Comprensione del bilanciamento a due piani
Bilanciamento a due piani è un bilanciamento dinamico procedura in cui pesi di correzione sono disposte su due piani distinti lungo la lunghezza del rotore per eliminare sia squilibrio statico e squilibrio di coppia allo stesso tempo. Si tratta del metodo standard per la stragrande maggioranza dei macchinari rotanti industriali — ovvero qualsiasi rotore la cui lunghezza assiale sia pari o superiore al suo diametro. A differenza di bilanciamento su un solo piano, che corregge solo lo spostamento del baricentro del rotore, mentre l'equilibratura a due piani interviene sia sulla traslazione forza centrifuga e il momento che fa oscillare o vacillare un rotore attorno al proprio centro.
1. Definizione: perché due piani?
Qualsiasi rotore rigido sbilanciare può essere scomposta in due componenti indipendenti. Squilibrio statico è un punto di massa netta il cui centro di massa è spostato rispetto all'asse dell'albero; produce una forza in fase su entrambi i cuscinetti e sarebbe percepibile anche se il rotore fosse bilanciato su spigoli vivi senza ruotare. Squilibrio di coppia si tratta di una coppia di punti di peso uguale, distanziati di 180° alle estremità opposte del rotore: non produce alcuno spostamento netto del baricentro, quindi è invisibile in condizioni statiche, ma in movimento genera un momento oscillante che porta i due cuscinetti a sfasarsi l'uno rispetto all'altro.
Un singolo piano di correzione può annullare solo la componente statica. Per annullare una coppia di sbilanciamento occorrono due correzioni che, insieme, formino un momento opposto — e ciò, per definizione, richiede due piani. Poiché i rotori reali presentano una combinazione arbitraria di sbilanciamento statico e di coppia (uno stato spesso denominato squilibrio quasi-statico quando i due sono combinati), due piani di correzione sono il minimo necessario per descrivere e correggere completamente un rotore rigido vibrazione.
2. Quando è necessario il bilanciamento a due piani?
Utilizza due piani ogni volta che si verifica una delle seguenti condizioni:
Rotori lunghi o sottili
Come regola generale, qualsiasi rotore con un rapporto lunghezza/diametro superiore a circa 0,5-1,0 dovrebbe essere bilanciato su due piani. Tra gli esempi tipici figurano:
- Indotti per motori elettrici
- Alberi di pompe e compressori
- Rotori di ventilatori multistadio
- Alberi di trasmissione e giunti
- Mandrini e utensili rotanti
- Rotori di turbine
All'estremo opposto si trova un disco sottile — una mola, una singola puleggia, un volano sottile — che di solito può essere corretto su un unico piano, poiché è troppo corto per sostenere una coppia significativa.
Squilibrio evidente tra i due
Quando il valore misurato è 1× fase se la fase tra i due supporti dei cuscinetti è marcatamente sfasata — con un angolo di quasi 180° —, il che indica un movimento oscillatorio o di inclinazione, significa che è presente uno squilibrio di coppia e che solo una correzione a due piani potrà eliminarlo.
Quando il bilanciamento su un unico piano non è sufficiente
Un classico indizio diagnostico: un intervento su un solo piano riduce le vibrazioni su un cuscinetto, ma le aumenta sull'altro. Questo compromesso è il segno distintivo di una coppia non corretta e indica la necessità di intervenire su un secondo piano.
Rotori rigidi con massa distribuita
Even a rotore rigido con risultati nettamente inferiori rispetto al primo velocità critica offre vantaggi su due piani se la sua massa è distribuita su una lunghezza assiale considerevole, garantendo che le vibrazioni siano ridotte al minimo su ogni cuscinetto anziché su uno solo.
3. La procedura di bilanciamento a due piani
Il bilanciamento su due piani è più complesso rispetto a quello su un unico piano, poiché una correzione in uno dei due piani modifica la vibrazione a Entrambi cuscinetti. La soluzione accettata è quella metodo del coefficiente di influenza, applicato in due mani pesi di prova attraverso una sequenza di cicli di misurazione.
