איזון רוטורים: חוסר איזון סטטי ודינמי, תהודה ופרוצדורה מעשית
מדריך זה מסביר איזון רוטורים עבור רוטורים קשיחים: מה המשמעות של "חוסר איזון", כיצד חוסר איזון סטטי ודינמי נבדלים זה מזה, מדוע תהודה ואי-לינאריות יכולות למנוע תוצאה איכותית, וכיצד איזון מתבצע בדרך כלל במישור תיקון אחד או שניים.
תוֹכֶן
- מהו רוטור ומה תפקידו של איזון?
- סוגי רוטורים וסוגי חוסר איזון
- רטט של מנגנונים: מה איזון יכול ומה לא יכול להסיר
- תהודה: גורם המונע איזון
- מודלים לינאריים לעומת מודלים לא לינאריים: מתי חישובים מפסיקים לעבוד
- מכשירים ומכונות לאיזון
- איזון רוטורים קשיחים (הערות מעשיות)
- כיצד מתבצע איזון דינמי (שיטת שלוש ריצות)
- קריטריונים להערכת איכות האיזון
- תקנים והפניות
- שאלות נפוצות
מהו רוטור ומה תפקידו של איזון?
הרוטור הוא גוף המסתובב סביב ציר כלשהו ומוחזק על-ידי משטחי המיסב שלו בתומכים. משטחי המיסב של הרוטור מעבירים עומסים לתומכים באמצעות מיסבים מתגלגלים או מחליקים. משטחי המיסב הם משטחי הצירים או המשטחים המחליפים אותם.
ברוטור מאוזן לחלוטין, המסה שלו מחולקת באופן סימטרי סביב ציר הסיבוב, כלומר, כל רכיב ברוטור יכול להיות מותאם לרכיב אחר הממוקם באופן סימטרי סביב ציר הסיבוב. ברוטור מאוזן, הכוח הצנטריפוגלי הפועל על כל רכיב ברוטור מאוזן על ידי הכוח הצנטריפוגלי הפועל על הרכיב הסימטרי. לדוגמה, כוחות צנטריפוגליים F1 ו-F2, שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם, פועלים על רכיבים 1 ו-2 (מסומנים בירוק באיור 1). זה נכון לגבי כל רכיבי הרוטור הסימטריים, ולכן הכוח הצנטריפוגלי הכולל הפועל על הרוטור הוא 0 והרוטור מאוזן.
אך אם סימטריית הרוטור נפגמת (האלמנט הא-סימטרי מסומן בצבע אדום באיור 1), פועל על הרוטור כוח צנטריפוגלי לא מאוזן F3. בעת הסיבוב, כוח זה משנה את כיוונו בהתאם לסיבוב הרוטור. העומס הדינמי הנובע מכוח זה מועבר למסבים, מה שמביא לבלאי מואץ.
בנוסף, תחת השפעת כוח הכיוון המשתנה הזה מתרחש עיוות מחזורי בתומכים ובבסיס שעליהם קבוע הרוטור, כלומר נוצר רטט. על מנת לבטל את חוסר האיזון של הרוטור ואת הרטט הנלווה אליו, יש להתקין משקולות איזון כדי להשיב את הסימטריה לרוטור.
איזון רוטור הוא פעולה שנועדה לתקן חוסר איזון באמצעות הוספת משקולות איזון.
מטרת האיזון היא למצוא את גודלן ומיקומן (זוויתן) של מסות איזון אחת או יותר.
סוגי רוטורים וסוגי חוסר איזון
בהתחשב בחוזק חומר הרוטור ובגודל הכוחות הצנטריפוגליים הפועלים עליו, ניתן לחלק רוטורים לשני סוגים - רוטורים קשיחים ורוטורים גמישים.
הרוטורים הקשיחים מתעוותים במידה זניחה תחת פעולת כוח צנטריפוגלי במצבי עבודה, וניתן להתעלם מהשפעת עיוות זה בחישובים.
