بالانس روتور: نابالانسی استاتیک و دینامیک، رزونانس و روش عملی
این راهنما توضیح میدهد بالانس روتور برای روتورهای صلب: what “unbalance” به چه معناست، عدم تعادل استاتیک و دینامیکی چگونه با هم تفاوت دارند، چرا رزونانس و غیرخطیبودن میتوانند از یک نتیجه باکیفیت جلوگیری کنند، و بالانس معمولاً چگونه در یک یا دو صفحه اصلاح انجام میشود.
فهرست مطالب
- روتور چیست و بالانس کردن چه چیزی را اصلاح میکند؟
- انواع روتورها و انواع دیسبالانس
- ارتعاش مکانیسمها: آنچه که بالانسکردن میتواند و نمیتواند حذف کند
- رزونانس: عاملی که مانع از بالانس میشود
- مدلهای خطی در مقابل مدلهای غیرخطی: وقتی محاسبات از کار میافتند
- دستگاهها و ماشینهای بالانس
- بالانس روتورهای صلب (نکات کاربردی)
- نحوه انجام بالانس دینامیکی (روش سهدور)
- معیارهای ارزیابی کیفیت متعادلسازی
- استانداردها و مراجع
- FAQ
روتور چیست و بالانس کردن چه چیزی را اصلاح میکند؟
روتور بدنی است که حول یک محور میچرخد و توسط سطوح یاتاقانی خود در تکیهگاهها نگه داشته میشود. سطوح یاتاقانی روتور بارها را از طریق یاتاقانهای غلتشی یا لغزشی به تکیهگاهها منتقل میکنند. سطوح یاتاقانی همان سطوح تِرونیونها (محورهای تکیهگاهی) یا سطوح جایگزین آنها هستند.
در یک روتور کاملاً متعادل، جرم آن به صورت متقارن حول محور چرخش توزیع شده است، یعنی هر عنصر روتور میتواند با عنصر دیگری که به صورت متقارن حول محور چرخش قرار دارد، جفت شود. در یک روتور متعادل، نیروی گریز از مرکز وارد بر هر عنصر روتور با نیروی گریز از مرکز وارد بر عنصر متقارن متعادل میشود. به عنوان مثال، نیروهای گریز از مرکز F1 و F2، که از نظر بزرگی برابر و از نظر جهت مخالف هستند، بر عناصر 1 و 2 (که در شکل 1 با رنگ سبز مشخص شدهاند) عمل میکنند. این برای همه عناصر روتور متقارن صادق است و بنابراین کل نیروی گریز از مرکز وارد بر روتور 0 است و روتور متعادل است.
اما اگر تقارن روتور از بین برود (عنصر نامتقارن با رنگ قرمز در شکل ۱ نشان داده شده است)، نیروی گریز از مرکز نامتعادل F3 بر روتور وارد میشود. هنگام چرخش، این نیرو با چرخش روتور جهت خود را تغییر میدهد. بار دینامیکی ناشی از این نیرو به یاتاقانها منتقل شده و باعث سایش و فرسودگی تسریعشده میشود.
علاوه بر این، تحت تأثیر این نیروی متغیر-جهت، یک تغییرشکل دورهای در تکیهگاهها و فونداسیونی که روتور روی آن ثابت شده رخ میدهد، یعنی ارتعاش ایجاد میشود. برای رفع عدم تعادل روتور و ارتعاش همراه آن، باید جرمهای بالانسکننده نصب شوند تا تقارن روتور بازگردانده شود.
بالانس روتور عملیاتی برای اصلاح عدم تعادل با افزودن جرمهای بالانسکننده است. به عبارت دیگر، هدف از بالانس این است که محور اصلی مرکزی اینرسی روتور تا حد امکان به محور چرخش آن نزدیک شود، بهطوریکه عدم تعادل باقیمانده در محدودهٔ مشخصشده قرار گیرد.
وظیفهٔ بالانسکاری یافتن اندازه و موقعیت (زاویه) یک یا چند جرم اصلاحی (بالانسکننده) است.
انواع روتورها و انواع دیسبالانس
با در نظر گرفتن استحکام ماده روتور و بزرگی نیروهای گریز از مرکز که بر آن وارد میشوند، روتورها را میتوان به دو نوع تقسیم کرد - روتورهای صلب و روتورهای انعطافپذیر.
روتورهای صلب در شرایط کاری تحت اثر نیروی گریز از مرکز، تغییرشکل ناچیزی پیدا میکنند و تأثیر این تغییرشکل در محاسبات قابل چشمپوشی است.
تغییرشکل روتورهای انعطافپذیر را دیگر نمیتوان نادیده گرفت. تغییرشکل روتورهای انعطافپذیر حل مسئلهٔ بالانس را پیچیده میکند و در مقایسه با مسئلهٔ بالانس روتورهای صلب، به کاربرد مدلهای ریاضی دیگری نیاز دارد. باید توجه داشت که یک روتور واحد میتواند در سرعتهای پایین رفتاری صلب و در سرعتهای بالا رفتاری انعطافپذیر داشته باشد. معیار عملی، نسبت سرعت کاری به اولین سرعت بحرانی (خمشی) روتور است: روتور زمانی صلب در نظر گرفته میشود — استاندارد ISO 21940-11 از روتور با «رفتار صلب» سخن میگوید — که بهطور محسوسی زیر این سرعت، در عمل زیر تقریباً 50 تا 70 درصد اولین سرعت بحرانی، کار کند. بالاتر از این آستانه، روتور به شکل مودی خم میشود که با سرعت تغییر میکند: در این حالت روتور انعطافپذیر است و باید با روشهای مودال یا چندصفحهای (ISO 21940-12) بالانس شود. در ادامه، تنها به بالانس روتورهای صلب خواهیم پرداخت.
