Due osservazioni sulla ragionevolezza dei requisiti dei clienti per i produttori di macchine di bilanciamento

Introduzione

Negli ultimi un anno e mezzo, la nostra azienda ha ricevuto più di 30 richieste di informazioni per l'acquisto di vari tipi di equilibratrici. L'analisi delle specifiche tecniche allegate a queste richieste rivela che la maggior parte di esse include una serie di caratteristiche che incidono significativamente sulle tempistiche di produzione e sui costi delle macchine, oltre a ridurre al minimo l'elenco dei potenziali fornitori. Tra questi, spiccano due requisiti:

• Il requisito di garantire uno squilibrio residuo specifico, che non deve superare 0,1 g*mm/kg (µm).
• L'obbligo di inserire la macchina equilibratrice nel Registro degli strumenti di misura.

Analizziamo la ragionevolezza e la fattibilità dell'implementazione di questi requisiti dal punto di vista di un consumatore reale.

1. Analisi dei requisiti di precisione della macchina

Verificheremo la validità dei requisiti di precisione del cliente utilizzando una specifica tecnica per una macchina equilibratrice progettata per bilanciare rotori di motori elettrici, unità turbo e compressori di peso compreso tra 10 e 1500 kg. La specifica stabilisce una tolleranza per lo squilibrio specifico residuo che, secondo il cliente, non deve superare 0,1 g*mm/kg.

Per verificare questo requisito, facciamo riferimento alla Tabella 1 della norma ISO 1940-1-2007 "Mechanical vibration - Balance quality requirements for rotors". Sulla base delle raccomandazioni di questa tabella, si ipotizza che la precisione di bilanciamento dei rotori di motori elettrici, turbocompressori e compressori, che la macchina ordinata deve garantire, deve soddisfare il grado di qualità G2.5. Supponendo che la frequenza di rotazione operativa prevista per il rotore bilanciato sia, ad esempio, di 200 Hz (che copre con un ampio margine le frequenze di rotazione della maggior parte delle macchine conosciute), possiamo facilmente calcolare lo squilibrio specifico residuo ammissibile per l'equilibratura statica (su un solo piano) utilizzando la formula 5 della norma: eper = 2500 / (6,28 * 200) = 1,99 g*mm/kg.

Considerando le raccomandazioni della stessa norma ISO 1940-1-2007, fornite nella sezione 7, il valore ammissibile fissato per un rotore asimmetrico a due supporti durante il bilanciamento dinamico dovrebbe essere di almeno 0,3 * eper, che nel nostro caso sarebbe 0,6 g*mm/kg, e non 0,1 g*mm/kg come richiesto nella specifica tecnica iniziale.

In altre parole, come dimostra la nostra analisi, i requisiti di precisione della macchina equilibratrice contenuti in questa Specifica Tecnica (e in molti altri documenti simili) sono chiaramente eccessivi. L'attuazione pratica di questi requisiti eccessivi comporta per il costruttore la risoluzione di gravi problemi progettuali e tecnologici, tipicamente derivanti dalla produzione di macchine di precisione eccezionalmente elevata, che indubbiamente incidono sul costo e sui tempi di produzione delle macchine. Inoltre, questi requisiti non sono sempre tecnicamente realizzabili.

È inoltre importante notare che l'effettivo funzionamento di macchine di così alta precisione può richiedere al potenziale cliente il soddisfacimento di diverse condizioni aggiuntive, come la necessità di camere termo-costanti e pulite, di fondazioni per l'isolamento delle vibrazioni e così via, i cui costi di realizzazione possono addirittura superare i costi associati all'acquisto della macchina. In risposta alla possibile obiezione del rappresentante del cliente (l'autore della suddetta Specifica Tecnica) che il soddisfacimento di questo requisito consente di ottenere uno squilibrio residuo sulla macchina significativamente più basso, effettivamente corrispondente al grado G0,4, si può raccomandare loro di familiarizzare con le raccomandazioni della norma ISO 22061-76 "Macchine e apparecchiature tecnologiche. Sistema di bilanciamento dei gradi di qualità. Disposizioni di base", in vigore prima dell'introduzione della norma ISO 1940-1-2007.

La sezione 3 di questo standard, preparato dai migliori specialisti nel campo del bilanciamento dell'Unione Sovietica, afferma ragionevolmente quanto segue:

1. I rotori dei prodotti classificati con il 1° grado di qualità di equilibratura (grado G0,4 secondo la norma ISO 1940-1-2007) devono essere equilibrati nei propri cuscinetti all'interno del proprio alloggiamento in tutte le condizioni operative utilizzando il proprio azionamento.
2. I rotori dei prodotti classificati con il 2° grado di qualità di equilibratura (grado G1.0) devono essere equilibrati nei propri cuscinetti o nel proprio alloggiamento, con un azionamento speciale se non è disponibile un azionamento proprio.
3. I rotori dei prodotti classificati con i gradi di qualità di equilibratura dal 3° all'11° (gradi da G2.5 a G4000) possono essere equilibrati come parti o unità di assemblaggio.

