Εξισορρόπηση ρότορα: στατική και δυναμική ανισορροπία, συντονισμός και πρακτική διαδικασία
Αυτός ο οδηγός εξηγεί εξισορρόπηση ρότορα για άκαμπτοι ρότορες: τι “ανισορροπία” σημαίνει, πώς διαφέρουν η στατική και η δυναμική ανισορροπία, γιατί ο συντονισμός και η μη γραμμικότητα μπορούν να εμποδίσουν ένα ποιοτικό αποτέλεσμα, και πώς η εξισορρόπηση πραγματοποιείται 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 ζυγοστάθμιση
- 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 ζυγοστάθμιση (μέθοδος τριών δοκιμών)
- Κριτήρια για την αξιολόγηση της ποιότητας ζυγοστάθμισης
- 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 έδρασής του στα στηρίγματα. Οι επιφάνειες έδρασης του ρότορα μεταφέρουν φορτία στα στηρίγματα μέσω ρουλεμάν κύλισης ή ολίσθησης. Οι επιφάνειες έδρασης είναι οι επιφάνειες των πείρων έδρασης ή οι επιφάνειες που τις 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.
Αν όμως η συμμετρία του ρότορα διαταραχθεί (το ασύμμετρο στοιχείο σημειώνεται με κόκκινο χρώμα στο Σχ. 1), τότε η μη ισορροπημένη φυγόκεντρη δύναμη F3 δρα στον ρότορα. Κατά την περιστροφή, αυτή η δύναμη αλλάζει κατεύθυνση μαζί με την περιστροφή του ρότορα. Το δυναμικό φορτίο που προκύπτει από αυτήν τη δύναμη μεταδίδεται στα ρουλεμάν, με αποτέλεσμα την επιταχυνόμενη φθορά τους.
Επιπλέον, υπό την επίδραση αυτής της δύναμης μεταβλητής κατεύθυνσης προκαλείται κυκλική παραμόρφωση των στηριγμάτων και του θεμελίου, πάνω στα οποία είναι στερεωμένος ο ρότορας, δηλαδή προκαλείται δόνηση. Για να εξαλειφθεί η ανισορροπία του ρότορα και η συνοδευτική δόνηση, πρέπει να τοποθετηθούν μάζες εξισορρόπησης ώστε να αποκατασταθεί η συμμετρία του ρότορα.
Η εξισορρόπηση ρότορα είναι μια διεργασία διόρθωσης της ανισορροπίας μέσω προσθήκης μαζών εξισορρόπησης. Με άλλα λόγια, ο στόχος της εξισορρόπησης είναι να φέρει τον κύριο κεντρικό άξονα αδράνειας του ρότορα όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον άξονα περιστροφής του, ώστε η υπολειπόμενη ανισορροπία να παραμένει εντός των καθορισμένων ορίων.
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 αγνοηθεί. Η παραμόρφωση των εύκαμπτων ρότορων περιπλέκει τη λύση του προβλήματος εξισορρόπησης και απαιτεί την εφαρμογή άλλων μαθηματικών μοντέλων σε σύγκριση με το πρόβλημα εξισορρόπησης άκαμπτων ρότορων. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο ίδιος ρότορας σε χαμηλές ταχύτητες μπορεί να συμπεριφέρεται ως άκαμπτος, ενώ σε υψηλές ταχύτητες - ως εύκαμπτος. Το πρακτικό κριτήριο είναι η ταχύτητα λειτουργίας σε σχέση με την πρώτη κρίσιμη (καμπτική) ταχύτητα του ρότορα: ένας ρότορας θεωρείται άκαμπτος — το ISO 21940-11 αναφέρεται σε ρότορα με «άκαμπτη συμπεριφορά» — όταν λειτουργεί αρκετά κάτω από αυτή την ταχύτητα, στην πράξη κάτω από περίπου 50–70% της πρώτης κρίσιμης ταχύτητας. Πάνω από αυτό το όριο, ο ρότορας κάμπτεται σε μια μορφή ταλάντωσης που μεταβάλλεται με την ταχύτητα: είναι εύκαμπτος και πρέπει να εξισορροπηθεί με μεθόδους ιδιομορφικής (modal) ή πολυεπίπεδης εξισορρόπησης (ISO 21940-12). Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε μόνο την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων.