Fase 1 — Misurazione iniziale
Far funzionare la macchina alla velocità di bilanciamento prescelta e registrare i vettori di vibrazione iniziali 1× (ampiezza e fase) su entrambi i cuscinetti. Contrassegnarli come «Cuscinetto 1» e «Cuscinetto 2». Questa coppia riflette l'effetto combinato di tutti gli squilibri presenti nel rotore.
Fase 2 - Definizione dei piani di correzione
Seleziona due piani di correzione dove è possibile aggiungere o rimuovere massa. Posizionarli il più lontano possibile l'uno dall'altro e nel modo più accessibile possibile — in genere vicino alle estremità del rotore, alle flange di accoppiamento o ai mozzi delle ventole. Un'ampia separazione tra i piani garantisce una correzione del momento d'inerzia efficace e ben bilanciata.
Fase 3 — Peso di prova nel piano 1
Arrestare la macchina e posizionare un peso di prova di massa nota con un'inclinazione nota sul primo piano. Avviare nuovamente la macchina e registrare le nuove vibrazioni su entrambi i cuscinetti. Il vettore modifica per ciascun cuscinetto vengono indicati due coefficienti di influenza: l'effetto del Piano 1 sul Cuscinetto 1 e quello del Piano 1 sul Cuscinetto 2.
Fase 4 — Peso di prova nel piano 2
Rimuovere il primo peso di prova, inserire un peso di prova nel secondo piano, eseguire la misurazione e misurare nuovamente. In questo modo si ottengono i restanti due coefficienti: Piano 2 sul Cuscinetto 1 e Piano 2 sul Cuscinetto 2.
Fase 5 — Calcolare le correzioni
Lo strumento ora contiene quattro coefficienti di influenza complessi disposti in una matrice 2×2. Utilizzando matematica vettoriale e l'inversione della matrice, risolve un sistema di due equazioni simultanee per determinare il valore esatto della massa e l'angolo necessari in ciascun piano per azzerare contemporaneamente le vibrazioni su entrambi i cuscinetti. A Calcolatore del coefficiente di influenza su un unico piano illustra l'aritmetica vettoriale sottostante per un piano; il caso a due piani la estende semplicemente a una matrice, mentre un calcolatore del peso di prova aiuta a stabilire una massa iniziale adeguata per il test.
Passaggio 6 — Installazione e verifica
Montare in modo definitivo entrambi i pesi calcolati ed eseguire una prova di verifica. Le vibrazioni su entrambi i cuscinetti dovrebbero ora rientrare tranquillamente nei valori previsti. Se dovesse rimanere un leggero residuo, una rapida bilanciamento del trim — riutilizzando i coefficienti già misurati — si ottiene un risultato più preciso senza bisogno di ulteriori prove.
4. Spiegazione della matrice dei coefficienti di influenza
La forza di questo metodo risiede proprio in quella matrice 2×2, poiché ogni piano influenza Entrambi bearings:
- Effetti diretti: un peso nel Piano 1 influisce maggiormente sul Raccordo 1 adiacente, mentre un peso nel Piano 2 influisce maggiormente sul Raccordo 2 adiacente.
- Effetti di accoppiamento incrociato: un peso nel piano 1 fa muovere anche il cuscinetto 2 (di solito in misura minore), mentre un peso nel piano 2 fa muovere anche il cuscinetto 1.
La risoluzione della matrice tiene conto contemporaneamente di tutte e quattro le interazioni, per cui le due correzioni si integrano anziché contrastarsi. Il calcolo manuale è infallibile: un errore di segno o un grado di errore di fase si propaga attraverso l'inversione, ed è proprio per questo che uno strumento di bilanciamento dedicato si rivela indispensabile.
Per due piani (1, 2) e due orientamenti (A, B), il sistema è VA = αA1·W1 + αA2·W2 and VB = αB1·W1 + αB2·W2, dove ogni termine V, α e W è un vettore complesso (ampiezza e fase). Il software di bilanciamento inverte questo sistema 2×2 per trovare i pesi di correzione W1 and W2 that make VA and VB vanish.
