Penyeimbangan rotor: ketidakseimbangan statis dan dinamis, resonansi, dan prosedur praktis.

Perangkat

Penyeimbang portabel & penganalisis getaran Balanset-1A

€1,975.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Sensor getaran

€90.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Sensor Optik (Takometer Laser)

€124.00 + PPN (jika berlaku)

Perangkat

Balanset-4

€6,803.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Dudukan magnetik Insize-60-kgf

€46.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Pita reflektif

€10.00 + PPN (jika berlaku)

Perangkat

Penyeimbang dinamis “Balanset-1A” OEM

€1,735.00 + PPN (jika berlaku)

Apa itu rotor dan apa yang dikoreksi oleh penyeimbangan?

Rotor adalah sebuah benda yang berputar pada suatu sumbu dan dipegang oleh permukaan bantalan pada penyangga. Permukaan bantalan rotor mengirimkan beban ke penyangga melalui bantalan gelinding atau geser. Permukaan bantalan adalah permukaan trunnion atau permukaan yang menggantikannya.

Pada rotor yang seimbang sempurna, massanya terdistribusi secara simetris terhadap sumbu rotasi, yaitu, setiap elemen rotor dapat dipasangkan dengan elemen lain yang terletak simetris terhadap sumbu rotasi. Pada rotor yang seimbang, gaya sentrifugal yang bekerja pada setiap elemen rotor diimbangi oleh gaya sentrifugal yang bekerja pada elemen simetris. Misalnya, gaya sentrifugal F1 dan F2, yang besarnya sama dan arahnya berlawanan, bekerja pada elemen 1 dan 2 (ditandai hijau pada Gambar 1). Hal ini berlaku untuk semua elemen rotor simetris, sehingga total gaya sentrifugal yang bekerja pada rotor adalah 0 dan rotor tersebut seimbang.

Namun jika simetri rotor rusak (elemen asimetris ditandai dengan warna merah pada Fig. 1), maka gaya sentrifugal tak seimbang F3 bekerja pada rotor. Saat berputar, arah gaya ini berubah mengikuti putaran rotor. Beban dinamis yang dihasilkan oleh gaya ini diteruskan ke bantalan, sehingga menyebabkan keausan yang dipercepat.

Selain itu, di bawah pengaruh gaya yang arahnya berubah-ubah ini terjadi deformasi siklik pada tumpuan dan fondasi tempat rotor dipasang, yaitu timbul getaran. Untuk menghilangkan ketidakseimbangan rotor beserta getaran yang menyertainya, massa penyeimbang harus dipasang untuk mengembalikan simetri pada rotor.

Penyeimbangan rotor adalah operasi untuk mengoreksi ketidakseimbangan dengan menambahkan massa penyeimbang. Dengan kata lain, tujuan penyeimbangan adalah membawa sumbu inersia utama pusat rotor sedekat mungkin dengan sumbu rotasinya, sehingga ketidakseimbangan sisa berada dalam batas yang ditetapkan.
Tugas menyeimbangkan adalah menemukan ukuran dan lokasi (sudut) dari satu atau lebih massa penyeimbang.

Jenis-jenis rotor dan jenis-jenis ketidakseimbangan

Dengan mempertimbangkan kekuatan material rotor dan besarnya gaya sentrifugal yang bekerja padanya, rotor dapat dibagi menjadi dua jenis - rotor kaku dan rotor fleksibel.
Rotor yang kaku berubah bentuk secara tidak signifikan di bawah aksi gaya sentrifugal pada mode kerja dan pengaruh deformasi ini dalam perhitungan dapat diabaikan.

Deformasi rotor fleksibel tidak bisa lagi diabaikan. Deformasi rotor fleksibel memperumit solusi masalah penyeimbangan dan memerlukan penerapan model matematis lain dibandingkan dengan masalah penyeimbangan rotor kaku. Perlu dicatat bahwa rotor yang sama pada kecepatan rendah dapat berperilaku sebagai rotor kaku, dan pada kecepatan tinggi — sebagai rotor fleksibel. Kriteria praktisnya adalah kecepatan operasi relatif terhadap kecepatan kritis (lentur) pertama rotor: sebuah rotor dianggap kaku — ISO 21940-11 menyebutnya rotor dengan “perilaku kaku” (rigid behaviour) — apabila beroperasi jauh di bawah kecepatan tersebut, dalam praktiknya di bawah sekitar 50–70% dari kecepatan kritis pertama. Di atas batas itu, rotor melentur membentuk mode shape yang berubah seiring kecepatan: rotor tersebut bersifat fleksibel dan harus diseimbangkan dengan metode modal atau multi-bidang (ISO 21940-12). Selanjutnya, kita hanya akan membahas penyeimbangan rotor kaku.