Depending on how the unbalanced masses are distributed along the rotor, ISO 21940-2 distinguishes several states of unbalance:
- عدم تعادل استاتیک — محور اینرسی اصلی موازی با محور شفت جابهجا شده است؛ این حالت را میتوان بدون چرخش تشخیص داد، زیرا روتور تحت تأثیر گرانش میچرخد تا نقطه سنگین آن در پایین قرار گیرد. یک جرم اصلاحی منفرد در یک صفحه آن را برطرف میکند؛
- couple (moment) unbalance — محور اینرسی اصلی محور شفت را در مرکز جرم قطع میکند؛ دو عدم تعادل مساوی در صفحات مختلف و با فاصله 180° از یکدیگر قرار دارند. این حالت فقط در حین چرخش ظاهر میشود و به دو جرم اصلاحی در دو صفحه نیاز دارد؛
- نامیزانی دینامیکی — حالت کلی و واقعی: ترکیبی از عدم تعادل استاتیک و جفتی. محور اینرسی اصلی نه با محور شفت موازی است و نه آن را قطع میکند. دو صفحه اصلاح برای یک روتور صلب لازم و کافی است.
اصطلاح قدیمیتر «عدم تعادل گشتاوری» مترادف عدم تعادل جفتی است؛ نباید آن را با عدم تعادل دینامیکی اشتباه گرفت که مجموع مؤلفههای استاتیک و جفتی است. نمونهای از روتور دارای عدم تعادل استاتیک در شکل 2 نشان داده شده است.
Couple unbalance appears only when the rotor is rotating.
An example of a rotor with couple unbalance is shown in Fig. 3.
در این حالت، جرمهای برابرِ نامتعادل M1 و M2 در صفحات متفاوتی قرار دارند - در نقاط مختلفی در طول روتور. در حالت استاتیکی، یعنی زمانی که روتور نمیچرخد، فقط نیروی گرانش بر روتور اثر میکند و جرمها یکدیگر را متعادل میکنند. در حالت دینامیکی، هنگامی که روتور میچرخد، نیروهای گریز از مرکز Fc1 و Fc2 بر جرمهای M1 و M2 اثر میگذارند. این نیروها از نظر بزرگی برابر و از نظر جهت مخالف یکدیگرند. با این حال، از آنجا که در نقاط مختلفی در طول شفت اعمال میشوند و بر روی یک خط قرار ندارند، این نیروها یکدیگر را جبران نمیکنند. نیروهای Fc1 و Fc2 گشتاوری بر روتور وارد میکنند — به همین دلیل است که عدم تعادل کوپلی را عدم تعادل گشتاوری نیز مینامند. بر این اساس، نیروهای گریز از مرکز جبراننشده بر محل یاتاقانها اثر میگذارند که میتوانند بهطور قابل توجهی از مقادیر محاسبهشده فراتر روند و عمر مفید یاتاقانها را کاهش دهند.
از آنجا که این نوع عدم تعادل تنها در حین چرخش روتور بروز میکند، نمیتوان آن را در شرایط استاتیکی با روش «روی تیغهها» یا روشهای مشابه اصلاح کرد. برای رفع عدم تعادل کوپلی، باید دو وزنهٔ جبرانی نصب شود که گشتاوری برابر از نظر بزرگی و مخالف از نظر جهت با گشتاور ناشی از جرمهای M1 و M2 ایجاد کنند. لازم نیست جرمهای جبرانی دقیقاً در نقطهٔ مقابل و با بزرگی برابر جرمهای M1 و M2 قرار گیرند. نکتهٔ اصلی این است که آنها گشتاوری ایجاد کنند که بهطور کامل گشتاور عدم تعادل را جبران کند.
بهطور کلی، ممکن است جرمهای M1 و M2 با یکدیگر برابر نباشند، بنابراین ترکیبی از عدم تعادل استاتیکی و عدم تعادل کوپلی رخ خواهد داد — این حالت کلی همان چیزی است که ISO 21940-2 آن را عدم تعادل دینامیکی مینامد. بهطور نظری اثبات شده است که برای یک روتور صلب، دو وزنه که در طول روتور از هم فاصله دارند، برای رفع عدم تعادل آن لازم و کافی هستند. این وزنهها هم گشتاور ناشی از عدم تعادل کوپلی و هم نیروی گریز از مرکز ناشی از عدمتقارن جرم نسبت به محور روتور (عدم تعادل استاتیکی) را جبران خواهند کرد. معمولاً عدم تعادل کوپلی مشخصهٔ روتورهای بلند، مانند شفتها، و عدم تعادل استاتیکی مشخصهٔ روتورهای باریک است. با این حال، اگر روتور باریک نسبت به محور کج شده یا تغییرشکل یافته باشد («هشتشکل»)، رفع عدم تعادل کوپلی دشوار خواهد بود (شکل ۴ را ببینید)، زیرا در این حالت نصب وزنههای اصلاحی که گشتاور جبرانی لازم را ایجاد کنند دشوار است.
نیروهای F1 و F2 بر یک خط قرار ندارند و یکدیگر را خنثی نمیکنند.
از آنجا که بازوی موجود برای ایجاد گشتاور جبرانی به دلیل باریک بودن روتور کوچک است، ممکن است به وزنههای اصلاحی بزرگ نیاز باشد. با این حال، این کار همچنین منجر به یک «عدم تعادل القایی» به دلیل تغییرشکل روتور باریک تحت نیروهای گریز از مرکز ناشی از وزنههای اصلاحی میشود. (برای مثال، ببینید Methodological instructions for balancing rigid rotors to GOST 22061-76 — the modern international counterpart is ISO 21940-11, formerly ISO 1940-1 — Section 10, "Rotor–supports system").