Ανάλογα με το πώς κατανέμονται οι μη ισορροπημένες μάζες κατά μήκος του ρότορα, το ISO 21940-2 διακρίνει διάφορες καταστάσεις ανισορροπίας:
- στατική ανισορροπία — ο κύριος άξονας αδράνειας είναι μετατοπισμένος παράλληλα προς τον άξονα περιστροφής· μπορεί να εντοπιστεί χωρίς περιστροφή, επειδή ο ρότορας γυρίζει υπό την επίδραση της βαρύτητας μέχρι το βαρύ σημείο του να βρεθεί κάτω. Μια μοναδική διορθωτική μάζα σε ένα επίπεδο την εξαλείφει·
- ανισορροπία ζεύγους (ροπής) — ο κύριος άξονας αδράνειας τέμνει τον άξονα περιστροφής στο κέντρο μάζας· οι δύο ίσες ανισορροπίες βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα και 180° μεταξύ τους. Εμφανίζεται μόνο κατά την περιστροφή και απαιτεί δύο διορθωτικές μάζες σε δύο επίπεδα·
- δυναμική ανισορροπία — η γενική, πραγματική περίπτωση: συνδυασμός στατικής ανισορροπίας και ανισορροπίας ζεύγους. Ο κύριος άξονας αδράνειας ούτε είναι παράλληλος προς τον άξονα περιστροφής, ούτε τον τέμνει. Δύο επίπεδα διόρθωσης είναι αναγκαία και επαρκή για έναν άκαμπτο ρότορα.
Ο παλαιότερος όρος «ανισορροπία ροπής» είναι συνώνυμο της ανισορροπίας ζεύγους· δεν πρέπει να συγχέεται με τη δυναμική ανισορροπία, η οποία είναι το άθροισμα της στατικής συνιστώσας και της συνιστώσας ζεύγους. Ένα παράδειγμα ρότορα με στατική ανισορροπία φαίνεται στην Εικ. 2.
Η ανισορροπία ζεύγους εμφανίζεται μόνο όταν ο ρότορας περιστρέφεται.
Ένα παράδειγμα ρότορα με ανισορροπία ζεύγους φαίνεται στην Εικ. 3.
Σε αυτή 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 ασκείται στον ρότορα και οι μάζες εξισορροπούν η μία την άλλη. Στη δυναμική κατάσταση, όταν ο ρότορας περιστρέφεται, φυγόκεντρες δυνάμεις Fc1 και Fc2 αρχίζουν να ασκούνται 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 ευθεία, αυτές οι δυνάμεις δεν αλληλοαναιρούνται. Οι δυνάμεις Fc1 και Fc2 δημιουργούν μια ροπή που εφαρμόζεται στον ρότορα — γι' αυτό η ανισορροπία ζεύγους ονομάζεται επίσης ανισορροπία ροπής. Κατά συνέπεια, 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 κατά την περιστροφή του ρότορα, δεν μπορεί να διορθωθεί σε στατικές συνθήκες με εξισορρόπηση «στις κόψεις» ή παρόμοιες μεθόδους. Για την εξάλειψη της ανισορροπίας ζεύγους, πρέπει να τοποθετηθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη, τα οποία παράγουν ροπή ίση σε μέγεθος και αντίθετη σε κατεύθυνση με τη ροπή που προκύπτει από τις μάζες M1 και M2. Οι αντισταθμιστικές μάζες δεν χρειάζεται να τοποθετηθούν αντίθετα και ίσες σε μέγεθος με τις μάζες M1 και M2. Το σημαντικό είναι να παράγουν ροπή που αντισταθμίζει πλήρως τη ροπή ανισορροπίας.
Γενικά, οι μάζες M1 και M2 ενδέχεται να μην είναι ίσες μεταξύ τους, οπότε θα υπάρχει συνδυασμός στατικής ανισορροπίας και ανισορροπίας ζεύγους — αυτή η γενική περίπτωση είναι ακριβώς αυτό που το ISO 21940-2 ονομάζει δυναμική ανισορροπία. Έχει αποδειχθεί θεωρητικά ότι για έναν άκαμπτο ρότορα, δύο βάρη τοποθετημένα σε απόσταση μεταξύ τους κατά μήκος του ρότορα είναι αναγκαία και επαρκή για την εξάλειψη της ανισορροπίας του. Αυτά τα βάρη θα αντισταθμίσουν τόσο τη ροπή που προκύπτει από την ανισορροπία ζεύγους όσο και τη φυγόκεντρη δύναμη που προκύπτει από την ασυμμετρία της μάζας ως προς τον άξονα του ρότορα (στατική ανισορροπία). Συνήθως, η ανισορροπία ζεύγους είναι χαρακτηριστική των μακριών ρότορων, όπως οι άξονες, ενώ η στατική ανισορροπία είναι χαρακτηριστική των στενών ρότορων. Ωστόσο, εάν ο στενός ρότορας είναι λοξός ως προς τον άξονα, ή παραμορφωμένος («σχήμα οκτώ»), τότε η ανισορροπία ζεύγους θα είναι δύσκολο να εξαλειφθεί (βλ. Σχ. 4), διότι σε αυτή την περίπτωση είναι δύσκολο να τοποθετηθούν 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.
