Ισορροπία ρότορα: στατική και δυναμική ανισορροπία, συντονισμός και πρακτική διαδικασία
Αυτός ο οδηγός εξηγεί την εξισορρόπηση του ρότορα για άκαμπτοι ρότορες: τι σημαίνει “ανισορροπία”, πώς διαφέρει η στατική και η δυναμική ανισορροπία, γιατί ο συντονισμός και η μη γραμμικότητα μπορούν να αποτρέψουν ένα ποιοτικό αποτέλεσμα και πώς η εξισορρόπηση εκτελείται συνήθως σε ένα ή δύο επίπεδα διόρθωσης.
Περιεχόμενα
- Τι είναι ένας ρότορας και τι διορθώνει η εξισορρόπηση;
- Τύποι ρότορων και τύποι ανισορροπίας
- Δόνηση μηχανισμών: τι μπορεί και τι δεν μπορεί να αφαιρέσει η εξισορρόπηση
- Συντονισμός: ένας παράγοντας που εμποδίζει την εξισορρόπηση
- Γραμμικά έναντι μη γραμμικών μοντέλων: όταν οι υπολογισμοί σταματούν να λειτουργούν
- Συσκευές εξισορρόπησης και μηχανές εξισορρόπησης
- Ζυγοστάθμιση άκαμπτων ρότορων (πρακτικές σημειώσεις)
- Πώς εκτελείται η δυναμική εξισορρόπηση (μέθοδος τριών κύκλων)
- Κριτήρια για την αξιολόγηση της ποιότητας εξισορρόπησης
- Πρότυπα και αναφορές
- ΣΥΧΝΈΣ ΕΡΩΤΉΣΕΙΣ
Τι είναι ένας ρότορας και τι διορθώνει η εξισορρόπηση;
Ο ρότορας είναι ένα σώμα που περιστρέφεται γύρω από κάποιον άξονα και συγκρατείται από τις επιφάνειες έδρασης του στα στηρίγματα. Οι επιφάνειες έδρασης του ρότορα μεταφέρουν φορτία στα στηρίγματα μέσω ρουλεμάν κύλισης ή ολίσθησης. Οι επιφάνειες έδρασης είναι οι επιφάνειες των στροφέων ή οι επιφάνειες που τους αντικαθιστούν.
Σε έναν τέλεια ισορροπημένο ρότορα, η μάζα του κατανέμεται συμμετρικά γύρω από τον άξονα περιστροφής, δηλαδή, οποιοδήποτε στοιχείο του ρότορα μπορεί να αντιστοιχιστεί με ένα άλλο στοιχείο που βρίσκεται συμμετρικά γύρω από τον άξονα περιστροφής. Σε έναν ισορροπημένο ρότορα, η φυγόκεντρος δύναμη που ασκείται σε οποιοδήποτε στοιχείο του ρότορα εξισορροπείται από τη φυγόκεντρο δύναμη που ασκείται στο συμμετρικό στοιχείο. Για παράδειγμα, οι φυγόκεντρες δυνάμεις F1 και F2, ίσες σε μέγεθος και αντίθετες σε κατεύθυνση, ασκούνται στα στοιχεία 1 και 2 (σημειώνονται με πράσινο στο Σχήμα 1). Αυτό ισχύει για όλα τα συμμετρικά στοιχεία του ρότορα, και έτσι η συνολική φυγόκεντρος δύναμη που ασκείται στον ρότορα είναι 0 και ο ρότορας είναι ισορροπημένος.
Αλλά αν η συμμετρία του ρότορα διαταραχθεί (το ασύμμετρο στοιχείο σημειώνεται με κόκκινο χρώμα στο Σχήμα 1), τότε ασκείται στον ρότορα η μη ισορροπημένη φυγόκεντρος δύναμη F3. Κατά την περιστροφή, αυτή η δύναμη αλλάζει κατεύθυνση με την περιστροφή του ρότορα. Το δυναμικό φορτίο που προκύπτει από αυτή τη δύναμη μεταδίδεται στα ρουλεμάν, με αποτέλεσμα την επιταχυνόμενη φθορά.
Επιπλέον, υπό την επίδραση αυτής της μεταβλητής δύναμης κατεύθυνσης υπάρχει μια κυκλική παραμόρφωση των στηρίξεων και των θεμελίων, στα οποία είναι στερεωμένος ο ρότορας, δηλαδή υπάρχει δόνηση. Προκειμένου να εξαλειφθεί η ανισορροπία του δρομέα και η συνοδευτική δόνηση, πρέπει να εγκατασταθούν μάζες εξισορρόπησης για την αποκατάσταση της συμμετρίας του δρομέα.
Η εξισορρόπηση του ρότορα είναι μια εργασία για τη διόρθωση της ανισορροπίας με την προσθήκη μαζών εξισορρόπησης.
Το έργο της εξισορρόπησης είναι να βρεθεί το μέγεθος και η θέση (γωνία) μιας ή περισσότερων μαζών εξισορρόπησης.
Τύποι ρότορων και τύποι ανισορροπίας
Λαμβάνοντας υπόψη την αντοχή του υλικού του ρότορα και το μέγεθος των φυγοκεντρικών δυνάμεων που ασκούνται σε αυτό, οι ρότορες μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: άκαμπτους και εύκαμπτους.
Οι άκαμπτοι ρότορες παραμορφώνονται ασήμαντα υπό την επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης στους τρόπους λειτουργίας και η επιρροή αυτής της παραμόρφωσης στους υπολογισμούς μπορεί να αμεληθεί.