Depending on how the unbalanced masses are distributed along the rotor, ISO 21940-2 distinguishes several states of unbalance:

• ketidakseimbangan statis — the principal inertia axis is displaced parallel to the shaft axis; it can be detected without rotation, because the rotor turns under gravity until its heavy spot is at the bottom. A single correction mass in one plane removes it;
• couple (moment) unbalance — the principal inertia axis intersects the shaft axis at the center of mass; the two equal unbalances lie in different planes and 180° apart. It appears only during rotation and requires two correction masses in two planes;
• ketidakseimbangan dinamis — the general, real-world case: a combination of static and couple unbalance. The principal inertia axis neither is parallel to, nor intersects, the shaft axis. Two correction planes are necessary and sufficient for a rigid rotor.

The older term “moment unbalance” is a synonym of couple unbalance; it should not be confused with dynamic unbalance, which is the sum of the static and couple components. An example of a rotor with static unbalance is shown in Fig. 2.

Couple unbalance appears only when the rotor is rotating.
An example of a rotor with couple unbalance is shown in Fig. 3.

Dalam hal ini, massa M1 dan M2 yang tidak seimbang dan sama besar berada pada bidang yang berbeda - di tempat yang berbeda di sepanjang rotor. Dalam posisi statis, yaitu ketika rotor tidak berputar, hanya gravitasi yang bekerja pada rotor dan massa-massa tersebut saling menyeimbangkan. Dalam dinamika, ketika rotor berputar, gaya sentrifugal Fc1 dan Fc2 mulai bekerja pada massa M1 dan M2. Gaya-gaya ini sama besarnya dan berlawanan arah. Namun, karena gaya-gaya tersebut diterapkan pada tempat yang berbeda di sepanjang poros dan tidak berada pada garis yang sama, gaya-gaya ini tidak saling mengompensasi. Gaya Fc1 dan Fc2 menciptakan momen yang bekerja pada rotor — itulah sebabnya ketidakseimbangan kopel juga disebut ketidakseimbangan momen. Dengan demikian, gaya sentrifugal yang tidak terkompensasi bekerja pada posisi bantalan, yang dapat jauh melebihi nilai yang dihitung dan mengurangi masa pakai bantalan.

Karena jenis ketidakseimbangan ini hanya muncul selama rotor berputar, ketidakseimbangan ini tidak dapat dikoreksi dalam kondisi statis dengan penyeimbangan "di atas pisau" (on knives) atau metode serupa. Untuk menghilangkan ketidakseimbangan kopel, dua pemberat kompensasi harus dipasang, yang menghasilkan momen yang sama besarnya namun berlawanan arah dengan momen yang timbul dari massa M1 dan M2. Massa kompensasi ini tidak harus dipasang berlawanan dan sama besar dengan massa M1 dan M2. Yang terpenting adalah bahwa keduanya menghasilkan momen yang sepenuhnya mengompensasi momen ketidakseimbangan.

Secara umum, massa M1 dan M2 mungkin tidak sama satu sama lain, sehingga akan terjadi kombinasi ketidakseimbangan statis dan kopel — kasus umum inilah yang menurut ISO 21940-2 disebut ketidakseimbangan dinamis. Secara teoritis terbukti bahwa untuk rotor kaku, dua pemberat yang dipasang berjarak sepanjang rotor diperlukan dan cukup untuk menghilangkan ketidakseimbangannya. Pemberat ini akan mengompensasi baik momen yang dihasilkan dari ketidakseimbangan kopel maupun gaya sentrifugal yang dihasilkan dari asimetri massa relatif terhadap sumbu rotor (ketidakseimbangan statis). Biasanya, ketidakseimbangan kopel merupakan karakteristik rotor panjang, seperti poros, dan ketidakseimbangan statis merupakan karakteristik rotor sempit. Namun, jika rotor sempit miring terhadap sumbunya, atau mengalami deformasi ("angka delapan"), maka ketidakseimbangan kopel akan sulit dihilangkan (lihat Gbr. 4), karena dalam hal ini sulit memasang pemberat koreksi yang menciptakan momen kompensasi yang diperlukan.