This is noticeable on narrow fan impellers, where, in addition to mass unbalance, an aerodynamic unbalance نیز حضور دارد: هندسهٔ نابرابر پرهها، بارگذاری نابرابر پره و در نتیجه یک نیروی شعاعی خالص ایجاد میکند. مانند نیروی گریز از مرکز یک وزنهٔ اصلاحی، این نیرو نیز با توان دوم سرعت افزایش مییابد، اما به نقطهٔ کاری نیز بستگی دارد — چگالی هوا، موقعیت دمپر، مقاومت مجرا — بنابراین یک وزنهٔ اصلاحی که در یک نقطهٔ کاری بالانس شده، در نقطهٔ کاری دیگر بهینه باقی نمیماند. بنابراین مؤلفهٔ آیرودینامیکی باید با بازگرداندن هندسهٔ پره اصلاح شود، نه با افزودن جرم.
نیروهای الکترومغناطیسی در یک ماشین الکتریکی (کشش مغناطیسی نامتعادل ناشی از شکاف هوایی خارج از مرکز، میلههای شکسته، لایههای اتصالکوتاهشده) باز هم رفتاری متفاوت دارند: این پدیدهها توسط شار شکاف هوایی کنترل میشوند، نه سرعت چرخشی، و عمدتاً ماشین را در دو برابر فرکانس خط و در نوارهای کناری عبور قطب برانگیخته میکنند، نه در 1×. از آنجا که این پدیدهها در فرکانسهایی غیر از فرکانس چرخش عمل میکنند، بالانس اصلاً نمیتواند آنها را جبران کند. بهطور خلاصه، بالانس تنها تحریک ناشی از جرم در 1× را حذف میکند — و نمیتواند هر منبع ارتعاش در یک ماشین را از بین ببرد.
ارتعاش مکانیسمها
ارتعاش واکنش طراحی مکانیزم به اثرات یک نیروی تحریککننده دورهای است. این نیرو میتواند ماهیت متفاوتی داشته باشد.
نیروی گریز از مرکز ناشی از روتور نامتعادل، نیرویی جبران نشده است که بر روی "نقطه سنگین" عمل میکند. این نیرو و ارتعاش ناشی از آن است که میتواند با متعادل کردن روتور حذف شود.
نیروهای برهمکنش با ماهیت "هندسی" که از خطاهای تولید و مونتاژ قطعات جفت شونده ناشی میشوند. این نیروها، به عنوان مثال، میتوانند در نتیجهی گرد نبودن گردن شفت، خطا در پروفیل دندانهها در چرخدندهها، موجدار بودن شیارهای یاتاقان، عدم همترازی شفتهای جفت شونده و غیره ایجاد شوند. در صورت گرد نبودن گردنهای شفت، محور شفت بسته به زاویه چرخش شفت جابجا میشود. اگرچه این ارتعاش در سرعت روتور نیز رخ میدهد، اما حذف آن با بالانس کردن تقریباً غیرممکن است.
نیروهای آیرودینامیکی ناشی از چرخش پروانههای پنکهها و سایر سازوکارهای بالهدار. نیروهای هیدرودینامیکی ناشی از چرخش پروانههای پمپهای هیدرولیک، توربینها و غیره.
نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از عملکرد ماشینهای الکتریکی، مانند سیمپیچیهای نامتقارن روتور، سیمپیچیهای اتصال کوتاهشده و غیره.
بزرگی ارتعاش (مثلاً دامنهٔ آن Av) نهتنها به نیروی برانگیزانندهٔ Fv که با فرکانس زاویهای ω بر مکانیزم وارد میشود، بلکه به صلبیت k مکانیزم، جرم آن m و همچنین ضریب میرایی C نیز بستگی دارد، همانطور که فرمول (۱) زیر نشان میدهد.
انواع مختلفی از حسگرها را میتوان برای اندازهگیری ارتعاش و بالانسکردن مکانیزمها بهکار برد، از جمله:
- سنسورهای لرزش مطلق طراحیشده برای اندازهگیری شتاب لرزش (شتابسنجها) و سنسورهای سرعت لرزش؛
- حسگرهای ارتعاش نسبی - جریان گردابی یا خازنی، طراحی شده برای اندازهگیری جابجایی ارتعاش؛
- در برخی موارد (زمانی که طراحی مکانیزم اجازه میدهد)، میتوان از حسگرهای نیرو برای ارزیابی بار ارتعاش آن نیز استفاده کرد؛ به طور خاص، آنها به طور گسترده برای اندازهگیری بار ارتعاش تکیهگاههای ماشینهای متعادلکننده با یاتاقان سخت استفاده میشوند.
لذا، ارتعاش واکنش یک ماشین به اثر نیروهای خارجی است. بزرگی ارتعاش تنها به بزرگی نیروی وارد بر مکانیزم بستگی ندارد، بلکه به صلبیت طراحی مکانیزم نیز وابسته است. یک نیروی یکسان میتواند منجر به ارتعاشات متفاوتی شود. در یک ماشین با یاتاقان سخت، حتی اگر ارتعاش کم باشد، یاتاقانها ممکن است تحت بارهای دینامیکی قابل توجهی قرار گیرند. به همین دلیل است که هنگام بالانس ماشینهای با یاتاقان سخت، به جای حسگرهای ارتعاش (شتابسنجهای ارتعاش)، از حسگرهای نیرو استفاده میشود.