L'essenza di queste raccomandazioni è che cercare di ottenere i gradi di qualità di equilibratura G0,4 e G1,0 sulla macchina equilibratrice è spesso tecnicamente ed economicamente insensato. Dopo l'installazione dei rotori nella macchina, la precisione raggiunta viene persa e per ripristinarla è necessario un ulteriore ribilanciamento del gruppo rotore (nei propri cuscinetti e con il proprio azionamento), eseguito con un'apparecchiatura portatile di equilibratura a vibrazione.

Come esempio illustrativo di questa tesi, possiamo considerare l'equilibratura di una mola destinata all'uso su una rettificatrice cilindrica di alta precisione (classe di precisione "C"). Secondo i requisiti della già citata Tabella 1 della norma ISO 1940-1-2007, la qualità dell'equilibratura della mola dovrebbe soddisfare almeno il grado G0,4. Dato che la frequenza di rotazione prevista della mola durante il funzionamento sarà di 6000 giri/minuto (100 Hz), utilizzando la nota formula 7 della norma ISO 1940-1-2007, determiniamo lo squilibrio specifico residuo ammissibile eper, che sarà di 0,64 g*mm/kg.

In altre parole, dopo l'equilibratura sulla macchina equilibratrice, garantendo questa tolleranza, lo spostamento del centro di massa della mola rispetto all'asse tecnologico (asse del mandrino della macchina equilibratrice) non deve superare 0,64 µm. Poiché la corsa radiale consentita del mandrino di una rettificatrice di classe "C" secondo la norma ISO 11654-90 è di 2 µm, dopo aver montato la nostra mola su di essa (ri-basando la mola dall'asse tecnologico all'asse di lavoro), lo squilibrio specifico residuo può aumentare significativamente e superare di almeno tre volte la tolleranza raccomandata dalla norma ISO 1940-1-2007. In questi e altri casi simili, come già detto, è necessaria un'ulteriore equilibratura per compensare gli errori che si verificano durante la fase di assemblaggio.

Quanto sopra ci permette di affermare che, nella stragrande maggioranza dei casi, il requisito di precisione per le macchine di equilibratura medie e pesanti può essere limitato a un livello di squilibrio specifico residuo di 0,5 g*mm/kg o addirittura 1,0 g*mm/kg. L'applicazione pratica di questa raccomandazione consente al costruttore di ridurre significativamente la complessità e il costo di produzione della macchina, mentre il cliente (a condizione che venga implementato un processo tecnologico razionale) può ottenere la precisione di equilibratura richiesta. La principale eccezione a questa regola può essere rappresentata dalle piccole macchine di equilibratura specializzate utilizzate, ad esempio, per l'equilibratura di rotori di giroscopi, turbocompressori automobilistici, ecc. Le caratteristiche progettuali di queste macchine consentono di raggiungere un livello di squilibrio specifico residuo di 0,1 g*mm/kg o inferiore, il che è tecnicamente giustificato ed economicamente fattibile.

2. Sulla necessità di includere le macchine equilibratrici nel registro degli strumenti di misura

Negli ultimi anni, nel nostro Paese è stata fatta una scoperta sorprendente che potrebbe confondere gli specialisti "defunti in pace" dell'ENIMS**, che hanno sviluppato il classificatore delle macchine per il taglio dei metalli. Con la "mano leggera" di qualcuno, sul mercato delle macchine è apparso un tipo di apparecchiatura completamente nuovo: le "macchine di bilanciamento per la misurazione delle vibrazioni", che devono essere dotate di un certificato della norma statale russa e della relativa marcatura).

E tutto andrebbe bene, ma improvvisamente si scopre che i clienti "avanzati" hanno iniziato a inserire nelle loro specifiche tecniche un requisito obbligatorio per l'inclusione delle macchine equilibratrici nel Registro degli strumenti di misura. Cerchiamo di capire quanto questo requisito sia giustificato dal punto di vista legale e tecnico, oltre che dalla sua fattibilità economica.

Per cominciare, è utile capire in che modo questo requisito si collega alle raccomandazioni dei documenti normativi esistenti. Iniziamo con la ISO 8-82 "Macchine per il taglio dei metalli. Requisiti generali per le prove di precisione". Questa norma stabilisce i concetti e i principi di base della classificazione delle macchine in base alla precisione, i requisiti generali per le prove di precisione e i requisiti generali per i metodi di verifica della precisione. È importante notare che i riferimenti alle procedure per la valutazione delle caratteristiche qualitative delle macchine in questa norma utilizzano solo il termine "verifica" e non viene menzionata la necessità di includere le macchine nel Registro degli strumenti di misura e, di conseguenza, la necessità della loro "taratura".

