بالانس روتور: نابالانسی استاتیک و دینامیک، رزونانس و روش عملی
این راهنما بالانس روتور را توضیح میدهد روتورهای صلبمعنی “عدم تعادل” چیست، عدم تعادل استاتیکی و دینامیکی چه تفاوتی با هم دارند، چرا تشدید و غیرخطی بودن میتوانند مانع از رسیدن به نتیجهای باکیفیت شوند، و چگونه معمولاً تعادل در یک یا دو صفحه اصلاحی 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 متغیر در نیروی جهتدار، تغییر شکل دورهای در تکیهگاهها و پی که روتور روی آن ثابت شده است رخ میدهد، یعنی ارتعاش. برای از بین بردن عدم تعادل روتور و ارتعاش همراه آن، باید جرمهای متعادلکننده نصب شوند تا تقارن روتور بازیابی شود.
بالانس روتور عملیاتی است برای اصلاح دیسبالانس با افزودن وزنههای بالانس.
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.
تغییر شکل روتورهای انعطافپذیر دیگر قابل چشمپوشی نیست. تغییر شکل روتورهای انعطافپذیر، حل مسئلهی بالانس را پیچیده میکند و در مقایسه با مسئلهی بالانس روتورهای صلب، نیازمند استفاده از مدلهای ریاضی دیگری است. لازم به ذکر است که یک روتور در سرعتهای پایین میتواند مانند یک روتور صلب و در سرعتهای بالا مانند یک روتور انعطافپذیر رفتار کند. در ادامه، فقط بالانس روتورهای صلب را بررسی خواهیم کرد.
بسته به توزیع جرمهای نامتعادل در طول روتور، دو نوع نامتعادلی قابل تشخیص است - استاتیک و دینامیک (لحظهای). بر این اساس، به بالانس روتور استاتیک و دینامیک اشاره میشود. نامتعادلی روتور استاتیک بدون چرخش روتور رخ میدهد، یعنی در استاتیک، زمانی که روتور توسط نیروی جاذبه با "نقطه سنگین" خود به سمت پایین معکوس میشود. نمونهای از روتور با نامتعادلی استاتیک در شکل 2 نشان داده شده است.
نامتعادلی دینامیکی تنها زمانی رخ میدهد که روتور در حال چرخش باشد.
یک نمونه از روتور با دیسبالانس دینامیکی در شکل ۳ نشان داده شده است.
در این حالت، جرمهای نامتعادل مساوی M1 و M2 در صفحات مختلف - در مکانهای مختلف در امتداد طول روتور - قرار دارند. در حالت استاتیک، یعنی زمانی که روتور نمیچرخد، فقط نیروی جاذبه بر روتور عمل میکند و جرمها یکدیگر را متعادل میکنند. در دینامیک، هنگامی که روتور میچرخد، نیروهای گریز از مرکز Fc1 و Fc2 شروع به اعمال بر روی جرمهای M1 و M2 میکنند. این نیروها از نظر بزرگی برابر و از نظر جهت مخالف هستند. با این حال، از آنجایی که در مکانهای مختلف در امتداد طول شفت اعمال میشوند و در یک خط نیستند، این نیروها یکدیگر را جبران نمیکنند. نیروهای Fc1 و Fc2 گشتاوری ایجاد میکنند که به روتور اعمال میشود. بنابراین، این عدم تعادل، عدم تعادل گشتاور نیز نامیده میشود. بر این اساس، نیروهای گریز از مرکز جبران نشده بر روی موقعیتهای یاتاقان عمل میکنند که میتوانند تا حد زیادی از مقادیر محاسبه شده فراتر رفته و عمر مفید یاتاقانها را کاهش دهند.
از آنجایی که این نوع عدم تعادل فقط به صورت دینامیکی در حین چرخش روتور رخ میدهد، به آن عدم تعادل دینامیکی میگویند. در شرایط استاتیک نمیتوان آن را با متعادلسازی "روی چاقوها" یا روشهای مشابه اصلاح کرد. برای از بین بردن عدم تعادل دینامیکی، باید دو وزنه جبرانکننده نصب شود که گشتاوری برابر با بزرگی و در جهت مخالف گشتاور ناشی از جرمهای M1 و M2 ایجاد میکنند. جرمهای جبرانکننده لازم نیست در جهت مخالف و با بزرگی برابر با جرمهای M1 و M2 قرار گیرند. نکته اصلی این است که آنها گشتاوری ایجاد میکنند که گشتاور عدم تعادل را به طور کامل جبران میکند.