سنسورهای لرزش در سازوکارهایی با تکیهگاههای نسبتاً انعطافپذیر بهکار میروند، زمانی که اثر نیروهای گریز از مرکز نامتعادل منجر به تغییر شکل قابلتوجه تکیهگاهها و لرزش میشود. سنسورهای نیرو برای تکیهگاههای صلب بهکار میروند، زمانی که حتی نیروهای قابلتوجه ناشی از عدم تعادل نیز منجر به لرزش قابلتوجه نمیشوند.
رزونانس عاملی است که مانع توازن میشود.
قبلاً اشاره کردیم که روتورها به دو دستهٔ صلب و انعطافپذیر تقسیم میشوند. صلبیت یا انعطافپذیری روتور نباید با صلبیت یا قابلیت حرکت تکیهگاهها (پی) که روتور روی آنها نصب شده است اشتباه گرفته شود. روتوری صلب محسوب میشود که تغییرشکل (خمشدگی) آن تحت اثر نیروهای گریز از مرکز قابل چشمپوشی باشد. تغییرشکل روتور انعطافپذیر نسبتاً زیاد است و نمیتوان آن را نادیده گرفت.
در این مقاله تنها به بالانس روتورهای صلب میپردازیم. روتور صلب (غیرقابلانعطاف) میتواند روی تکیهگاههای صلب یا متحرک (انعطافپذیر) نصب شود. واضح است که این صلبیت/انعطافپذیری تکیهگاهها نیز نسبی است و به سرعت روتور و بزرگی نیروهای گریز از مرکز حاصل بستگی دارد. یک مرز شرطی، فرکانس ارتعاشات طبیعی تکیهگاههای روتور است.
برای سیستمهای مکانیکی، شکل و فرکانس ارتعاشات طبیعی توسط جرم و انعطافپذیری اجزای سیستم مکانیکی تعیین میشود. به عبارت دیگر، فرکانس ارتعاشات طبیعی یک ویژگی داخلی سیستم مکانیکی است و به نیروهای خارجی بستگی ندارد. تکیهگاهها، به دلیل انعطافپذیری، هنگامی که از حالت تعادل منحرف میشوند، تمایل دارند به موقعیت تعادل بازگردند. اما به دلیل اینرسی روتور سنگین، این فرآیند ماهیت نوسانات تضعیفشده را دارد. این ارتعاشات، ارتعاشات طبیعی سیستم روتور-تکیهگاه هستند. فرکانس آنها به نسبت جرم روتور به انعطافپذیری تکیهگاهها بستگی دارد، همانطور که فرمول (۲) زیر نشان میدهد.
هنگامی که روتور شروع به چرخش میکند و فرکانس چرخش آن به فرکانس ارتعاشات طبیعی نزدیک میشود، دامنه ارتعاش بهطور ناگهانی افزایش مییابد که میتواند منجر به تخریب سازه شود.
پدیدهٔ رزونانس مکانیکی رخ میدهد. در نزدیکی رزونانس، پاسخ توسط ضریب کیفیت Q = 1/(2ζ)، که معمولاً برای سازههای ماشین بین 3 تا 17 است، تقویت میشود و اوج میتواند باریک باشد: تغییر سرعتی در حد چند درصد میتواند سطح ارتعاش را چندین برابر تغییر دهد. در عبور از رزونانس، تأخیر فاز 180 درجه نوسان میکند و در نقطهٔ اوج از 90 درجه عبور میکند.
اگر طراحی مکانیزم ناموفق باشد و فرکانس کاری روتور به فرکانس ارتعاشات طبیعی نزدیک باشد، آنگاه کارکرد مکانیزم به دلیل ارتعاش غیرقابلقبول بالا، غیرممکن میشود. در این حالت، بالانس با روشهای معمول ممکن نیست، زیرا حتی یک تغییر کوچک در سرعت، پارامترهای ارتعاش را بهشدت تغییر میدهد. برای بالانس در ناحیهٔ رزونانس، از روشهای ویژهای که در این مقاله بررسی نشدهاند، استفاده میشود.
امکان تعیین فرکانس ارتعاشات طبیعی مکانیزم در حالت رانداون (در هنگام قطع چرخش روتور) یا با روش ضربه و تحلیل طیفی بعدی پاسخ سیستم به ضربه وجود دارد.
برای مکانیزمهایی که فرکانس کاری چرخش آنها بالاتر از فرکانس رزونانس است، یعنی در رژیم فوقبحرانی (پس از رزونانس) کار میکنند، تکیهگاهها متحرک در نظر گرفته میشوند و برای اندازهگیری از سنسورهای ارتعاش، عمدتاً شتابسنجهای ارتعاشی که شتاب اجزای سازهای را اندازهگیری میکنند، استفاده میشود. برای مکانیزمهایی که در رژیم پیش از رزونانس کار میکنند، تکیهگاهها صلب در نظر گرفته میشوند. در این حالت، از سنسورهای نیرو استفاده میشود.
مدلهای خطی و غیرخطی یک سیستم مکانیکی. غیرخطی بودن عاملی است که مانع بالانس میشود.
هنگام بالانس روتورهای صلب، از مدلهای ریاضیای به نام مدلهای خطی برای محاسبات بالانس استفاده میشود. مدل خطی به این معناست که در چنین مدلی یک کمیت با کمیت دیگر به صورت خطی متناسب است. برای مثال، اگر جرم غیر جبرانشده روی روتور دو برابر شود، مقدار ارتعاش نیز دو برابر خواهد شد. برای روتورهای صلب میتوان از مدل خطی استفاده کرد، زیرا آنها تغییر شکل نمیدهند.
