Tasapainon laatuluokka (G-luokka): Määritelmä, tarkoitus ja soveltaminen
Mikä on tasapainon laatuluokka (G-luokka)?
A Tasapainoinen laatuluokka, G-luokka“ on ISO 1940-1- ja ISO 21940-11-standardeissa määritelty standardoitu luokitus, jossa määritellään roottorin suurin sallittu jäännösepätasapaino. Toisin sanoen G-luokka osoittaa, kuinka tarkasti roottori on tasapainotettava. Siinä ei mitata suoraan tärinätasoja, vaan pikemminkin määritellään roottorin massaan ja enimmäiskäyntinopeuteen perustuva epätasapainotoleranssi.
Kirjainta G seuraava numero (esim. G6.3, G2.5) vastaa roottorin massakeskipisteen suurinta värähtelynopeutta millimetreinä sekunnissa (mm/s). Esimerkiksi luokka G6.3 tarkoittaa, että roottorin massakeskipisteen värähtely ei saa ylittää 6,3 mm/s suurimmalla käyttönopeudella, kun taas tiukempi luokka G2.5 rajoittaa tämän nopeuden 2,5 mm/s:iin. Mitä pienempi G-luku on, sitä tiukemmat ovat tasapainotusvaatimukset: pienempi epätasapainotoleranssi ja suurempi tasapainotustarkkuus.
G-luokan järjestelmän tarkoitus
G-luokkajärjestelmä kehitettiin luomaan yleismaailmallinen standardi, joka määrittelee, kuinka hyvin roottorin on oltava tasapainotettu. Epämääräisten lausumien, kuten “roottorin on oltava hyvin tasapainotettu”, sijasta insinöörit voivat määritellä tarkan, todennettavissa olevan tavoitteen, kuten “tasapainotus G6.3:n mukaan”. Tämä standardi tarjoaa yhteisen kielen valmistajille, huoltoinsinööreille ja asiakkaille ja varmistaa, että laitteet täyttävät vaaditut luotettavuus- ja turvallisuusstandardit. G-luokkajärjestelmän päätavoitteet ovat seuraavat:
Epätasapainon aiheuttaman tärinän rajoittaminen hyväksyttävälle tasolle. Epätasapaino aiheuttaa keskipakoisvoimia ja tärinää, jotka voivat aiheuttaa melua, väsymisvaurioita ja onnettomuuksia. Soveltamalla vakiomuotoisia tasapainoluokkia nämä värähtelyt voidaan hallita turvallisissa rajoissa.
Laakereihin kohdistuvien dynaamisten kuormitusten minimointi ja niiden käyttöiän pidentäminen. Jatkuva tärinä vaikuttaa laakereihin kuin vasara, mikä nopeuttaa niiden kulumista. Rajoittamalla epätasapainoa vaaditun G-luokan avulla laakereihin kohdistuvat voimat pienenevät, mikä pidentää niiden käyttöikää.
Roottorin turvallisen toiminnan varmistaminen suurimmalla suunnittelunopeudella. Mitä suurempi pyörimisnopeus on, sitä voimakkaampi on pienenkin epätasapainon vaikutus. Tiukka tasapainoluokka takaa, ettei roottorissa esiinny tuhoisaa värähtelyä sen käyttönopeudella. Tämä on erityisen tärkeää suurnopeuskoneissa (turbiinit, kompressorit jne.), joissa liiallinen epätasapaino voi johtaa vikaantumiseen.
Selkeän, mitattavissa olevan hyväksymiskriteerin asettaminen. G-luokan standardin avulla voidaan valmistuksen ja korjauksen aikana tarkistaa, onko vaadittu tasapainotaso saavutettu. Jos jäännösepätasapaino tasapainotuksen jälkeen ei ylitä kyseiselle G-luokalle sallittua arvoa, roottorin katsotaan läpäisseen tarkastuksen. Tämä lähestymistapa muuttaa tasapainottamisen taiteesta tarkaksi tieteeksi, jonka kriteerit ovat todennettavissa.
Miten tasapainon laatuluokat määritetään?
