Forståelse af ubalance i roterende maskiner
Ubalance (bruges i flæng med ubalance) er den tilstand i en Rotor hvor tyngdepunktet ikke ligger på rotationsaksen. Denne forskydning — den excentricitet — betyder, at massen er ujævnt fordelt omkring akslen. Når rotoren drejer, slynges den excentriske masse udad af centrifugalkraft, hvilket skaber en roterende belastning, der ryster lejerne og hele maskinen. Ubalance er langt den mest almindelige årsag til vibrationer i roterende udstyr, og det er fejlen, der afbalancering er der for at rette op på.
1. Definition og den bagvedliggende fysik
Kvantitativt, ubalance U er produktet af den forskudte masse og dens afstand fra aksen — et massekoncentrat m sidder ved radius r giver U = m·r, udtrykt som gram-millimeter (g·mm) eller gram-tommer. Det kan ligeledes udtrykkes som rotorens samlede masse ganget med tyngdepunktets excentricitet (U = M·e). Det afgørende mekanisk set er den kraft, dette skaber. Centrifugalkraften stiger med kvadratet på vinkelhastigheden:
F = m · r · ω² — fordobles hastigheden, firedobles den forstyrrende kraft firdobler.
Dette kvadratiske forhold er årsagen til, at en rotor, der kører jævnt, når man drejer den med hånden, kan ryste voldsomt ved driftshastighed, og hvorfor hurtige maskiner skal afbalanceres langt mere præcist end langsomme. Kraften roterer sammen med akslen, så den påvirker konstruktionen én gang pr. omdrejning — oprindelsen til ubalancens umiskendelige vibrationssignatur.
2. Den klassiske vibrationssignatur
Ubalance er en af de fejl, der er nemmest at diagnosticere, fordi dens karakteristiske træk er så tydelige:
- Frekvens: vibrationen opstår præcis 1× omdrejningshastigheden (den løbehastighed). Ændres hastigheden, følger toppen den præcist — et definerende træk, der adskiller den fra mange andre fejl.
- Retning: energien er overvejende radial (vandret og lodret), med kun lidt aksial (aksialt/thrust)-indhold.
- Amplitude: Den er proportional med kvadratet på hastigheden — en fordobling af omdrejningstallet giver omtrent en firedobling af responsen, som ovenstående fysik forudsiger.
- Fase: den 1× fase målingen er stabil og repeterbar, hvilket netop er det, der gør det muligt at lokalisere og korrigere det tunge punkt.
Det stabile amplitude- og fase-par udgør udgangspunktet for korrektion: at kende størrelsen af 1×-responsen og hvor den peger hen, gør det muligt for en analytiker at beregne størrelsen og vinklen på den nødvendige modvægt. En ren 1×-top med lav aksial vibration peger på ubalance; en stærk 2×-komponent tyder i stedet på fejljustering eller løshed.
3. De tre typer ubalance
Statisk ubalance
Dette kaldes også »kraftubalance« og er det enkleste tilfælde: Massen er forskudt i et enkelt plan, som f.eks. et tungt punkt på en tynd skive. Det kaldes statisk fordi det viser sig, når rotoren er i hvile — når den er placeret på friktionsfrie knivskær, ruller rotoren, indtil det tunge punkt lægger sig i bunden. Dette korrigeres ved at placere en enkelt vægt 180° modsat det tunge punkt, hvor enkeltplansbalancering.
Parret ubalance
Her sidder to lige store tunge punkter i hver sin ende af rotoren, 180° fra hinanden. De ophæver hinanden som nettokraft, men danner et par — et vippemoment, der forsøger at dreje rotoren rundt om sin egen akse. En rotor med ren momentubalance er statisk afbalanceret (den vil ikke rulle på knivskær), men vibrerer kraftigt, når den er i rotation. Korrektionen kræver to vægte i to separate planer for at modvirke vippemomentet.
Dynamisk ubalance
Dynamisk ubalance, som forekommer i næsten alle virkelige maskiner, er en kombination af statiske og momentkomponenter. For at korrigere dette kræves der masseændringer i mindst to planer langs rotoren — processen med dynamisk (to-plan) afbalancering. Et nært beslægtet tilfælde, hvor de statiske og momentmæssige effekter har samme vinkelposition, kaldes kvasi-statisk ubalance.
4. Almindelige årsager til ubalance
Ubalance kan forekomme fra fabrikken eller opstå under drift. Typiske årsager er blandt andet:
- Fremstillingsfejl: Porøsitet i støbegods, ujævn materialedensitet og bearbejdningstolerancer.
- Montagefejl: forkert monterede komponenter, ujævnt tilspændte bolte eller forkert justerede kiler, som forskyder massefordelingen.
- Slid og slitage: ujævn erosion, korrosion eller slid på ventilatorbladene og pumpen Skovlhjul.
- Ophobning af materiale: ophobning af snavs, støv eller produkt på rotorerne i ventilatorer, blæsere og centrifuger.
- Komponentfejl: En løsnet afbalanceringsvægt eller et brudt blad medfører øjeblikkeligt en alvorlig ubalance.
5. Hvorfor det er afgørende at udligne ubalancen
Drift af en maskine med betydelig ubalance medfører gradvis skade på den, da den roterende kraft udsætter konstruktionen for gentagne belastninger ved hvert omdrejning:
- For tidligt lejesvigt: Lejer udsættes for store dynamiske belastninger og slides hurtigt.
- Træthed og revnedannelse: cyklisk belastning ophobes træthed skader i akslen, fundamentet og konstruktionen.
- Nedsat effektivitet: energien spredes i form af vibrationer og varme i stedet for nyttigt arbejde.
- Sikkerhedsrisici: En alvorlig ubalance kan føre til en katastrofal svigt.
6. Måling, korrektion og fastlæggelse af tolerancer for ubalance
Ubalance fjernes ved hjælp af en systematisk afbalanceringsprocedure – en af de mest omkostningseffektive måder at øge maskinernes pålidelighed på. På en samlet maskine udføres dette på stedet i stedet for på en afbalanceringsmaskine. En bærbar tokanalsanalysator som f.eks. Balanset-1A måler 1×-amplituden og -fasen, beregner rotorens indflydelseskoefficienter fra en prøvevægt, og angiver for ingeniøren størrelsen og vinklen på den korrektion, der er nødvendig for et- eller to-plan feltafbalancering. Da den arbejder i maskinens egne lejer ved driftshastighed, registrerer den den faktiske driftstilstand.
Balancering handler aldrig om at nå nul — det handler om at holde ubalancen under en fastsat grænse. Den grænse fastsættes af balancekvalitetsklasse (G-klasse) system af ISO 21940-11 (som erstattede den velkendte ISO 1940-1). Klassen og driftshastigheden omsættes til en tilladt resterende ubalance i g-mm; en fri Beregner for restubalance (ISO 21940-11) omregner en valgt klasse og RPM direkte til den tilladte værdi for hvert plan.