Επειδή ο διαθέσιμος βραχίονας για τη δημιουργία της αντισταθμιστικής ροπής είναι μικρός λόγω του στενού ρότορα, ενδέχεται να απαιτούνται μεγάλα βάρη διόρθωσης. Ωστόσο, αυτό οδηγεί επίσης σε μια «επαγόμενη ανισορροπία» λόγω της παραμόρφωσης του στενού ρότορα από τις φυγόκεντρες δυνάμεις των βαρών διόρθωσης. (βλ., για παράδειγμα, Μεθοδολογικές οδηγίες για την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων στο GOST 22061-76 — το σύγχρονο διεθνές αντίστοιχο είναι το ISO 21940-11, πρώην ISO 1940-1 — Ενότητα 10, "Σύστημα ρότορα–στηριγμάτων").
Αυτό είναι αισθητό σε στενές πτερωτές ανεμιστήρων, όπου, εκτός από την ανισορροπία μάζας, μια αεροδυναμική ανισορροπία είναι επίσης παρούσα: η άνιση γεωμετρία πτερυγίων παράγει άνιση φόρτιση πτερυγίων και επομένως μια καθαρή ακτινική δύναμη. Όπως η φυγόκεντρη δύναμη ενός διορθωτικού βάρους, αυτή η δύναμη κλιμακώνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας, αλλά εξαρτάται επίσης από το σημείο λειτουργίας — πυκνότητα αέρα, θέση αποσβεστήρα, αντίσταση αγωγού — οπότε ένα διορθωτικό βάρος εξισορροπημένο σε ένα σημείο λειτουργίας δεν θα παραμείνει βέλτιστο σε άλλο. Η αεροδυναμική συνιστώσα πρέπει επομένως να διορθώνεται με την αποκατάσταση της γεωμετρίας των πτερυγίων, όχι με την προσθήκη μάζας.
Ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε μια ηλεκτρική μηχανή (μη ισορροπημένη μαγνητική έλξη από έκκεντρο διάκενο αέρα, σπασμένες ράβδους, βραχυκυκλωμένα ελάσματα) συμπεριφέρονται και πάλι διαφορετικά: διέπονται από τη ροή του διακένου αέρα, όχι από την ταχύτητα περιστροφής, και διεγείρουν κυρίως τη μηχανή στη διπλάσια συχνότητα γραμμής και σε πλευρικές ζώνες πόλων (pole-pass) αντί στο 1×. Επειδή δρουν σε συχνότητες διαφορετικές από τη συχνότητα περιστροφής, η εξισορρόπηση δεν μπορεί να τις αντισταθμίσει καθόλου. Εν συντομία, η εξισορρόπηση αφαιρεί μόνο τη διέγερση 1× που σχετίζεται με τη μάζα — δεν μπορεί να εξαλείψει κάθε πηγή δόνησης σε μια μηχανή.
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 αυχένων 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 αυχένων, ο άξονας περιστροφής 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 δόνησης (π.χ. το πλάτος της Av) δεν εξαρτάται μόνο από τη διεγείρουσα δύναμη Fv που ασκείται στον μηχανισμό με κυκλική συχνότητα ω, αλλά και από τη δυσκαμψία k του μηχανισμού, τη μάζα του m, καθώς και τον συντελεστή απόσβεσης C, όπως δείχνει ο παρακάτω τύπος (1).
Διάφοροι τύποι αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των κραδασμών και τη ζυγοστάθμιση μηχανισμών, 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 εδράσεων μηχανών εξισορρόπησης σκληρής ανάρτησης.
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, το σχήμα και η συχνότητα των ιδιοταλαντώσεων καθορίζονται από τη μάζα και την ελαστικότητα των στοιχείων του μηχανικού συστήματος. Δηλαδή, η συχνότητα των ιδιοταλαντώσεων είναι εσωτερικό χαρακτηριστικό του μηχανικού συστήματος και δεν εξαρτάται από εξωτερικές δυνάμεις. Όταν αποκλίνουν από τη θέση ισορροπίας, τα στηρίγματα, λόγω της ελαστικότητάς τους, τείνουν να επιστρέψουν στη θέση ισορροπίας. Όμως, λόγω της αδράνειας του ογκώδους ρότορα, η διαδικασία αυτή έχει τη μορφή αποσβενύμενων ταλαντώσεων. Αυτές οι δονήσεις είναι οι ιδιοταλαντώσεις του συστήματος ρότορα-στηρίγματος. Η συχνότητά τους εξαρτάται από τον λόγο της μάζας του ρότορα προς την ελαστικότητα των στηριγμάτων, όπως δείχνει ο τύπος (2) παρακάτω.
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. Κοντά στον συντονισμό η απόκριση ενισχύεται κατά τον συντελεστή ποιότητας Q = 1/(2ζ), τυπικά 3–17 για κατασκευές μηχανών, και η κορυφή μπορεί να είναι στενή: μια μεταβολή ταχύτητας της τάξης λίγων ποσοστιαίων μονάδων μπορεί να αλλάξει το επίπεδο δόνησης πολλαπλάσια. Κατά τη διέλευση από τον συντονισμό η υστέρηση φάσης μεταβάλλεται κατά 180°, διερχόμενη από 90° στην κορυφή.