אי אפשר עוד להזניח את העיוות של רוטורים גמישים. עיוות של רוטורים גמישים מסבך את פתרון בעיית האיזון ודורש יישום של מודלים מתמטיים אחרים בהשוואה לבעיית האיזון של רוטורים קשיחים. יש לציין כי אותו רוטור במהירויות נמוכות יכול להתנהג כקשיח, ובמהירויות גבוהות - כגמיש. להלן, נבחן רק את האיזון של רוטורים קשיחים.
בהתאם לפיזור המסות הלא מאוזנות לאורך הרוטור, ניתן להבחין בין שני סוגים של חוסר איזון - סטטי ודינמי (רגעי). בהתאם לכך, מכונים איזון רוטור סטטי ודינמי. חוסר איזון רוטור סטטי מתרחש ללא סיבוב הרוטור, כלומר במצב סטטי, כאשר הרוטור מתהפך על ידי כוח הכבידה כאשר "הנקודה הכבדה" שלו פונה כלפי מטה. דוגמה לרוטור עם חוסר איזון סטטי מוצגת באיור 2.
חוסר איזון דינמי מתרחש רק כאשר הרוטור מסתובב.
דוגמה לרוטור עם אי-איזון דינמי מוצגת באיור 3.
במקרה זה, המסות השוות והלא מאוזנות M1 ו-M2 נמצאות במישורים שונים - במקומות שונים לאורך הרוטור. במצב סטטי, כלומר כאשר הרוטור אינו מסתובב, רק כוח הכבידה פועל על הרוטור והמסות מאזנות זו את זו. בדינמיקה, כאשר הרוטור מסתובב, כוחות צנטריפוגליים Fc1 ו-Fc2 מתחילים לפעול על המסות M1 ו-M2. כוחות אלה שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם. עם זאת, מכיוון שהם מופעלים במקומות שונים לאורך הציר ואינם נמצאים באותו קו, כוחות אלה אינם מפצים זה את זה. הכוחות Fc1 ו-Fc2 יוצרים מומנט המופעל על הרוטור. לכן, חוסר איזון זה נקרא גם חוסר איזון מומנט. בהתאם לכך, כוחות צנטריפוגליים לא מפוצים פועלים על מיקומי המיסבים, אשר יכולים לעלות בהרבה על הערכים המחושבים ולקצר את חיי השירות של המיסבים.
מכיוון שסוג זה של חוסר איזון מתרחש באופן דינמי בלבד במהלך סיבוב הרוטור, הוא נקרא חוסר איזון דינמי. לא ניתן לתקן אותו בתנאים סטטיים על ידי איזון "על סכינים" או שיטות דומות. על מנת לבטל חוסר איזון דינמי, יש להתקין שתי משקולות פיצוי, המייצרות מומנט שווה בגודלו והפוך בכיוון למומנט הנובע מהמסות M1 ו-M2. המסות המפצות אינן חייבות להיות ממוקמות מול ושוות בגודלן למסות M1 ו-M2. העיקר הוא שהן ייצרו מומנט שמפצה באופן מלא על מומנט חוסר האיזון.
באופן כללי, המסות M1 ו-M2 עשויות לא להיות שוות זו לזו, כך שיהיה שילוב של חוסר איזון סטטי ודינמי. תיאורטית הוכח שעבור רוטור קשיח, שתי משקולות המרוחקות זו מזו לאורך הרוטור הן הכרחיות ומספיקות כדי לבטל את חוסר האיזון שלו. משקולות אלו יפצו הן את המומנט הנובע מחוסר איזון דינמי והן את הכוח הצנטריפוגלי הנובע מאסימטריה של המסה יחסית לציר הרוטור (חוסר איזון סטטי). בדרך כלל, חוסר איזון דינמי אופייני לרוטורים ארוכים, כגון צירים, וחוסר איזון סטטי אופייני לרוטורים צרים. עם זאת, אם הרוטור הצר מוטה יחסית לציר, או מעוות ("צורת שמונה"), אזי חוסר איזון דינמי יהיה קשה לביטול (ראה איור 4), מכיוון שבמקרה זה קשה להתקין משקולות תיקון היוצרות את מומנט הפיצוי הדרוש.
