Rotora balansēšana: statiskais un dinamiskais disbalanss, rezonanse un praktiskā procedūra
Šajā rokasgrāmatā ir izskaidrots rotora balansēšana par stingri rotori: kas “nelīdzsvarotība” nozīmē, ar ko atšķiras statiskā un dinamiskā nelīdzsvarotība, kāpēc rezonanse un nelineāritāte var kavēt kvalitatīvu rezultātu, un kā balansēšana parasti tiek veikta vienā vai divās korekcijas plaknēs.
Saturs
- Kas ir rotors un ko balansēšana labo?
- Rotoru veidi un nelīdzsvarotības veidi
- Mehānismu vibrācija: ko balansēšana var un ko nevar novērst
- Rezonanse: faktors, kas novērš balansēšanu
- Lineārie un nelineārie modeļi: kad aprēķini pārstāj darboties
- Balansēšanas ierīces un balansēšanas mašīnas
- Cieto rotoru balansēšana (praktiskas piezīmes)
- Kā tiek veikta dinamiskā balansēšana (trīs palaidienu metode)
- Balansēšanas kvalitātes novērtēšanas kritēriji
- Standarti un atsauces
- BIEŽĀK UZDOTIE JAUTĀJUMI
Kas ir rotors un ko balansēšana labo?
Rotors ir korpuss, kas griežas ap kādu asi un ko balstos notur gultņu virsmas. Rotora gultņu virsmas pārnes slodzi uz balstiem, izmantojot rites vai slīdošos gultņus. Gultņu virsmas ir trunnionu virsmas vai virsmas, kas tos aizstāj.
Perfekti līdzsvarotā rotorā tā masa ir sadalīta simetriski ap rotācijas asi, t.i., jebkuru rotora elementu var saskaņot ar citu elementu, kas atrodas simetriski ap rotācijas asi. Līdzsvarotā rotorā centrbēdzes spēks, kas iedarbojas uz jebkuru rotora elementu, ir līdzsvarots ar centrbēdzes spēku, kas iedarbojas uz simetrisko elementu. Piemēram, uz 1. un 2. elementu (1. attēlā atzīmēti ar zaļu krāsu) iedarbojas centrbēdzes spēki F1 un F2, kuru lielums ir vienāds un virziens pretējs. Tas attiecas uz visiem simetriskajiem rotora elementiem, un tādējādi kopējais centrbēdzes spēks, kas iedarbojas uz rotoru, ir 0, un rotors ir līdzsvarots.
Taču, ja rotora simetrija ir izjaukta (asimetriskais elements 1. att. atzīmēts sarkanā krāsā), tad uz rotoru iedarbojas nelīdzsvarots centrbēdzes spēks F3. Rotācijai notiekot, šis spēks maina virzienu līdz ar rotora pagriešanos. Šī spēka radītā dinamiskā slodze tiek pārnesta uz gultņiem, izraisot paātrinātu nolietojumu.
Turklāt šī mainīgā virziena spēka ietekmē rodas cikliska balstu un pamatnes deformācija, uz kuras rotors ir nostiprināts, t.i., rodas vibrācija. Lai novērstu rotora nelīdzsvarotību un ar to saistīto vibrāciju, jāuzstāda balansēšanas masas, kas atjauno rotora simetriju.
Rotora balansēšana ir darbība nelīdzsvarotības koriģēšanai, pievienojot balansēšanas masas. Citiem vārdiem sakot, balansēšanas mērķis ir pēc iespējas tuvāk savietot rotora galveno centrālo inerces asi ar tā rotācijas asi, lai atlikusī nelīdzsvarotība iekļautos noteiktajās robežās.
Balansēšanas uzdevums ir atrast vienas vai vairāku balansēšanas masu lielumu un atrašanās vietu (leņķi).
Rotoru veidi un nelīdzsvarotības veidi
Ņemot vērā rotora materiāla izturību un uz to iedarbojošos centrbēdzes spēku lielumu, rotorus var iedalīt divos veidos - stingros rotoros un elastīgos rotoros.
Pie darba režīmiem stingrie rotori centrbēdzes spēka iedarbībā deformējas nenozīmīgi, un šīs deformācijas ietekmi aprēķinos var neņemt vērā.