Εάν ο σχεδιασμός του μηχανισμού είναι ανεπιτυχής και η συχνότητα λειτουργίας του ρότορα είναι κοντά στη συχνότητα των ιδιοταλαντώσεων, τότε η λειτουργία του μηχανισμού καθίσταται αδύνατη λόγω της απαράδεκτα υψηλής δόνησης. Η εξισορρόπηση με τις συνήθεις μεθόδους είναι τότε αδύνατη, διότι ακόμη και μια μικρή μεταβολή της ταχύτητας αλλάζει δραστικά τις παραμέτρους δόνησης. Για εξισορρόπηση στην περιοχή συντονισμού χρησιμοποιούνται ειδικές μέθοδοι που δεν εξετάζονται σε αυτό το 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 λειτουργίας περιστροφής είναι πάνω από τη συχνότητα συντονισμού, δηλαδή λειτουργούν σε υπερκρίσιμο (μετα-συντονιστικό) καθεστώς, τα στηρίγματα θεωρούνται κινούμενα και για τη μέτρηση χρησιμοποιούνται αισθητήρες δόνησης, κυρίως επιταχυνσιόμετρα δόνησης, που μετρούν την επιτάχυνση των δομικών στοιχείων. Για μηχανισμούς που λειτουργούν σε προ-συντονιστικό καθεστώς, τα στηρίγματα θεωρούνται άκαμπτα. Σε αυτή την περίπτωση, 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.
Μια ακόμη πηγή μη γραμμικότητας είναι η μεταβολή της δυσκαμψίας των στηριγμάτων σε μεγάλες παραμορφώσεις: σε μικρές παραμορφώσεις το φορτίο φέρεται από μία ομάδα δομικών στοιχείων, ενώ σε μεγάλες παραμορφώσεις εμπλέκονται άλλα. Γι' αυτό δεν μπορείτε να εξισορροπήσετε μηχανισμούς που δεν είναι στερεωμένοι σε θεμέλιο, αλλά, για παράδειγμα, απλώς τοποθετημένοι στο δάπεδο. Με σημαντικές δονήσεις, η δύναμη της ανισορροπίας μπορεί να ανασηκώσει τον μηχανισμό από το δάπεδο, μεταβάλλοντας έτσι σημαντικά τα χαρακτηριστικά δυσκαμψίας του συστήματος. Τα πόδια του κινητήρα πρέπει να είναι καλά στερεωμένα, οι βάσεις των μπουλονιών πρέπει να είναι σφιγμένες, το πάχος των ροδελών πρέπει να παρέχει επαρκή ακαμψία στήριξης κ.λπ. Εάν τα έδρανα είναι κατεστραμμένα, είναι πιθανή σημαντική κακή ευθυγράμμιση του άξονα και κρούσεις, οι οποίες επίσης θα οδηγήσουν σε κακή γραμμικότητα και αδυναμία εκτέλεσης ποιοτικής εξισορρόπησης.
Συσκευές εξισορρόπησης και μηχανές εξισορρόπησης
Θυμηθείτε ότι 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 την κατεργασία των αξόνων έδρασης (trunnions) του ρότορα με τέτοιο τρόπο ώστε ο άξονας που διέρχεται από τα κέντρα τους να συμπίπτει με τον κύριο κεντρικό άξονα αδράνειας του ρότορα. Μια τέτοια τεχνική χρησιμοποιείται σπάνια στην πράξη και δεν θα συζητηθεί λεπτομερώς σε αυτό το 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 πεδίου (in situ) — ο συναρμολογημένος ρότορας εξισορροπείται στα δικά του έδρανα, στη δική του θεμελίωση, στη δική του ταχύτητα λειτουργίας, χρησιμοποιώντας ένα φορητό κιτ εξισορρόπησης·
- Εξισορρόπηση σε συνεργείο — ο ρότορας αποσυναρμολογείται και εξισορροπείται σε ειδική μηχανή εξισορρόπησης.
Για την εξισορρόπηση ρότορων στα δικά τους έδρανα, συνήθως χρησιμοποιούνται εξειδικευμένες συσκευές εξισορρόπησης (κιτ), οι οποίες επιτρέπουν τη μέτρηση της δόνησης του εξισορροπημένου ρότορα στη συχνότητα περιστροφής του σε διανυσματική μορφή, δηλαδή τη μέτρηση τόσο του πλάτους όσο και της φάσης της δόνησης. Επί του παρόντος, οι παραπάνω συσκευές κατασκευάζονται με βάση την τεχνολογία μικροεπεξεργαστών και (εκτός από τη μέτρηση και ανάλυση δόνησης) παρέχουν αυτόματο υπολογισμό των παραμέτρων των διορθωτικών βαρών, τα οποία πρέπει να τοποθετηθούν στον ρότορα 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 κραδασμών·
- έναν αισθητήρα 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 ζυγοστάθμισης είναι σήμερα οι πιο συνηθισμένοι:
- Μηχανές με μαλακά έδρανα (με εύκαμπτα στηρίγματα)·
- Μηχανές με άκαμπτα έδρανα (με άκαμπτα στηρίγματα).
