Jäiga rootori mõistmine
A jäik rootor on rootor mis omaenda raskuse mõjul oluliselt ei painu, ei paindu ega muuda oma kuju tasakaalutus töökiirusel mõjuvad jõud. Tasakaalustamise eesmärgil käsitletakse rootorit jäigana, kui see pöörleb kiirusel, mis on märkimisväärselt madalam tema esimesest kriitiline kiirus — tavaliselt alla 70–75% sellest. Kuna jäiga rootori kuju jääb muutumatuks, on see tasakaalustamiseks kõige lihtsam ja ökonoomsem rootoriliik, ning enamik igapäevaselt kasutatavatest tööstusmasinatest kuulub just sellesse kategooriasse.
1. Definitsioon: Mis on jäik rootor?
Jäiga rootori käitumise põhiprintsiip on see, et levitamine rootori pikkuse suunas esinev tasakaalutus ei muutu, kui rootori pöörlemiskiirus muutub. Raskuskeskmed jäävad paigale. Tasakaal, mis saavutatakse madalal, sobival pöörlemiskiirusel tasakaalustusmasin seega jääb kehtivaks ja toimivaks ka siis, kui rootorit hiljem käitatakse palju suuremal töökäigul.
See stabiilsus tuleneb otseselt sellest, et rootor hoiab piisavat vahemaad oma esimesest kriitiline kiirus. Kui kiirus on umbes 70–75% sellest, põhjustab tsentrifugaaljõud on tühine võrreldes massi enda geomeetrilise eksentrisusega, mistõttu käitub rootor tegelikult üheainsa tahke kehana, mis pöörleb oma telje ümber. Massi telg ja võlli telg on üksteise suhtes fikseeritud, sõltumata pöörlemiskiirusest.
Masinad, mida insenerid käsitlevad jäikade rootoritena, hõlmavad elektrimootorite ankreid, üheastmelisi ventilaatoreid ja puhurid, pumba tiivikuid, hoorattaid, rihmarattaid, lihvkettaid ja ketastüüpi komponente. Nende puhul võimaldab aeglaselt läbi viidud kahe tasandi tasakaalustamine kindlaks teha masina tegeliku tasakaalustamatuse seisundi töötamise ajal.
2. Jäik vs. painduv rootor
Erinevus jäiga rootori ja painduv rootor on üks olulisemaid mõisteid rootori tasakaalustamisel, sest see määrab kogu tasakaalustamisstrateegia.
Jäik rootor
- Töökiirus: märkimisväärselt alla esimese kriitilise kiiruse, tavaliselt alla 75%.
- Behaviour: ei painu ega paindu tsentrifugaaljõudude mõjul. Selle tasakaalustamatuse omadused ei sõltu pöörlemiskiirusest.
- Tasakaalustamise protseduur: võib hoida tasakaalus ühel mugaval madalal pöörlemiskiirusel. Standardne kahe tasapinnaline kaal piisab, et parandada mis tahes dünaamiline tasakaalustamatus, olgu tegemist staatilise, paaris- või nende kahe kombinatsiooniga. Jäiga rootori tasakaalustamise suunav standard on ISO 21940-11 (mis asendas juba ammu tuttava standardi ISO 1940-1).
Paindlik rootor
- Töökiirus: läheneb, ületab või töötab oluliselt ühe või mitme kriitilise kiiruse piires.
- Behaviour: painub ja paindub, kui see ületab kriitilise kiiruse. Tasakaalustamatuse jõud põhjustavad rootori kuju muutumist (läbipainumist) ning „raske koha“ näiv asukoht võib kiiruse muutudes nihkuda, kuna rootor võtab painutatud kuju režiimi kuju.
- Tasakaalustamise protseduur: palju keerulisem. See nõuab mitme tasapinna tasakaalustamine (sageli rohkem kui kaks tasapinda) ning need tuleb läbi viia töökäigukiirusel või selle lähedal, et arvesse võtta rootori paindumist. Selleks on vaja spetsiaalseid modaalmeetodeid ning tööd reguleerib standard ISO 21940-12.