Gaya F1 dan F2 tidak terletak pada garis yang sama dan tidak saling mengimbangi.
Karena lengan yang tersedia untuk menciptakan momen kompensasi kecil akibat rotor yang sempit, bobot koreksi yang besar mungkin diperlukan. Namun, hal ini juga menghasilkan "ketidakseimbangan terinduksi" akibat deformasi rotor sempit oleh gaya sentrifugal dari bobot koreksi. (lihat, misalnya, 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 juga hadir: geometri bilah yang tidak seragam menghasilkan pembebanan bilah yang tidak seragam dan karenanya gaya radial neto. Seperti gaya sentrifugal dari pemberat koreksi, gaya ini berskala dengan kuadrat kecepatan, tetapi juga bergantung pada titik operasi — densitas udara, posisi damper, resistansi saluran — sehingga pemberat koreksi yang diseimbangkan pada satu titik operasi tidak akan tetap optimal pada titik lainnya. Oleh karena itu, komponen aerodinamis harus dikoreksi dengan memperbaiki geometri bilah, bukan dengan menambah massa.

Kekuatan elektromagnetik pada mesin listrik (tarikan magnetik tidak seimbang akibat celah udara yang eksentrik, batang yang patah, laminasi yang korsleting) berperilaku berbeda lagi: gejala ini dikendalikan oleh fluks celah udara, bukan oleh kecepatan rotasi, dan sebagian besar menggetarkan mesin pada dua kali frekuensi jala-jala serta pada sideband pole-pass, bukan pada 1×. Karena bekerja pada frekuensi selain frekuensi rotasi, penyeimbangan sama sekali tidak dapat mengompensasinya. Singkatnya, penyeimbangan hanya menghilangkan eksitasi 1× yang terkait massa — penyeimbangan tidak dapat menghilangkan setiap sumber getaran pada sebuah mesin.

Getaran mekanisme

Getaran adalah reaksi dari desain mekanisme terhadap efek gaya eksitasi siklik. Gaya ini dapat memiliki sifat yang berbeda.
Gaya sentrifugal yang dihasilkan dari rotor yang tidak seimbang adalah gaya yang tidak terkompensasi yang bekerja pada "titik berat". Gaya inilah dan getaran yang ditimbulkannya yang dapat dihilangkan dengan menyeimbangkan rotor.

Gaya interaksi yang bersifat "geometris" yang timbul dari kesalahan manufaktur dan perakitan bagian-bagian yang saling berpasangan. Gaya-gaya ini dapat timbul, misalnya, akibat ketidakbulatan leher poros, kesalahan pada profil gigi roda gigi, gelombang pada jalur bantalan, ketidaksejajaran poros yang saling berpasangan, dan lain-lain. Dalam kasus ketidakbulatan jurnal, sumbu poros akan bergeser tergantung pada sudut putaran poros. Meskipun getaran ini juga terjadi pada kecepatan rotor, hampir tidak mungkin untuk menghilangkannya dengan penyeimbangan.

Gaya aerodinamis yang dihasilkan dari rotasi impeler kipas dan mekanisme baling-baling lainnya. Gaya hidrodinamis yang dihasilkan dari rotasi impeler pompa hidraulik, turbin, dll.
Gaya elektromagnetik yang dihasilkan dari pengoperasian mesin listrik, misalnya belitan rotor asimetris, belitan korsleting, dll.

Besar getaran (misalnya amplitudonya Av) tidak hanya bergantung pada gaya eksitasi Fv yang bekerja pada mekanisme dengan frekuensi sirkular ω, tetapi juga pada kekakuan k mekanisme tersebut, massanya m, serta koefisien peredaman C, seperti ditunjukkan oleh rumus (1) di bawah ini.

Berbagai jenis sensor dapat digunakan untuk mengukur getaran dan mekanisme penyeimbangan, termasuk:

• sensor getaran absolut yang dirancang untuk mengukur akselerasi getaran (akselerometer) dan sensor kecepatan getaran;
• sensor getaran relatif - arus eddy atau kapasitif, dirancang untuk mengukur perpindahan getaran;
• Dalam beberapa kasus (bila desain mekanisme memungkinkan), sensor gaya juga dapat digunakan untuk menilai beban getarannya; khususnya, sensor ini banyak digunakan untuk mengukur beban getaran pada penyangga mesin penyeimbang bantalan keras.

Jadi, getaran adalah reaksi mesin terhadap aksi gaya eksternal. Besarnya getaran tidak hanya bergantung pada besarnya gaya yang bekerja pada mekanisme, tetapi juga pada kekakuan desain mekanisme. Satu gaya yang sama dapat menyebabkan getaran yang berbeda. Pada mesin dengan bantalan keras, meskipun getarannya kecil, bantalan dapat mengalami beban dinamis yang signifikan. Inilah sebabnya mengapa sensor gaya dan bukan sensor getaran (akselerometer getaran) digunakan saat menyeimbangkan mesin dengan bantalan keras.