Μηχανές με μαλακά έδρανα (πάνω από τον συντονισμό) διαθέτουν σχετικά εύκαμπτα στηρίγματα, βασισμένα για παράδειγμα σε επίπεδα ελατήρια. Η συχνότητα των ιδιοταλαντώσεων αυτών των στηριγμάτων είναι συνήθως 2-3 φορές χαμηλότερη από τη συχνότητα περιστροφής του εξισορροπημένου ρότορα που είναι τοποθετημένος πάνω τους, οπότε η μηχανή λειτουργεί πάνω από τον συντονισμό. Αισθητήρες δόνησης (επιταχυνσιόμετρα, αισθητήρες ταχύτητας δόνησης κ.λπ.) χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση της κίνησης των στηριγμάτων αυτών των υπερσυντονιστικών μηχανών.
Μηχανές με άκαμπτα έδρανα (πριν τον συντονισμό) χρησιμοποιούν σχετικά άκαμπτα στηρίγματα, των οποίων οι φυσικές συχνότητες ταλάντωσης πρέπει να είναι 2-3 φορές υψηλότερες από τη συχνότητα περιστροφής του ρότορα που εξισορροπείται, ώστε το μηχάνημα να λειτουργεί κάτω από τον συντονισμό. Αισθητήρες δύναμης (force transducers) χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση του δυναμικού φορτίου στα στηρίγματα του μηχανήματος προ-συντονισμού.
Το πλεονέκτημα των μηχανών εξισορρόπησης προ-συντονισμού (σκληρού εδράνου) είναι ότι η εξισορρόπηση σε αυτές μπορεί να πραγματοποιηθεί σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες ρότορα (έως 400 - 500 rpm), κάτι που απλοποιεί σημαντικά τον σχεδιασμό του μηχανήματος και του θεμελίου του, 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 συντονισμών 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 ζυγοστάθμισης είναι να βρεθούν η μάζα και η θέση των αντισταθμιστικών βαρών που εξουδετερώνουν τις φυγόκεντρες δυνάμεις.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, για άκαμπτους ρότορες, είναι γενικά αναγκαίο και επαρκές να τοποθετηθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη. Αυτό θα εξαλείψει τόσο τη στατική όσο και τη συνιστώσα ζεύγους της ανισορροπίας του ρότορα. Το γενικό σχήμα μέτρησης της δόνησης κατά την εξισορρόπηση έχει ως εξής.
Οι αισθητήρες δόνησης τοποθετούνται στα στηρίγματα των ρουλεμάν στα σημεία 1 και 2. Ένα σημάδι περιστροφής προσαρτάται στον ρότορα, συνήθως με αντανακλαστική ταινία. Το σημάδι περιστροφής χρησιμοποιείται από το στροφόμετρο λέιζερ για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του ρότορα και της φάσης του σήματος δόνησης.
Πώς εκτελείται η δυναμική ζυγοστάθμιση (μέθοδος τριών δοκιμών)
Στις περισσότερες περιπτώσεις η δυναμική εξισορρόπηση πραγματοποιείται με τη μέθοδο των τριών εκκινήσεων. Η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι δοκιμαστικά βάρη γνωστής μάζας τοποθετούνται στον ρότορα διαδοχικά στο επίπεδο 1 και 2, και το μέγεθος και η θέση των βαρών εξισορρόπησης υπολογίζονται με βάση τα αποτελέσματα των μεταβολών στις παραμέτρους της δόνησης.
Το επίπεδο στο οποίο τοποθετείται ένα διορθωτικό βάρος ονομάζεται επίπεδο διόρθωσης. Τα επίπεδα διόρθωσης βρίσκονται στον ίδιο τον ρότορα — συνήθως στα δύο άκρα του σώματος του ρότορα, στους δίσκους του ανεμιστήρα ή της πτερωτής, ή σε ειδικούς δακτυλίους εξισορρόπησης. Θα πρέπει να επιλέγονται όσο το δυνατόν πιο απομακρυσμένα κατά μήκος του άξονα όσο επιτρέπει ο σχεδιασμός, ώστε ένα μέτριο βάρος να παράγει επαρκή διορθωτική ροπή. Αυτό δεν είναι το ίδιο με το σημεία μέτρησης, τα οποία βρίσκονται στα περιβλήματα των εδράνων (βλέπε Εικ. 6).
