Dio I: Teorijski i regulatorni temelji dinamičkog uravnoteženja

Dinamičko balansiranje na terenu jedna je od ključnih operacija u tehnologiji podešavanja vibracija, usmjerena na produljenje vijeka trajanja industrijske opreme i sprječavanje izvanrednih situacija. Korištenje prijenosnih instrumenata poput Balanset-1A omogućuje izravno izvođenje ovih operacija na mjestu rada, minimizirajući zastoje i troškove povezane s demontažom. Međutim, uspješno balansiranje zahtijeva ne samo sposobnost rada s instrumentom, već i duboko razumijevanje fizičkih procesa koji su u osnovi vibracija, kao i poznavanje regulatornog okvira koji regulira kvalitetu rada.

Princip metodologije temelji se na postavljanju probnih utega i izračunavanju koeficijenata utjecaja neravnoteže. Jednostavno rečeno, instrument mjeri vibracije (amplitudu i fazu) rotirajućeg rotora, nakon čega korisnik sekvencijalno dodaje male probne utege u određenim ravninama kako bi "kalibrirao" utjecaj dodatne mase na vibracije. Na temelju promjena amplitude i faze vibracija, instrument automatski izračunava potrebnu masu i kut ugradnje korektivnih utega kako bi se uklonila neravnoteža.

Ovaj pristup implementira tzv. metoda s tri prolaza za balansiranje u dvije ravnine: početno mjerenje i dva mjerenja s probnim utezima (po jedan u svakoj ravnini). Za balansiranje u jednoj ravnini obično su dovoljna dva mjerenja - bez utega i s jednim probnim utegom. U modernim instrumentima svi potrebni izračuni izvode se automatski, što značajno pojednostavljuje proces i smanjuje zahtjeve za kvalifikacijom operatera.

Odjeljak 1.1: Fizika neravnoteže: Dubinska analiza

U srži svake vibracije u rotirajućoj opremi leži neravnoteža ili disbalans. Neravnoteža je stanje u kojem je masa rotora neravnomjerno raspoređena u odnosu na svoju os rotacije. Ta neravnomjerna raspodjela dovodi do pojave centrifugalnih sila, koje pak uzrokuju vibracije nosača i cijele konstrukcije stroja. Posljedice neriješene neravnoteže mogu biti katastrofalne: od preranog trošenja i uništavanja ležajeva do oštećenja temelja i samog stroja. Za učinkovitu dijagnozu i uklanjanje neravnoteže potrebno je jasno razlikovati njezine vrste.

Vrste neravnoteže

Statička neravnoteža (jedna ravnina): Ovu vrstu neravnoteže karakterizira pomicanje središta mase rotora paralelno s osi rotacije. U statičkom stanju, takav rotor, postavljen na horizontalne prizme, uvijek će se okretati s teškom stranom prema dolje. Statička neravnoteža dominantna je kod tankih rotora u obliku diska gdje je omjer duljine i promjera (L/D) manji od 0,25, na primjer, brusni kotači ili uski rotori ventilatora. Uklanjanje statičke neravnoteže moguće je postavljanjem jednog korektivnog utega u jednu korekcijsku ravninu, dijametralno suprotnu od teške točke.

Neravnoteža para (momenata): Ovaj tip se javlja kada glavna os inercije rotora siječe os rotacije u središtu mase, ali nije paralelna s njom. Spregnuta neravnoteža može se predstaviti kao dvije jednake veličine, ali suprotno usmjerene neuravnotežene mase smještene u različitim ravninama. U statičkom stanju, takav rotor je u ravnoteži, a neravnoteža se manifestira samo tijekom rotacije u obliku "ljuljanja" ili "teturanja". Da bi se to kompenziralo, potrebna je ugradnja najmanje dva korektivna utega u dvije različite ravnine, stvarajući kompenzacijski moment.

Dinamička neravnoteža: Ovo je najčešći tip neravnoteže u stvarnim uvjetima, koji predstavlja kombinaciju statičke i parne neravnoteže. U ovom slučaju, glavna središnja os inercije rotora ne podudara se s osi rotacije i ne siječe je u središtu mase. Za uklanjanje dinamičke neravnoteže potrebna je korekcija mase u najmanje dvije ravnine. Dvokanalni instrumenti poput Balanset-1A posebno su dizajnirani za rješavanje ovog problema.

Kvazistatički debalans: Ovo je poseban slučaj dinamičke neravnoteže gdje glavna os inercije siječe os rotacije, ali ne u središtu mase rotora. Ovo je suptilna, ali važna razlika za dijagnosticiranje složenih rotorskih sustava.