3. „Jäiga” eelduse olulisus
Eeldus, et rootor käitub jäigalt, võimaldab tööstuslikel tasakaalustusseadmetel teostada praktilist, ökonoomset ja ohutut tasakaalustamist. Ohutuse tagamiseks, ajamivõimsuse vähendamiseks ja mehaanilise lihtsuse huvides pöörlevad need seadmed rootoreid tavaliselt suhteliselt madalatel pöörlemiskiirustel – mõnisada pööret minutis.
Kui rootor on tõepoolest jäik, on tasakaalustamismasinal 400 p/min juures mõõdetud tasakaalutus täpselt sama tasakaalutus, mis tekitab töökohas vibratsiooni 3600 p/min juures. Selle korrigeerimine madalal pöörlemiskiirusel lahendab probleemi ka kõrgel pöörlemiskiirusel. Kui rootor oleks tegelikult painduv, oleks madalal pöörlemiskiirusel tehtud tasakaalustamine ebaefektiivne: rootor painuks kriitilise pöörlemiskiiruse lähenedes ja tekitaks tööpöörlemiskiirusel täiesti teistsuguse tasakaalustamatuse – mõnikord tundub see seisva rootori puhul hästi tasakaalustatud, kuid töötades tekitab tugevat vibratsiooni. Painduva rootori ekslik hindamine jäigaks on klassikaline põhjus, miks „tasakaalustatud” masin ikkagi vibreerib.
4. Millal loetakse rootorit jäigaks?
Otsus käsitleda rootorit jäigana sõltub selle geomeetriast ja töökäigust:
- Lühikesed, paksud rootorid: rootorid, mille läbimõõt on pikkusega võrreldes suur – lihvketas, ketaspidur, üheastmelise pumba tiivik –, on peaaegu alati jäigad.
- Pikad, peenikesed rootorid: Pikad ja õhukesed rootorid, nagu näiteks veovõll või mitmeastmelise kompressori rootor, on palju tõenäolisemalt paindlikud, eriti kui need töötavad suurel kiirusel.
Lõppkokkuvõttes on otsustavaks kriteeriumiks töökäigu kiiruse ja esimese kriitilise kiiruse suhe. Kui see suhe on madal, on sobiv kasutada jäiga rootori tasakaalustamise meetodit ja see annab tulemusi; kui suhe on kõrge, on vaja paindliku rootori meetodeid. Seetõttu on oluline mõista rootori dünaamika ning teadmine, millisel tasemel asub iga kriitiline kiirus, on aluseks igale tasakaalustamisotsusele.
5. Jäiga rootori tasakaalustamine ja kontrollimine välitingimustes
Paljusid jäiku rootoreid on kõige mugavam tasakaalustada kohapeal, nende enda laagrites, mitte eemaldada ja paigaldada tasakaalustusseadmele. See on põllu tasakaalustamine, ja see sobib täpselt nendele ventilaatoritele, pumpadele ja mootoritele, mida see kindel eeldus hõlmab. Selline kaasaskantav kahekanaliline analüsaator nagu Balanset-1A mõõdab 1× amplituudi ja faas iga laagri juures arvutab rootori mõjukoefitsiendid katsekaaluga mõõtmise põhjal ning arvutab korrigeerimismassid ühe või kahe tasandi jaoks. Kuna rootor on jäik, kehtib see üksainus odav korrigeerimine kogu kiirusvahemiku ulatuses ning seade suudab seejärel kinnitada jääktasakaalustamatus kuulub valitud ISO 21940-11 klassi. Tasakaaluklassi ja töökäigu kiiruse saab teisendada lubatud g·mm tolerantsiks, kasutades Jääk-ebasümmeetria kalkulaator (ISO 21940-11) enne alustamist.