Κατά την πρώτη εκκίνηση μετράται η αρχική δόνηση (στο λογισμικό Balanset αυτό είναι το Run 0). Στη συνέχεια τοποθετείται στον ρότορα, πιο κοντά σε ένα από τα έδρανα, ένα δοκιμαστικό βάρος γνωστής μάζας. Πραγματοποιείται δεύτερη εκκίνηση (Run 1) και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης, οι οποίες θα πρέπει να μεταβληθούν λόγω της τοποθέτησης του δοκιμαστικού βάρους. Στη συνέχεια το δοκιμαστικό βάρος αφαιρείται από το πρώτο επίπεδο και τοποθετείται στο δεύτερο επίπεδο. Εκτελείται τρίτη δοκιμαστική εκκίνηση (Run 2) και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης. Το δοκιμαστικό βάρος αφαιρείται και το λογισμικό υπολογίζει αυτόματα τις μάζες και τις γωνίες τοποθέτησης των βαρών εξισορρόπησης.
Τα υπολογισμένα διορθωτικά βάρη τοποθετούνται στη συνέχεια στα επίπεδά τους και εκτελείται μια εκκίνηση ελέγχου — στο λογισμικό Balanset αυτό είναι το Run T (Trim). Η υπολειπόμενη δόνηση συγκρίνεται με την ανοχή. Εάν το αποτέλεσμα εξακολουθεί να είναι πάνω από τον στόχο, το λογισμικό επαναχρησιμοποιεί τους ήδη προσδιορισμένους συντελεστές επιρροής, οπότε δεν χρειάζονται νέες εκκινήσεις με δοκιμαστικό βάρος — υπολογίζεται και τοποθετείται μόνο μια μικρή πρόσθετη διόρθωση trim.
Ο σκοπός της τοποθέτησης των δοκιμαστικών βαρών είναι να προσδιοριστεί πώς αντιδρά το σύστημα σε μεταβολές 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 τη δυσκαμψία των στηριγμάτων και τη μάζα (αδράνεια) του συστήματος ρότορα-στηριγμάτων.
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 φαίνεται στο Σχ. 1, η φυγόκεντρη δύναμη δρα στην ακτινική κατεύθυνση, δηλαδή κάθετα προς τον άξονα του ρότορα. Επομένως, οι αισθητήρες κραδασμών πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να δείχνει επίσης στην ακτινική κατεύθυνση. Συνήθως, η ακαμψία της θεμελίωσης στην οριζόντια κατεύθυνση είναι μικρότερη, οπότε οι κραδασμοί στην οριζόντια κατεύθυνση είναι μεγαλύτεροι. Επομένως, για να αυξηθεί η ευαισθησία, οι αισθητήρες πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να είναι επίσης στραμμένος οριζόντια. Αν και δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά. Εκτός από τους κραδασμούς στην ακτινική κατεύθυνση, πρέπει να παρακολουθούνται και οι κραδασμοί στην αξονική κατεύθυνση, κατά μήκος του άξονα περιστροφής του ρότορα. Αυτοί οι κραδασμοί συνήθως δεν προκαλούνται από ανισορροπία, αλλά από άλλες αιτίες, κυρίως σχετιζόμενες με κακή ευθυγράμμιση των αξόνων που συνδέονται μέσω του συνδέσμου.
Αυτή η δόνηση δεν μπορεί να εξαλειφθεί με την εξισορρόπηση, οπότε απαιτείται ευθυγράμμιση. Στην πράξη, τέτοιες μηχανές έχουν συνήθως τόσο ανισορροπία ρότορα όσο και κακή ευθυγράμμιση άξονα, γεγονός που καθιστά το έργο της εξάλειψης της δόνησης πολύ πιο δύσκολο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να κεντραριστεί πρώτα η μηχανή και στη συνέχεια να εξισορροπηθεί. (Αν και με έντονη ανισορροπία ροπής, δόνηση εμφανίζεται επίσης στην αξονική κατεύθυνση λόγω της «συστροφής» της κατασκευής θεμελίωσης.)
Σχετικά άρθρα (παραδείγματα βάσεων εξισορρόπησης)
Κριτήρια για την αξιολόγηση της ποιότητας των μηχανισμών ζυγοστάθμισης
Η ποιότητα εξισορρόπησης των ρότορων (μηχανισμών) μπορεί να αξιολογηθεί με δύο τρόπους. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη σύγκριση του μεγέθους της υπολειπόμενης ανισορροπίας που προσδιορίζεται κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης με την ανοχή για την υπολειπόμενη ανισορροπία. Αυτές οι ανοχές για τις διάφορες κατηγορίες ρότορων καθορίζονται στο ISO 21940-11 (πρώην ISO 1940-1).