Kruti i fleksibilni rotori: kritična razlika

Jedan od temeljnih koncepata u balansiranju je razlikovanje krutih i fleksibilnih rotora. To razlikovanje određuje samu mogućnost i metodologiju uspješnog balansiranja.

Kruti rotor: Rotor se smatra krutim ako je njegova radna frekvencija vrtnje znatno niža od njegove prve kritične frekvencije i ne podliježe značajnim elastičnim deformacijama (otklonima) pod djelovanjem centrifugalnih sila. Balansiranje takvog rotora obično se uspješno izvodi u dvije korekcijske ravnine. Instrumenti Balanset-1A prvenstveno su dizajnirani za rad s krutim rotorima.

Fleksibilni rotor: Rotor se smatra fleksibilnim ako radi na frekvenciji rotacije blizu jedne od svojih kritičnih frekvencija ili je prelazi. U tom slučaju, elastični otklon osovine postaje usporediv s pomakom središta mase i sam značajno doprinosi ukupnim vibracijama.

Prije početka rada izuzetno je važno klasificirati rotor koreliranjem njegove radne brzine s poznatim (ili izračunatim) kritičnim frekvencijama. Ako je nemoguće zaobići rezonancu, preporučuje se privremena promjena uvjeta montaže jedinice tijekom balansiranja kako bi se pomaknula rezonancija.

Odjeljak 1.2: Regulatorni okvir: ISO standardi

Standardi u području balansiranja obavljaju nekoliko ključnih funkcija: uspostavljaju jedinstvenu tehničku terminologiju, definiraju zahtjeve kvalitete i, što je važno, služe kao osnova za kompromis između tehničke nužnosti i ekonomske izvedivosti.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Zahtjevi kvalitete za balansiranje krutih rotora

Ova norma je temeljni dokument za određivanje dopuštene preostale neuravnoteženosti. Uvodi koncept stupnja kvalitete balansiranja (G), koji ovisi o vrsti stroja i njegovoj radnoj frekvenciji vrtnje.

Razred kvalitete G: Svaka vrsta opreme odgovara određenoj ocjeni kvalitete koja ostaje konstantna bez obzira na brzinu vrtnje. Na primjer, ocjena G6.3 preporučuje se za drobilice, a G2.5 za armature elektromotora i turbine.

Izračun dopuštene preostale neravnoteže (U_po): Standard omogućuje izračun specifične dopuštene vrijednosti neravnoteže koja služi kao ciljni pokazatelj tijekom balansiranja. Izračun se izvodi u dvije faze:

1. Određivanje dopuštene specifične neravnoteže (e_po) koristeći formulu:
   e po = (G × 9549) / n
   gdje je G stupanj kvalitete balansiranja (npr. 2,5), n je radna frekvencija vrtnje, okretaji u minuti. Jedinica mjere za e_po je g·mm/kg ili μm.
2. Određivanje dopuštene preostale neravnoteže (U_po) za cijeli rotor:
   U po = e po × M
   gdje je M masa rotora, kg. Jedinica mjere za U_po je g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Balansiranje na mjestu

Ovaj standard izravno regulira proces uravnoteženja polja.

Prednosti: Glavna prednost balansiranja na mjestu je ta što je rotor balansiran u stvarnim radnim uvjetima, na svojim nosačima i pod radnim opterećenjem. To automatski uzima u obzir dinamička svojstva sustava nosača i utjecaj spojenih komponenti osovinskog sklopa.

Nedostaci i ograničenja:

• Ograničen pristup: Često je pristup korekcijskim ravninama na sastavljenom stroju otežan, što ograničava mogućnosti ugradnje utega.
• Potreba za probnim vožnjama: Proces balansiranja zahtijeva nekoliko ciklusa "start-stop" stroja.
• Poteškoće s teškim poremećajem ravnoteže: U slučajevima vrlo velike početne neravnoteže, ograničenja u odabiru ravnine i masi korektivnih utega možda neće omogućiti postizanje potrebne kvalitete uravnoteženja.

Dio II: Praktični vodič za balansiranje s instrumentima Balanset-1A

Uspjeh balansiranja ovisi 80% o temeljitosti pripremnog rada. Većina kvarova nije povezana s neispravnošću instrumenta, već s ignoriranjem čimbenika koji utječu na ponovljivost mjerenja. Glavni princip pripreme je isključiti sve druge moguće izvore vibracija kako bi instrument mjerio samo učinak neravnoteže.