Il prossimo documento a cui prestare attenzione è ISO 20076-2007 (ISO 2953:1999) "Vibration. Macchine di bilanciamento. Specifiche e metodi per la loro verifica". Questa norma, che stabilisce requisiti specifici per le caratteristiche tecniche delle macchine di bilanciamento e per i loro metodi di "verifica", manca anche di requisiti che prevedano la necessità di calibrare le macchine e di inserirle nel Registro degli strumenti di misura. A questo proposito, va notato che i requisiti relativi alla taratura sono assenti nelle norme per altri tipi di macchine utensili, come le ISO per le rettificatrici e le macchine CNC, che possono anche includere vari sistemi di misura.

Inoltre, requisiti simili non si trovano nella documentazione tecnica di tutti i modelli noti di macchine equilibratrici straniere, il che, a nostro avviso, costituisce un precedente importante. Sulla base delle argomentazioni sopra esposte, si possono trarre le seguenti conclusioni:

1. I documenti normativi e tecnici esistenti sviluppati per le macchine utensili e, in particolare, per le macchine equilibratrici, non includono i requisiti per la loro inclusione nel Registro degli Strumenti di Misura e, di conseguenza, la necessità della loro calibrazione. Di conseguenza, l'inclusione di tali requisiti nelle Specifiche Tecniche durante le procedure di appalto competitivo "de facto" aumenta significativamente i costi di produzione delle macchine e le spese per il loro successivo funzionamento e, come ci sembra, "de jure" viola i diritti dei produttori di macchine in buona fede che seguono la lettera e lo spirito dei documenti normativi esistenti.
2. Le prove di routine del sistema di misurazione possono e devono essere eseguite nell'ambito dell'equilibratrice in conformità ai requisiti e alle raccomandazioni della norma ISO 20076-2007 (ISO 2953:1999), che prevedono l'uso di un rotore di riferimento, di una serie di pesi di prova e di bilance calibrate durante i controlli. Questi test devono necessariamente includere i seguenti tipi di controlli:
   • Verifica dello sbilanciamento residuo minimamente ottenibile (Umar);
   • Controllo del coefficiente di riduzione dello squilibrio (URR);
   • Verifica del funzionamento del circuito di bilanciamento condizionale (con procedura di rotazione del rotore di 180°).

È importante notare che questi controlli vengono eseguiti senza smontare il sistema di misura dalla macchina e non richiedono l'uso di un supporto di vibrazione di calibrazione, il che elimina la necessità di coinvolgere specialisti di organizzazioni esterne e riduce significativamente l'intensità di lavoro e il costo del lavoro. Oltre ai controlli principali sopra menzionati, se necessario, è possibile verificare direttamente sulla macchina (utilizzando il rotore di riferimento sopra menzionato, un set di pesi di prova e bilance calibrate) altri parametri importanti del sistema di misura, tra cui:

• Ripetibilità delle letture dei segnali di vibrazione in ampiezza e fase da una misurazione all'altra;
• Linearità delle letture del sistema di misura in base all'ampiezza del segnale di vibrazione;
• Capacità di risoluzione del sistema di misura (livello minimo di squilibrio costantemente registrato dal sistema di misura), ecc.

Conclusione

L'autore spera che sia i clienti che i produttori di macchine equilibratrici comprendano le argomentazioni e le raccomandazioni esposte in questo lavoro, il cui obiettivo principale è quello di ridurre al minimo i costi di produzione per entrambe le parti, garantendo al contempo una qualità adeguata delle operazioni di equilibratura.

*Nota: Se questa tendenza dovesse continuare a svilupparsi, non è escluso che presto si parli della creazione di rettificatrici per la misurazione delle vibrazioni, presse per la misurazione delle vibrazioni e persino laminatoi per la misurazione delle vibrazioni. Dopotutto, condividono con le macchine equilibratrici la possibilità di utilizzare apparecchiature specializzate per la misurazione delle vibrazioni.

ENIMS è l'acronimo di "Istituto sperimentale di ricerca sulle macchine utensili per il taglio dei metalli" (Экспериментально-исследовательский институт металорежущих станков). Si trattava di un istituto di ricerca dell'Unione Sovietica dedicato allo sviluppo e al miglioramento di vari tipi di macchine e attrezzature per il taglio dei metalli. L'istituto ha svolto un ruolo significativo nel progresso dell'industria meccanica e nella standardizzazione delle attrezzature per la lavorazione dei metalli, sviluppando documenti normativi e standard, come i classificatori per le macchine utensili e i metodi per la loro verifica di precisione.

V.D. Feldman, capo specialista della LLC "Kinematics", 2024