Πώς υπολογίζεται η ανοχή (ISO 21940-11). Το πρότυπο καθορίζει έναν βαθμό ποιότητας ισορροπίας G, ο οποίος είναι το γινόμενο της επιτρεπόμενης ειδικής ανισορροπίας eανά και η γωνιακή ταχύτητα λειτουργίας ω, εκφρασμένη σε mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], όπου n είναι η ταχύτητα λειτουργίας σε rpm;
- eανά = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (αριθμητικά ίσο με µm μετατόπισης του κέντρου μάζας) — ισοδύναμα eανά = 9549 · G / n;
- Uανά = εανά · m [g·mm], όπου m είναι η μάζα του ρότορα σε kg.
Λυμένο παράδειγμα. Ρότορας m = 50 kg, ταχύτητα λειτουργίας n = 3000 rpm, βαθμός G 6.3 (ανεμιστήρες, αντλίες, τυπικοί ηλεκτροκινητήρες): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; eανά = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (διασταύρωση: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Uανά = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm για ολόκληρο τον ρότορα.
Κατανομή της ανοχής μεταξύ δύο επιπέδων. Για έναν ρότορα του οποίου το κέντρο μάζας βρίσκεται ανάμεσα στα επίπεδα διόρθωσης, η συνολική ανοχή κατανέμεται σε αντίστροφη αναλογία με την απόσταση από το κέντρο μάζας έως κάθε επίπεδο· για έναν συμμετρικό ρότορα αυτό είναι απλώς το μισό σε κάθε επίπεδο — περίπου 500 g·mm ανά επίπεδο στο παραπάνω παράδειγμα. Σε κανένα επίπεδο δεν πρέπει να αποδίδεται περισσότερο από 70% ή λιγότερο από 30% του Uανά.
Τυπικοί βαθμοί: G 0.4 — γυροσκόπια, άτρακτοι λειαντήρων ακριβείας · G 1 — άτρακτοι μηχανών λείανσης, όργανα ακριβείας · G 2.5 — στρόβιλοι, στροβιλογεννήτριες, κινητήριοι μηχανισμοί εργαλειομηχανών · G 6.3 — γενική μηχανολογία: ανεμιστήρες, πτερωτές αντλιών, σφόνδυλοι, τυπικοί ηλεκτροκινητήρες · G 16 — άξονες καρντάν με ειδικές απαιτήσεις, γεωργικά μηχανήματα, θραυστήρες · G 40 — τροχοί αυτοκινήτων, άξονες μετάδοσης κίνησης (άξονες καρντάν) · G 100 — μηχανισμοί στροφαλοφόρου άξονα κινητήρων ντίζελ υψηλής ταχύτητας.
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 ευρέως χρησιμοποιούμενο πρότυπο για τα επιτρεπόμενα επίπεδα δόνησης βιομηχανικών μηχανών είναι το ISO 20816-3 (πρώην ISO 10816-3). Καλύπτει μηχανές άνω των 15 kW που λειτουργούν στις 120–15.000 rpm, και τις ταξινομεί σε δύο διαστάσεις: ανά ομάδα ισχύος (Ομάδα 1 — άνω των 300 kW· Ομάδα 2 — 15 έως 300 kW) και ανά τύπο στήριξης (άκαμπτη ή εύκαμπτη). Κάθε συνδυασμός έχει τα δικά του όρια ζώνης A/B, B/C και C/D σε mm/s RMS. Οι μηχανές εκτός αυτού του πεδίου εφαρμογής καλύπτονται από ειδικά μέρη της σειράς (στροβιλομηχανές — ISO 20816-2, υδραυλικές μηχανές, εμβολοφόρες μηχανές, αντλίες) ή από πρότυπα προϊόντων όπως το ISO 14694 για βιομηχανικούς ανεμιστήρες.
Για γενικές μηχανές που αξιολογούνται σε μη περιστρεφόμενα μέρη, το κλασικό ISO 10816-1 ζώνες (πλέον μέρος του ISO 20816-1) δίνουν τα ακόλουθα όρια ταχύτητας δόνησης, mm/s RMS:
| Τάξη | Α/Β | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| Κατηγορία I (μικρές μηχανές, έως 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Κατηγορία II (μεσαίες μηχανές, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Κατηγορία III (μεγάλες μηχανές, άκαμπτο θεμέλιο) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Κατηγορία IV (μεγάλες μηχανές, εύκαμπτο θεμέλιο) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Η ζώνη A αντιστοιχεί στη δόνηση καινούργιων μηχανημάτων· η ζώνη B είναι αποδεκτή για απεριόριστη μακροχρόνια λειτουργία· η ζώνη C επιτρέπει μόνο περιορισμένη λειτουργία· η ζώνη D υποδεικνύει δόνηση αρκετά σοβαρή ώστε να προκαλέσει βλάβη.