Sensor getaran digunakan pada mekanisme dengan penyangga yang relatif lentur, ketika aksi gaya sentrifugal yang tidak seimbang menyebabkan deformasi penyangga dan getaran yang nyata. Sensor gaya digunakan untuk penyangga yang kaku, bahkan ketika gaya yang signifikan akibat ketidakseimbangan tidak menyebabkan getaran yang signifikan.

Resonansi adalah faktor yang mencegah penyeimbangan

Sebelumnya kami telah menyebutkan bahwa rotor dibagi menjadi kaku dan fleksibel. Kekakuan atau fleksibilitas rotor tidak boleh disamakan dengan kekakuan atau mobilitas penyangga (pondasi) tempat rotor dipasang. Rotor dianggap kaku ketika deformasi (pembengkokan) di bawah aksi gaya sentrifugal dapat diabaikan. Deformasi rotor fleksibel relatif besar dan tidak dapat diabaikan.

Dalam artikel ini, kami hanya membahas penyeimbangan rotor kaku. Rotor yang kaku (tidak dapat diubah bentuknya) pada gilirannya dapat dipasang pada penyangga yang kaku atau dapat digerakkan (lentur). Jelas bahwa kekakuan/kelenturan penyangga ini juga relatif, tergantung pada kecepatan rotor dan besarnya gaya sentrifugal yang dihasilkan. Batas kondisional adalah frekuensi getaran alami penyangga rotor.

Untuk sistem mekanis, bentuk dan frekuensi getaran alami ditentukan oleh massa dan elastisitas elemen-elemen sistem mekanis tersebut. Artinya, frekuensi getaran alami merupakan karakteristik internal sistem mekanis dan tidak bergantung pada gaya eksternal. Ketika tergeser dari posisi kesetimbangan, penyangga karena elastisitasnya cenderung kembali ke posisi kesetimbangan. Namun karena inersia rotor yang masif, proses ini bersifat osilasi teredam. Getaran ini merupakan getaran alami dari sistem rotor-penyangga. Frekuensinya bergantung pada rasio massa rotor terhadap elastisitas penyangga, sebagaimana ditunjukkan oleh rumus (2) di bawah ini.

Ketika rotor mulai berputar dan frekuensi putarannya mendekati frekuensi getaran alami, amplitudo getaran meningkat tajam, yang dapat menyebabkan kerusakan struktur.

Fenomena resonansi mekanis terjadi. Di dekat resonansi, respons diperkuat oleh faktor kualitas Q = 1/(2ζ), biasanya 3–17 untuk struktur mesin, dan puncaknya dapat sangat sempit: perubahan kecepatan hanya sebesar beberapa persen saja dapat mengubah tingkat getaran hingga berkali-kali lipat. Melewati resonansi, keterlambatan fase berubah sebesar 180°, melewati 90° pada puncaknya.

Jika desain mekanisme kurang berhasil dan frekuensi operasi rotor mendekati frekuensi getaran alami, maka pengoperasian mekanisme tersebut menjadi tidak mungkin karena getaran yang terlalu tinggi. Penyeimbangan dengan metode biasa menjadi tidak mungkin dilakukan, karena bahkan perubahan kecepatan yang kecil pun secara drastis mengubah parameter getaran. Untuk penyeimbangan di area resonansi, digunakan metode khusus yang tidak dibahas dalam artikel ini.

Dimungkinkan untuk menentukan frekuensi getaran alami mekanisme pada saat meluncur (pada saat mematikan putaran rotor) atau dengan metode guncangan dengan analisis spektral berikutnya dari respons sistem terhadap guncangan.

Untuk mekanisme yang frekuensi operasi rotasinya berada di atas frekuensi resonansi, yaitu beroperasi dalam rezim superkritis (pasca-resonansi), penyangga dianggap bergerak dan sensor getaran digunakan untuk pengukuran, terutama akselerometer getaran, yang mengukur percepatan elemen struktural. Untuk mekanisme yang beroperasi dalam mode pra-resonansi, penyangga dianggap kaku. Dalam kasus ini, digunakan sensor gaya.