5. Bilanciamento su due piani sul campo
Il bilanciamento su due piani è il metodo comunemente utilizzato per bilanciamento in situ, ed è proprio questo lo scopo per cui è stato progettato un analizzatore portatile a due canali. Con uno strumento come il Bilanciamento-1a, un tecnico installa un accelerometro su ciascun cuscinetto è montato un sensore ottico tachimetro laser come riferimento di fase, e segue rigorosamente le sei fasi sopra descritte — esecuzione iniziale, due prove, risoluzione, correzione, verifica — senza smontare la macchina né inviare il rotore da un'officina specializzata. Poiché il lavoro viene eseguito in situ, nei cuscinetti della macchina stessa e alla velocità effettiva di funzionamento, il risultato riflette le reali condizioni di installazione — rigidità dei cuscinetti, flessibilità delle fondamenta, carichi termici e di processo — che un'officina macchina equilibratrice non è possibile riprodurre. Lo strumento verifica quindi il risultato finale squilibrio residuo rispetto al grado ISO prescelto prima dell'approvazione del rapporto.
6. Vantaggi dell'equilibratura a due piani
- Correzione completa: elimina sia lo squilibrio statico che quello di coppia, fornendo un quadro completo del rotore rigido.
- Riduce al minimo le vibrazioni su tutti i cuscinetti: ottimizza l'intero sistema del rotore, non solo un'estremità.
- Prolunga la durata dei componenti: una minore vibrazione in entrambi i punti di appoggio comporta una minore usura di cuscinetti, guarnizioni e giunti, nonché un minor rischio di fatica cracking.
- Standard del settore: richiesto da molti produttori di apparecchiature e codificato per i rotori rigidi in ISO 21940-11 (la norma che ha sostituito la ISO 1940-1).
- Adatto alla maggior parte delle macchine: valido per i rotori rigidi che funzionano al di sotto della loro prima velocità critica, il che riguarda la stragrande maggioranza delle apparecchiature industriali.
7. Dove si trova: a piano singolo, a due piani e a più piani
| Metodo | Aerei | Corregge | Typical rotor |
|---|---|---|---|
| Piano singolo | 1 | Solo statico | Dischi sottili, pulegge strette, ventole singole |
| Due piani | 2 | Statico + coppia | I rotori industriali più rigidi |
| Multi-plane | 3 or more | Flessione statica + di coppia + modale | Rotori flessibili al di sopra della velocità critica |
Rispetto al bilanciamento su un unico piano, quello su due piani è più complesso e richiede più tempo, ma garantisce una riduzione delle vibrazioni di gran lunga superiore per tutti i rotori di tipo a disco, tranne quelli più stretti. All'estremo opposto, un rotore flessibile il funzionamento al di sopra di una o più velocità critiche può richiedere tre o più piani — si veda il bilanciamento a più piani — tuttavia, per la maggior parte dei macchinari industriali, due piani sono più che sufficienti.
8. Problemi ricorrenti e soluzioni
Piani di correzione inaccessibili
Sfida: su una macchina già assemblata, i punti ideali per la livellatura potrebbero risultare inaccessibili.
Soluzione: utilizzare tutto ciò che è disponibile — mozzi di accoppiamento, pale del ventilatore, flange esterne — e lasciare che i coefficienti dello strumento compensino la geometria non ideale, dato che la matrice viene misurata sulla macchina stessa.
Risposta debole al peso di prova
Sfida: se un peso di prova modifica solo di poco i valori rilevati, i coefficienti di influenza diventano instabili e la soluzione inaffidabile.
Soluzione: utilizzare una massa di prova più grande oppure spostarla a una distanza maggiore per portare il suo effetto ben al di sopra del rumore di fondo della misurazione.
Comportamento non lineare
Sfida: rotors with allentamento meccanico, piede zoppo, oppure in prossimità di risonanza potrebbe non rispondere in modo lineare ai pesi — un presupposto su cui si basa il metodo.
Soluzione: risolvere prima i problemi meccanici (serrare i dispositivi di fissaggio, correggere l'assetto instabile) e, ove possibile, effettuare il bilanciamento in modo da evitare le velocità critiche. Verificare che il problema sia effettivamente dovuto a uno squilibrio e non disallineamento fingendosi di essere
