Rotoriaus balansavimas: statinis ir dinaminis disbalansas, rezonansas ir praktinė procedūra
Šiame vadove paaiškinama rotoriaus balansavimas už standūs rotoriai: what “unbalance” reiškia, kuo skiriasi statinis ir dinaminis disbalansas, kodėl rezonansas ir netiesiškumas gali sutrukdyti pasiekti kokybišką rezultatą, ir kaip balansavimas paprastai atliekamas vienoje ar dviejose korekcijos plokštumose.
Turinys
- Kas yra rotorius ir ką balansavimas ištaiso?
- Rotorių tipai ir disbalanso tipai
- Mechanizmų vibracija: ką balansavimas gali ir ko negali pašalinti
- Rezonansas: balansavimą trikdantis veiksnys
- Linijiniai ir netiesiniai modeliai: kada skaičiavimai nustoja veikti
- Balansavimo įtaisai ir balansavimo mašinos
- Standžių rotorių balansavimas (praktinės pastabos)
- Kaip atliekamas dinaminis balansavimas (trijų paleidimų metodas)
- Balansavimo kokybės vertinimo kriterijai
- Standartai ir nuorodos
- DUK
Kas yra rotorius ir ką balansavimas ištaiso?
Rotorius yra kūnas, kuris sukasi apie tam tikrą ašį ir laikosi ant atramose esančių guolinių paviršių. Rotoriaus guolių paviršiai per riedėjimo arba slydimo guolius perduoda apkrovas atramoms. Guolių paviršiai - tai kakliukų paviršiai arba juos pakeičiantys paviršiai.
Idealiai subalansuotame rotoriuje jo masė pasiskirsto simetriškai sukimosi ašies atžvilgiu, t. y. bet kurį rotoriaus elementą galima derinti su kitu elementu, esančiu simetriškai sukimosi ašies atžvilgiu. Subalansuotame rotoriuje išcentrinė jėga, veikianti bet kurį rotoriaus elementą, yra subalansuota išcentrine jėga, veikiančia simetrišką elementą. Pavyzdžiui, vienodo dydžio ir priešingos krypties išcentrinės jėgos F1 ir F2 veikia 1 ir 2 elementus (1 pav. pažymėta žalia spalva). Tai galioja visiems simetriniams rotoriaus elementams, taigi bendra rotorių veikianti išcentrinė jėga yra 0, o rotorius yra subalansuotas.
Tačiau jei rotoriaus simetrija suskaidyta (asimetriškasis elementas pažymėtas raudona spalva 1 pav.), tada nesubalansuota išcentrinė jėga F3 veikia rotorių. Sukinantis rotoriui, ši jėga keičia kryptį. Dinaminis krūvis, atsirandantis dėl šios jėgos, perduodamas guoliams, dėl to padidėja jų nusidėvėjimas.
Be to, veikiant šiai kintamos krypties jėgai, atsiranda ciklinė atramų ir pamato, ant kurio pritvirtintas rotorius, deformacija, t. y. atsiranda vibracija. Siekiant pašalinti rotoriaus disbalansą ir jį lydinčią vibraciją, būtina sumontuoti balansavimo mases, kad būtų atkurta rotoriaus simetrija.
Rotoriaus balansavimas — tai operacija, kuria disbalansas ištaisomas pridedant balansavimo mases. Kitaip tariant, balansavimo tikslas — pagrindinę centrinę rotoriaus inercijos ašį priartinti kuo arčiau jo sukimosi ašies, kad likutinis disbalansas atitiktų nustatytas ribas.
Balansavimo uždavinys - rasti vienos ar daugiau balansavimo masių dydį ir vietą (kampą).
Rotorių tipai ir disbalanso tipai
Atsižvelgiant į rotoriaus medžiagos stiprumą ir jį veikiančių išcentrinių jėgų dydį, rotorius galima suskirstyti į dvi rūšis – standžius ir lanksčius.
Veikiant išcentrinei jėgai standūs rotoriai darbo režimuose deformuojasi nežymiai, todėl šios deformacijos įtaka skaičiavimuose gali būti ignoruojama.
Lanksčių rotorių deformacijos nebegalima ignoruoti. Lanksčių rotorių deformacija apsunkina balansavimo uždavinio sprendimą ir, lyginant su standžių rotorių balansavimo uždaviniu, reikalauja taikyti kitus matematinius modelius. Reikėtų pažymėti, kad tas pats rotorius esant mažam greičiui gali elgtis kaip standus, o esant dideliam greičiui – kaip lankstus. Praktinis kriterijus – darbinis greitis rotoriaus pirmojo kritinio (lenkimo) greičio atžvilgiu: rotorius laikomas standžiu — ISO 21940-11 kalba apie rotorių su „standžiu elgesiu“ (rigid behaviour) — kai jis veikia gerokai žemiau šio greičio, praktiškai žemiau maždaug 50–70% pirmojo kritinio greičio. Virš šios ribos rotorius išlinksta į formą, kuri kinta priklausomai nuo greičio: jis yra lankstus ir turi būti balansuojamas moduliniais arba daugiaplokštumiais metodais (ISO 21940-12). Toliau nagrinėsime tik standžių rotorių balansavimą.