Model linier dan nonlinier dari suatu sistem mekanis. Non-linearitas adalah faktor yang mencegah penyeimbangan

Ketika menyeimbangkan rotor kaku, model matematis yang disebut model linier digunakan untuk perhitungan penyeimbangan. Model linier berarti bahwa dalam model tersebut, satu kuantitas sebanding (linier) dengan kuantitas lainnya. Sebagai contoh, jika massa yang tidak terkompensasi pada rotor digandakan, maka nilai getaran juga akan menjadi dua kali lipat. Untuk rotor yang kaku, model linier dapat digunakan, karena tidak berubah bentuk.

Untuk rotor fleksibel, model linier tidak dapat lagi digunakan. Untuk rotor fleksibel, jika massa titik berat meningkat selama rotasi, deformasi tambahan akan terjadi, dan selain massa, jari-jari lokasi titik berat juga akan meningkat. Oleh karena itu, untuk rotor fleksibel, getaran akan meningkat lebih dari dua kali lipat, dan metode perhitungan yang biasa tidak akan berhasil.

Sumber nonlinieritas lainnya adalah perubahan kekakuan penyangga pada defleksi besar: pada defleksi kecil, satu set elemen struktural menahan beban, sedangkan pada defleksi besar elemen lain ikut berperan. Inilah sebabnya Anda tidak dapat menyeimbangkan mekanisme yang tidak dipasang di atas fondasi, tetapi, misalnya, hanya ditempatkan di lantai. Dengan getaran yang signifikan, gaya ketidakseimbangan dapat menarik mekanisme dari lantai, sehingga secara signifikan mengubah karakteristik kekakuan sistem. Kaki motor harus diikat dengan aman, dudukan baut harus dikencangkan, ketebalan washer harus memberikan kekakuan pemasangan yang memadai, dll. Jika bantalan rusak, ketidaksejajaran poros yang signifikan dan guncangan mungkin terjadi, yang juga akan menghasilkan linieritas yang buruk dan ketidakmampuan untuk melakukan penyeimbangan yang berkualitas.

Perangkat penyeimbang dan mesin penyeimbang

Recall that balancing is the process of aligning the main central axis of inertia with the rotor's axis of rotation.

Proses ini dapat dilakukan dengan dua metode.

Metode pertama melibatkan pemesinan trunnion rotor sedemikian rupa sehingga sumbu yang melewati pusat trunnion berimpit dengan sumbu inersia utama pusat rotor. Teknik semacam ini jarang digunakan dalam praktik dan tidak akan dibahas secara rinci dalam artikel ini.

Metode kedua (yang paling umum) melibatkan pemindahan, pemasangan, atau pelepasan bobot koreksi pada rotor, yang ditempatkan sedemikian rupa sehingga sumbu inersia rotor sedekat mungkin dengan sumbu rotasinya.

Memindahkan, menambah, atau melepas bobot koreksi selama penyeimbangan dapat dilakukan dengan berbagai operasi teknologi, termasuk: pengeboran, penggilingan, pengerjaan permukaan, pengelasan, memasang atau melepaskan sekrup, pembakaran sinar laser atau elektron, elektrolisis, pelapisan permukaan elektromagnetik, dll.

Proses penyeimbangan dapat dilakukan dengan dua cara:

• 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.

Untuk penyeimbangan rotor pada bantalannya sendiri, biasanya digunakan perangkat (kit) penyeimbang khusus, yang memungkinkan pengukuran getaran rotor yang diseimbangkan pada frekuensi rotasinya dalam bentuk vektor, yaitu mengukur baik amplitudo maupun fase getaran. Saat ini, perangkat tersebut diproduksi berdasarkan teknologi mikroprosesor dan (selain pengukuran dan analisis getaran) menyediakan perhitungan otomatis parameter pemberat koreksi yang perlu dipasang pada rotor untuk mengompensasi ketidakseimbangannya.

Perangkat-perangkat ini meliputi:

• unit pengukuran dan komputasi berdasarkan komputer atau pengontrol industri;
• dua (atau lebih) sensor getaran;
• a phase angle sensor;
• aksesori untuk memasang sensor di lokasi;
• perangkat lunak khusus, yang dirancang untuk melakukan siklus penuh pengukuran parameter getaran rotor dalam satu, dua, atau lebih bidang koreksi.

Dua jenis mesin balancing saat ini yang paling umum:

• Soft-bearing machines (with pliable supports);
• Hard-bearing machines (with rigid supports).

Soft-bearing (above-resonance) machines memiliki tumpuan yang relatif lentur, misalnya berbasis pegas datar. Frekuensi getaran alami tumpuan ini biasanya 2-3 kali lebih rendah daripada frekuensi rotasi rotor yang diseimbangkan, yang dipasang di atasnya, sehingga mesin beroperasi di atas resonansi. Sensor getaran (akselerometer, sensor kecepatan getaran, dll.) biasanya digunakan untuk mengukur gerakan tumpuan pada mesin di atas-resonansi ini.