Η παραμόρφωση των εύκαμπτων ρότορων δεν μπορεί πλέον να παραμεληθεί. Η παραμόρφωση των εύκαμπτων ρότορων περιπλέκει την επίλυση του προβλήματος εξισορρόπησης και απαιτεί την εφαρμογή άλλων μαθηματικών μοντέλων σε σύγκριση με το πρόβλημα της εξισορρόπησης των άκαμπτων ρότορων. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο ίδιος ρότορας σε χαμηλές ταχύτητες μπορεί να συμπεριφέρεται ως άκαμπτος και σε υψηλές ταχύτητες ως εύκαμπτος. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε μόνο την εξισορρόπηση των άκαμπτων ρότορων.
Ανάλογα με την κατανομή των μη ισορροπημένων μαζών κατά μήκος του ρότορα, μπορούν να διακριθούν δύο τύποι ανισορροπίας - στατική και δυναμική (στιγμιαία). Συνεπώς, αναφέρεται η στατική και η δυναμική εξισορρόπηση του ρότορα. Η στατική ανισορροπία του ρότορα συμβαίνει χωρίς περιστροφή του ρότορα, δηλαδή στη στατική, όταν ο ρότορας αντιστρέφεται από τη βαρύτητα με το "βαρύ του σημείο" προς τα κάτω. Ένα παράδειγμα ρότορα με στατική ανισορροπία φαίνεται στο Σχήμα 2.
Η δυναμική ανισορροπία εμφανίζεται μόνο όταν ο δρομέας περιστρέφεται.
Ένα παράδειγμα δρομέα με δυναμική ανισορροπία παρουσιάζεται στο σχήμα 3.
Σε αυτήν την περίπτωση, οι μη ισορροπημένες ίσες μάζες M1 και M2 βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα - σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του ρότορα. Σε στατική θέση, δηλαδή όταν ο ρότορας δεν περιστρέφεται, μόνο η βαρύτητα δρα στον ρότορα και οι μάζες ισορροπούν η μία την άλλη. Στη δυναμική, όταν ο ρότορας περιστρέφεται, οι φυγόκεντρες δυνάμεις Fc1 και Fc2 αρχίζουν να δρουν στις μάζες M1 και M2. Αυτές οι δυνάμεις είναι ίσες σε μέγεθος και αντίθετες σε κατεύθυνση. Ωστόσο, επειδή εφαρμόζονται σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του άξονα και δεν βρίσκονται στην ίδια γραμμή, αυτές οι δυνάμεις δεν αντισταθμίζονται η μία την άλλη. Οι δυνάμεις Fc1 και Fc2 δημιουργούν μια ροπή που εφαρμόζεται στον ρότορα. Επομένως, αυτή η ανισορροπία ονομάζεται επίσης ανισορροπία ροπής. Συνεπώς, οι μη αντισταθμισμένες φυγόκεντρες δυνάμεις ασκούνται στις θέσεις των εδράνων, οι οποίες μπορούν να υπερβούν σημαντικά τις υπολογισμένες τιμές και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής των εδράνων.
Δεδομένου ότι αυτός ο τύπος ανισορροπίας εμφανίζεται μόνο δυναμικά κατά την περιστροφή του ρότορα, ονομάζεται δυναμική ανισορροπία. Δεν μπορεί να διορθωθεί σε στατικές συνθήκες με εξισορρόπηση "σε μαχαίρια" ή παρόμοιες μεθόδους. Για την εξάλειψη της δυναμικής ανισορροπίας, πρέπει να εγκατασταθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη, τα οποία παράγουν μια ροπή ίσου μεγέθους και αντίθετης κατεύθυνσης από τη ροπή που προκύπτει από τις μάζες M1 και M2. Οι αντισταθμιστικές μάζες δεν χρειάζεται να ρυθμιστούν αντίθετα και ίσου μεγέθους από τις μάζες M1 και M2. Το κύριο πράγμα είναι ότι παράγουν μια ροπή που αντισταθμίζει πλήρως τη ροπή ανισορροπίας.
Γενικά, οι μάζες M1 και M2 μπορεί να μην είναι ίσες μεταξύ τους, επομένως θα υπάρχει ένας συνδυασμός στατικής και δυναμικής ανισορροπίας. Θεωρητικά έχει αποδειχθεί ότι για έναν άκαμπτο ρότορα, δύο βάρη σε απόσταση μεταξύ τους κατά μήκος του ρότορα είναι απαραίτητα και επαρκή για την εξάλειψη της ανισορροπίας του. Αυτά τα βάρη θα αντισταθμίσουν τόσο τη ροπή που προκύπτει από τη δυναμική ανισορροπία όσο και τη φυγόκεντρο δύναμη που προκύπτει από την ασυμμετρία της μάζας σε σχέση με τον άξονα του ρότορα (στατική ανισορροπία). Συνήθως, η δυναμική ανισορροπία είναι χαρακτηριστική των μακριών ρότορων, όπως οι άξονες, και η στατική ανισορροπία είναι χαρακτηριστική των στενών ρότορων. Ωστόσο, εάν ο στενός ρότορας είναι στραβός σε σχέση με τον άξονα ή παραμορφωμένος ("σχήμα οκτώ"), τότε η δυναμική ανισορροπία θα είναι δύσκολο να εξαλειφθεί (βλ. Σχήμα 4), επειδή σε αυτήν την περίπτωση είναι δύσκολο να εγκατασταθούν διορθωτικά βάρη που δημιουργούν την απαραίτητη αντισταθμιστική ροπή.
Οι δυνάμεις F1 και F2 δεν βρίσκονται στην ίδια ευθεία και δεν αντισταθμίζουν η μία την άλλη.