Elastīgo rotoru deformāciju vairs nevar ignorēt. Elastīgo rotoru deformācija apgrūtina balansēšanas uzdevuma risinājumu un prasa citu matemātisko modeļu pielietošanu salīdzinājumā ar stingru rotoru balansēšanas uzdevumu. Jāatzīmē, ka viens un tas pats rotors zemos ātrumos var uzvesties kā stingrs, bet augstos ātrumos - kā elastīgs. Praktiskais kritērijs ir darba ātrums attiecībā pret rotora pirmo kritisko (liekuma) ātrumu: rotoru uzskata par stingru — ISO 21940-11 runā par rotoru ar "stingru uzvedību" — ja tas darbojas ievērojami zem šī ātruma, praksē zem aptuveni 50–70% no pirmā kritiskā ātruma. Virs šī sliekšņa rotors izliecas formā, kas mainās līdz ar ātrumu: tas ir elastīgs un jābalansē ar modālām vai vairāku plakņu metodēm (ISO 21940-12). Turpmāk mēs aplūkosim tikai stingru rotoru balansēšanu.
Atkarībā no tā, kā nelīdzsvarotās masas ir izvietotas gar rotoru, ISO 21940-2 izšķir vairākus nelīdzsvarotības stāvokļus:
- statiskais disbalanss — galvenā inerces ass ir nobīdīta paralēli vārpstas asij; to var noteikt bez rotācijas, jo rotors gravitācijas ietekmē pagriežas, līdz smagais punkts atrodas apakšā. Viena korekcijas masa vienā plaknē to novērš;
- pāra (momenta) nelīdzsvarotība — galvenā inerces ass krusto vārpstas asi masas centrā; divas vienādas nelīdzsvarotības atrodas dažādās plaknēs un 180° attālumā viena no otras. Tā parādās tikai rotācijas laikā un pieprasa divas korekcijas masas divās plaknēs;
- dinamiskais disbalanss — vispārīgais, reālajā pasaulē sastopamais gadījums: statiskās un momenta nelīdzsvarotības kombinācija. Galvenā inerces ass nav ne paralēla vārpstas asij, ne to krusto. Divas korekcijas plaknes ir nepieciešamas un pietiekamas stingram rotoram.
Vecākais termins "momenta nelīdzsvarotība" (moment unbalance) ir momenta nelīdzsvarotības (couple unbalance) sinonīms; to nevajag jaukt ar dinamisko nelīdzsvarotību, kas ir statiskās un momenta komponentes summa. Rotora ar statisko nelīdzsvarotību piemērs parādīts 2. attēlā.
Momenta nelīdzsvarotība parādās tikai tad, kad rotors griežas.
Rotora ar momenta nelīdzsvarotību piemērs parādīts 3. attēlā.
Šajā gadījumā nelīdzsvarotās vienādas masas M1 un M2 atrodas dažādās plaknēs - dažādās vietās rotora garumā. Statiskā stāvoklī, t. i., kad rotors nevirpuļo, uz rotoru iedarbojas tikai smaguma spēks, un masas līdzsvaro viena otru. Dinamikā, kad rotors griežas, uz masām M1 un M2 sāk iedarboties centrbēdzes spēki Fc1 un Fc2. Šo spēku lielums ir vienāds, bet virziens pretējs. Tomēr, tā kā tie darbojas dažādās vārpstas garuma vietās un neatrodas uz vienas līnijas, šie spēki viens otru nekompensē. Spēki Fc1 un Fc2 rada momentu, kas iedarbojas uz rotoru — tāpēc momenta nelīdzsvarotību sauc arī par momenta nelīdzsvarotību. Attiecīgi gultņu stāvokļus ietekmē nekompensēti centrbēdzes spēki, kas var ievērojami pārsniegt aprēķinātās vērtības un samazināt gultņu kalpošanas laiku.
Tā kā šāda veida nelīdzsvarotība parādās tikai rotora rotācijas laikā, to nevar koriģēt statiskos apstākļos ar balansēšanu "uz nažiem" vai līdzīgām metodēm. Lai novērstu momenta nelīdzsvarotību, jāuzstāda divi kompensējošie atsvari, kas rada momentu, kura lielums ir vienāds un virziens pretējs momentam, ko rada masas M1 un M2. Kompensējošajām masām nav jābūt uzstādītām pretēji masām M1 un M2 un vienāda lieluma. Galvenais, lai tās radītu momentu, kas pilnībā kompensē nelīdzsvarotības momentu.