Hard-bearing (pre-resonance) machines menggunakan tumpuan yang relatif kaku, yang frekuensi getaran alaminya harus 2-3 kali lebih tinggi daripada frekuensi rotasi rotor yang diseimbangkan, sehingga mesin beroperasi di bawah resonansi. Transduser gaya biasanya digunakan untuk mengukur beban dinamis pada tumpuan mesin pre-resonance ini.

Keunggulan mesin penyeimbang pre-resonance (hard-bearing) adalah penyeimbangan pada mesin tersebut dapat dilakukan pada kecepatan rotor yang relatif rendah (hingga 400–500 rpm), yang sangat menyederhanakan desain mesin dan fondasinya, serta meningkatkan produktivitas dan keamanan penyeimbangan.

Perangkat

Penyeimbang portabel & penganalisis getaran Balanset-1A

€1,975.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Sensor getaran

€90.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Sensor Optik (Takometer Laser)

€124.00 + PPN (jika berlaku)

Perangkat

Balanset-4

€6,803.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Dudukan magnetik Insize-60-kgf

€46.00 + PPN (jika berlaku)

Bagian

Pita reflektif

€10.00 + PPN (jika berlaku)

Perangkat

Penyeimbang dinamis “Balanset-1A” OEM

€1,735.00 + PPN (jika berlaku)

Penyeimbangan rotor kaku

Tugas utama penyeimbangan adalah menemukan massa dan lokasi beban kompensasi yang melawan gaya sentrifugal.
Seperti disebutkan di atas, untuk rotor kaku, secara umum diperlukan dan cukup untuk memasang dua bobot kompensasi. Hal ini akan menghilangkan komponen statis maupun komponen kopel dari ketidakseimbangan rotor. Skema umum untuk mengukur getaran selama penyeimbangan adalah sebagai berikut.

Sensor getaran dipasang pada tumpuan bantalan di titik 1 dan 2. Tanda putaran dipasang pada rotor, biasanya menggunakan pita reflektif. Tanda putaran ini digunakan oleh takometer laser untuk menentukan kecepatan rotor dan fase sinyal getaran.

Cara melakukan penyeimbangan dinamis (metode tiga kali jalan)

Dalam sebagian besar kasus, penyeimbangan dinamis dilakukan dengan metode tiga kali start (three starts). Metode ini didasarkan pada fakta bahwa berat uji dengan massa yang diketahui dipasang pada rotor secara berurutan pada bidang 1 dan 2, dan besar serta posisi bobot penyeimbang dihitung berdasarkan hasil perubahan parameter getaran.

The plane in which a correction weight is installed is called a bidang koreksi. Correction planes are located on the rotor itself — biasanya pada kedua ujung badan rotor, pada cakram kipas atau impeler, atau pada cincin penyeimbang khusus. Bidang ini harus dipilih sejauh mungkin satu sama lain di sepanjang poros sejauh yang diizinkan oleh desain, sehingga bobot yang moderat menghasilkan momen koreksi yang cukup. Ini tidak sama dengan measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).

Pada penyalaan pertama, getaran awal diukur (dalam perangkat lunak Balanset ini disebut Run 0). Kemudian bobot uji dengan massa yang diketahui dipasang pada rotor lebih dekat ke salah satu bantalan. Penyalaan kedua dilakukan (Run 1) dan parameter getaran diukur, yang seharusnya berubah akibat pemasangan bobot uji tersebut. Kemudian bobot uji pada bidang pertama dilepas dan dipasang pada bidang kedua. Uji ketiga dilakukan (Run 2) dan parameter getaran diukur. Bobot uji dilepas dan perangkat lunak secara otomatis menghitung massa dan sudut pemasangan pemberat penyeimbang.

Bobot koreksi yang telah dihitung kemudian dipasang pada bidangnya masing-masing dan dilakukan pengukuran verifikasi — pada perangkat lunak Balanset ini disebut Run T (Trim). Getaran sisa dibandingkan dengan toleransi. Jika hasilnya masih di atas target, perangkat lunak menggunakan kembali koefisien pengaruh yang telah ditentukan sebelumnya, sehingga tidak diperlukan pengukuran berat uji baru — hanya koreksi trim tambahan kecil yang dihitung dan dipasang.