Priklausomai nuo to, kaip nesubalansuotos masės pasiskirsčiusios išilgai rotoriaus, ISO 21940-2 išskiria kelias disbalanso būsenas:
- statinis disbalansas — pagrindinė inercijos ašis pasislinkusi lygiagrečiai veleno ašiai; tai galima aptikti be sukimo, nes rotorius po savo svoriu apsisuka, kol sunkiausia vieta atsiduria apačioje. Viena korekcinė masė vienoje plokštumoje ją pašalina;
- poros (momento) disbalansas — pagrindinė inercijos ašis kerta veleno ašį masės centre; du vienodi disbalansai yra skirtingose plokštumose ir nutolę 180°. Jis pasireiškia tik sukantis ir reikalauja dviejų korekcinių masių dviejose plokštumose;
- dinaminis disbalansas — bendras, realaus pasaulio atvejis: statinio ir poros disbalanso derinys. Pagrindinė inercijos ašis nei lygiagreti veleno ašiai, nei ją kerta. Standžiam rotoriui reikalingos ir pakankamos dvi korekcijos plokštumos.
Senesnis terminas “momentinis disbalansas” yra poros disbalanso sinonimas; jo nereikėtų painioti su dinaminiu disbalansu, kuris yra statinio ir porinio komponentų suma. Rotoriaus su statiniu disbalansu pavyzdys parodytas 2 pav.
Poros disbalansas pasireiškia tik tada, kai rotorius sukasi.
Rotoriaus su poros disbalansu pavyzdys parodytas 3 pav.
Šiuo atveju nesubalansuotos vienodos masės M1 ir M2 yra skirtingose plokštumose – skirtingose vietose išilgai rotoriaus ilgio. Statinėje padėtyje, t. y. kai rotorius nesisuka, į rotorių veikia tik gravitacija, ir masės viena kitą subalansuoja. Dinamikoje, rotoriui sukantis, į mases M1 ir M2 pradeda veikti išcentrinės jėgos Fc1 ir Fc2. Šios jėgos yra lygios dydžiu ir priešingos kryptimi. Tačiau, kadangi jos veikia skirtingose vietose išilgai veleno ilgio ir nėra vienoje linijoje, šios jėgos viena kitos nekompensuoja. Jėgos Fc1 ir Fc2 sukuria rotoriui veikiantį momentą — todėl porinis disbalansas taip pat vadinamas momentiniu disbalansu. Atitinkamai, nekompensuotos išcentrinės jėgos veikia guolių vietas, o jos gali gerokai viršyti apskaičiuotas vertes ir sutrumpinti guolių tarnavimo laiką.
Kadangi tokio tipo disbalansas atsiranda tik sukantis rotoriui, jo negalima ištaisyti statinėmis sąlygomis balansuojant „ant peilių“ ar panašiais metodais. Siekiant pašalinti porinį disbalansą, turi būti sumontuoti du kompensaciniai svoriai, kurie sukuria momentą, savo dydžiu lygų ir kryptimi priešingą momentui, atsirandančiam dėl M1 ir M2 masių. Kompensuojamosios masės nebūtinai turi būti sumontuotos priešingai ir būti lygios dydžiu masėms M1 ir M2. Svarbiausia, kad jos sukurtų momentą, kuris visiškai kompensuotų disbalanso momentą.
Apskritai masės M1 ir M2 gali nebūti lygios viena kitai, todėl susidarys statinio ir porinio disbalanso derinys — būtent šį bendrąjį atvejį ISO 21940-2 vadina dinaminiu disbalansu. Teoriškai įrodyta, kad standžiam rotoriui pašalinti jo disbalansą būtina ir pakanka dviejų svorių, išdėstytų atstumu vienas nuo kito išilgai rotoriaus ilgio. Šie svoriai kompensuos tiek momentą, atsirandantį dėl porinio disbalanso, tiek išcentrinę jėgą, atsirandančią dėl masės asimetrijos rotoriaus ašies atžvilgiu (statinis disbalansas). Paprastai porinis disbalansas būdingas ilgiems rotoriams, pavyzdžiui, velenams, o statinis disbalansas – siauriems rotoriams. Tačiau jei siauras rotorius yra iškrypęs ašies atžvilgiu arba deformuotas („aštuntuko“ pavidalu), porinį disbalansą pašalinti bus sunku (žr. 4 pav.), nes tokiu atveju sunku sumontuoti korekcinius svorius, sukuriančius reikiamą kompensuojantį momentą.
Jėgos F1 ir F2 nėra ant tos pačios tiesės ir nekompensuoja viena kitos.
Kadangi dėl siauro rotoriaus petys, reikalingas kompensuojančiam momentui sukurti, yra mažas, gali prireikti didelių korekcinių svorių. Tačiau dėl to taip pat atsiranda „sukeltasis disbalansas“, kylantis dėl siauro rotoriaus deformacijos, kurią sukelia korekcinių svorių išcentrinės jėgos. (žr., pavyzdžiui, Metodiniai nurodymai standžių rotorių balansavimui GOST 22061-76 — šiuolaikinis tarptautinis atitikmuo yra ISO 21940-11, anksčiau ISO 1940-1 — 10 skyrius, "Rotoriaus ir atramų sistema").