برای روتورهای انعطافپذیر دیگر نمیتوان از مدل خطی استفاده کرد. در یک روتور انعطافپذیر، اگر جرم نقطهٔ سنگین در حین چرخش افزایش یابد، تغییرشکل اضافی رخ خواهد داد و علاوه بر جرم، شعاع محل نقطهٔ سنگین نیز افزایش مییابد. بنابراین، در یک روتور انعطافپذیر، ارتعاش بیش از دو برابر افزایش مییابد و روشهای معمول محاسبه کار نخواهند کرد.
منبع دیگر غیرخطی بودن، تغییر سفتی تکیهگاه در انحرافهای بزرگ است: در انحرافهای کوچک، یک دسته از اجزای سازهای بار را تحمل میکنند، در حالیکه در انحرافهای بزرگ، اجزای دیگری وارد عمل میشوند. به همین دلیل نمیتوان مکانیزمهایی را که روی فونداسیون ثابت نشدهاند، بلکه مثلاً صرفاً روی زمین قرار گرفتهاند، بالانس کرد. در ارتعاشات قابل توجه، نیروی ناشی از عدم تعادل میتواند مکانیزم را از روی زمین بلند کند و بدین ترتیب مشخصههای سفتی سامانه را بهطور محسوسی تغییر دهد. پایههای موتور باید محکم بسته شوند، اتصالات پیچی باید سفت شوند، ضخامت واشرها باید صلبیت کافی برای نصب فراهم کند و غیره. اگر یاتاقانها آسیبدیده باشند، ناهمراستایی قابلتوجه شفت و ضربههای ناگهانی ممکن است رخ دهد که این نیز منجر به خطیبودن ضعیف و ناتوانی در انجام بالانس باکیفیت خواهد شد.
دستگاهها و ماشینهای بالانس
Recall that balancing is the process of aligning the main central axis of inertia with the rotor's axis of rotation.
این فرایند را میتوان به دو روش انجام داد.
روش اول شامل ماشینکاری پیچهای روتور بهگونهای است که محوری که از مراکز پیچها عبور میکند، بر محور اصلی مرکزی اینرسی روتور منطبق شود. چنین تکنیکی بهندرت در عمل استفاده میشود و در این مقاله بهتفصیل بررسی نخواهد شد.
روش دوم (رایجترین) شامل جابجایی، نصب یا حذف وزنههای اصلاحی روی روتور است که بهگونهای قرار داده میشوند که محور لختی روتور تا حد امکان به محور چرخش آن نزدیک باشد.
جابجایی، افزودن یا حذف وزنههای اصلاحی در حین بالانس ممکن است از طریق عملیات فناورانهٔ مختلفی از جمله: سوراخکاری، فرزکاری، پرداخت سطح، جوشکاری، پیچکردن یا بازکردن پیچ، سوزاندن با لیزر یا پرتو الکترونی، الکترولیز، پوششدهی الکترومغناطیسی و غیره انجام شود.
فرآیند بالانس را میتوان به دو روش انجام داد:
- Field balancing (in situ) — the assembled rotor is balanced in its own bearings, on its own foundation, at its own operating speed, using a portable balancing kit;
- Shop balancing — the rotor is dismounted and balanced on a dedicated balancing machine.
برای بالانس روتورها در یاتاقانهای خودشان، معمولاً از دستگاههای (کیتهای) تخصصی بالانس استفاده میشود که امکان اندازهگیری ارتعاش روتور بالانسشونده در فرکانس چرخش آن را بهصورت برداری، یعنی اندازهگیری هم دامنه و هم فاز ارتعاش، فراهم میکنند. در حال حاضر، این دستگاهها بر پایهٔ فناوری میکروپروسسوری ساخته میشوند و (علاوه بر اندازهگیری و تحلیل ارتعاش) محاسبهٔ خودکار پارامترهای وزنههای اصلاحی را که باید روی روتور نصب شوند تا عدم تعادل آن جبران شود، ارائه میدهند.
این دستگاهها شامل:
- یک واحد اندازهگیری و محاسبه مبتنی بر رایانه یا کنترلکننده صنعتی؛
- دو (یا بیشتر) حسگر ارتعاش؛
- a phase angle sensor;
- لوازم جانبی برای نصب حسگرها در محل؛
- نرمافزار تخصصی، طراحیشده برای انجام چرخه کامل اندازهگیری پارامترهای ارتعاش روتور در یک، دو یا چند صفحه اصلاحی.
در حال حاضر دو نوع ماشین بالانس رایجترین هستند:
- Soft-bearing machines (with pliable supports);
- Hard-bearing machines (with rigid supports).
Soft-bearing (above-resonance) machines تکیهگاههای نسبتاً انعطافپذیری دارند، برای مثال بر پایهٔ فنرهای تخت. فرکانس ارتعاشات طبیعی این تکیهگاهها معمولاً 2 تا 3 برابر پایینتر از فرکانس چرخش روتور بالانسشونده است که روی آنها نصب شده، بنابراین ماشین بالاتر از رزونانس کار میکند. برای اندازهگیری حرکت تکیهگاههای این ماشینهای فرارزونانسی، معمولاً از سنسورهای ارتعاش (شتابسنج، سنسور سرعت ارتعاش و غیره) استفاده میشود.
Hard-bearing (pre-resonance) machines از تکیهگاههای نسبتاً صلب استفاده میکنند که فرکانسهای طبیعی ارتعاش آنها باید 2 تا 3 برابر بالاتر از فرکانس چرخش روتور بالانسشونده باشد، بنابراین ماشین زیر رزونانس کار میکند. برای اندازهگیری بار دینامیکی روی تکیهگاههای ماشین پیشرزونانسی، معمولاً از مبدلهای نیرو استفاده میشود.