ISO-standardit sisältävät suosituksia G-luokkien valitsemiseksi sadoille tyypillisille roottoreille ja koneille. Standardien taulukoissa (esim. ISO 1940-1, jonka on nyt korvannut ISO 21940-11) luetellaan suositellut G-luokat eri laiteluokille. Tietyn luokan valinta riippuu useista tekijöistä:
Koneen tyyppi ja käyttötarkoitus. Suurnopeusturbiini tai tarkkuuskara vaatii paljon tarkempaa tasapainotusta (pienempi G) kuin hidaskäyntinen maatalousmekanismi. Suunnittelijat ottavat huomioon, kuinka herkkä tietty konetyyppi on tärinälle ja mitä seurauksia epätasapainosta voi olla.
Roottorin massa ja mitat. Kevyemmät roottorit ovat yleensä herkempiä epätasapainolle, ja niille voidaan asettaa tiukempia vaatimuksia. Roottorin massa vaikuttaa suoraan sallitun epätasapainon laskentaan - raskaampi roottori voi “sietää” hieman suurempaa absoluuttista epätasapainoa ilman, että tärinä lisääntyy kevyempään roottoriin verrattuna.
Suurin pyörimisnopeus. Tämä on yksi tärkeimmistä tekijöistä: mitä suurempi nopeus, sitä tiukempi tasapainon on oltava. Samalla epätasapainon suuruudella voimat kasvavat suhteessa pyörimisnopeuden neliöön. Siksi nopeille roottoreille valitaan pienempi G-luokka nopeusvaikutuksen kompensoimiseksi.
Tukirakenne ja asennusolosuhteet. Joustaviin (elastisiin) tukiin asennettu roottori vaatii yleensä huolellisempaa tasapainotusta kuin jäykällä alustalla oleva roottori, koska joustava järjestelmä vaimentaa värähtelyjä huonommin. Samaan kampiakseliin voidaan esimerkiksi soveltaa eri luokkia (G16 vs. G40) riippuen siitä, onko moottori asennettu elastisten tärinäneristimien päälle vai jäykästi.
Esimerkkejä yleisistä tasapainon laatuluokista
| G-luokka | Max. Nopeus (mm/s) | Tyypilliset sovellukset |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Auton pyörät ja vanteet; hidaskäyntisten (matalan kierrosluvun) polttomoottoreiden kampiakselit. |
| G 16 | 16 mm/s | Murskainten ja maatalouskoneiden osat; vetoakselit (kardaaniakselit); yleiskoneiden suuret osat, joiden vaatimukset ovat kohtalaiset. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Vakiolaatu useimpiin teollisuuslaitteisiin: sähkömoottoreiden roottorit, pumppujen juoksupyörät, tuulettimet, hidaskäyntiset turbokompressorit, yleiset prosessikoneet. G6.3 on yksi yleisimmin määritellyistä laatuluokista. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Suurnopeus- ja tarkkuusroottorit: kaasu- ja höyryturbiinit, turbokompressorien roottorit, työstökoneiden käyttökoneet, tarkat karat ja suurnopeussähkökoneet. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Erittäin tarkka tasapainotus tarkkuusmekanismeihin: hiomakoneiden käyttölaitteet, pienet nopeat sähkömoottorit ja autojen turboahtimet. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | Korkein tasapainotustarkkuus poikkeuksellisen herkille ja nopeille laitteille: gyroskoopit, tarkkuuskarat (esim. tarkkuuskoneistuksessa tai mikroelektroniikkalaitteissa), kiintolevyt ja muut komponentit, jotka vaativat minimaalista tärinää. |
Huomautus: Luokkamerkinnässä oleva nopeusarvo mm/s vastaa ominaiseksentrisyyden ja kulmanopeuden tuloa: G = eper-ω. Näin ollen G-luku ilmaisee massakeskipisteen liikkeen rajanopeuden roottorin käytön aikana. Käytännössä luokan valinta voi vaihdella yhden tason ylös- tai alaspäin erityisvaatimusten ja käyttöolosuhteiden mukaan.