הכוחות F1 ו-F2 אינם מונחים על אותו קו ואינם מבטלים זה את זה.
בשל העובדה שהזרוע ליצירת מומנט קטנה עקב הרוטור הצר, ייתכן שיידרשו משקולות תיקון גדולות. עם זאת, הדבר גורם גם ל"חוסר איזון מושרה" עקב עיוות הרוטור הצר על ידי כוחות צנטריפוגליים ממשקולות התיקון. (ראה לדוגמה "הוראות מתודולוגיות לאיזון רוטורים קשיחים (לפי ISO 22061-76)". סעיף 10. מערכת תמיכה ברוטור.)
דבר זה בולט במיוחד במאווררים בעלי אימפלרים צרים, שבהם, בנוסף לחוסר איזון הכוחות, קיים גם חוסר איזון אווירודינמי. יש להבין כי חוסר האיזון האווירודינמי, או ליתר דיוק הכוח האווירודינמי, עומד ביחס ישר למהירות הזוויתית של הרוטור, ולצורך פיצויו נעשה שימוש בכוח הצנטריפוגלי של מסת התיקון, העומד ביחס ישר לריבוע המהירות הזוויתית. לפיכך, אפקט האיזון יכול להתרחש רק בתדר איזון ספציפי. בתדרי סיבוב אחרים קיימת שגיאה נוספת.
ניתן לומר את אותו הדבר על הכוחות האלקטרומגנטיים במנוע חשמלי, שגם הם עומדים ביחס ישר למהירות הזוויתית. לפיכך, לא ניתן לבטל את כל הגורמים לרטט במכונה באמצעות איזון.
רטט של מנגנונים
רטט הוא התגובה של תכנון המנגנון להשפעותיו של כוח מגרה מחזורי. כוח זה יכול להיות בעל אופי שונה.
הכוח הצנטריפוגלי הנובע מהרוטור הלא מאוזן הוא כוח לא מפוצה הפועל על "הנקודה הכבדה". כוח זה והוויברציה הנגרמת ממנו הם שניתן לבטל על ידי איזון הרוטור.
כוחות אינטראקציה בעלי אופי "גיאומטרי" הנובעים משגיאות ייצור והרכבה של החלקים המחוברים. כוחות אלה יכולים, למשל, לנבוע כתוצאה מחוסר עיגול של צווארי הציר, שגיאות בפרופילי השיניים בגלגלי השיניים, גליות של מסילות המסב, חוסר יישור של צירים מחוברים וכו'. במקרה של חוסר מעגליות של ציר הציר, ציר הציר יזוז בהתאם לזווית הסיבוב של הציר. למרות שרטט זה מתרחש גם במהירות הרוטור, כמעט בלתי אפשרי לבטל אותו על ידי איזון.
כוחות אווירודינמיים הנובעים מסיבוב המדחפים של מאווררים ומנגנוני כנפיים אחרים. כוחות הידרודינמיים הנובעים מסיבוב המדחפים של משאבות הידראוליות, טורבינות וכדומה.
כוחות אלקטרומגנטיים הנובעים מהפעלת מכונות חשמליות, כגון סלילות רוטור א-סימטריות, סלילות בקצר וכו'.
עוצמת התנודה (למשל, משרעתה Av) תלויה לא רק בכוח המניע Fv הפועל על המנגנון בתדר סיבובי ω, אלא גם בקשיחות k של המנגנון, במסתו m, וכן במקדם הדעיכה C.
ניתן להשתמש בסוגים שונים של חיישנים למדידת רטט ומנגנוני איזון, כולל:
- חיישני רטט מוחלטים המיועדים למדידת תאוצת הרטט (מד-תאוצה) וחיישני מהירות הרטט;
- חיישני רטט יחסיים - זרם מערבולת או קיבולי, שנועדו למדוד תזוזת רטט;
- במקרים מסוימים (כאשר תכנון המנגנון מאפשר זאת), ניתן להשתמש גם בחיישני כוח כדי להעריך את עומס הרטט שלו; בפרט, הם נמצאים בשימוש נרחב למדידת עומס הרטט של תומכי מכונות איזון בעלות מסבים קשים.