Tai pastebima siaurose ventiliatorių sparnuotėse, kur, be masės disbalanso, dar aerodinaminis disbalansas taip pat yra: nevienoda menčių geometrija sukuria nevienodą menčių apkrovą ir todėl atsiranda grynoji radialinė jėga. Kaip ir korekcinio svorio išcentrinė jėga, ši jėga kinta proporcingai greičio kvadratui, tačiau ji taip pat priklauso nuo darbo taško — oro tankio, sklendės padėties, kanalo pasipriešinimo — todėl korekcinis svoris, subalansuotas vienam darbo taškui, kitame taške nebebus optimalus. Todėl aerodinaminė dedamoji turi būti koreguojama atkuriant menčių geometriją, o ne pridedant masę.
Elektromagnetinės jėgos elektrinėje mašinoje (nesubalansuota magnetinė trauka dėl ekscentriško oro tarpo, sulūžę strypai, trumpai sujungtos plokštelės) elgiasi vėl kitaip: jas lemia oro tarpo srautas, o ne sukimosi greitis, ir jos dažniausiai sužadina mašiną dvigubu tinklo dažniu bei polių praėjimo šoninėse juostose, o ne 1× dažniu. Kadangi jos veikia kitais dažniais nei sukimosi dažnis, balansavimas jų visiškai negali kompensuoti. Trumpai tariant, balansavimas pašalina tik su mase susijusį 1× sužadinimą — jis negali pašalinti visų vibracijos šaltinių mašinoje.
Mechanizmų vibracija
Vibracija - tai mechanizmo konstrukcijos reakcija į ciklinio sužadinimo jėgos poveikį. Ši jėga gali būti įvairaus pobūdžio.
Išcentrinė jėga, atsirandanti dėl nesubalansuoto rotoriaus, yra nekompensuota jėga, veikianti "sunkųjį tašką". Būtent šią jėgą ir jos sukeltą vibraciją galima pašalinti subalansuojant rotorių.
"Geometrinio" pobūdžio sąveikos jėgos, atsirandančios dėl jungiamųjų dalių gamybos ir surinkimo klaidų. Šios jėgos gali atsirasti, pavyzdžiui, dėl veleno kaklelių neapvalumo, krumpliaračių dantų profilių klaidų, guolių bėgimo takų bangavimo, jungiamųjų velenų nesutapimo ir kt. Jei veleno kakliukai neapskriti, veleno ašis pasislinks priklausomai nuo veleno sukimosi kampo. Nors ši vibracija atsiranda ir rotoriaus greičiu, jos beveik neįmanoma pašalinti balansuojant.
Aerodinaminės jėgos, atsirandančios sukantis ventiliatorių sparnuotėms ir kitiems menteliniams mechanizmams. Hidrodinaminės jėgos, atsirandančios dėl hidraulinių siurblių, turbinų ir kt. sparnuotųjų ratų sukimosi.
Elektromagnetinės jėgos, atsirandančios veikiant elektros mašinoms, pvz., dėl asimetrinių rotoriaus apvijų, trumpai sujungtų apvijų ir pan.
Vibracijos dydis (pvz., jos amplitudė Av) priklauso ne tik nuo žadinančios jėgos Fv, veikiančios mechanizmą kampiniu dažniu ω, bet ir nuo mechanizmo standumo k, jo masės m, taip pat slopinimo koeficiento C, kaip parodyta žemiau esančioje formulėje (1).
Vibracijai ir mechanizmų balansavimui matuoti gali būti naudojami įvairių tipų jutikliai, įskaitant:
- absoliutūs vibracijos jutikliai, skirti vibracijos pagreičiui matuoti (akselerometrai) ir vibracijos greičio jutikliai;
- santykinės vibracijos jutikliai - sūkurinės srovės arba talpiniai, skirti vibracijos poslinkiui matuoti;
- Kai kuriais atvejais (kai tai leidžia mechanizmo konstrukcija) jėgos jutikliai taip pat gali būti naudojami jo vibracijos apkrovai įvertinti; ypač jie plačiai naudojami standžių atramų balansavimo mašinų atramų vibracijos apkrovai matuoti.
Taigi vibracija yra mašinos reakcija į išorinių jėgų poveikį. Vibracijos dydis priklauso ne tik nuo mechanizmą veikiančios jėgos dydžio, bet ir nuo mechanizmo konstrukcijos standumo. Viena ir ta pati jėga gali sukelti skirtingas vibracijas. Kietų atramų mašinoje, net jei vibracija nedidelė, guoliai gali būti veikiami didelių dinaminių apkrovų. Todėl balansuojant kietų atramų mašinas naudojami jėgos, o ne vibracijos jutikliai (vibracijos akselerometrai).
Vibracijos jutikliai naudojami mechanizmuose su santykinai paslankiomis atramomis, kai veikiant nesubalansuotoms išcentrinėms jėgoms pastebima atramų deformacija ir vibracija. Jėgos jutikliai naudojami standžioms atramoms, kai net ir didelės jėgos dėl disbalanso nesukelia žymios vibracijos.