مزیت دستگاههای بالانس پیشرزونانسی (hard-bearing) این است که بالانس روی آنها میتواند در سرعتهای نسبتاً پایین روتور (تا 400 تا 500 دور در دقیقه) انجام شود، که طراحی دستگاه و فونداسیون آن را بسیار سادهتر میکند و بهرهوری و ایمنی بالانس را افزایش میدهد.
بالانس روتورهای صلب
مهم!
- بالانسکردن تنها ارتعاش ناشی از توزیع نامتقارن جرم روتور نسبت به محور چرخش آن را از بین میبرد. انواع دیگر ارتعاش با بالانسکردن برطرف نمیشوند!
- مکانیزمهای فنی که طراحی آنها عدم وجود رزونانس در فرکانس عملیاتی چرخش را تضمین میکند، بهطور مطمئن به شالوده متصل شده و در یاتاقانهای قابل سرویس نصب شدهاند، مشمول بالانس میباشند.
- ماشینآلات معیوب باید قبل از بالانس تعمیر شوند. در غیر این صورت، بالانس باکیفیت امکانپذیر نیست.
بالانسکردن جایگزین تعمیر نیست!
وظیفه اصلی بالانس، یافتن جرم و محل وزنههای جبرانی است که نیروهای گریز از مرکز را خنثی میکنند.
همانطور که پیشتر گفته شد، برای روتورهای صلب، معمولاً نصب دو وزنهٔ جبرانی لازم و کافی است. این کار هم مؤلفهٔ استاتیکی و هم مؤلفهٔ کوپلی عدم تعادل روتور را برطرف میکند. طرح کلی اندازهگیری ارتعاش در حین بالانس به شرح زیر است.
حسگرهای ارتعاش روی تکیهگاههای یاتاقان در نقاط 1 و 2 نصب میشوند. یک علامت دور روی روتور نصب میشود، معمولاً با نوار بازتابنده. این علامت دور توسط تاکومتر لیزری برای تعیین سرعت روتور و فاز سیگنال ارتعاش استفاده میشود.
نحوه انجام بالانس دینامیکی (روش سهدور)
در بیشتر موارد، بالانس دینامیکی با روش سه راهاندازی انجام میشود. این روش بر این اساس است که وزنههای آزمایشی با جرم مشخص، بهترتیب در صفحهٔ 1 و 2 روی روتور قرار میگیرند و جرم و موقعیت وزنههای بالانس بر اساس نتایج تغییرات پارامترهای ارتعاش محاسبه میشود.
The plane in which a correction weight is installed is called a صفحه اصلاح. Correction planes are located on the rotor itself — معمولاً در دو انتهای بدنهٔ روتور، روی دیسکهای فن یا پروانه، یا روی حلقههای بالانس اختصاصی. این صفحات باید تا حدی که طراحی اجازه میدهد، در طول شفت از هم فاصله داشته باشند، تا یک وزنهٔ متوسط بتواند گشتاور اصلاحی کافی ایجاد کند. این با measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).
در اولین راهاندازی، ارتعاش اولیه اندازهگیری میشود (در نرمافزار Balanset این مرحله اجرای ۰ نامیده میشود). سپس یک وزنهٔ آزمایشی با جرم مشخص، نزدیک به یکی از یاتاقانها روی روتور نصب میشود. راهاندازی دوم انجام میشود (اجرای ۱) و پارامترهای ارتعاش، که باید در اثر نصب وزنهٔ آزمایشی تغییر کرده باشند، اندازهگیری میشوند. سپس وزنهٔ آزمایشی از صفحهٔ اول برداشته و در صفحهٔ دوم نصب میشود. اجرای آزمایشی سوم انجام میشود (اجرای ۲) و پارامترهای ارتعاش اندازهگیری میشوند. وزنهٔ آزمایشی برداشته میشود و نرمافزار بهطور خودکار جرم و زاویهٔ نصب وزنههای بالانس را محاسبه میکند.
وزنههای اصلاحی محاسبهشده سپس در صفحات خود نصب میشوند و یک اجرای بررسی انجام میشود — در نرمافزار Balanset این مرحله اجرای T (Trim) نامیده میشود. ارتعاش باقیمانده با تلورانس مقایسه میشود. اگر نتیجه هنوز بالاتر از هدف باشد، نرمافزار از ضرایب تأثیر که پیشتر تعیین شدهاند دوباره استفاده میکند، بنابراین نیازی به اجراهای جدید با وزنهٔ آزمایشی نیست — فقط یک اصلاح تریم کوچک اضافی محاسبه و نصب میشود.
هدف از نصب وزنههای آزمایشی، تعیین واکنش سامانه به تغییرات عدم تعادل است. از آنجا که وزن و موقعیت وزنههای آزمایشی مشخص است، نرمافزار میتواند آنچه را که ضرایب تأثیر نامیده میشود محاسبه کند و نشان دهد که وارد کردن یک عدم تعادل شناختهشده چگونه بر پارامترهای ارتعاش اثر میگذارد. ضرایب تأثیر ویژگیهای خودِ سامانهٔ مکانیکی هستند و به صلبیت تکیهگاهها و جرم (اینرسی) سامانهٔ روتور-تکیهگاه بستگی دارند.