Odjeljak 2.1: Temelj uspjeha: Dijagnostika prije uravnoteženja i priprema stroja

Korak 1: Primarna dijagnostika vibracija (Je li stvarno neravnoteža?)

Prije balansiranja korisno je izvršiti preliminarno mjerenje vibracija u načinu rada vibrometra. Softver Balanset-1A ima način rada "Mjerač vibracija" (tipka F5) gdje možete izmjeriti ukupne vibracije i zasebno komponentu pri frekvenciji rotacije (1×) prije postavljanja bilo kakvih utega.

Klasični znak neravnoteže: Spektar vibracija trebao bi biti dominiran vrhom na frekvenciji rotacije rotora (vrh na frekvenciji 1x RPM). Amplituda ove komponente u horizontalnom i vertikalnom smjeru trebala bi biti usporediva, a amplitude ostalih harmonika trebale bi biti znatno niže.

Znakovi drugih nedostataka: Ako spektar sadrži značajne vrhove na drugim frekvencijama (npr. 2x, 3x RPM) ili na ne-višestrukim frekvencijama, to ukazuje na prisutnost drugih problema koje treba ukloniti prije balansiranja.

Korak 2: Sveobuhvatni mehanički pregled (kontrolni popis)

• Rotor: Temeljito očistite sve površine rotora od prljavštine, hrđe i prilijepljenog proizvoda. Čak i mala količina prljavštine na velikom radijusu stvara značajnu neravnotežu. Provjerite ima li slomljenih ili nedostajućih elemenata.
• Ležajevi: Provjerite sklopove ležajeva na prekomjerni zazor, vanjsku buku i pregrijavanje. Istrošeni ležajevi neće omogućiti dobivanje stabilnih očitanja.
• Temelj i okvir: Provjerite je li jedinica postavljena na čvrsti temelj. Provjerite zategnutost sidrenih vijaka i odsutnost pukotina u okviru.
• Pogon: Za remenske pogone, provjerite napetost i stanje remena. Za spojne spojeve - poravnanje osovine.
• Safety: Osigurajte prisutnost i ispravnost svih zaštitnih štitnika.

Odjeljak 2.2: Postavljanje i konfiguracija instrumenta

Instalacija hardvera

Senzori vibracija (akcelerometri):

• Spojite kabele senzora na odgovarajuće konektore instrumenta (npr. X1 i X2 za Balanset-1A).
• Postavite senzore na kućišta ležajeva što bliže rotoru.
• Ključna praksa: Za postizanje maksimalnog signala, senzore treba postaviti u smjeru gdje su vibracije najveće. Koristite snažnu magnetsku podlogu ili navojni nosač kako biste osigurali čvrsti kontakt.

Fazni senzor (laserski tahometar):

• Spojite senzor na poseban ulaz (X3 za Balanset-1A).
• Pričvrstite mali komad reflektirajuće trake na osovinu ili drugi rotirajući dio rotora.
• Postavite tahometar tako da laserska zraka stabilno udara u oznaku tijekom cijelog okretaja.

Konfiguracija softvera (Balanset-1A)

• Pokrenite softver (kao administrator) i spojite USB sučelje.
• Idite na modul za balansiranje. Izradite novi zapis za jedinicu koja se balansira.
• Odaberite vrstu balansiranja: 1-ravninsko (statičko) za uske rotore ili 2-ravninsko (dinamičko) za većinu ostalih slučajeva.
• Definirajte korekcijske ravnine: odaberite mjesta na rotoru gdje se korektivni utezi mogu sigurno ugraditi.

Odjeljak 2.3: Postupak uravnoteženja: Vodič korak po korak

Izvođenje 0: Početno mjerenje

• Pokrenite stroj i dovedite ga do stabilne radne brzine. Iznimno je važno da brzina vrtnje bude ista u svim sljedećim pogonima.
• U programu započnite mjerenje. Instrument će zabilježiti početne vrijednosti amplitude i faze vibracija.

Izvođenje 1: Probna težina u ravnini 1

• Zaustavite stroj.
• Odabir probne težine: Masa probnog utega trebala bi biti dovoljna da izazove primjetnu promjenu parametara vibracija (promjena amplitude od najmanje 20-30% ILI promjena faze od najmanje 20-30 stupnjeva).
• Instalacija probne težine: Sigurno pričvrstite izvagani probni uteg na poznatom radijusu u ravnini 1. Zabilježite kutni položaj.
• Pokrenite stroj istom stabilnom brzinom.
• Izvršite drugo mjerenje.
• Stop the machine and UKLONITE probni uteg.