Rezonansas yra balansavimą trikdantis veiksnys
Anksčiau minėjome, kad rotoriai skirstomi į standžiuosius ir lanksčiuosius. Rotoriaus standumo arba lankstumo nereikėtų painioti su atramų (pamatų), ant kurių rotorius sumontuotas, standumu arba judrumu. Rotorius laikomas standžiu, kai galima nekreipti dėmesio į jo deformaciją (lenkimą) veikiant išcentrinėms jėgoms. Lankstaus rotoriaus deformacija yra santykinai didelė ir jos negalima nepaisyti.
Šiame straipsnyje nagrinėjamas tik standžių rotorių balansavimas. Savo ruožtu standus (nedeformuojamas) rotorius gali būti sumontuotas ant standžių arba judančių (lanksčių) atramų. Akivaizdu, kad šis atramų standumas (paslankumas) taip pat yra santykinis, priklausomai nuo rotoriaus greičio ir atsirandančių išcentrinių jėgų dydžio. Sąlyginė riba yra rotoriaus atramų savųjų virpesių dažnis.
Mechaninėse sistemose savųjų virpesių forma ir dažnis priklauso nuo mechaninės sistemos elementų masės ir tamprumo. Tai reiškia, kad savųjų virpesių dažnis yra vidinė mechaninės sistemos charakteristika ir nepriklauso nuo išorinių jėgų. Atramos, nukrypusios nuo pusiausvyros būsenos, dėl tamprumo linksta grįžti į pusiausvyros padėtį. Tačiau dėl masyvaus rotoriaus inercijos šis procesas turi slopstančiųjų virpesių pobūdį. Šie virpesiai yra rotoriaus ir atramos sistemos savieji virpesiai. Jų dažnis priklauso nuo rotoriaus masės ir atramų tamprumo santykio, kaip parodo toliau pateikta formulė (2).
Kai rotorius pradeda suktis ir jo sukimosi dažnis priartėja prie savųjų virpesių dažnio, smarkiai padidėja virpesių amplitudė, todėl konstrukcija gali būti sugriauta.
Pasireiškia mechaninio rezonanso reiškinys. Netoli rezonanso atsakas sustiprinamas kokybės faktoriumi Q = 1/(2ζ), paprastai 3–17 mašinų konstrukcijoms, o smailė gali būti siaura: kelių procentų dydžio greičio pokytis gali kelis kartus pakeisti vibracijos lygį. Pereinant per rezonansą, fazės vėlavimas pasikeičia 180°, ties smaile praeidamas per 90°.
Jei mechanizmo konstrukcija nesėkminga ir rotoriaus darbinis dažnis yra arti savųjų virpesių dažnio, mechanizmo eksploatavimas tampa neįmanomas dėl nepriimtinai didelės vibracijos. Tokiu atveju balansuoti įprastais metodais neįmanoma, nes net nedidelis greičio pokytis smarkiai pakeičia vibracijos parametrus. Balansavimui rezonanso srityje naudojami specialūs metodai, kurie šiame straipsnyje nenagrinėjami.
Mechanizmo savųjų virpesių dažnį galima nustatyti laisvo išbėgimo metu (išjungus rotoriaus sukimąsi) arba naudojant smūgių metodą, o vėliau atliekant sistemos atsako į smūgį spektrinę analizę.
Mechanizmams, kurių darbinis sukimosi dažnis yra virš rezonanso dažnio, t. y. veikiantiems viršrezonansiniu (porezonansiniu) režimu, atramos laikomos judančiomis, o matavimui naudojami vibracijos jutikliai, daugiausia vibracijos akselerometrai, matuojantys konstrukcinių elementų pagreitį. Mechanizmams, veikiantiems prieš rezonansą, atramos laikomos standžiomis. Šiuo atveju naudojami jėgos jutikliai.
Tiesiniai ir netiesiniai mechaninės sistemos modeliai. Nelinijiškumas yra veiksnys, kuris neleidžia subalansuoti
Balansuojant standžius rotorius, balansavimo skaičiavimams naudojami matematiniai modeliai, vadinami tiesiniais modeliais. Tiesinis modelis reiškia, kad tokiame modelyje vienas dydis yra proporcingas (tiesinis) kitam. Pavyzdžiui, jei nekompensuojama rotoriaus masė padvigubėja, vibracijos vertė taip pat padvigubėja. Standiems rotoriams galima taikyti tiesinį modelį, nes jie nesideformuoja.
Lanksčių rotorių atveju tiesinis modelis nebegali būti taikomas. Lankstaus rotoriaus atveju, jei sukantis didėja sunkaus taško masė, atsiranda papildomų deformacijų, be masės, didėja ir sunkaus taško vietos spindulys. Todėl lanksčiojo rotoriaus atveju virpesiai padidės daugiau kaip du kartus, ir įprasti skaičiavimo metodai neveiks.