برای مکانیزمهای همنوع با طراحی یکسان، ضرایب تأثیر نزدیک به هم خواهند بود. میتوان آنها را در حافظهٔ کامپیوتر ذخیره کرد و بدون اجرای آزمون، برای بالانس مکانیزمهای همنوع استفاده نمود که این امر بهرهوری بالانس را بهطور قابلتوجهی افزایش میدهد. توجه داشته باشید که جرم وزنههای آزمون باید بهگونهای انتخاب شود که پارامترهای ارتعاش هنگام نصب وزنهها بهطور محسوس تغییر کنند. در غیر این صورت، خطای محاسبهٔ ضرایب تأثیر افزایش یافته و کیفیت بالانس کاهش مییابد.
همانطور که از شکل 1 میبینید، نیروی گریز از مرکز در جهت شعاعی عمل میکند، یعنی عمود بر محور روتور. بنابراین، حسگرهای ارتعاش باید بهگونهای نصب شوند که محور حساسیت آنها نیز در جهت شعاعی باشد. معمولاً سختی فونداسیون در جهت افقی کمتر است، بنابراین ارتعاش در جهت افقی بیشتر است. از این رو، برای افزایش حساسیت، حسگرها باید طوری نصب شوند که محور حساسیت آنها نیز در جهت افقی قرار گیرد. البته از نظر بنیادی تفاوتی وجود ندارد. افزون بر ارتعاش در جهت شعاعی، باید ارتعاش در جهت محوری، در امتداد محور چرخش روتور، نیز پایش شود. این ارتعاش معمولاً ناشی از نامیزانی نیست، بلکه از علل دیگری سرچشمه میگیرد که عمدتاً به ناهمراستایی شفتهای متصلشده از طریق کوپلینگ مربوط میشود.
این ارتعاش را نمیتوان با بالانس از بین برد و در این حالت همراستاسازی (Alignment) لازم است. در عمل، چنین ماشینهایی معمولاً هم عدم تعادل روتور و هم ناهمراستایی شفت را دارند که کار حذف ارتعاش را بسیار دشوارتر میکند. در چنین مواردی، لازم است ابتدا ماشین را همراستا کرد و سپس آن را بالانس نمود. (هرچند در عدم تعادل گشتاوری قوی، به دلیل «پیچش» سازهٔ فونداسیون، ارتعاش در جهت محوری نیز رخ میدهد.)
مقالات مرتبط (نمونههایی از استندهای بالانس)
معیارهای ارزیابی کیفیت بالانس مکانیزمها
کیفیت بالانس روتورها (مکانیزمها) را میتوان به دو روش ارزیابی کرد. روش اول شامل مقایسهٔ مقدار عدم تعادل باقیمانده که در حین فرآیند بالانس تعیین میشود، با تلورانس عدم تعادل باقیمانده است. این تلورانسها برای کلاسهای مختلف روتور در ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1).
How the tolerance is computed (ISO 21940-11). The standard specifies a balance quality grade G, which is the product of the permissible specific unbalance eبه ازای هر and the service angular velocity ω, expressed in mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], where n is the service speed in rpm;
- eبه ازای هر = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (numerically equal to µm of center-of-mass offset) — equivalently eبه ازای هر = 9549 · G / n;
- Uبه ازای هر = eبه ازای هر · m [g·mm], where m is the rotor mass in kg.
Worked example. Rotor m = 50 kg, service speed n = 3000 rpm, grade G 6.3 (fans, pumps, standard electric motors): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; eبه ازای هر = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (cross-check: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Uبه ازای هر = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm for the whole rotor.
Splitting the tolerance between two planes. برای روتوری که مرکز جرم آن بین صفحات اصلاحی قرار دارد، تلورانس کل بهنسبت معکوس فاصلهٔ مرکز جرم تا هر صفحه تقسیم میشود؛ برای یک روتور متقارن، این بهسادگی نصف در هر صفحه است — حدود 500 g·mm در هر صفحه در مثال بالا. هیچ صفحهای نباید بیش از 70 درصد یا کمتر از 30 درصد Uبه ازای هر.
Typical grades: G 0.4 — ژیروسکوپها، اسپیندل سنگسنبادههای دقیق · G 1 — اسپیندل ماشینهای سنگزنی، آرمیچرهای دقیق · G 2.5 — توربینها، توربوژنراتورها، محرکهای ماشینابزار · G 6.3 — مهندسی عمومی: فنها، پروانههای پمپ، فلایویلها، موتورهای الکتریکی استاندارد · G 16 — میلگاردانهای با الزامات ویژه، ماشینآلات کشاورزی، خردکنها · G 40 — چرخهای خودرو، میلگاردانها (شفتهای کاردان) · G 100 — سیستمهای میللنگ موتورهای دیزل پرسرعت.
با این حال، رعایت تلرانسهای مشخصشده نمیتواند بهطور کامل قابلیت اطمینان عملیاتی مکانیزم را که با دستیابی به حداقل سطح ارتعاش آن مرتبط است، تضمین کند. این امر با این واقعیت توضیح داده میشود که بزرگی ارتعاش مکانیزم نه تنها توسط بزرگی نیرویی که با عدم تعادل باقیمانده روتور آن مرتبط است تعیین میشود، بلکه به چندین پارامتر دیگر نیز بستگی دارد، از جمله: سختی k عناصر سازهای مکانیزم، جرم m آن، ضریب میرایی، و همچنین فرکانس چرخش. بنابراین، برای ارزیابی ویژگیهای دینامیکی مکانیزم (از جمله کیفیت توازن آن) در موارد متعدد، توصیه میشود سطح ارتعاش باقیمانده مکانیزم را که توسط تعدادی از استانداردها تنظیم میشود، برآورد کرد.