Kopumā masas M1 un M2 var nebūt savstarpēji vienādas, tāpēc rodas statiskās un momenta nelīdzsvarotības kombinācija — tieši šo vispārīgo gadījumu ISO 21940-2 sauc par dinamisko nelīdzsvarotību. Teorētiski ir pierādīts, ka stingram rotoram tā nelīdzsvarotības novēršanai ir nepieciešami un pietiekami divi atsvari, kas izvietoti gar rotora garumu, viens no otra attālināti. Šie atsvari kompensē gan momentu, ko rada momenta nelīdzsvarotība, gan centrbēdzes spēku, ko rada masas asimetrija attiecībā pret rotora asi (statiskā nelīdzsvarotība). Parasti momenta nelīdzsvarotība ir raksturīga gariem rotoriem, piemēram, vārpstām, bet statiskā nelīdzsvarotība ir raksturīga šauriem rotoriem. Tomēr, ja šaurs rotors ir sasvērts attiecībā pret asi vai deformēts ("astotnieks"), tad momenta nelīdzsvarotību būs grūti novērst (sk. 4. attēlu), jo šādā gadījumā ir grūti uzstādīt koriģējošos atsvarus, kas rada nepieciešamo kompensējošo momentu.
Spēki F1 un F2 neatrodas uz vienas līnijas un nekompensē viens otru.
Tā kā šaurā rotora dēļ pleca garums kompensējošā momenta radīšanai ir mazs, var būt nepieciešami lieli korekcijas svari. Taču tas rada arī "inducētu nelīdzsvarotību" šaurā rotora deformācijas dēļ, ko izraisa korekcijas svaru centrbēdzes spēki. (skatīt, piemēram, Metodiskie norādījumi stingro rotoru balansēšanai standartam GOST 22061-76 — mūsdienu starptautiskais atbilstīgais standarts ir ISO 21940-11, agrāk ISO 1940-1 — 10. sadaļa, "Rotor–supports system").
Tas ir manāms šauriem ventilatoru lāpstiņriteņiem, kur papildus masas nelīdzsvarotībai ir aerodinamiskā nelīdzsvarotība ir arī klāt: nevienāda lāpstiņu ģeometrija rada nevienādu lāpstiņu slodzi un līdz ar to neto radiālo spēku. Tāpat kā korekcijas svara centrbēdzes spēks, šis spēks pieaug proporcionāli ātruma kvadrātam, taču tas arī ir atkarīgs no darba punkta — gaisa blīvuma, drosele stāvokļa, kanāla pretestības —, tāpēc korekcijas svars, kas sabalansēts vienā darba punktā, citā punktā nepaliks optimāls. Tāpēc aerodinamiskā komponente jākoriģē, atjaunojot lāpstiņu ģeometriju, nevis pievienojot masu.
Elektromagnētiskie spēki elektromašīnā (nelīdzsvarota magnētiskā vilkme no ekscentriskas gaisa spraugas, salauztiem stieņiem, īssavienotām plāksnēm) uzvedas atkal citādi: tās nosaka gaisa spraugas plūsma, nevis rotācijas ātrums, un tās galvenokārt ierosina mašīnu divkāršā tīkla frekvencē un poluspāru sānjoslās, nevis 1× frekvencē. Tā kā tās darbojas citās frekvencēs, nevis rotācijas frekvencē, balansēšana tās nemaz nevar kompensēt. Īsāk sakot, balansēšana novērš tikai 1× ar masu saistīto ierosmi — tā nevar novērst visus vibrācijas avotus mašīnā.
Mehānismu vibrācija
Vibrācija ir mehānisma konstrukcijas reakcija uz ciklisku uzbudinoša spēka iedarbību. Šim spēkam var būt dažāda rakstura.
Centrbēdzes spēks, kas rodas nelīdzsvarota rotora dēļ, ir nekompensēts spēks, kas iedarbojas uz "smago punktu". Tieši šo spēku un tā radīto vibrāciju var novērst, līdzsvarojot rotoru.
"Ģeometriska" rakstura mijiedarbības spēki, kas rodas savienojošo detaļu ražošanas un montāžas kļūdu dēļ. Šie spēki var rasties, piemēram, vārpstas kakliņu neapaļīguma, zobratu zobu profilu kļūdu, gultņu skrejceļu viļņošanās, savienojošo vārpstu nepareizas izlīdzināšanas u. c. rezultātā. Ja vārpstas kakliņi nav apaļi, vārpstas ass tiks nobīdīta atkarībā no vārpstas griešanās leņķa. Lai gan šī vibrācija rodas arī pie rotora ātruma, to ir gandrīz neiespējami novērst ar balansēšanu.
Aerodinamiskie spēki, ko rada ventilatoru lāpstiņrati un citi lāpstiņu mehānismi. Hidrodinamiskie spēki, ko rada hidraulisko sūkņu, turbīnu u. c. mehānismu lāpstiņrati.
Elektromagnētiskie spēki, kas rodas elektrisko mašīnu darbības rezultātā, piemēram, asimetriski rotora tinumi, īssavienoti tinumi utt.