Sallitun jäännösepätasapainon laskeminen
Kun tiedät vaaditun G-luokan, voit laskea suurimman sallitun jäännösepätasapainon - epätasapainon määrän, joka voi jäädä jäljelle tasapainotuksen jälkeen ylittämättä määritettyä luokkaa. ISO-standardissa esitetään seuraava kaava:
Uper (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [kierrosluku]
Jossa:
- Uper - sallittu jäännösepätasapaino grammamillimetreinä (g-mm).
- G — tasapainon laatuluokka (mm/s)
- m - roottorin massa (kg)
- n - suurin käyttönopeus (RPM)
Esimerkki: Kun kyseessä on roottori, jonka massa on 100 kg ja joka pyörii enintään 3000 kierroksen minuutissa ja joka on tasapainotettava luokan G6.3 mukaisesti, sallittu jäännösepätasapaino on:
Uper = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Tämä tarkoittaa, että roottorin kokonaisepätasapaino saa olla noin 2005 g-mm ylittämättä G6.3:aa. Käytännössä tämä jäännösepätasapaino jakautuu korjaustasojen kesken. Kahden tason (dynaamisessa) tasapainotuksessa laskettu Uper jaetaan tasojen välillä tasan tai suhteessa roottorin kokoonpanoon. Tasapainoteknikko saa näin ollen tietyn numeerisen tavoitteen saavutettavakseen.
Käytännön tasapainotus ja laitteet
Tarvittavan tasapainoluokan saavuttamiseksi käytännössä käytetään erikoislaitteita. Valmistusolosuhteissa käytetään yleensä paikallaan olevia tasapainotuskoneita, joissa roottoria pyöritetään ja korjataan, kunnes jäännösepätasapaino putoaa valitun G-luokan mukaiseksi.
Kenttäolosuhteissa (esim. kun jo asennetussa tuulettimessa tai pumpussa esiintyy tärinää) voidaan kuitenkin käyttää kannettavia tasapainotuslaitteita. Esimerkkinä voidaan mainita Balanset-1A kannettava kaksikanavainen vibrometri-tasapainotuslaite. Se mahdollistaa yhden tai kahden tason dynaamisen tasapainotuksen suoraan laitteessa paikan päällä (paikan päällä, ilman roottorin poistamista).
Kuva 1: Kannettava Balanset-1A-vibrometri-tasapainotin, joka on liitetty kannettavaan tietokoneeseen. Tämä pienikokoinen laite sisältää elektronisen mittausmoduulin, kaksi tärinäanturia ja lasertakometrin, ja ohjaus ja epätasapainon laskenta suoritetaan PC-ohjelmistolla.
Kuva 1: Balanset-ohjelmiston tasapainotustoleranssin laskentaikkuna. Ohjelmassa on sisäänrakennettu laskin, joka laskee automaattisesti ISO 1940 -standardien mukaisen sallitun jäännösepätasapainon roottorin massan, käyttönopeuden ja valitun G-luokan perusteella.
Laite liitetään kannettavaan tietokoneeseen, mitataan tärinää ja epätasapainovaihetta antureiden ja optisen kierroslukumittarin avulla, minkä jälkeen ohjelmisto laskee automaattisesti tarvittavat korjauspainot. Balanset-1A:n ominaisuuksiin kuuluu ISO 1940 -standardin (G-luokat) mukaisen sallitun epätasapainon automaattinen laskenta - laite määrittää itse, mille tasolle tärinää on vähennettävä, jotta saavutetaan esimerkiksi luokka G6,3 tai G2,5.
Nykyaikaisilla tasapainotuslaitteilla, kuten Balanset-1A:lla, vaaditun tasapainoluokan saavuttaminen on nopeampaa ja luotettavampaa. Käyttämällä G-luokan vakioterminologiaa ja sisäänrakennettuja toleranssilaskelmia insinöörit ja teknikot tietävät tarkalleen tasapainotuksen onnistumisen kriteerit. Tasapainotuslaadun standardointi G-luokkien avulla on siis mahdollistanut yhteisen kielen, jolla voidaan kuvata, kuinka “pehmeästi” tietyn roottorin pitäisi toimia ja saavuttaa tämä tärinävarmuuden taso käyttämällä menetelmiä, jotka ovat ymmärrettäviä ja todennettavissa maailmanlaajuisesti.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 