Λόγω του γεγονότος ότι ο βραχίονας για τη δημιουργία ροπής είναι μικρός λόγω του στενού ρότορα, ενδέχεται να απαιτούνται μεγάλα βάρη διόρθωσης. Ωστόσο, αυτό έχει ως αποτέλεσμα και μια "προκαλούμενη ανισορροπία" λόγω της παραμόρφωσης του στενού ρότορα από φυγόκεντρες δυνάμεις από τα βάρη διόρθωσης. (Βλέπε για παράδειγμα "Μεθοδολογικές οδηγίες για την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων (σύμφωνα με το πρότυπο ISO 22061-76)". Ενότητα 10. ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΡΌΤΟΡΑ.)
Αυτό είναι αξιοσημείωτο για τις στενές πτερωτές των ανεμιστήρων, στις οποίες, εκτός από την ανισορροπία δυνάμεων, είναι ενεργή και η αεροδυναμική ανισορροπία. Και πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η αεροδυναμική ανισορροπία ή μάλλον η αεροδυναμική δύναμη είναι ευθέως ανάλογη της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα και για την αντιστάθμισή της χρησιμοποιείται η φυγόκεντρος δύναμη της διορθωτικής μάζας, η οποία είναι ανάλογη του τετραγώνου της γωνιακής ταχύτητας. Επομένως, το αποτέλεσμα της εξισορρόπησης μπορεί να λάβει χώρα μόνο σε μια συγκεκριμένη συχνότητα εξισορρόπησης. Σε άλλες συχνότητες περιστροφής υπάρχει πρόσθετο σφάλμα.
Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί και για τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε έναν ηλεκτροκινητήρα, οι οποίες είναι επίσης ανάλογες της γωνιακής ταχύτητας. Επομένως, δεν είναι δυνατόν να εξαλειφθούν όλες οι αιτίες κραδασμών σε μια μηχανή με την εξισορρόπηση.
Δόνηση μηχανισμών
Η δόνηση είναι η αντίδραση του σχεδιασμού του μηχανισμού στις επιδράσεις μιας κυκλικής διεγερτικής δύναμης. Η δύναμη αυτή μπορεί να είναι διαφορετικής φύσης.
Η φυγόκεντρος δύναμη που προκύπτει από τον μη ισορροπημένο ρότορα είναι μια μη αντισταθμισμένη δύναμη που ασκείται στο "βαρύ σημείο". Αυτή η δύναμη και η δόνηση που προκαλείται από αυτήν μπορούν να εξαλειφθούν με την εξισορρόπηση του ρότορα.
Δυνάμεις αλληλεπίδρασης "γεωμετρικής" φύσης που προκύπτουν από σφάλματα κατασκευής και συναρμολόγησης των συναρμολογούμενων μερών. Αυτές οι δυνάμεις μπορούν, για παράδειγμα, να προκύψουν ως αποτέλεσμα της μη στρογγυλότητας των λαιμών των αξόνων, σφαλμάτων στα προφίλ των δοντιών στα γρανάζια, κυματισμού των αυλακώσεων των ρουλεμάν, κακής ευθυγράμμισης των συναρμολογούμενων αξόνων κ.λπ. Σε περίπτωση μη κυκλικότητας των στροφέων, ο άξονας του άξονα θα μετατοπιστεί ανάλογα με τη γωνία περιστροφής του άξονα. Αν και αυτή η δόνηση εμφανίζεται και στην ταχύτητα του ρότορα, είναι σχεδόν αδύνατο να εξαλειφθεί με εξισορρόπηση.
Αεροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από την περιστροφή των πτερυγίων των ανεμιστήρων και άλλων μηχανισμών πτερυγίων. Υδροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από την περιστροφή των πτερυγίων υδραυλικών αντλιών, στροβίλων κ.λπ.
Ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που προκύπτουν από τη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών, π.χ. ασύμμετρα τυλίγματα δρομέα, βραχυκυκλωμένα τυλίγματα κ.λπ.
Το μέγεθος της ταλάντωσης (π.χ. το πλάτος Av) εξαρτάται όχι μόνο από τη διεγερτική δύναμη Fv που ασκείται στο μηχανισμό με κυκλική συχνότητα ω, αλλά και από την ακαμψία k του μηχανισμού, τη μάζα του m , καθώς και το συντελεστή απόσβεσης C.
Διάφοροι τύποι αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των δονήσεων και των μηχανισμών ισορροπίας, όπως:
- αισθητήρες απόλυτων δονήσεων σχεδιασμένοι για τη μέτρηση της επιτάχυνσης των δονήσεων (επιταχυνσιόμετρα) και αισθητήρες ταχύτητας των δονήσεων,
- αισθητήρες σχετικής δόνησης - δινορρευμάτων ή χωρητικών, σχεδιασμένοι για τη μέτρηση της μετατόπισης των κραδασμών.;
- Σε ορισμένες περιπτώσεις (όταν το επιτρέπει ο σχεδιασμός του μηχανισμού), αισθητήρες δύναμης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση του φορτίου κραδασμών του. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση του φορτίου κραδασμών των στηριγμάτων μηχανών εξισορρόπησης με σκληρά ρουλεμάν.
Έτσι, η δόνηση είναι η αντίδραση μιας μηχανής στη δράση εξωτερικών δυνάμεων. Το μέγεθος της δόνησης εξαρτάται όχι μόνο από το μέγεθος της δύναμης που δρα στον μηχανισμό, αλλά και από την ακαμψία του σχεδιασμού του μηχανισμού. Μία και η αυτή δύναμη μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές δονήσεις. Σε μια μηχανή με σκληρά έδρανα, ακόμη και αν η δόνηση είναι μικρή, τα έδρανα μπορεί να υπόκεινται σε σημαντικά δυναμικά φορτία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κατά την εξισορρόπηση μηχανών με σκληρά έδρανα χρησιμοποιούνται αισθητήρες δύναμης αντί για αισθητήρες κραδασμών (επιταχυνσιόμετρα κραδασμών).