לפיכך, רטט הוא התגובה של מכונה לפעולת כוחות חיצוניים. עוצמת הרטט תלויה לא רק בעוצמת הכוח הפועל על המנגנון, אלא גם בקשיחות התכנון של המנגנון. אותו כוח בדיוק יכול לגרום לרטטים שונים. במכונה עם מיסבים קשיחים, גם אם הרטט קטן, המיסבים עלולים להיות נתונים לעומסים דינמיים משמעותיים. זו הסיבה שבאיזון מכונות עם מיסבים קשיחים משתמשים בחיישני כוח ולא בחיישני רטט (מד-תאוצת רטט).
חיישני רטט משמשים במנגנונים בעלי תומכים גמישים יחסית, כאשר פעולתן של כוחות צנטריפוגליים לא מאוזנים גורמת לעיוות ניכר של התומכים ולרטט. חיישני כוח משמשים לתומכים קשיחים, כאשר אפילו כוחות משמעותיים הנובעים מחוסר איזון אינם גורמים לרטט ניכר.
תהודה הוא גורם המונע איזון
מוקדם יותר ציינו כי הרוטורים נחלקים לרוטורים קשיחים ולרוטורים גמישים. אין לבלבל בין קשיחותו או גמישותו של הרוטור לבין קשיחותן או ניידותן של התומכות (היסודות) שעליהן מותקן הרוטור. רוטור נחשב לקשיח כאשר ניתן להתעלם מהעיוות (הכיפוף) שלו תחת פעולת כוחות צנטריפוגליים. העיוות של רוטור גמיש הוא גדול יחסית ואי-אפשר להתעלם ממנו.
במאמר זה נתייחס אך ורק לאיזון של רוטורים קשיחים. רוטור קשיח (שאינו ניתן לעיוות) יכול להיות מותקן על תומכים קשיחים או על תומכים ניידים (גמישים). ברור כי קשיחותם או יכולת התלייה של התומכים היא עניין יחסי, התלוי במהירות הרוטור ובעוצמת כוחות הצנטריפוגלי הנוצרים. גבול מותנה הוא תדר התנודות הטבעיות של תומכי הרוטור.
במערכות מכניות, צורתן ותדירותן של תנודות טבעיות נקבעות על ידי המסה והאלסטיות של מרכיבי המערכת המכנית. כלומר, תדירות התנודות הטבעיות היא מאפיין פנימי של המערכת המכנית ואינה תלויה בכוחות חיצוניים. כאשר הם מוסטים ממצב שיווי המשקל, נוטים התומכים, בשל האלסטיות שלהם, לחזור למצב שיווי המשקל. אך בשל האינרציה של הרוטור המסיבי, תהליך זה הוא בעל אופי של תנודות מוחלשות. תנודות אלו הן התנודות הטבעיות של מערכת הרוטור והתומכים. תדירותן תלויה ביחס בין מסת הרוטור לאלסטיות של התומכים.
כאשר הרוטור מתחיל להסתובב ותדירות הסיבוב שלו מתקרבת לתדירות התנודות הטבעיות, משרעת התנודה גדלה באופן חד, דבר שעלול להוביל להרס המבנה.
מתרחשת תופעת התהודה המכנית. באזור התהודה, שינוי במהירות הסיבוב ב-100 סל"ד עלול להוביל לעלייה בעוצמת הרטט פי עשרות. במקביל (באזור התהודה) שלב הרטט משתנה ב-180°.
אם תכנון המנגנון אינו מוצלח ותדר הפעולה של הרוטור קרוב לתדר התנודות הטבעיות, אזי פעולת המנגנון הופכת לבלתי אפשרית בשל רמת הרטט הגבוהה מדי. לא ניתן לפתור זאת בדרך המקובלת, שכן אפילו שינוי קטן במהירות יגרום לשינוי דרמטי בפרמטרי הרטט. לצורך איזון באזור התהודה נעשה שימוש בשיטות מיוחדות שלא נדונו במאמר זה.