Kitas netiesiškumo šaltinis – atramos standumo pokytis esant dideliems poslinkiams: esant mažiems poslinkiams apkrovą laiko vienas konstrukcinių elementų rinkinys, esant dideliems – įsijungia kiti. Būtent todėl negalima balansuoti mechanizmų, kurie nėra pritvirtinti prie pamato, o, pavyzdžiui, tiesiog pastatyti ant grindų. Esant reikšmingoms vibracijoms, disbalanso jėga gali atplėšti mechanizmą nuo grindų, taip smarkiai pakeisdama sistemos standumo charakteristikas. Variklio kojos turi būti patikimai pritvirtintos, varžtų tvirtinimai priveržti, poveržlių storis turi užtikrinti pakankamą tvirtinimo standumą ir t. t. Jei guoliai sugedę, galimas didelis veleno nesuderinimas ir smūgiai, dėl kurių taip pat pablogėja tiesiškumas ir tampa neįmanoma atlikti kokybiško balansavimo.
Balansavimo įtaisai ir balansavimo mašinos
Primename, kad balansavimas yra procesas, kurio metu pagrindinė centrinė inercijos ašis suderinama su rotoriaus sukimosi ašimi.
Šį procesą galima atlikti dviem būdais.
Pirmasis metodas apima rotoriaus kakliukų mechaninį apdirbimą taip, kad ašis, einanti per kakliukų centrus, sutaptų su pagrindine centrine rotoriaus inercijos ašimi. Toks metodas praktikoje naudojamas retai ir šiame straipsnyje nebus išsamiai aptariamas.
Antrasis (labiausiai paplitęs) būdas - ant rotoriaus perkelti, pritvirtinti arba nuimti korekcinius svorius, kurie dedami taip, kad rotoriaus inercijos ašis būtų kuo arčiau jo sukimosi ašies.
Balansavimo metu koreguojamuosius svorius galima perkelti, pridėti arba pašalinti atliekant įvairias technologines operacijas, įskaitant: gręžimą, frezavimą, paviršinį apdirbimą, suvirinimą, prisukimą arba atsukimą, deginimą lazeriu arba elektronų pluoštu, elektrolizę, elektromagnetinį paviršinį apdirbimą ir t. t.
Balansavimo procesą galima atlikti dviem būdais:
- Lauko balansavimas (in situ) — sumontuotas rotorius balansuojamas jo paties guoliuose, ant jo paties pamato, jo paties darbiniu greičiu, naudojant nešiojamą balansavimo komplektą;
- Shop balancing — rotorius išmontuojamas ir balansuojamas specialiose balansavimo staklėse.
Rotoriams balansuoti jų pačių guoliuose paprastai naudojami specializuoti balansavimo prietaisai (rinkiniai), leidžiantys matuoti balansuojamo rotoriaus vibraciją jo sukimosi dažniu vektorine forma, t. y. matuoti tiek vibracijos amplitudę, tiek fazę. Šiuo metu minėti prietaisai gaminami mikroprocesorinės technikos pagrindu ir (be vibracijos matavimo bei analizės) užtikrina automatinį korekcinių svorių, kuriuos reikia sumontuoti ant rotoriaus jo disbalansui kompensuoti, parametrų apskaičiavimą.
Prie šių prietaisų priskiriami:
- matavimo ir skaičiavimo įrenginys, pagrįstas kompiuteriu arba pramoniniu valdikliu;
- du (ar daugiau) vibracijos jutikliai;
- fazės kampo jutiklis;
- priedus, skirtus jutikliams montuoti objekte;
- specializuota programinė įranga, skirta atlikti visą rotoriaus vibracijos parametrų matavimo ciklą vienoje, dviejose ar daugiau korekcijos plokštumų.
Šiuo metu dažniausiai naudojamos dviejų tipų balansavimo mašinos:
- Minkštų guolių mašinos (su lankščiomis atramomis);
- Mašinos su kietaisiais guoliais (su standžiomis atramomis).
Minkštų guolių (virš rezonanso) mašinos turi palyginti nuolaidžias atramas, pavyzdžiui, pagrįstas plokščiomis spyruoklėmis. Šių atramų savasis virpesių dažnis paprastai yra 2-3 kartus mažesnis už ant jų sumontuoto balansuojamo rotoriaus sukimosi dažnį, todėl mašina veikia virš rezonanso. Šių virš rezonanso veikiančių mašinų atramų judesiui matuoti paprastai naudojami vibracijos jutikliai (akselerometrai, vibracijos greičio jutikliai ir kt.).
Kietųjų guolių (priešrezonansinės) mašinos naudojamos gana standžios atramos, kurių savieji vibracijos dažniai turi būti 2–3 kartus didesni už balansuojamo rotoriaus sukimosi dažnį, kad mašina veiktų žemiau rezonanso. Priešrezonansinės mašinos atramų dinaminei apkrovai matuoti dažniausiai naudojami jėgos keitikliai.
Priešrezonansinių (kietaguolių) balansavimo staklių privalumas — jomis balansuoti galima santykinai mažu rotoriaus greičiu (iki 400–500 aps/min), o tai gerokai supaprastina staklių ir jų pamato konstrukciją bei padidina balansavimo našumą ir saugumą.
Standžiųjų rotorių balansavimas
Svarbu!
- Balansavimas pašalina tik vibraciją, atsirandančią dėl asimetriško rotoriaus masės pasiskirstymo sukimosi ašies atžvilgiu. Balansavimas nepašalina kitų tipų vibracijos!