Izvedba 2: Probni uteg u ravnini 2 (za balansiranje u 2 ravnine)

• Ponovite točno postupak iz koraka 2, ali postavite probni uteg u ravninu 2.
• Započni, izmjeri, zaustavi i UKLONITE probni uteg.

Izračun i ugradnja korektivnih utega

• Na temelju promjena vektora zabilježenih tijekom probnih vožnji, program će automatski izračunati masu i kut ugradnje korektivnog utega za svaku ravninu.
• Kut ugradnje obično se mjeri od mjesta probnog utega u smjeru vrtnje rotora.
• Sigurno pričvrstite trajne korektivne utege. Prilikom zavarivanja, imajte na umu da i sam zavar ima masu.

Izvođenje 3: Verifikacijsko mjerenje i fino balansiranje

• Ponovno pokrenite stroj.
• Izvršite kontrolno mjerenje kako biste procijenili razinu preostalih vibracija.
• Usporedite dobivenu vrijednost s tolerancijom izračunatom prema normi ISO 1940-1.
• Ako vibracija i dalje prelazi toleranciju, instrument će izračunati malu "finu" (trim) korekciju.
• Nakon završetka, spremite izvješće i koeficijente utjecaja za moguću buduću upotrebu.

Dio III: Napredno rješavanje problema i rješavanje problema

Ovaj odjeljak posvećen je najsloženijim aspektima balansiranja polja - situacijama u kojima standardni postupak ne daje rezultate.

Odjeljak 3.1: Dijagnoza i prevladavanje nestabilnosti mjerenja

Simptom: Tijekom ponovljenih mjerenja pod identičnim uvjetima, očitanja amplitude i/ili faze značajno se mijenjaju ("lebdenje", "skok"). To onemogućuje izračun korekcije.

Osnovni uzrok: Instrument ne radi ispravno. Točno izvještava da je vibracijski odziv sustava nestabilan i nepredvidljiv.

Sustavni dijagnostički algoritam:

• Mehanička labavost: Ovo je najčešći uzrok. Provjerite zategnutost vijaka za montažu kućišta ležaja, vijaka za sidrenje okvira. Provjerite ima li pukotina u temelju ili okviru.
• Nedostaci ležaja: Preveliki unutarnji zazor u kotrljajućim ležajevima ili trošenje ljuske ležaja omogućuje kaotično kretanje osovine unutar nosača.
• Nestabilnost povezana s procesom:
  • Aerodinamički (ventilatori): Turbulentni protok zraka, odvajanje struje od lopatica može uzrokovati nasumične učinke sile.
  • Hidraulika (pumpe): Kavitacija stvara snažne, nasumične hidraulične udare koji maskiraju periodični signal neravnoteže.
  • Unutarnje kretanje mase (drobilice, mlinovi): Materijal se može preraspodijeliti unutar rotora, djelujući kao "pokretni debalans".
• Rezonancija: Ako je radna brzina vrlo blizu prirodnoj frekvenciji strukture, čak i male promjene brzine uzrokuju ogromne promjene u amplitudi i fazi vibracija.
• Toplinski učinci: Kako se stroj zagrijava, toplinsko širenje može uzrokovati savijanje osovine ili promjene u poravnanju.

Odjeljak 3.2: Kada balansiranje ne pomaže: Prepoznavanje korijenskih nedostataka

Simptom: Postupak balansiranja je proveden, očitanja su stabilna, ali konačne vibracije ostaju visoke.

Korištenje spektralnog analizatora za diferencijalnu dijagnozu:

• Neusklađenost vratila: Glavni znak - visoki vršni vibracijski signal pri frekvenciji od 2x RPM. Karakteristična je visoka aksijalna vibracija.
• Nedostaci kotrljajućih ležajeva: Manifestira se kao visokofrekventna vibracija na karakterističnim "ležećim" frekvencijama (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Luk osovine: Manifestira se kao visoki vrh pri 1x RPM, ali često popraćen primjetnom komponentom pri 2x RPM.
• Električni problemi (elektromotori): Asimetrija magnetskog polja može uzrokovati vibracije na dvostruko većoj frekvenciji napajanja (100 Hz za mrežu od 50 Hz).

Uobičajene pogreške pri balansiranju i savjeti za sprječavanje

• Balansiranje neispravnog ili prljavog rotora: Uvijek provjerite stanje mehanizma prije balansiranja.
• Probna težina je premala: Ciljajte na pravilo promjene vibracija 20-30%.
• Nepoštivanje konstantnosti režima: Uvijek održavajte stabilnu i identičnu brzinu vrtnje tijekom svih mjerenja.
• Pogreške faze i oznake: Pažljivo pratite određivanje kuta. Kut korektivnog utega obično se mjeri od položaja probnog utega u smjeru rotacije.
• Nepravilno pričvršćivanje ili gubitak utega: Strogo se pridržavajte metodologije - ako je potrebno ukloniti probni uteg, uklonite ga.