ניתן לקבוע את תדר התנודות הטבעיות של המנגנון במצב של תנועה חופשית (בעת הפסקת סיבוב הרוטור) או באמצעות שיטת ההלם, ולאחר מכן לבצע ניתוח ספקטרלי של תגובת המערכת להלם.
במקרה של מנגנונים שתדירות הסיבוב שלהם גבוהה מתדירות התהודה, כלומר הפועלים במצב תהודה, התומכים נחשבים כניידים, ולצורך המדידה נעשה שימוש בחיישני רטט, בעיקר במאיצי-רטט, המודדים את תאוצת האלמנטים המבניים. במקרה של מנגנונים הפועלים במצב טרום-תהודה, התומכים נחשבים כקשיחים. במקרה זה נעשה שימוש בחיישני כוח.
מודלים לינאריים ולא לינאריים של מערכת מכנית. אי-לינאריות היא גורם המונע איזון
בעת איזון רוטורים קשיחים, נעשה שימוש במודלים מתמטיים המכונים "מודלים לינאריים" לצורך חישובי האיזון. מודל לינארי פירושו שבמודל כזה, כמות אחת עומדת ביחס ישר (לינארי) לכמות השנייה. לדוגמה, אם מכפילים את המסה הבלתי מפוצה על הרוטור, ערך הרטט יוכפל אף הוא. עבור רוטורים קשיחים ניתן להשתמש במודל לינארי, שכן הם אינם מתעוותים.
במקרה של רוטורים גמישים, לא ניתן עוד להשתמש במודל הליניארי. ברוטור גמיש, אם מסת נקודת הכובד גדלה במהלך הסיבוב, יתרחש עיוות נוסף, ובנוסף למסה, גם רדיוס המיקום של נקודת הכובד יגדל. לפיכך, ברוטור גמיש, התנודה תגדל ביותר מפי שניים, ושיטות החישוב המקובלות לא יפעלו.
כמו כן, יש לקחת בחשבון את השינוי באלסטיות של התומכים בעת עיוותים גדולים שלהם; לדוגמה, בעיוותים קטנים של התומכים פועלים רכיבים מבניים מסוימים, ואילו בעיוותים גדולים מעורבים רכיבים מבניים אחרים. זו הסיבה שלא ניתן לאזן מנגנונים שאינם קבועים על בסיס, אלא, למשל, מונחים פשוט על הרצפה. במקרה של רעידות משמעותיות, כוח חוסר האיזון עלול למשוך את המנגנון מהרצפה, ובכך לשנות באופן משמעותי את מאפייני הקשיחות של המערכת. רגלי המנוע חייבות להיות מהודקות היטב, תושבות הברגים חייבות להיות מהודקות, עובי הדיסקית חייב לספק קשיחות הרכבה מספקת וכו'. אם המסבים שבורים, ייתכנו חוסר יישור משמעותי של הפיר וזעזועים, מה שיגרום גם ליניאריות ירודה וחוסר יכולת לבצע איזון איכותי.
מכשירים ומכונות לאיזון
כפי שצוין לעיל, איזון הוא תהליך של יישור ציר האינרציה המרכזי הראשי עם ציר הסיבוב של הרוטור.
ניתן לבצע תהליך זה בשתי דרכים.
השיטה הראשונה כרוכה בעיבוד שבבי של צווארוני הרוטור באופן שהציר העובר דרך מרכזי חתך הצווארונים יחתוך את ציר האינרציה המרכזי הראשי של הרוטור. טכניקה זו כמעט ואינה בשימוש בפועל, ולכן לא נרחיב עליה במאמר זה.
השיטה השנייה (הנפוצה ביותר) כרוכה בהזזה, התקנה או הסרה של משקולות תיקון על הרוטור, הממוקמות כך שציר האינרציה של הרוטור יהיה קרוב ככל האפשר לציר הסיבוב שלו.
העברה, הוספה או הסרה של משקלי תיקון במהלך האיזון ניתנות לביצוע באמצעות פעולות טכנולוגיות שונות, לרבות: קידוח, כרסום, ריתוך הצפה, ריתוך, הברגה או הוצאת ברגים, חריטה בלייזר או בקרן אלקטרונים, אלקטרוליזה, ריתוך הצפה אלקטרומגנטי וכדומה.