Οι αισθητήρες κραδασμών χρησιμοποιούνται σε μηχανισμούς με σχετικά εύκαμπτα στηρίγματα, όταν η δράση μη ισορροπημένων φυγόκεντρων δυνάμεων οδηγεί σε αισθητή παραμόρφωση των στηριγμάτων και κραδασμούς. Οι αισθητήρες δύναμης χρησιμοποιούνται για άκαμπτα στηρίγματα, όταν ακόμη και οι σημαντικές δυνάμεις λόγω ανισορροπίας δεν οδηγούν σε σημαντικές δονήσεις.
Ο συντονισμός είναι ένας παράγοντας που εμποδίζει την εξισορρόπηση
Νωρίτερα αναφέραμε ότι οι ρότορες διακρίνονται σε άκαμπτους και εύκαμπτους. Η δυσκαμψία ή η ευκαμψία του ρότορα δεν πρέπει να συγχέεται με την δυσκαμψία ή την κινητικότητα των στηρίξεων (θεμελίωση) πάνω στις οποίες είναι εγκατεστημένος ο ρότορας. Ένας ρότορας θεωρείται άκαμπτος όταν η παραμόρφωσή του (κάμψη) υπό την επίδραση των φυγοκεντρικών δυνάμεων μπορεί να αμεληθεί. Η παραμόρφωση του εύκαμπτου ρότορα είναι σχετικά μεγάλη και δεν μπορεί να αμεληθεί.
Στο παρόν άρθρο, εξετάζουμε μόνο την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων. Ένας άκαμπτος (μη παραμορφώσιμος) ρότορας μπορεί με τη σειρά του να τοποθετηθεί σε άκαμπτα ή κινητά (εύκαμπτα) στηρίγματα. Είναι σαφές ότι αυτή η ακαμψία/αναρτωσιμότητα των στηριγμάτων είναι επίσης σχετική, ανάλογα με την ταχύτητα του ρότορα και το μέγεθος των φυγόκεντρων δυνάμεων που προκύπτουν. Ένα υπό συνθήκη όριο είναι η συχνότητα των φυσικών δονήσεων των στηρίξεων του δρομέα.
Για τα μηχανικά συστήματα, η μορφή και η συχνότητα των φυσικών δονήσεων καθορίζονται από τη μάζα και την ελαστικότητα των στοιχείων του μηχανικού συστήματος. Δηλαδή, η συχνότητα των φυσικών δονήσεων είναι ένα εσωτερικό χαρακτηριστικό του μηχανικού συστήματος και δεν εξαρτάται από εξωτερικές δυνάμεις. Όταν εκτρέπονται από την κατάσταση ισορροπίας, τα στηρίγματα λόγω ελαστικότητας τείνουν να επιστρέφουν στη θέση ισορροπίας. Όμως, λόγω της αδράνειας του ογκώδους ρότορα, η διαδικασία αυτή έχει τη φύση αποσβεσμένων ταλαντώσεων. Οι ταλαντώσεις αυτές είναι οι φυσικές ταλαντώσεις του συστήματος ρότορα-στήριξης. Η συχνότητά τους εξαρτάται από το λόγο της μάζας του ρότορα προς την ελαστικότητα των στηρίξεων.
Όταν ο ρότορας αρχίζει να περιστρέφεται και η συχνότητα της περιστροφής του πλησιάζει τη συχνότητα των φυσικών δονήσεων, το πλάτος των δονήσεων αυξάνεται απότομα, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή της κατασκευής.
Εμφανίζεται το φαινόμενο του μηχανικού συντονισμού. Στην περιοχή του συντονισμού, μια μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής κατά 100 στροφές ανά λεπτό μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της δόνησης κατά δεκάδες φορές. Ταυτόχρονα (στην περιοχή συντονισμού) η φάση της δόνησης αλλάζει κατά 180°.
Εάν ο σχεδιασμός του μηχανισμού δεν είναι επιτυχής και η συχνότητα λειτουργίας του ρότορα είναι κοντά στη συχνότητα των φυσικών δονήσεων, τότε η λειτουργία του μηχανισμού καθίσταται αδύνατη λόγω των απαράδεκτα υψηλών δονήσεων. Αυτό δεν είναι δυνατό με τον συνήθη τρόπο, καθώς ακόμη και μια μικρή αλλαγή στην ταχύτητα θα προκαλέσει δραστική αλλαγή στις παραμέτρους των δονήσεων. Για την εξισορρόπηση στην περιοχή του συντονισμού χρησιμοποιούνται ειδικές μέθοδοι που δεν εξετάζονται στο παρόν άρθρο.
Είναι δυνατός ο προσδιορισμός της συχνότητας των φυσικών δονήσεων του μηχανισμού κατά την ακινητοποίηση (κατά την απενεργοποίηση της περιστροφής του ρότορα) ή με τη μέθοδο των κρούσεων με την επακόλουθη φασματική ανάλυση της απόκρισης του συστήματος στις κρούσεις.
Για μηχανισμούς, των οποίων η συχνότητα περιστροφής είναι πάνω από τη συχνότητα συντονισμού, δηλαδή λειτουργούν σε καθεστώς συντονισμού, τα στηρίγματα θεωρούνται ότι κινούνται και για τη μέτρηση χρησιμοποιούνται αισθητήρες δόνησης, κυρίως δονησιοεπιταχυνσιόμετρα, που μετρούν την επιτάχυνση των δομικών στοιχείων. Για μηχανισμούς που λειτουργούν σε καθεστώς προ-συντονισμού, τα στηρίγματα θεωρούνται άκαμπτα. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται αισθητήρες δύναμης.