Inti dari pemasangan pemberat uji adalah untuk menentukan bagaimana sistem bereaksi terhadap perubahan ketidakseimbangan. Massa dan lokasi pemberat uji diketahui, sehingga perangkat lunak dapat menghitung apa yang disebut koefisien pengaruh, yang menunjukkan bagaimana penambahan ketidakseimbangan yang diketahui memengaruhi parameter getaran. Koefisien pengaruh merupakan karakteristik dari sistem mekanis itu sendiri dan bergantung pada kekakuan penyangga serta massa (inersia) sistem rotor-penyangga.

Untuk jenis mekanisme yang sama dengan desain yang sama, koefisien pengaruhnya akan mendekati. Anda dapat menyimpannya dalam memori komputer dan menggunakannya untuk menyeimbangkan mekanisme jenis yang sama tanpa uji coba, yang secara signifikan meningkatkan produktivitas penyeimbangan. Perhatikan bahwa massa bobot percobaan harus dipilih sedemikian rupa sehingga parameter getaran berubah secara nyata ketika bobot percobaan dipasang. Jika tidak, kesalahan perhitungan koefisien pengaruh akan meningkat dan kualitas penyeimbangan akan menurun.

Seperti yang dapat Anda lihat dari Fig. 1, gaya sentrifugal bekerja dalam arah radial, yaitu tegak lurus terhadap sumbu rotor. Karena itu, sensor getaran harus dipasang sehingga sumbu sensitivitasnya juga mengarah ke arah radial. Biasanya, kekakuan fondasi pada arah horizontal lebih rendah, sehingga getaran pada arah horizontal lebih tinggi. Oleh karena itu, untuk meningkatkan sensitivitas, sensor harus dipasang sehingga sumbu sensitivitasnya juga diarahkan secara horizontal. Meskipun demikian, tidak ada perbedaan mendasar. Selain getaran pada arah radial, getaran pada arah aksial, sepanjang sumbu putar rotor, juga harus dipantau. Getaran ini biasanya tidak disebabkan oleh ketidakseimbangan, melainkan oleh penyebab lain, terutama yang berkaitan dengan ketidakselarasan poros yang terhubung melalui kopling.

Getaran ini tidak dapat dihilangkan dengan penyeimbangan; dalam kasus ini diperlukan penyelarasan (alignment). Dalam praktiknya, mesin semacam ini biasanya memiliki baik ketidakseimbangan rotor maupun ketidaksejajaran poros, yang membuat tugas menghilangkan getaran menjadi jauh lebih sulit. Dalam kasus seperti ini, mesin harus disenter terlebih dahulu baru kemudian diseimbangkan. (Meskipun dengan ketidakseimbangan torsi yang kuat, getaran juga dapat terjadi pada arah aksial akibat "puntiran" struktur fondasi.)

Kriteria untuk menilai kualitas mekanisme penyeimbangan

Kualitas penyeimbangan rotor (mekanisme) dapat dinilai dengan dua cara. Metode pertama melibatkan perbandingan besar ketidakseimbangan sisa yang ditentukan selama proses penyeimbangan dengan toleransi ketidakseimbangan sisa. Toleransi ini untuk berbagai kelas rotor ditetapkan dalam 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 e_per and the service angular velocity ω, expressed in mm/s:

• ω = 2π·n / 60 [rad/s], where n is the service speed in rpm;
• e_per = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (numerically equal to µm of center-of-mass offset) — equivalently e_per = 9549 · G / n;
• U_per = e_per · 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; e_per = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (cross-check: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); U_per = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm for the whole rotor.

Splitting the tolerance between two planes. Untuk rotor yang pusat massanya berada di antara bidang koreksi, toleransi total dibagi berbanding terbalik dengan jarak dari pusat massa ke masing-masing bidang; untuk rotor simetris ini berarti setengah pada masing-masing bidang — sekitar 500 g·mm per bidang pada contoh di atas. Tidak ada satu bidang pun yang boleh dialokasikan lebih dari 70% atau kurang dari 30% dari U_per.

Typical grades: G 0.4 — giroskop, spindel gerinda presisi · G 1 — spindel mesin gerinda, armatur presisi · G 2.5 — turbin, generator turbo, penggerak mesin perkakas · G 6.3 — teknik mesin umum: kipas, impeler pompa, roda gila (flywheel), motor listrik standar · G 16 — poros kardan dengan persyaratan khusus, mesin pertanian, penghancur (crusher) · G 40 — roda mobil, poros penggerak (poros kardan) · G 100 — penggerak poros engkol mesin diesel berkecepatan tinggi.