Vibrācijas lielums (piemēram, tās amplitūda Av) ir atkarīgs ne tikai no ierosinošā spēka Fv, kas iedarbojas uz mehānismu ar leņķisko frekvenci ω, bet arī no mehānisma stinguma k, tā masas m, kā arī slāpēšanas koeficienta C, kā rāda tālāk redzamā formula (1).
Vibrācijas un līdzsvara mehānismu mērīšanai var izmantot dažāda veida sensorus, tostarp:
- absolūtie vibrācijas sensori, kas paredzēti vibrācijas paātrinājuma mērīšanai (akselerometri) un vibrācijas ātruma sensori;
- relatīvās vibrācijas sensori - virpuļstrāvas vai kapacitatīvie, kas paredzēti vibrācijas pārvietojuma mērīšanai;
- Dažos gadījumos (ja mehānisma konstrukcija to atļauj) spēka sensorus var izmantot arī tā vibrācijas slodzes novērtēšanai; jo īpaši tos plaši izmanto cieto gultņu balansēšanas mašīnu balstu vibrācijas slodzes mērīšanai.
Tātad vibrācija ir mašīnas reakcija uz ārējo spēku iedarbību. Vibrācijas lielums ir atkarīgs ne tikai no spēka lieluma, kas iedarbojas uz mehānismu, bet arī no mehānisma konstrukcijas stingrības. Viens un tas pats spēks var izraisīt dažādas vibrācijas. Mašīnā ar cietajiem balstiem, pat ja vibrācija ir neliela, gultņi var tikt pakļauti ievērojamai dinamiskai slodzei. Tāpēc, balansējot mašīnas ar cietajiem balstiem, izmanto spēka, nevis vibrācijas sensorus (vibrācijas akselerometrus).
Vibrāciju sensorus izmanto mehānismos ar relatīvi lokaniem balstiem, kad nelīdzsvarota centrbēdzes spēka iedarbība izraisa ievērojamu balstu deformāciju un vibrāciju. Spēka sensorus izmanto cietiem balstiem, kad pat ievērojami spēki, ko izraisa nelīdzsvarotība, nerada ievērojamu vibrāciju.
Rezonanse ir faktors, kas kavē balansēšanu.
Iepriekš minējām, ka rotori ir iedalīti cietajos un elastīgajos. Rotora stingrību vai elastību nedrīkst sajaukt ar balstu (pamatu), uz kuriem rotors ir uzstādīts, stingrību vai kustīgumu. Rotoru uzskata par cietu, ja tā deformāciju (saliekumu) centrbēdzes spēku ietekmē var neņemt vērā. Elastīga rotora deformācija ir relatīvi liela, un to nevar neņemt vērā.
Šajā rakstā mēs aplūkojam tikai cieto rotoru balansēšanu. Savukārt cietu (nedeformējamu) rotoru var uzstādīt uz nekustīgiem vai kustīgiem (lokaniem) balstiem. Skaidrs, ka arī šī balstu stingrība/atlaidība ir relatīva atkarībā no rotora ātruma un no tā izrietošo centrbēdzes spēku lieluma. Nosacījuma robeža ir rotora balstu dabisko vibrāciju frekvence.
Mehānisko sistēmu gadījumā dabisko vibrāciju formu un frekvenci nosaka mehāniskās sistēmas elementu masa un elastība. Tas nozīmē, ka dabisko svārstību frekvence ir mehāniskās sistēmas iekšēja īpašība un nav atkarīga no ārējiem spēkiem. Ja balsti tiek novirzīti no līdzsvara stāvokļa, tie elastības dēļ tiecas atgriezties līdzsvara stāvoklī. Taču masīvā rotora inerces dēļ šis process ir amortizētu svārstību rakstura process. Šīs svārstības ir rotora un balsta sistēmas dabiskās svārstības. To frekvence ir atkarīga no rotora masas un balstu elastības attiecības, kā parāda tālāk redzamā formula (2).
Kad rotors sāk griezties un tā rotācijas frekvence tuvojas dabisko vibrāciju frekvencei, vibrāciju amplitūda strauji palielinās, kas var izraisīt konstrukcijas sabrukšanu.
Rodas mehāniskās rezonanses parādība. Rezonanses tuvumā atbilde tiek pastiprināta ar kvalitātes koeficientu Q = 1/(2ζ), tipiski 3–17 mašīnu konstrukcijām, un pīķis var būt šaurs: ātruma izmaiņa dažu procentu apmērā var mainīt vibrācijas līmeni vairākas reizes. Šķērsojot rezonansi, fāzes nobīde svārstās par 180°, pīķī izejot cauri 90°.