Γραμμικά και μη γραμμικά μοντέλα ενός μηχανικού συστήματος. Η μη γραμμικότητα είναι ένας παράγοντας που εμποδίζει την εξισορρόπηση
Κατά την εξισορρόπηση άκαμπτων στροφέων, για τους υπολογισμούς εξισορρόπησης χρησιμοποιούνται μαθηματικά μοντέλα που ονομάζονται γραμμικά μοντέλα. Γραμμικό μοντέλο σημαίνει ότι σε ένα τέτοιο μοντέλο, η μία ποσότητα είναι ανάλογη (γραμμική) με την άλλη. Για παράδειγμα, εάν διπλασιαστεί η μη αντισταθμισμένη μάζα στον ρότορα, τότε θα διπλασιαστεί και η τιμή της δόνησης. Για άκαμπτους ρότορες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα γραμμικό μοντέλο, δεδομένου ότι δεν παραμορφώνονται.
Για εύκαμπτους ρότορες, το γραμμικό μοντέλο δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί. Για έναν εύκαμπτο ρότορα, εάν η μάζα του βαρέως σημείου αυξηθεί κατά τη διάρκεια της περιστροφής, θα εμφανιστεί πρόσθετη παραμόρφωση και εκτός από τη μάζα, θα αυξηθεί και η ακτίνα της θέσης του βαρέως σημείου. Επομένως, για έναν εύκαμπτο ρότορα, η δόνηση θα αυξηθεί περισσότερο από δύο φορές και οι συνήθεις μέθοδοι υπολογισμού δεν θα λειτουργήσουν.
Επίσης, η μεταβολή της ελαστικότητας των στηρίξεων σε μεγάλες παραμορφώσεις τους, για παράδειγμα, όταν σε μικρές παραμορφώσεις των στηρίξεων λειτουργούν ορισμένα δομικά στοιχεία και σε μεγάλες εμπλέκονται άλλα δομικά στοιχεία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορείτε να ισορροπήσετε μηχανισμούς που δεν είναι στερεωμένοι σε θεμέλιο, αλλά, για παράδειγμα, απλά τοποθετημένοι στο δάπεδο. Με σημαντικές δονήσεις, η δύναμη της ανισορροπίας μπορεί να τραβήξει τον μηχανισμό από το δάπεδο, αλλάζοντας έτσι σημαντικά τα χαρακτηριστικά δυσκαμψίας του συστήματος. Τα πόδια του κινητήρα πρέπει να στερεώνονται με ασφάλεια, οι βάσεις των βιδών πρέπει να είναι σφιγμένες, το πάχος των ροδελών πρέπει να παρέχει επαρκή ακαμψία τοποθέτησης κ.λπ. Εάν τα ρουλεμάν είναι σπασμένα, είναι δυνατή η σημαντική παραμόρφωση του άξονα και οι κραδασμοί, οι οποίοι θα έχουν επίσης ως αποτέλεσμα κακή γραμμικότητα και αδυναμία εκτέλεσης ποιοτικής ζυγοστάθμισης.
Συσκευές εξισορρόπησης και μηχανές εξισορρόπησης
Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η εξισορρόπηση είναι η διαδικασία ευθυγράμμισης του κύριου κεντρικού άξονα αδράνειας με τον άξονα περιστροφής του ρότορα.
Η διαδικασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο μεθόδους.
Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη μηχανική κατεργασία των στροφέων του δρομέα κατά τρόπο ώστε ο άξονας που διέρχεται από τα κέντρα των στροφέων να διασταυρώνεται με τον κεντρικό άξονα αδράνειας του δρομέα. Μια τέτοια τεχνική χρησιμοποιείται σπάνια στην πράξη και δεν θα συζητηθεί λεπτομερώς στο παρόν άρθρο.
Η δεύτερη (συνηθέστερη) μέθοδος περιλαμβάνει τη μετακίνηση, εγκατάσταση ή αφαίρεση διορθωτικών βαρών στο ρότορα, τα οποία τοποθετούνται έτσι ώστε ο άξονας αδράνειας του ρότορα να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον άξονα περιστροφής του.
Η μετακίνηση, η προσθήκη ή η αφαίρεση διορθωτικών βαρών κατά τη ζυγοστάθμιση μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες τεχνολογικές εργασίες, όπως: διάτρηση, φρεζάρισμα, επιφανειακή επεξεργασία, συγκόλληση, βίδωμα ή ξεβίδωμα, καύση με λέιζερ ή δέσμη ηλεκτρονίων, ηλεκτρόλυση, ηλεκτρομαγνητική επιφανειακή επεξεργασία κ.λπ.
Η διαδικασία εξισορρόπησης μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους:
- εξισορρόπηση συναρμολογημένων ρότορων (στα δικά τους έδρανα) με χρήση μηχανών εξισορρόπησης,
- εξισορρόπηση ρότορα σε μηχανές εξισορρόπησης. Για την εξισορρόπηση των δρομέων στα δικά τους έδρανα χρησιμοποιούνται συνήθως εξειδικευμένες συσκευές εξισορρόπησης (κιτ), οι οποίες επιτρέπουν τη μέτρηση των δονήσεων του εξισορροπημένου δρομέα στη συχνότητα περιστροφής του σε διανυσματική μορφή, δηλαδή τη μέτρηση τόσο του πλάτους όσο και της φάσης των δονήσεων. Επί του παρόντος, οι ανωτέρω συσκευές κατασκευάζονται με βάση την τεχνολογία μικροεπεξεργαστών και (εκτός από τη μέτρηση και την ανάλυση των δονήσεων) παρέχουν αυτόματο υπολογισμό των παραμέτρων των διορθωτικών βαρών, τα οποία πρέπει να εγκατασταθούν στο δρομέα για την αντιστάθμιση της ανισορροπίας του.