به طور کلی، جرمهای M1 و M2 ممکن است با یکدیگر برابر نباشند، بنابراین ترکیبی از عدم تعادل استاتیکی و دینامیکی وجود خواهد داشت. از نظر تئوری ثابت شده است که برای یک روتور صلب، دو وزنه که در امتداد طول روتور از هم فاصله دارند، برای از بین بردن عدم تعادل آن ضروری و کافی هستند. این وزنهها هم گشتاور ناشی از عدم تعادل دینامیکی و هم نیروی گریز از مرکز ناشی از عدم تقارن جرم نسبت به محور روتور (عدم تعادل استاتیکی) را جبران میکنند. به طور معمول، عدم تعادل دینامیکی مشخصه روتورهای بلند مانند شفتها است و عدم تعادل استاتیکی مشخصه روتورهای باریک است. با این حال، اگر روتور باریک نسبت به محور کج شده باشد یا تغییر شکل داده باشد ("شکل هشت")، از بین بردن عدم تعادل دینامیکی دشوار خواهد بود. (شکل 4 را ببینید)، زیرا در این حالت نصب وزنههای اصلاحکننده که گشتاور جبرانکننده لازم را ایجاد میکنند، دشوار است.
نیروهای F1 و F2 بر یک خط قرار ندارند و یکدیگر را خنثی نمیکنند.
با توجه به اینکه بازوی ایجاد گشتاور به دلیل روتور باریک کوچک است، ممکن است به وزنههای تصحیح بزرگی نیاز باشد. با این حال، این امر همچنین منجر به "نامیزانی القایی" به دلیل تغییر شکل روتور باریک توسط نیروهای گریز از مرکز از وزنههای تصحیح میشود. (برای مثال به "دستورالعملهای روششناختی برای متعادلسازی روتورهای صلب (طبق استاندارد ISO 22061-76)" مراجعه کنید. بخش 10. سیستم نگهدارنده روتور.)
این امر در پروانههای باریک فنها قابل مشاهده است که در آنها علاوه بر عدم تعادل نیرو، عدم تعادل آیرودینامیکی نیز فعال است. و باید درک شود که عدم تعادل آیرودینامیکی، یا به عبارت دقیقتر نیروی آیرودینامیکی، به طور مستقیم با سرعت زاویهای روتور متناسب است و برای جبران آن از نیروی گریز از مرکز جرم اصلاحی استفاده میشود که با مربع سرعت زاویهای متناسب است. بنابراین، اثر بالانس تنها در یک فرکانس بالانس مشخص میتواند رخ دهد. در فرکانسهای چرخشی دیگر، خطای اضافی وجود دارد.
همین امر درباره نیروهای الکترومغناطیسی در یک موتور الکتریکی نیز صادق است که آنها نیز با سرعت زاویهای متناسب هستند. بنابراین با بالانس کردن نمیتوان همه علل ارتعاش در یک ماشین را از بین برد.
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.
مقیاس ارتعاش (مثلاً دامنهٔ آن Av) نه تنها به نیروی تحریککنندهٔ Fv که با فرکانس دوری ω بر مکانیزم وارد میشود بستگی دارد، بلکه به صلبیت k مکانیزم، جرم m آن و ضریب میرایی C نیز وابسته است.
انواع مختلفی از حسگرها را میتوان برای اندازهگیری ارتعاش و مکانیزمهای تعادل استفاده کرد، 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.
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 تشدید مکانیکی رخ میدهد. در ناحیهٔ تشدید، تغییر سرعت چرخش به میزان ۱۰۰ دور در دقیقه ممکن است منجر به افزایش ارتعاش تا دهها برابر شود. در عین حال (در ناحیهٔ تشدید) فاز ارتعاش ۱۸۰ درجه تغییر میکند.