پرکاربردترین استاندارد برای سطوح مجاز ارتعاش ماشینآلات صنعتی، ISO 20816-3 (پیشتر ISO 10816-3) است. این استاندارد ماشینهای بالای 15 کیلووات را که در محدودهٔ سرعت 120 تا 15,000 دور در دقیقه کار میکنند پوشش میدهد و آنها را در دو بعد طبقهبندی میکند: بر اساس گروه توان (گروه ۱ — بالای 300 کیلووات؛ گروه ۲ — 15 تا 300 کیلووات) و بر اساس نوع تکیهگاه (صلب یا انعطافپذیر). هر ترکیب، مرزهای ناحیهای مخصوص به خود را میان A/B، B/C و C/D بر حسب mm/s RMS دارد. ماشینهایی که خارج از این محدوده قرار میگیرند، بخشهای اختصاصی خود را در این مجموعه استاندارد دارند (توربینها — ISO 20816-2، ماشینهای هیدرولیکی، ماشینهای رفتوبرگشتی، پمپها) یا استانداردهای اختصاصی محصول مانند ISO 14694 برای فنهای صنعتی.
For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic ISO 10816-1 zones (now part of ISO 20816-1) give the following boundaries of vibration velocity, mm/s RMS:
| کلاس | الف/ب | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| Class I (small machines, up to 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Class II (medium machines, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Class III (large machines, rigid foundation) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Class IV (large machines, flexible foundation) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
منطقه A مربوط به ارتعاش ماشینهای نو است؛ منطقه B برای بهرهبرداری طولانیمدت بدون محدودیت قابلقبول است؛ منطقه C فقط بهرهبرداری محدود را مجاز میداند؛ منطقه D نشاندهنده ارتعاشی است که به اندازه کافی شدید است تا آسیب ایجاد کند.
استانداردها و مراجع
- ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. (Replaces ISO 1940-1, which is withdrawn.) G-grades and tolerance calculator →
- ایزو ۲۱۹۴۰-۲ — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary. (Definitions of static, couple, quasi-static and dynamic unbalance.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines. (Replaces ISO 10816-1 and ISO 7919-1.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — ارتعاش مکانیکی — اندازهگیری و ارزیابی ارتعاش ماشین — بخش 3: ماشینهای صنعتی با توان اسمی بالای 15 kW و سرعتهای اسمی بین 120 r/min و 15 000 r/min. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
- ایزو ۱۴۶۹۴:۲۰۰۳ — Industrial fans — Specifications for balance quality and vibration levels.
FAQ
آیا بالانس کردن تمام لرزشها را از بین میبرد؟
خیر. بالانس کردن، ارتعاش ناشی از توزیع نامتقارن جرم روتور نسبت به محور چرخش آن را از بین میبرد. ارتعاش ناشی از عدم همترازی، نقص یاتاقان، نیروهای آیرودینامیکی/هیدرودینامیکی، نیروهای الکترومغناطیسی و سایر علل نیاز به تشخیص و اقدامات اصلاحی جداگانه دارد.
چرا بالانس کردن ممکن است در نزدیکی رزونانس ناموفق باشد؟
نزدیک به رزونانس، تغییرات کوچک سرعت میتواند باعث تغییرات بزرگ در دامنه ارتعاش و تغییر فاز ۱۸۰ درجهای شود. در چنین شرایطی نتایج اندازهگیری ناپایدار میشوند و روشهای بالانسکردن مرسوم ممکن است بدون روشهای خاص همگرا نشوند.
چه زمانی به بالانس تک صفحهای در مقابل دو صفحهای نیاز دارید؟
One plane برای روتورهای دیسکمانند کافی است، یعنی روتورهایی که طول محوری آنها در مقایسه با قطر کوچک است — بهعنوان یک قاعدهٔ سرانگشتی L/D < 0.5 — و سرعت کاری آنها بهطور محسوسی زیر اولین سرعت بحرانی است. نمونههای معمول: یک سنگ سنباده، یک پروانهٔ فن تکدیسکی، یک پولی، یک چرخ خودرو. چنین روتوری تقریباً بهطور کامل عدم تعادل استاتیکی دارد.
دو هواپیما برای روتورهای کشیده (L/D ≥ 0.5)، برای هر روتوری که دو یا چند پروانه یا دیسک در طول شفت آن قرار گرفته باشد، و هرگاه فاز ارتعاش در دو یاتاقان بهطور محسوسی متفاوت باشد — نشانهٔ یک مؤلفهٔ کوپلی — لازم است. یک روتور صلب هرگز به بیش از دو صفحه نیاز ندارد.
در صورت تردید، هر دو یاتاقان را اندازهگیری کنید: اگر یک اصلاح تکصفحهای ارتعاش را در یک یاتاقان کاهش دهد و در دیگری افزایش دهد، روتور دارای مؤلفه جفتی است و به بالانس دوصفحهای نیاز دارد.
قبل از بالانس کردن چه باید کرد؟
اطمینان حاصل کنید که دستگاه قابل سرویس است: نصب مطمئن روی فونداسیون، یاتاقانهای سالم، عدم لقی شدید و عدم وجود منابع آشکار غیرخطی. بالانس کردن جایگزین تعمیر نیست.
نکات کلیدی
- بالانس کردن، تحریک مربوط به جرم (گریز از مرکز) را اصلاح میکند؛ اما ناهمراستایی، آسیب یاتاقان یا منابع الکترومغناطیسی/آیرودینامیکی را حل نمیکند.
- رزونانس و غیرخطی بودن میتوانند بالانسکاری مرسوم را بیاثر یا ناامن کنند.
- For rigid rotors, two-plane balancing is the general solution for dynamic unbalance (the combination of static + couple).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