Αυτές οι συσκευές περιλαμβάνουν:
- μονάδα μέτρησης και υπολογισμού που βασίζεται σε υπολογιστή ή βιομηχανικό ελεγκτή,
- Δύο (ή περισσότεροι) αισθητήρες δόνησης,
- Αισθητήρας γωνίας φάσης,
- αξεσουάρ για την τοποθέτηση των αισθητήρων στο χώρο,
- εξειδικευμένο λογισμικό, σχεδιασμένο να εκτελεί έναν πλήρη κύκλο μέτρησης των παραμέτρων δόνησης του ρότορα σε ένα, δύο ή περισσότερα επίπεδα διόρθωσης.
Δύο τύποι μηχανών εξισορρόπησης είναι σήμερα οι πιο συνηθισμένοι:
- Μηχανές με μαλακά έδρανα (με μαλακά στηρίγματα),
- Μηχανές με σκληρά έδρανα (με άκαμπτα στηρίγματα).
Οι μηχανές με μαλακά ρουλεμάν έχουν σχετικά εύκαμπτα στηρίγματα, για παράδειγμα, που βασίζονται σε επίπεδα ελατήρια. Η συχνότητα των φυσικών δονήσεων αυτών των στηριγμάτων είναι συνήθως 2-3 φορές χαμηλότερη από τη συχνότητα περιστροφής του ρότορα εξισορρόπησης, ο οποίος είναι τοποθετημένος πάνω τους. Αισθητήρες δόνησης (επιταχυνσιόμετρα, αισθητήρες ταχύτητας δόνησης κ.λπ.) χρησιμοποιούνται συνήθως κατά τη μέτρηση της δόνησης των προ-συντονισμένων στηριγμάτων της μηχανής.
Οι μηχανές εξισορρόπησης πριν από την αντήχηση χρησιμοποιούν σχετικά άκαμπτα στηρίγματα, των οποίων οι φυσικές συχνότητες δόνησης πρέπει να είναι 2-3 φορές υψηλότερες από τη συχνότητα περιστροφής του ζυγοσταθμιζόμενου ρότορα. Για τη μέτρηση του δονητικού φορτίου των στηρίξεων της μηχανής προαντιστάθμισης χρησιμοποιούνται συνήθως μετατροπείς δύναμης.
Το πλεονέκτημα των μηχανών προ-συντονισμού εξισορρόπησης είναι ότι η εξισορρόπηση σε αυτές μπορεί να πραγματοποιηθεί σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες ρότορα (έως 400 - 500 σ.α.λ.), γεγονός που απλοποιεί σημαντικά τον σχεδιασμό της μηχανής και της βάσης της και αυξάνει την παραγωγικότητα και την ασφάλεια της εξισορρόπησης.
Εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων
Σημαντικό!
- Η εξισορρόπηση εξαλείφει μόνο τους κραδασμούς που προκαλούνται από την ασύμμετρη κατανομή της μάζας του ρότορα σε σχέση με τον άξονα περιστροφής του. Άλλοι τύποι κραδασμών δεν εξαλείφονται με την εξισορρόπηση!
- Τεχνικοί μηχανισμοί, των οποίων ο σχεδιασμός εξασφαλίζει την απουσία αντηχήσεων στη συχνότητα λειτουργίας της περιστροφής, στερεωμένοι αξιόπιστα στο θεμέλιο, εγκατεστημένοι σε λειτουργικά έδρανα, υπόκεινται σε εξισορρόπηση.
- Τα ελαττωματικά μηχανήματα πρέπει να επισκευάζονται πριν από την εξισορρόπηση. Διαφορετικά, δεν είναι δυνατή η ποιοτική εξισορρόπηση.
Η εξισορρόπηση δεν υποκαθιστά την επισκευή!
Το κύριο καθήκον της εξισορρόπησης είναι η εύρεση της μάζας και της θέσης των αντισταθμιστικών βαρών που υπόκεινται σε εξισορρόπηση των φυγόκεντρων δυνάμεων.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, για τους άκαμπτους ρότορες, είναι γενικά απαραίτητο και επαρκές να τοποθετηθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη. Με τον τρόπο αυτό εξαλείφεται τόσο η στατική όσο και η δυναμική ανισορροπία του δρομέα. Το γενικό σχήμα για τη μέτρηση των δονήσεων κατά την εξισορρόπηση έχει ως εξής.
Οι αισθητήρες κραδασμών είναι εγκατεστημένοι στα στηρίγματα των ρουλεμάν στα σημεία 1 και 2. Ένας δείκτης στροφών τοποθετείται στο ρότορα, συνήθως με αντανακλαστική ταινία. Η σήμανση στροφών χρησιμοποιείται από το στροφόμετρο λέιζερ για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του ρότορα και της φάσης του σήματος δόνησης.
Πώς εκτελείται η δυναμική εξισορρόπηση (μέθοδος τριών κύκλων)
Στις περισσότερες περιπτώσεις η δυναμική εξισορρόπηση πραγματοποιείται με τη μέθοδο των τριών εκκινήσεων. Η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι στο δρομέα τοποθετούνται δοκιμαστικά βάρη γνωστού βάρους σε σειρά στο επίπεδο 1 και 2 και τα βάρη και η θέση των βαρών εξισορρόπησης υπολογίζονται με βάση τα αποτελέσματα των μεταβολών των παραμέτρων δόνησης.
Το σημείο εγκατάστασης των βαρών ονομάζεται επίπεδο διόρθωσης. Συνήθως τα επίπεδα διόρθωσης επιλέγονται στην περιοχή των στηρίξεων έδρασης στις οποίες εγκαθίσταται ο ρότορας.