اگر طراحی مکانیزم ناموفق باشد و فرکانس کاری روتور به فرکانس ارتعاشات طبیعی نزدیک شود، عملکرد مکانیزم بهدلیل ارتعاش غیرقابلقبول غیرممکن میگردد. این امر به روش معمول امکانپذیر نیست، زیرا حتی تغییر اندکی در سرعت باعث تغییر چشمگیری در پارامترهای ارتعاش میشود. برای بالانس در ناحیهٔ تشدید از روشهای ویژهای که در این مقاله مورد بررسی قرار نگرفتهاند 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 چرخش کاری آنها بالاتر از فرکانس تشدید است، یعنی در حالت تشدید کار میکنند، تکیهگاهها متحرک در نظر گرفته میشوند و برای اندازهگیری از حسگرهای لرزشی، عمدتاً ویبروشتابسنجها، استفاده میشود که شتاب عناصر سازهای را اندازهگیری میکنند. برای مکانیزمهایی که در حالت پیشتشدید کار میکنند، تکیهگاهها صلب در نظر گرفته میشوند. در این حالت از حسگرهای 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.
همچنین، تغییر ارتجاعی بودن تکیهگاهها در تغییرشکلهای بزرگ آنها، برای مثال، زمانی که در تغییرشکلهای کوچک تکیهگاهها برخی از المانهای سازهای کار میکنند و در تغییرشکلهای بزرگ، المانهای سازهای دیگری درگیر میشوند. به همین دلیل است که نمیتوان مکانیسمهایی را که به پی ثابت نشدهاند، بلکه برای مثال، صرفاً روی زمین قرار داده شدهاند، متعادل کرد. در صورت وجود ارتعاشات قابل توجه، نیروی عدم تعادل میتواند مکانیسم را از روی زمین بلند کند و بدین ترتیب، ویژگیهای صلبیت سیستم را به طور قابل توجهی تغییر دهد. پایههای موتور باید محکم بسته شوند، بستهای پیچ باید سفت شوند، ضخامت واشر باید استحکام کافی برای نصب را فراهم کند و غیره. اگر یاتاقانها شکسته باشند، ناهمترازی قابل توجه شفت و ضربات شدیدی ممکن است رخ دهد که این امر نیز منجر به خطی بودن ضعیف و عدم توانایی در انجام توازن باکیفیت خواهد شد.
دستگاهها و ماشینهای بالانس
همانطور که در بالا ذکر شد، بالانس کردن فرآیند همتراز کردن محور مرکزی اصلی اینرسی با محور چرخش روتور است.
این فرایند را میتوان به دو روش انجام داد.
روش اول شامل ماشینکاری ژورنالهای روتور بهگونهای است که محوری که از مرکز مقطع هر ژورنال عبور میکند، با محور اصلی مرکزی اینرسی روتور تقاطع داشته باشد. چنین تکنیکی بهندرت در عمل استفاده میشود و در این مقاله بهطور مفصل مورد بحث قرار نخواهد گرفت.
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:
- بالانس کردن روتورهای مونتاژشده (در یاتاقانهای خود) با استفاده از دستگاههای بالانس؛
- بالانس کردن روتورها روی دستگاههای بالانس. برای بالانس روتورها در یاتاقانهای خود، معمولاً از دستگاهها (کیتهای) بالانس تخصصی استفاده میشود که امکان اندازهگیری ارتعاش روتور بالانسشده را در فرکانس چرخش آن به صورت برداری، یعنی اندازهگیری هم دامنه و هم فاز ارتعاش، فراهم میکنند. در حال حاضر، این دستگاهها بر پایه فناوری میکروپروسسور ساخته میشوند و (به جز اندازهگیری و تحلیل ارتعاش) محاسبه خودکار پارامترهای وزنههای تصحیحی را که باید برای جبران دیسبالانس روتور نصب شوند، فراهم میکنند.
این دستگاهها شامل:
- یک واحد اندازهگیری و محاسبه مبتنی بر رایانه یا کنترلکننده صنعتی؛
- دو (یا بیشتر) حسگر ارتعاش؛
- سنسور زاویه فاز؛
- لوازم جانبی برای نصب حسگرها در محل؛
- نرمافزار تخصصی، طراحیشده برای انجام یک چرخه کامل اندازهگیری پارامترهای ارتعاش روتور در یک، دو یا چند صفحه اصلاح.