ניתן לבצע את תהליך האיזון בשתי דרכים:
- איזון רוטורים מורכבים (בתוך המסבים שלהם) באמצעות מכונות איזון;
- איזון רוטורים במכונות איזון. לצורך איזון רוטורים בתוך המסבים שלהם נעשה בדרך כלל שימוש במכשירי איזון ייעודיים (ערכות), המאפשרים למדוד את הרטט של הרוטור המאוזן בתדר הסיבוב שלו בצורה וקטורית, כלומר למדוד הן את משרעת הרטט והן את שלבו. כיום, המכשירים הנ"ל מיוצרים על בסיס טכנולוגיית מיקרו-מעבדים ומספקים (מלבד מדידת וניתוח הרטט) חישוב אוטומטי של פרמטרי משקלי התיקון, שיש להתקין על הרוטור כדי לפצות על חוסר האיזון שלו.
המכשירים הללו כוללים:
- יחידת מדידה וחישוב המבוססת על מחשב או בקר תעשייתי;
- שני (או יותר) חיישני רטט;
- חיישן זווית פאזה;
- אביזרים להתקנת החיישנים באתר;
- תוכנה ייעודית, שנועדה לבצע מחזור מלא של מדידת פרמטרי הרטט של הרוטור במישור תיקון אחד, שניים או יותר.
כיום, שני סוגי מכונות האיזון הם הנפוצים ביותר:
- מכונות עם מיסבים רכים (עם תומכים רכים);
- מכונות עם מיסבים קשיחים (בעלות תומכים קשיחים).
למכונות בעלות מיסבים רכים יש תומכים גמישים יחסית, למשל, המבוססים על קפיצים שטוחים. תדר התנודות הטבעיות של תומכים אלה נמוך בדרך כלל פי 2-3 מתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן, המותקן עליהם. חיישני רטט (מדי תאוצה, חיישני מהירות רטט וכו') משמשים בדרך כלל למדידת הרטט של התומכים הקדם-תהודה של המכונה.
מכונות איזון טרום-תהודה משתמשות בתומכים קשיחים יחסית, שתדרי התנודה הטבעיים שלהם צריכים להיות גבוהים פי 2–3 מתדר הסיבוב של הרוטור שעובר איזון. בדרך כלל נעשה שימוש בממירי כוח למדידת עומס התנודה המופעל על תומכי מכונת האיזון טרום-תהודה.
היתרון של מכונות איזון טרום-תהודה הוא שניתן לבצע איזון עליהן במהירויות רוטור נמוכות יחסית (עד 400 - 500 סל"ד), מה שמפשט מאוד את תכנון המכונה ויסודה, ומגביר את הפרודוקטיביות והבטיחות של האיזון.
איזון רוטורים קשיחים
חָשׁוּב!
- האיזון מבטל רק את הרטט הנגרם כתוצאה מפיזור לא סימטרי של מסת הרוטור ביחס לציר הסיבוב שלו. סוגי רטט אחרים אינם מבוטלים באמצעות איזון!
- מנגנונים טכניים, שתכנונם מבטיח היעדר תהודה בתדר הסיבוב התפעולי, המותקנים באופן יציב על הבסיס, מותקנים במיסבים הניתנים לתחזוקה, ועוברים איזון.
- יש לתקן מכונות פגומות לפני ביצוע האיזון. אחרת, לא ניתן לבצע איזון איכותי.
איזון אינו תחליף לתיקון!
The main task of balancing is to find the mass and location of compensating weights that counteract the centrifugal forces.
כפי שצוין לעיל, במקרה של רוטורים קשיחים, בדרך כלל די בהתקנת שני משקלי איזון. פעולה זו תבטל את חוסר האיזון הסטטי והדינמי של הרוטור. התוכנית הכללית למדידת הרטט במהלך האיזון היא כדלקמן.
חיישני רטט מותקנים על תומכי המסבים בנקודות 1 ו-2. סימן סיבוב מחובר לרוטור, בדרך כלל באמצעות סרט מחזיר אור. סימן ה-RPM משמש את מד הסל"ד הלייזר לקביעת מהירות הרוטור ושלב אות הרטט.