Namun demikian, kepatuhan terhadap toleransi yang ditentukan tidak dapat sepenuhnya menjamin keandalan operasional mekanisme, terkait dengan pencapaian tingkat minimum getarannya. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa besarnya getaran mekanisme tidak hanya ditentukan oleh besarnya gaya yang terkait dengan ketidakseimbangan sisa rotornya, tetapi juga bergantung pada beberapa parameter lain, termasuk: kekakuan k dari elemen struktur mekanisme, massa m, faktor redaman, serta frekuensi rotasi. Oleh karena itu, untuk memperkirakan kualitas dinamis mekanisme (termasuk kualitas keseimbangannya) dalam beberapa kasus, disarankan untuk memperkirakan tingkat getaran sisa mekanisme, yang diatur oleh sejumlah standar.

Standar yang paling banyak digunakan untuk tingkat getaran yang diizinkan pada mesin industri adalah ISO 20816-3 (sebelumnya ISO 10816-3). Standar ini mencakup mesin di atas 15 kW yang beroperasi pada 120–15.000 rpm, dan mengklasifikasikannya dalam dua dimensi: berdasarkan kelompok daya (Grup 1 — di atas 300 kW; Grup 2 — 15 hingga 300 kW) dan berdasarkan jenis penyangga (kaku atau fleksibel). Setiap kombinasi memiliki batas zona A/B, B/C, dan C/D tersendiri dalam mm/s RMS. Mesin di luar cakupan ini memiliki bagian khusus dalam rangkaian standar tersebut (turbine sets — ISO 20816-2, mesin hidraulik, mesin reciprocating, pompa) atau standar produk seperti ISO 14694 untuk kipas industri.

For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic Standar ISO10816-1 zones (now part of ISO 20816-1) give the following boundaries of vibration velocity, mm/s RMS:

Zone A corresponds to the vibration of new machines; zone B is acceptable for unrestricted long-term operation; zone C allows only restricted operation; zone D indicates vibration severe enough to cause damage.

Standar dan referensi

• ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. (Menggantikan ISO 1940-1, yang telah ditarik.) G-grades and tolerance calculator →
• ISO 21940-2 — 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 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
• ISO 14694:2003 — Industrial fans — Specifications for balance quality and vibration levels.

FAQ

Apakah balancing menghilangkan semua getaran?

Tidak. Penyeimbangan menghilangkan getaran yang disebabkan oleh distribusi massa rotor yang tidak simetris relatif terhadap sumbu rotasinya. Getaran akibat ketidaksejajaran, kerusakan bantalan, gaya aerodinamis/hidrodinamis, gaya elektromagnetik, dan penyebab lainnya memerlukan diagnosis dan tindakan korektif yang terpisah.

Mengapa penyeimbangan bisa gagal di dekat resonansi?

Di dekat resonansi, perubahan kecepatan kecil dapat menyebabkan perubahan besar pada amplitudo getaran dan pergeseran fasa 180°. Dalam kondisi seperti itu, hasil pengukuran menjadi tidak stabil, dan prosedur penyeimbangan konvensional mungkin tidak konvergen tanpa metode khusus.

Kapan Anda membutuhkan penyeimbangan satu bidang dibandingkan dengan penyeimbangan dua bidang?

Satu bidang sudah cukup untuk rotor berbentuk cakram, di mana panjang aksial rotor kecil dibandingkan diameternya — sebagai aturan praktis L/D < 0.5 — dan kecepatan operasi jauh di bawah kecepatan kritis pertama. Contoh umum: roda gerinda, impeler kipas satu-cakram, puli, roda mobil. Rotor semacam ini hampir seluruhnya membawa ketidakseimbangan statis.

Dua bidang diperlukan untuk rotor memanjang (L/D ≥ 0.5), untuk rotor apa pun dengan dua atau lebih impeler atau cakram yang berjarak di sepanjang poros, dan setiap kali fase getaran pada kedua bantalan berbeda secara signifikan — tanda adanya komponen kopel. Rotor kaku tidak pernah memerlukan lebih dari dua bidang.

When in doubt, measure both bearings: if a one-plane correction reduces the vibration at one bearing and increases it at the other, the rotor has a couple component and needs two-plane balancing.

Apa yang harus dilakukan sebelum melakukan balancing?

Pastikan mesin dalam kondisi layak pakai: pemasangan yang andal pada fondasi, bantalan yang sehat, tidak ada kelonggaran yang parah, dan tidak ada sumber non-linieritas yang jelas. Penyeimbangan bukanlah pengganti perbaikan.