در حال حاضر دو نوع ماشین بالانس رایجترین هستند:
- ماشینهای یاتاقان نرم (با تکیهگاههای نرم)
- ماشینهای یاتاقان سخت (با تکیهگاههای صلب)
ماشینهای دارای یاتاقان نرم، تکیهگاههای نسبتاً انعطافپذیری دارند، مثلاً بر اساس فنرهای تخت. فرکانس ارتعاشات طبیعی این تکیهگاهها معمولاً 2-3 برابر کمتر از فرکانس چرخش روتور در حال بالانسگیری است که روی آنها نصب شده است. معمولاً هنگام اندازهگیری ارتعاش تکیهگاههای پیشرزونانس ماشین، از حسگرهای ارتعاش (شتابسنج، حسگرهای سرعت ارتعاش و غیره) استفاده میشود.
دستگاههای بالانس پیشرزونانس از تکیهگاههای نسبتاً صلب استفاده میکنند که فرکانسهای طبیعی ارتعاش آنها باید ۲ تا ۳ برابر فرکانس چرخش روتور در حال بالانس باشد. معمولاً از مبدلهای نیرو برای اندازهگیری بار ارتعاشی تکیهگاههای دستگاه پیشرزونانس استفاده میشود.
مزیت ماشینهای بالانس پیشرزونانس این است که بالانس روی آنها میتواند با سرعت روتور نسبتاً کم (تا ۴۰۰ تا ۵۰۰ دور در دقیقه) انجام شود، که طراحی ماشین و فونداسیون آن را بسیار ساده 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!
The main task of balancing is to find the mass and location of compensating weights that counteract the centrifugal forces.
همانطور که در بالا ذکر شد، برای روتورهای صلب معمولاً نصب دو وزنهی جبرانی لازم و کافی است. این کار دیسبالانس ایستا و دینامیکی روتور را از بین میبرد. طرح کلی اندازهگیری ارتعاش در حین بالانس به شرح زیر است.
سنسورهای لرزش در نقاط ۱ و ۲ روی تکیهگاههای یاتاقان نصب شدهاند. یک نشانگر دور معمولاً با نوار بازتابنده به روتور متصل میشود. علامت RPM توسط تاکومتر لیزری برای تعیین سرعت روتور و فاز سیگنال لرزش استفاده میشود.
نحوه انجام بالانس دینامیکی (روش سهدور)
در اغلب موارد، تراز دینامیکی با روش سه راهاندازی انجام میشود. این روش بر این اساس است که وزنههای آزمایشی با وزن معلوم بهصورت سری در صفحات ۱ و ۲ روی روتور قرار میگیرند و وزنهها و محل قرارگیری آنها بر اساس نتایج تغییرات پارامترهای ارتعاش محاسبه میشوند.
محل نصب وزنهها را صفحهٔ اصلاح مینامند. معمولاً صفحات اصلاح در ناحیهٔ تکیهگاههای یاتاقان که روتور روی آنها نصب میشود، انتخاب میشوند.
در اولین راهاندازی، ارتعاش اولیه اندازهگیری میشود. سپس یک وزنهی آزمایشی با وزن معلوم در نزدیکی یکی از یاتاقانها روی روتور قرار داده میشود. راهاندازی دوم انجام میشود و پارامترهای ارتعاش اندازهگیری میشوند که باید بهدلیل نصب وزنهی آزمایشی تغییر کنند. سپس وزنهی آزمایشی از صفحه اول برداشته شده و در صفحه دوم نصب میشود. یک اجرای سوم انجام شده و پارامترهای ارتعاش اندازهگیری میشوند. وزنهی آزمایشی برداشته شده و نرمافزار بهطور خودکار جرمها و زوایای نصب وزنههای تعادل را محاسبه میکند.
هدف از نصب وزنههای آزمایشی تعیین واکنش سیستم به تغییرات عدم تعادل است. وزنهها و محلهای قرارگیری آنها مشخص هستند، بنابراین نرمافزار میتواند ضرایب تأثیر را محاسبه کند که نشان میدهد وارد کردن یک عدم تعادل شناختهشده چگونه بر پارامترهای ارتعاش تأثیر میگذارد. ضرایب تأثیر ویژگیهای خود سیستم مکانیکی هستند و به صلبیت تکیهگاهها و جرم (اینرسی) سیستم 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.