כיצד מתבצע איזון דינמי (שיטת שלוש ריצות)
ברוב המקרים, האיזון הדינמי מתבצע בשיטת שלושת ההפעלות. השיטה מבוססת על כך שמשקולות בדיקה בעלות משקל ידוע מונחות על הרוטור ברצף במישורים 1 ו-2, והמשקולות ומיקומן מחושבים על סמך תוצאות השינויים בפרמטרי הרטט.
המקום שבו מותקנים המשקולות נקרא "מישור התיקון". בדרך כלל, מישורי התיקון נבחרים באזור תומכי המסבים שעליהם מותקן הרוטור.
בהפעלה הראשונה נמדד הרטט הראשוני. לאחר מכן מונח משקל בדיקה בעל מסה ידועה על הרוטור, קרוב לאחד המסבים. מתבצעת הפעלה שנייה ונמדדים פרמטרי הרטט, שאמורים להשתנות עקב התקנת משקל הבדיקה. לאחר מכן, משקל הבדיקה במישור הראשון מוסר ומוצב במישור השני. מתבצעת ריצת בדיקה שלישית ונמדדים פרמטרי הרטט. משקל הבדיקה מוסר והתוכנה מחשבת באופן אוטומטי את המסה וזוויות ההתקנה של משקלי האיזון.
מטרת התקנת משקלי הבדיקה היא לקבוע כיצד מגיבה המערכת לשינויים בחוסר האיזון. משקלי הבדיקה ומיקומם ידועים, ולכן התוכנה יכולה לחשב את מה שמכונה "מקדמי השפעה", המראים כיצד השפעתו של חוסר איזון ידוע משפיעה על פרמטרי הרטט. מקדמי ההשפעה הם מאפיינים של המערכת המכנית עצמה, והם תלויים בקשיחות התומכים ובמסה (האינרציה) של מערכת הרוטור והתומכים.
במקרה של מנגנונים מאותו סוג ובעל אותו תכנון, מקדמי ההשפעה יהיו דומים. ניתן לשמור אותם בזיכרון המחשב ולהשתמש בהם לאיזון מנגנונים מאותו סוג ללא הרצות ניסוי, דבר המגביר באופן משמעותי את יעילות תהליך האיזון. יש לשים לב כי יש לבחור את מסת משקלי הבדיקה כך שפרמטרי הרטט ישתנו באופן ניכר עם התקנת משקלי הבדיקה. אחרת, טעות החישוב של מקדמי ההשפעה תגדל ואיכות האיזון תיפגע.
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.
לא ניתן לבטל את הרטט הזה באמצעות איזון, ובמקרה כזה נדרש יישור. בפועל, למכונות כאלה יש בדרך כלל גם חוסר איזון ברוטור וגם חוסר יישור בציר, מה שמקשה הרבה יותר על משימת ביטול הרטט. במקרים כאלה, יש צורך למרכז את המכונה תחילה ולאחר מכן לאזן אותה. (אם כי בחוסר איזון חזק במומנט, רטט מתרחש גם בכיוון הצירי עקב "פיתול" של מבנה היסוד.)
מאמרים קשורים (דוגמאות למעמדי איזון)
קריטריונים להערכת איכות מנגנוני האיזון
ניתן להעריך את איכות האיזון של רוטורים (מנגנונים) בשתי דרכים. השיטה הראשונה כרוכה בהשוואת כמות חוסר האיזון השיורי שנקבעה במהלך תהליך האיזון עם הסבילות לחוסר איזון שיורי. סבילות אלה עבור סוגי הרוטורים השונים מפורטות בתקן ISO 1940-1-2007. חלק 1. הגדרת חוסר איזון מותר.