- Balansuojami techniniai mechanizmai, kurių konstrukcija užtikrina rezonansų nebuvimą darbiniu sukimosi dažniu, patikimai pritvirtinti prie pagrindo, sumontuoti tvarkinguose guoliuose.
- Prieš balansavimą reikia sutaisyti sugedusias mašinas. Priešingu atveju kokybiškas balansavimas neįmanomas.
Balansavimas nepakeičia remonto!
Pagrindinė balansavimo užduotis — rasti kompensavimo masių kiekį ir vietą, kurie neutralizuotų išcentrines jėgas.
Kaip minėta anksčiau, standiems rotoriams paprastai būtina ir pakanka sumontuoti du kompensuojančius svorius. Tai pašalins tiek statinį, tiek porinį rotoriaus disbalanso komponentus. Bendroji vibracijos matavimo balansavimo metu schema yra tokia.
Vibracijos jutikliai montuojami ant guolių atramų 1 ir 2 taškuose. Prie rotoriaus pritvirtinama apsisukimo žyma, dažniausiai atspindinčia juostele. Apsisukimo žymą naudoja lazerinis tachometras rotoriaus greičiui ir vibracijos signalo fazei nustatyti.
Kaip atliekamas dinaminis balansavimas (trijų paleidimų metodas)
Daugeliu atvejų dinaminis balansavimas atliekamas trijų paleidimų metodu. Metodas pagrįstas tuo, kad žinomos masės bandomieji svoriai paeiliui dedami ant rotoriaus 1 ir 2 plokštumose, o balansavimo svorių masė ir vieta apskaičiuojama pagal vibracijos parametrų pokyčių rezultatus.
Plokštuma, kurioje sumontuotas korekcinis svoris, vadinama korekcijos plokštuma. Korekcijos plokštumos yra on the rotor itself — paprastai abiejuose rotoriaus korpuso galuose, ant ventiliatoriaus ar sparnuotės diskų, arba ant specialių balansavimo žiedų. Jos turėtų būti parenkamos kuo toliau viena nuo kitos išilgai veleno, kiek leidžia konstrukcija, kad vidutinis svoris sukurtų pakankamą koreguojantį momentą. Tai nėra tas pats, kas measuring points, kurie yra ant guolių korpusų (žr. 6 pav.).
Pirmojo paleidimo metu išmatuojama pradinė vibracija (Balanset programinėje įrangoje tai Run 0). Tada ant rotoriaus, arčiau vieno iš guolių, uždedamas žinomos masės bandomasis svoris. Atliekamas antrasis paleidimas (Run 1) ir išmatuojami vibracijos parametrai, kurie turėtų pasikeisti dėl bandomojo svorio sumontavimo. Tada bandomasis svoris pirmojoje plokštumoje nuimamas ir sumontuojamas antrojoje plokštumoje. Atliekamas trečiasis bandomasis paleidimas (Run 2) ir išmatuojami vibracijos parametrai. Bandomasis svoris nuimamas, o programinė įranga automatiškai apskaičiuoja balansavimo svorių mases ir montavimo kampus.
Tada apskaičiuoti korekciniai svoriai sumontuojami savo plokštumose ir atliekamas kontrolinis paleidimas — Balanset programinėje įrangoje tai Run T (Trim). Liekamoji vibracija lyginama su tolerancija. Jei rezultatas vis dar viršija tikslą, programinė įranga pakartotinai naudoja jau nustatytus įtakos koeficientus, todėl naujų bandomojo svorio paleidimų nereikia — apskaičiuojama ir sumontuojama tik nedidelė papildoma tikslinamoji korekcija.
Bandomųjų svorių montavimo tikslas – nustatyti, kaip sistema reaguoja į disbalanso pokyčius. Bandomųjų svorių masės ir vietos yra žinomos, todėl programinė įranga gali apskaičiuoti vadinamuosius įtakos koeficientus, parodančius, kaip žinomo disbalanso įvedimas veikia vibracijos parametrus. Įtakos koeficientai yra pačios mechaninės sistemos charakteristika ir priklauso nuo atramų standumo bei rotoriaus ir atramos sistemos masės (inercijos).
Tos pačios konstrukcijos to paties tipo mechanizmų įtakos koeficientai bus artimi. Juos galima išsaugoti kompiuterio atmintyje ir naudoti to paties tipo mechanizmų balansavimui be bandomųjų važiavimų, o tai labai padidina balansavimo našumą. Atkreipkite dėmesį, kad bandomųjų svorių masė turėtų būti parinkta tokia, kad įrengus bandomuosius svorius pastebimai pasikeistų vibracijos parametrai. Priešingu atveju padidėja įtakos koeficientų skaičiavimo paklaida ir pablogėja balansavimo kokybė.