Κατά την πρώτη εκκίνηση μετράται η αρχική δόνηση. Στη συνέχεια, ένα δοκιμαστικό βάρος γνωστού βάρους τοποθετείται στο ρότορα πιο κοντά σε ένα από τα έδρανα. Πραγματοποιείται δεύτερη εκκίνηση και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης, οι οποίες πρέπει να αλλάξουν λόγω της τοποθέτησης του δοκιμαστικού βάρους. Στη συνέχεια αφαιρείται το δοκιμαστικό βάρος στο πρώτο επίπεδο και εγκαθίσταται στο δεύτερο επίπεδο. Πραγματοποιείται τρίτη δοκιμαστική εκκίνηση και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης. Το δοκιμαστικό βάρος αφαιρείται και το λογισμικό υπολογίζει αυτόματα τις μάζες και τις γωνίες εγκατάστασης των βαρών ζυγοστάθμισης.
Ο σκοπός της εγκατάστασης των δοκιμαστικών βαρών είναι να προσδιοριστεί ο τρόπος με τον οποίο το σύστημα αντιδρά στις αλλαγές της ανισορροπίας. Τα βάρη και οι θέσεις των δοκιμαστικών βαρών είναι γνωστά, οπότε το λογισμικό μπορεί να υπολογίσει τους λεγόμενους συντελεστές επιρροής, δείχνοντας πώς η εισαγωγή μιας γνωστής ανισορροπίας επηρεάζει τις παραμέτρους δόνησης. Οι συντελεστές επιρροής είναι χαρακτηριστικά του ίδιου του μηχανικού συστήματος και εξαρτώνται από την ακαμψία των στηρίξεων και τη μάζα (αδράνεια) του συστήματος ρότορα-στήριξης.
Για τον ίδιο τύπο μηχανισμών του ίδιου σχεδιασμού οι συντελεστές επιρροής θα είναι κοντά. Είναι δυνατόν να αποθηκευτούν στη μνήμη του υπολογιστή και να χρησιμοποιηθούν για την εξισορρόπηση μηχανισμών ίδιου τύπου χωρίς δοκιμαστικές εκτελέσεις, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την παραγωγικότητα της εξισορρόπησης. Σημειώστε ότι η μάζα των δοκιμαστικών βαρών θα πρέπει να επιλέγεται έτσι ώστε οι παράμετροι δόνησης να μεταβάλλονται αισθητά κατά την τοποθέτηση των δοκιμαστικών βαρών. Διαφορετικά, το σφάλμα υπολογισμού των συντελεστών επιρροής αυξάνεται και η ποιότητα της εξισορρόπησης υποβαθμίζεται.
Όπως μπορείτε να δείτε από το Σχ. 1, η φυγόκεντρος δύναμη δρα στην ακτινική κατεύθυνση, δηλαδή κάθετα στον άξονα του δρομέα. Επομένως, οι αισθητήρες κραδασμών πρέπει να εγκατασταθούν έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να δείχνει επίσης προς την ακτινική κατεύθυνση. Συνήθως, η δυσκαμψία της θεμελίωσης στην οριζόντια διεύθυνση είναι μικρότερη, οπότε η δόνηση στην οριζόντια διεύθυνση είναι μεγαλύτερη. Επομένως, για να αυξηθεί η ευαισθησία, οι αισθητήρες πρέπει να εγκατασταθούν έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να κατευθύνεται επίσης σε οριζόντια διεύθυνση. Παρόλο που δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά. Εκτός από τις δονήσεις στην ακτινική κατεύθυνση, πρέπει να παρακολουθούνται και οι δονήσεις στην αξονική κατεύθυνση, κατά μήκος του άξονα περιστροφής του ρότορα. Οι δονήσεις αυτές συνήθως δεν οφείλονται σε ανισορροπία, αλλά σε άλλες αιτίες, που σχετίζονται κυρίως με την κακή ευθυγράμμιση και την κακή ευθυγράμμιση των αξόνων που συνδέονται μέσω της ζεύξης.
Αυτή η δόνηση δεν μπορεί να εξαλειφθεί με ζυγοστάθμιση, οπότε απαιτείται ευθυγράμμιση. Στην πράξη, τέτοια μηχανήματα συνήθως έχουν τόσο ανισορροπία του ρότορα όσο και κακή ευθυγράμμιση του άξονα, γεγονός που καθιστά πολύ πιο δύσκολο το έργο της εξάλειψης των κραδασμών. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να κεντράρετε πρώτα το μηχάνημα και στη συνέχεια να το ισορροπήσετε. (Αν και με ισχυρή ανισορροπία ροπής, οι κραδασμοί εμφανίζονται επίσης στην αξονική κατεύθυνση λόγω της "στρίψιμο" της δομής θεμελίωσης.)
Σχετικά άρθρα (παραδείγματα βάσεων εξισορρόπησης)
- Βάση ισορροπίας με μαλακή στήριξη
- Εξισορρόπηση των ρότορων των ηλεκτρικών κινητήρων
- Απλές αλλά αποτελεσματικές βάσεις εξισορρόπησης
Κριτήρια για την αξιολόγηση της ποιότητας των μηχανισμών εξισορρόπησης
Η ποιότητα εξισορρόπησης των στροφείων (μηχανισμών) μπορεί να αξιολογηθεί με δύο τρόπους. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη σύγκριση του ποσού της υπολειπόμενης ανισορροπίας που προσδιορίζεται κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης με την ανοχή για την υπολειπόμενη ανισορροπία. Αυτές οι ανοχές για τις διάφορες κατηγορίες ρότορα καθορίζονται στο ISO 1940-1-2007. Μέρος 1. Ορισμός της επιτρεπόμενης ανισορροπίας.
