejl: Forkert monterede komponenter, skruer, der ikke er spændt ensartet, eller forkert justerede nøgler.
- Slid og slitage: ujævn erosion, korrosion eller slid på ventilatorbladene og pumpen Skovlhjul.
- Ophobning af materiale: snavs, støv eller produkt, der samler sig på rotorerne i ventilatorer, blæsere og centrifuger.
- Komponentfejl: En vægt, der falder af, eller et knækket blad skaber øjeblikkeligt en alvorlig ubalance.
5. Hvorfor det er afgørende at rette op på ubalancen
Hvis man lader en maskine køre med en betydelig ubalance, skader det den gradvist, fordi den cykliske kraft belaster konstruktionen ved hvert omdrejning:
- For tidligt lejesvigt: Lejerne udsættes for store dynamiske belastninger og slides hurtigt.
- Træthed og revnedannelse: gentagen stress hober sig op træthed skader på skaftet, fundamentet og de omkringliggende dele.
- Nedsat effektivitet: energien går tabt i form af vibrationer og varme i stedet for nyttig effekt.
- Sikkerhedsrisici: I ekstreme tilfælde kan en alvorlig ubalance føre til en katastrofal svigt.
6. Afhjælpning af ubalance i marken
Ubalancen afhjælpes ved hjælp af en systematisk afbalancering procedure — en af de mest effektive enkelttiltag til at forbedre maskinernes pålidelighed. Målet er ikke fuldstændig ubalance, men en lille, veldefineret resterende ubalance inden for tolerancen. De fastsatte grænser stammer fra G-klasse system af ISO 21940-11 (som har overtaget den ældre standard ISO 1940-1); den deraf følgende vibration vurderes derefter i forhold til grænseværdierne for sværhedsgrad i ISO 20816 (den moderne efterfølger til ISO 10816). En gratis Beregner af restubalance (ISO 21940-11) omregner en valgt hældning og kørehastighed til den tilladte g·mm pr. fly.
På en samlet maskine udføres arbejdet på stedet i stedet for på en afbalanceringsmaskine. En bærbar tokanalsanalysator som f.eks. Balanset-1A måler 1×-amplituden og -fasen og beregner rotorens indflydelseskoefficienter fra en prøvevægt, og beregner massen og vinklen for hver enkelt korrektionsvægt til en- eller to-plan feltafbalancering. Da den arbejder i maskinens egne lejer ved driftshastighed, udligner den ubalancen og sikrer samtidig, at restubalancen ligger inden for den valgte ISO-klasse.