Kaip matyti iš 1 pav., išcentrinė jėga veikia radialine kryptimi, t. y. statmenai rotoriaus ašiai. Todėl vibracijos jutikliai turi būti sumontuoti taip, kad jų jautrumo ašis taip pat būtų nukreipta radialine kryptimi. Paprastai, pamatų standumas horizontalioje kryptimi yra mažesnis, todėl vibracijos amplitudė horizontalioje kryptimi didesnė. Dėl to, siekiant padidinti jautrumą, jutikliai turėtų būti sumontuoti taip, kad jų jautrumo ašis būtų nukreipta horizontaliai. Nors iš esmės nėra reikšmingų skirtumų. Be vibracijos radialine kryptimi, reikalinga stebėti vibraciją aksialioje kryptimi, išilgai rotoriaus sukimosi ašies. Ši vibracija paprastai nesukelia disbalansas, o kitos priežastys, daugiausia susijusios su įrankiais, sujungtais per spragą, nesuderinimais.
Šios vibracijos balansavimu pašalinti negalima, tokiu atveju reikalingas centravimas. Praktiškai tokiose mašinose paprastai būna ir rotoriaus disbalansas, ir veleno nesuderinimas, dėl to vibracijos pašalinimo užduotis tampa kur kas sunkesnė. Tokiais atvejais pirmiausia reikia sucentruoti mašiną, o tik tada balansuoti. (Nors esant stipriam sukimo momento disbalansui, vibracija atsiranda ir ašine kryptimi dėl pamato konstrukcijos „susisukimo“.)
Susiję straipsniai (balansavimo stovų pavyzdžiai)
Balansavimo mechanizmų kokybės vertinimo kriterijai
Rotorių (mechanizmų) balansavimo kokybę galima įvertinti dviem būdais. Pirmasis metodas — balansavimo proceso metu nustatytą likutinio disbalanso dydį palyginti su likutinio disbalanso tolerancija. Šios tolerancijos skirtingoms rotorių klasėms nurodytos ISO 21940-11 (ankščiau ISO 1940-1).
Kaip apskaičiuojama tolerancija (ISO 21940-11). Standartas nurodo balanso kokybės klasę G, kuri yra leistino specifinio disbalanso euž ir darbinis kampinis greitis ω, išreikšti mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], kur n — darbinis greitis aps/min;
- euž = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (skaitine verte lygu masės centro poslinkiui µm) — arba lygiaverčiai euž = 9549 · G / n;
- Uuž = euž · m [g·mm], kur m yra rotoriaus masė kg.
Worked example. Rotorius m = 50 kg, darbinis greitis n = 3000 aps/min, klasė G 6.3 (ventiliatoriai, siurbliai, standartiniai elektros varikliai): ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s; euž = 6,3 · 1000 / 314,2 = 20,1 g·mm/kg (kryžminis patikrinimas: 9549 · 6,3 / 3000 ≈ 20,1); Uuž = 20,1 · 50 ≈ 1000 g·mm visam rotoriui.
Tolerancijos padalijimas tarp dviejų plokštumų. Rotoriui, kurio masės centras yra tarp korekcijos plokštumų, bendra tolerancija paskirstoma atvirkščiai proporcingai atstumui nuo masės centro iki kiekvienos plokštumos; simetriniam rotoriui tai tiesiog po pusę kiekvienoje plokštumoje — aukščiau pateiktame pavyzdyje apie 500 g·mm vienai plokštumai. Nė vienai plokštumai neturėtų būti priskirta daugiau nei 70% ar mažiau nei 30% Uuž.
Typical grades: G 0.4 — girokopai, tiksliųjų šlifavimo staklių suklai · G 1 — šlifavimo staklių suklai, tikslieji armatūros elementai · G 2.5 — turbinos, turbogeneratoriai, staklių pavaros · G 6.3 — bendroji mašinų gamyba: ventiliatoriai, siurblių sparnuotės, smagračiai, standartiniai elektros varikliai · G 16 — kardaniniai velenai su specialiais reikalavimais, žemės ūkio technika, smulkintuvai · G 40 — automobilių ratai, pavaros velenai (kardaniniai velenai) · G 100 — greitaeigių dyzelinių variklių alkūninių velenų pavaros.
Tačiau laikantis nurodytų leistinų nuokrypių negalima visiškai užtikrinti mechanizmo veikimo patikimumo, susijusio su minimalaus jo vibracijos lygio pasiekimu. Tai paaiškinama tuo, kad mechanizmo virpesių dydį lemia ne tik jėgos, susijusios su likutiniu rotoriaus disbalansu, dydis, bet ir keletas kitų parametrų, įskaitant: mechanizmo konstrukcinių elementų standumą k, jo masę m, slopinimo koeficientą ir sukimosi dažnį. Todėl, norint įvertinti mechanizmo dinamines savybes (įskaitant jo balansavimo kokybę), daugeliu atvejų rekomenduojama įvertinti mechanizmo liekamųjų virpesių lygį, kurį reglamentuoja keletas standartų.
Plačiausiai naudojamas leistinų pramoninių mašinų vibracijos lygių standartas yra ISO 20816-3 (anksčiau ISO 10816-3). Jis apima mašinas, kurių galia didesnė nei 15 kW ir kurios veikia 120–15 000 aps/min greičiu, ir klasifikuoja jas pagal du parametrus: pagal galios grupę (1 grupė — daugiau kaip 300 kW; 2 grupė — nuo 15 iki 300 kW) ir pagal atramos tipą (standi arba lanksti). Kiekvienas derinys turi savo A/B, B/C ir C/D zonų ribas mm/s RMS. Mašinoms, nepatenkančioms į šią taikymo sritį, taikomos atskiros serijos dalys (turbininiai agregatai — ISO 20816-2, hidraulinės mašinos, stūmokliniai mechanizmai, siurbliai) arba gaminių standartai, pavyzdžiui, ISO 14694 pramoniniams ventiliatoriams.