Ωστόσο, η τήρηση των καθορισμένων ανοχών δεν μπορεί να εγγυηθεί πλήρως τη λειτουργική αξιοπιστία του μηχανισμού, η οποία συνδέεται με την επίτευξη του ελάχιστου επιπέδου των δονήσεών του. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το μέγεθος της δόνησης του μηχανισμού δεν καθορίζεται μόνο από το μέγεθος της δύναμης που συνδέεται με την παραμένουσα ανισορροπία του ρότορά του, αλλά εξαρτάται επίσης από διάφορες άλλες παραμέτρους, όπως: η ακαμψία k των δομικών στοιχείων του μηχανισμού, η μάζα m, ο συντελεστής απόσβεσης, καθώς και η συχνότητα περιστροφής. Ως εκ τούτου, για την εκτίμηση των δυναμικών ιδιοτήτων του μηχανισμού (συμπεριλαμβανομένης της ποιότητας της ισορροπίας του) σε ορισμένες περιπτώσεις συνιστάται η εκτίμηση του επιπέδου της παραμένουσας ταλάντωσης του μηχανισμού, η οποία ρυθμίζεται από ορισμένα πρότυπα.
Το πιο διαδεδομένο πρότυπο, το οποίο ρυθμίζει τα επιτρεπόμενα επίπεδα κραδασμών των μηχανισμών, είναι το ISO 10816-3-2002. Με τη βοήθειά του, είναι δυνατόν να καθοριστούν ανοχές για κάθε τύπο μηχανών, λαμβάνοντας υπόψη την ισχύ της ηλεκτρικής τους κίνησης.
Εκτός από αυτό το καθολικό πρότυπο, υπάρχει ένας αριθμός εξειδικευμένων προτύπων που έχουν αναπτυχθεί για συγκεκριμένους τύπους μηχανών. Για παράδειγμα, 31350-2007 , ISO 7919-1-2002, κ.λπ.
Πρότυπα και αναφορές
- ISO 1940-1:2007. Κραδασμοί. Απαιτήσεις για την ποιότητα εξισορρόπησης άκαμπτων ρότορων. Μέρος 1. Προσδιορισμός επιτρεπόμενης ανισορροπίας.
- ISO 10816-3:2009. Μηχανικοί κραδασμοί — Αξιολόγηση των κραδασμών της μηχανής με μετρήσεις σε μη περιστρεφόμενα μέρη — Μέρος 3: Βιομηχανικές μηχανές με ονομαστική ισχύ άνω των 15 kW και ονομαστικές ταχύτητες μεταξύ 120 r/min και 15 000 r/min όταν μετρώνται επιτόπου.
- ISO 14694:2003. Βιομηχανικοί ανεμιστήρες — Προδιαγραφές για την ποιότητα ισορροπίας και τα επίπεδα κραδασμών.
- ISO 7919-1:2002. Δόνηση μηχανών χωρίς παλινδρομική κίνηση — Μετρήσεις σε περιστρεφόμενους άξονες και κριτήρια αξιολόγησης — Γενικές οδηγίες.
ΣΥΧΝΈΣ ΕΡΩΤΉΣΕΙΣ
Η εξισορρόπηση αφαιρεί όλους τους κραδασμούς;
Όχι. Η εξισορρόπηση εξαλείφει τους κραδασμούς που προκαλούνται από την ασύμμετρη κατανομή της μάζας του ρότορα σε σχέση με τον άξονά του περιστροφής. Οι κραδασμοί από κακή ευθυγράμμιση, ελαττώματα ρουλεμάν, αεροδυναμικές/υδροδυναμικές δυνάμεις, ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και άλλες αιτίες απαιτούν ξεχωριστά διαγνωστικά και διορθωτικά μέτρα.
Γιατί μπορεί η εξισορρόπηση να αποτύχει κοντά στον συντονισμό;
Σε συνθήκες εγγύς συντονισμού, οι μικρές αλλαγές στην ταχύτητα μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες αλλαγές στο πλάτος των κραδασμών και μετατόπιση φάσης 180°. Σε τέτοιες συνθήκες, τα αποτελέσματα των μετρήσεων καθίστανται ασταθή και οι συμβατικές διαδικασίες εξισορρόπησης ενδέχεται να μην συγκλίνουν χωρίς ειδικές μεθόδους.
Πότε χρειάζεστε εξισορρόπηση ενός επιπέδου έναντι δύο επιπέδων;
Για έναν άκαμπτο ρότορα, δύο βάρη διαχωρισμένα κατά μήκος του ρότορα είναι γενικά απαραίτητα και επαρκή για την εξάλειψη της συνδυασμένης στατικής και δυναμικής ανισορροπίας. Οι στενοί ρότορες συχνά εμφανίζουν κυρίως στατική ανισορροπία, αλλά η παραμόρφωση και η γεωμετρία μπορούν να εισαγάγουν μια δυναμική συνιστώσα που μπορεί να απαιτεί διόρθωση δύο επιπέδων.
Τι πρέπει να γίνει πριν από την εξισορρόπηση;
Βεβαιωθείτε ότι το μηχάνημα είναι επισκευάσιμο: αξιόπιστη τοποθέτηση στη βάση, υγιή ρουλεμάν, έλλειψη έντονης χαλαρότητας και εμφανείς πηγές μη γραμμικότητας. Η ζυγοστάθμιση δεν υποκαθιστά την επισκευή.
Βασικά σημεία
- Η εξισορρόπηση διορθώνει τη σχετιζόμενη με τη μάζα (φυγοκεντρική) διέγερση. Δεν επιλύει προβλήματα κακής ευθυγράμμισης, ζημιάς στα ρουλεμάν ή ηλεκτρομαγνητικών/αεροδυναμικών πηγών.
- Ο συντονισμός και η μη γραμμικότητα μπορούν να καταστήσουν την συμβατική εξισορρόπηση αναποτελεσματική ή μη ασφαλή.
- Για άκαμπτους ρότορες, η εξισορρόπηση δύο επιπέδων είναι η γενική λύση για συνδυασμένη στατική + δυναμική ανισορροπία.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 