As you can see from Fig. 1, the centrifugal force acts in the radial direction, i.e. perpendicular to the rotor axis. Therefore, the vibration sensors must be installed so that their axis of sensitivity also points in the radial direction. Usually, the stiffness of the foundation in the horizontal direction is less, so the vibration in the horizontal direction is higher. Therefore, in order to increase the sensitivity, the sensors should be installed so that their axis of sensitivity is also directed horizontally. Although there is no fundamental difference. In addition to vibration in the radial direction, vibration in the axial direction, along the rotor rotation axis, must be monitored. This vibration is usually not caused by unbalance, but by other causes, mainly related to misalignment of the shafts connected through the coupling.
این ارتعاش را نمیتوان با بالانس کردن از بین برد، که در این صورت نیاز به همترازی است. در عمل، چنین ماشینهایی معمولاً هم عدم تعادل روتور و هم عدم همترازی شفت را دارند، که کار حذف ارتعاش را بسیار دشوارتر میکند. در چنین مواردی، لازم است ابتدا ماشین را هممرکزسازی کرده و سپس آن را بالانس کرد. (اگرچه با عدم تعادل گشتاور قوی، ارتعاش در جهت محوری نیز به دلیل "پیچش" سازه فونداسیون رخ میدهد.)
مقالات مرتبط (نمونههایی از پایههای تعادل)
معیارهای ارزیابی کیفیت بالانس مکانیزمها
کیفیت توازن روتورها (مکانیزمها) را میتوان به دو روش ارزیابی کرد. روش اول شامل مقایسه میزان عدم توازن باقیمانده تعیینشده در فرایند توازن با تلرانس عدم توازن باقیمانده است. این تلرانسها برای کلاسهای مختلف روتور در استاندارد ISO 1940-1:2007، بخش اول: تعریف عدم توازن مجاز، مشخص شدهاند.
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.
رایجترین استاندارد که سطوح قابل قبول ارتعاش مکانیزمها را تنظیم میکند، ISO 10816-3-2002 است. با کمک آن میتوان تلرانسها را برای هر نوع ماشین، با در نظر گرفتن توان محرک الکتریکیشان، تعیین کرد.
علاوه بر این استاندارد جهانی، تعدادی استاندارد تخصصی برای انواع خاصی از ماشینها توسعه یافتهاند. برای مثال، 31350-2007، ISO 7919-1-2002 و غیره.
استانداردها و مراجع
- ایزو ۱۹۴۰-۱:۲۰۰۷. ارتعاش. الزامات مربوط به کیفیت بالانس روتورهای صلب. قسمت 1. تعیین عدم تعادل مجاز.
- ایزو ۱۰۸۱۶-۳:۲۰۰۹. ارتعاش مکانیکی - ارزیابی ارتعاش ماشین با اندازهگیری روی قطعات غیرچرخشی - قسمت 3: ماشینهای صنعتی با توان اسمی بالای 15 کیلووات و سرعتهای اسمی بین 120 دور در دقیقه و 15000 دور در دقیقه هنگام اندازهگیری در محل.
- ایزو ۱۴۶۹۴:۲۰۰۳. فنهای صنعتی — مشخصات کیفیت بالانس و سطوح ارتعاش.
- ISO 7919-1:2002. ارتعاش ماشینهای بدون حرکت رفت و برگشتی - اندازهگیریهای روی شفتهای دوار و معیارهای ارزیابی - راهنمای کلی.
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؟
برای یک روتور صلب، دو وزنه جدا شده در امتداد طول روتور معمولاً برای از بین بردن عدم تعادل استاتیکی و دینامیکی ترکیبی لازم و کافی هستند. روتورهای باریک اغلب عدم تعادل استاتیکی را نشان میدهند، اما تغییر شکل و هندسه میتوانند یک جزء دینامیکی ایجاد کنند که ممکن است نیاز به اصلاح دو صفحهای داشته باشد.
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.
- برای روتورهای صلب، بالانس دو صفحهای راهحل کلی برای نابالانسی ترکیبی استاتیکی و دینامیکی است.