Bendroms mašinoms, vertinamoms pagal nesisukančias dalis, klasikinis ISO 10816-1 zonos (dabar dalis ISO 20816-1) nustato tokias vibracijos greičio ribas, mm/s RMS:
| Klasė | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| I klasė (mažos mašinos, iki 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| II klasė (vidutinės mašinos, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| III klasė (didelės mašinos, standus pamatas) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| IV klasė (didelės mašinos, lankstus pamatas) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
A zona atitinka naujų mašinų vibraciją; B zona priimtina neribotam ilgalaikiam darbui; C zona leidžia tik ribotą eksploataciją; D zona rodo pakankamai stiprią vibraciją, galinčią sukelti pažeidimų.
Standartai ir nuorodos
- ISO 21940-11:2016 — Mechaninė vibracija — Rotorių balansavimas — 11 dalis: standžios elgsenos rotorių procedūros ir tolerancijos. (Pakeičia ISO 1940-1, kuris yra panaikintas.) G klasių ir tolerancijos skaičiuoklė →
- ISO 21940-2 — Mechaninė vibracija — Rotorių balansavimas — 2 dalis: Terminija. (Statinio, porinio, kvazistatinio ir dinaminio disbalanso apibrėžimai.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechaninė vibracija — Mašinų vibracijos matavimas ir vertinimas — 1 dalis: bendrieji nurodymai. (Pakeičia ISO 10816-1 ir ISO 7919-1.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — Mechaninė vibracija — Mašinų vibracijos matavimas ir vertinimas — 3 dalis: pramoninės mašinos, kurių vardinė galia didesnė nei 15 kW, o vardiniai greičiai nuo 120 aps/min iki 15 000 aps/min. (Pakeičia ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Pramoniniai ventiliatoriai — balanso kokybės ir vibracijos lygių specifikacijos.
DUK
Ar balansavimas pašalina visas vibracijas?
Ne. Balansavimas pašalina vibraciją, kurią sukelia asimetriškas rotoriaus masės pasiskirstymas jo sukimosi ašies atžvilgiu. Vibracijai, kurią sukelia ašių nesutapimas, guolių defektai, aerodinaminės/hidrodinaminės jėgos, elektromagnetinės jėgos ir kitos priežastys, reikalinga atskira diagnostika ir taisomieji veiksmai.
Kodėl balansavimas gali nepavykti esant rezonansui?
Netoli rezonanso, maži greičio pokyčiai gali sukelti didelius vibracijos amplitudės pokyčius ir 180° fazės poslinkį. Tokiomis sąlygomis matavimo rezultatai tampa nestabilūs, o įprasti balansavimo metodai gali nekonverguoti be specialių metodų.
Kada reikalingas vienos plokštumos, o kada dviejų plokštumų balansavimas?
Viena plokštuma pakanka diskinio pavidalo rotoriams, kurių ašinis ilgis mažas, palyginti su skersmeniu — pagal nykščio taisyklę L/D < 0.5 — ir darbinis greitis yra gerokai žemiau pirmojo kritinio greičio. Tipiniai pavyzdžiai: šlifavimo diskas, vieno disko ventiliatoriaus sparnuotė, skriemulys, automobilio ratas. Toks rotorius turi beveik grynai statinį disbalansą.
Dvi plokštumos reikalingos pailgiems rotoriams (L/D ≥ 0.5), bet kuriam rotoriui su dviem ar daugiau sparnuočių ar diskų, išdėstytų išilgai veleno, ir visada, kai vibracijos fazė abiejuose guoliuose gerokai skiriasi — tai porinio komponento požymis. Standžiam rotoriui niekada nereikia daugiau nei dviejų plokštumų.
Jei abejojate, matuokite abu guolius: jei vienos plokštumos korekcija sumažina vibraciją viename guolyje, bet padidina kitame, rotorius turi porinį komponentą ir jam reikia dviejų plokštumų balansavimo.
Ką reikėtų padaryti prieš balansavimą?
Įsitikinkite, kad mašina yra tinkama naudoti: patikimai pritvirtinta prie pagrindo, guoliai sveiki, nėra didelio mechaninio laisvumo ir akivaizdžių netiesiškumo šaltinių. Balansavimas nepakeičia remonto.
Svarbiausios išvados
- Balansavimas koreguoja su mase susijusį (išcentrinį) sužadinimą; jis neišsprendžia nesukentravimo, guolių pažeidimų ar elektromagnetinių / aerodinaminių šaltinių problemų.
- Dėl rezonanso ir netiesiškumo įprastas balansavimas gali būti neveiksmingas arba nesaugus.
- Standiems rotoriams dviejų plokštumų balansavimas yra bendras sprendimas dinaminiam disbalansui (statinio + porinio derinys).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