Uravnoteženje standarda kvalitete

Dio IV: Često postavljana pitanja i napomene za primjenu

Odjeljak 4.1: Opća često postavljana pitanja (ČPP)

Kada koristiti balansiranje u jednoj ravnini, a kada u dvije ravnine?
Koristite balansiranje u jednoj ravnini (statičko) za uske rotore u obliku diska (omjer L/D < 0,25). Za praktički sve ostale rotore koristite balansiranje u 2 ravnine (dinamičko), posebno s L/D > 0.25.

Što učiniti ako probni uteg uzrokuje opasno povećanje vibracija?
Odmah zaustavite stroj. To znači da je probni uteg postavljen blizu postojeće teške točke. Rješenje: pomaknite probni uteg za 180 stupnjeva od njegovog izvornog položaja.

Mogu li se spremljeni koeficijenti utjecaja koristiti za drugi stroj?
Da, ali samo ako je drugi stroj apsolutno identičan - isti model, isti rotor, isti temelj, isti ležajevi. Bilo kakva promjena u strukturnoj krutosti učinit će ih nevažećima.

Kako uzeti u obzir utore za klinove? (ISO 8821)
Standardna praksa je korištenje "polu-klin" u utoru osovine prilikom balansiranja bez odgovarajućeg dijela. To kompenzira masu onog dijela klin koji ispunjava utor na osovini.

Odjeljak 4.2: Vodič za balansiranje za određene vrste opreme

Industrijski ventilatori i ispušni uređaji za dim:

• Problem: Najosjetljiviji na neravnotežu zbog nakupljanja proizvoda na oštricama ili abrazivnog trošenja.
• Procedure: Prije početka rada uvijek temeljito očistite impeler. Obratite pozornost na aerodinamičke sile koje mogu uzrokovati nestabilnost.

Pumpe:

• Problem: Glavni neprijatelj - kavitacija.
• Procedure: Prije balansiranja, osigurajte dovoljnu marginu kavitacije na ulazu (NPSHa). Provjerite da usisni cjevovod nije začepljen.

Drobilice, mljevenje i malčeri:

• Problem: Ekstremno trošenje, mogućnost velikih promjena neravnoteže zbog loma ili trošenja čekića.
• Procedure: Provjerite integritet i pričvršćenost radnih elemenata. Možda će biti potrebno dodatno učvršćivanje okvira stroja.

Armature elektromotora:

• Problem: Može imati i mehaničke i električne izvore vibracija.
• Procedure: Pomoću spektralnog analizatora provjerite vibracije na dvostrukoj frekvenciji napajanja. Njihova prisutnost ukazuje na električni kvar, a ne na neravnotežu.

Zaključak

Dinamičko balansiranje rotora na mjestu pomoću prijenosnih instrumenata poput Balanset-1A moćan je alat za povećanje pouzdanosti i učinkovitosti rada industrijske opreme. Međutim, uspjeh ovog postupka ne ovisi toliko o samom instrumentu koliko o stručnoj kvalifikaciji i sposobnosti primjene sustavnog pristupa.

Ključna načela:

• Priprema određuje rezultat: Temeljito čišćenje rotora, provjera stanja ležajeva i temelja te prethodna dijagnostika vibracija obvezni su uvjeti za uspješno balansiranje.
• Usklađenost sa standardima je osnova kvalitete: Primjena norme ISO 1940-1 pretvara subjektivnu procjenu u objektivan, mjerljiv i pravno značajan rezultat.
• Instrument nije samo balanser već i dijagnostički alat: Nemogućnost održavanja ravnoteže ili nestabilnost pri čitanju važni su dijagnostički znakovi koji ukazuju na ozbiljnije probleme.
• Razumijevanje procesne fizike ključno je za rješavanje nestandardnih zadataka: Poznavanje razlika između krutih i fleksibilnih rotora, razumijevanje utjecaja rezonancije omogućuje stručnjacima donošenje ispravnih odluka.

Slijeđenje preporuka navedenih u ovom vodiču omogućit će tehničkim stručnjacima ne samo uspješno rješavanje tipičnih zadataka, već i učinkovito dijagnosticiranje i rješavanje složenih, netrivijalnih problema vibracija rotirajuće opreme.