Πρότυπα και αναφορές
- ISO 21940-11:2016 — Μηχανική δόνηση — Εξισορρόπηση ρότορα — Μέρος 11: Διαδικασίες και ανοχές για ρότορες με άκαμπτη συμπεριφορά. (Αντικαθιστά το ISO 1940-1, το οποίο έχει αποσυρθεί.) Υπολογιστής βαθμών G και ανοχής →
- ISO 21940-2 — Μηχανική δόνηση — Εξισορρόπηση ρότορα — Μέρος 2: Λεξιλόγιο. (Ορισμοί στατικής, ζεύγους, οιονεί στατικής και δυναμικής ανισορροπίας.)
- ISO 20816-1:2016 — Μηχανική δόνηση — Μέτρηση και αξιολόγηση της δόνησης μηχανών — Μέρος 1: Γενικές οδηγίες. (Αντικαθιστά τα ISO 10816-1 και ISO 7919-1.) Ζώνες αξιολόγησης →
- ISO 20816-3:2022 — Μηχανικές δονήσεις — Μέτρηση και αξιολόγηση της δόνησης μηχανημάτων — Μέρος 3: Βιομηχανικά μηχανήματα με ονομαστική ισχύ άνω των 15 kW και ονομαστικές ταχύτητες μεταξύ 120 r/min και 15 000 r/min. (Αντικαθιστά το ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Βιομηχανικοί ανεμιστήρες — Προδιαγραφές για την ποιότητα ισορροπίας και τα επίπεδα δόνησης.
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;
Ένα επίπεδο είναι αρκετή για δισκοειδείς ρότορες, όπου το αξονικό μήκος του ρότορα είναι μικρό σε σύγκριση με τη διάμετρο — κατά κανόνα L/D < 0.5 — και η ταχύτητα λειτουργίας βρίσκεται αρκετά κάτω από την πρώτη κρίσιμη ταχύτητα. Τυπικά παραδείγματα: τροχός λείανσης, πτερωτή ανεμιστήρα μονού δίσκου, τροχαλία, τροχός αυτοκινήτου. Ένας τέτοιος ρότορας φέρει σχεδόν αποκλειστικά στατική ανισορροπία.
Δύο αεροπλάνα απαιτούνται για επιμήκεις ρότορες (L/D ≥ 0.5), για κάθε ρότορα με δύο ή περισσότερες πτερωτές ή δίσκους κατανεμημένους κατά μήκος του άξονα, και όποτε η φάση δόνησης στα δύο ρουλεμάν διαφέρει αισθητά — ένδειξη συνιστώσας ζεύγους. Ένας άκαμπτος ρότορας δεν χρειάζεται ποτέ περισσότερα από δύο επίπεδα.
Σε περίπτωση αμφιβολίας, μετρήστε και τα δύο ρουλεμάν: αν μια διόρθωση ενός επιπέδου μειώνει τη δόνηση στο ένα ρουλεμάν και την αυξάνει στο άλλο, ο ρότορας έχει συνιστώσα ζεύγους και χρειάζεται εξισορρόπηση δύο επιπέδων.
Τι πρέπει να γίνει πριν από την εξισορρόπηση;
Βεβαιωθείτε ότι το μηχάνημα είναι σε καλή κατάσταση λειτουργίας: αξιόπιστη τοποθέτηση στη βάση, υγιή ρουλεμάν, έλλειψη έντονης χαλαρότητας και καμία εμφανής πηγή 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 τη δυναμική ανισορροπία (ο συνδυασμός στατικής + ζεύγους).
Nikolai Shelkovenko
Ο Nikolai Shelkovenko είναι μηχανικός ανάλυσης δονήσεων, καθώς και ιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της Vibromera. Επί περισσότερα από 15 χρόνια ζυγοσταθμίζει περιστρεφόμενο εξοπλισμό επιτόπου και όχι σε πάγκο δοκιμών: καταστροφείς, βιομηχανικούς ανεμιστήρες, θραυστήρες, φυγοκέντρους, άξονες και ατράκτους. Από αυτή τη δουλειά γεννήθηκαν τα όργανα Balanset — σχεδιάστηκαν ως εργαλείο που ο ειδικός μπορεί να μεταφέρει στο μηχάνημα και να χρησιμοποιήσει μόνος του, επί τόπου, και όχι ως εργαστηριακός εξοπλισμός. Η Vibromera ιδρύθηκε το 2017 και από το 2023 εδρεύει στο Πόρτο της Πορτογαλίας. Εδώ γίνονται η ανάπτυξη, η συναρμολόγηση και η υποστήριξη της σειράς Balanset. Το κορυφαίο όργανο είναι το Balanset-1A, ένας φορητός αναλυτής για ζυγοστάθμιση σε ένα και σε δύο επίπεδα και για διαγνωστικά δονήσεων. Ο Nikolai συμμετέχει προσωπικά στην υποστήριξη πελατών, στην αντιμετώπιση δύσκολων περιπτώσεων ζυγοστάθμισης και στην ανάπτυξη του λογισμικού. Συνεργάζεται με πελάτες σε όλο τον κόσμο, σε οποιαδήποτε γλώσσα.