עם זאת, עמידה בסבילות שצוינו אינה יכולה להבטיח באופן מוחלט את אמינות התפעול של המנגנון, הקשורה להשגת הרמה המינימלית של הרטט שלו. הדבר מוסבר בכך שגודל הרטט של המנגנון נקבע לא רק על ידי עוצמת הכוח הקשורה לחוסר האיזון השיורי של הרוטור שלו, אלא תלוי גם במספר פרמטרים נוספים, כולל: קשיחות k של אלמנטים מבניים במנגנון, המסה שלו m, מקדם הדעיכה, וכן תדר הסיבוב. לכן, כדי להעריך את התכונות הדינמיות של המנגנון (כולל איכות האיזון שלו) במספר מקרים, מומלץ להעריך את רמת הרטט השיורי של המנגנון, המוסדרת על ידי מספר תקנים.
התקן הנפוץ ביותר, המסדיר את רמות הרטט המותרות של מנגנונים, הוא ISO 10816-3-2002. בעזרתו ניתן לקבוע סבילות לכל סוג של מכונות, תוך התחשבות בהספק המנוע החשמלי שלהן.
בנוסף לתקן אוניברסלי זה, קיימים מספר תקנים ייעודיים שפותחו עבור סוגים ספציפיים של מכונות. לדוגמה, 31350-2007, ISO 7919-1-2002 ועוד.
תקנים והפניות
- תקן ISO 1940-1:2007. רעידות. דרישות לאיכות האיזון של רוטורים קשיחים. חלק 1. קביעת חוסר איזון מותר.
- תקן ISO 10816-3:2009. רעידות מכניות - הערכת רעידות מכונה על ידי מדידות על חלקים שאינם מסתובבים - חלק 3: מכונות תעשייתיות בעלות הספק נומינלי מעל 15 קילוואט ומהירויות נומינליות בין 120 סל"ד ל-15,000 סל"ד כאשר נמדדות באתר.
- תקן ISO 14694:2003. מאווררים תעשייתיים - מפרטים לאיכות איזון ורמות רעידות.
- ISO 7919-1:2002. רעידות של מכונות ללא תנועה הדדית - מדידות על צירים מסתובבים וקריטריונים להערכה - הנחיות כלליות.
שאלות נפוצות
האם איזון מסיר את כל הרטט?
לא. איזון מסיר רעידות הנגרמות מהתפלגות אסימטרית של מסת הרוטור ביחס לציר הסיבוב שלו. רעידות כתוצאה מחוסר יישור, פגמי מיסב, כוחות אווירודינמיים/הידרודינמיים, כוחות אלקטרומגנטיים וסיבות אחרות דורשות פעולות אבחון ותיקון נפרדות.
מדוע איזון יכול להיכשל ליד תהודה?
קרוב לתהודה, שינויים קטנים במהירות יכולים לגרום לשינויים גדולים במשרעת הרטט ולהסטת פאזה של 180 מעלות. בתנאים כאלה תוצאות המדידה הופכות לבלתי יציבות, וייתכן שהליכי איזון קונבנציונליים לא יתכנסו ללא שיטות מיוחדות.
מתי צריך איזון במישור אחד לעומת איזון דו-מישורי?
עבור רוטור קשיח, שני משקולות המופרדות לאורך הרוטור הן בדרך כלל הכרחיות ומספיקות כדי לבטל חוסר איזון סטטי ודינמי משולב. רוטורים צרים לעיתים קרובות מציגים בעיקר חוסר איזון סטטי, אך עיוות וגיאומטריה יכולים להכניס רכיב דינמי שעשוי לדרוש תיקון דו-מישורי.
מה צריך לעשות לפני איזון?
ודא שהמכונה תקינה: הרכבה אמינה על היסוד, מיסבים תקינים, ללא רפיון חמור וללא מקורות ברורים של אי-לינאריות. איזון אינו תחליף לתיקון.
נקודות מפתח
- איזון מתקן עירור הקשור למסה (צנטריפוגלי); הוא אינו פותר חוסר יישור, נזק למסבים או מקורות אלקטרומגנטיים/אווירודינמיים.
- תהודה ואי-לינאריות יכולות להפוך איזון קונבנציונלי ללא יעיל או לא בטוח.
- עבור רוטורים קשיחים, איזון דו-מישורי הוא הפתרון הכללי לחוסר איזון סטטי ודינמי משולב.