Ja mehānisma konstrukcija ir neveiksmīga un rotora darbības frekvence ir tuva dabisko vibrāciju frekvencei, tad mehānisma darbība kļūst neiespējama nepieļaujami augstas vibrācijas dēļ. Balansēšana ar parastajām metodēm tad nav iespējama, jo pat neliela ātruma izmaiņa dramatiski maina vibrācijas parametrus. Balansēšanai rezonanses zonā izmanto īpašas metodes, kas šajā rakstā nav aplūkotas.
Ir iespējams noteikt mehānisma dabisko svārstību frekvenci brīvgaitas laikā (izslēdzot rotora rotāciju) vai ar trieciena metodi, pēc tam veicot sistēmas reakcijas uz triecienu spektrālo analīzi.
Mehānismiem, kuru darba rotācijas frekvence ir augstāka par rezonanses frekvenci, t. i., kas darbojas superkritiskajā (pēcrezonanses) režīmā, balstus uzskata par kustīgiem, un mērīšanai izmanto vibrācijas sensorus, galvenokārt vibrācijas akselerometrus, kas mēra konstrukcijas elementu paātrinājumu. Mehānismiem, kas darbojas pirmsrezonanses režīmā, balstus uzskata par stingriem. Šajā gadījumā izmanto spēka sensorus.
Mehāniskas sistēmas lineārie un nelineārie modeļi. Nelinearitāte ir faktors, kas kavē balansēšanu.
Balansējot stingrus rotorus, balansēšanas aprēķiniem izmanto matemātiskos modeļus, ko sauc par lineārajiem modeļiem. Lineārs modelis nozīmē, ka šādā modelī viens lielums ir proporcionāls (lineārs) otram. Piemēram, ja rotora nekompensētā masa tiek dubultota, tad arī vibrācijas vērtība dubultosies. Stingriem rotoriem var izmantot lineāro modeli, jo tie nedeformējas.
Elastīgiem rotoriem lineāro modeli vairs nevar izmantot. Elastīgam rotoram, ja rotācijas laikā palielinās smagā punkta masa, rodas papildu deformācija, un papildus masai palielināsies arī smagā punkta atrašanās vietas rādiuss. Tāpēc elastīgam rotoram vibrācijas palielināsies vairāk nekā divas reizes, un parastās aprēķinu metodes nedarbosies.
Vēl viens nelinearitātes avots ir balstu stinguma izmaiņas pie lielām novirzēm: pie mazām novirzēm slodzi nes viena konstrukcijas elementu grupa, pie lielām - iesaistās citi. Tāpēc nevar balansēt mehānismus, kas nav nostiprināti uz pamatnes, bet, piemēram, vienkārši novietoti uz grīdas. Ievērojamu vibrāciju gadījumā nelīdzsvarotības spēks var pacelt mehānismu no grīdas, tādējādi būtiski mainot sistēmas stinguma raksturlielumus. Motora kājām jābūt droši nostiprinātām, skrūvju stiprinājumiem pievilktiem, paplākšņu biezumam jānodrošina pietiekams montāžas stingums utt. Ja gultņi ir bojāti, iespējama nozīmīga vārpstas nesaskaņotība un triecieni, kas arī pasliktinās linearitāti un padarīs kvalitatīvu balansēšanu neiespējamu.
Balansēšanas ierīces un balansēšanas mašīnas
Atgādinām, ka balansēšana ir process, kurā galvenā centrālā inerces ass tiek savietota ar rotora rotācijas asi.
Šo procesu var veikt, izmantojot divas metodes.
Pirmā metode ietver rotora tapu apstrādi tā, lai ass, kas iet caur tapu centriem, sakristu ar rotora galveno centrālo inerces asi. Šāda tehnika praksē tiek izmantota reti, un šajā rakstā tā netiks detalizēti aplūkota.
Otrā (visizplatītākā) metode ietver korekcijas atsvaru pārvietošanu, uzstādīšanu vai noņemšanu uz rotora, kas tiek novietoti tā, lai rotora inerces ass atrastos pēc iespējas tuvāk tā rotācijas asij.
Korekcijas atsvaru pārvietošanu, pievienošanu vai noņemšanu balansēšanas laikā var veikt ar dažādām tehnoloģiskām operācijām, tostarp urbšanu, frēzēšanu, virsmas apstrādi, metināšanu, skrūvēšanu vai atskrūvēšanu, dedzināšanu ar lāzeru vai elektronu staru kūli, elektrolīzi, elektromagnētisko virsmas apstrādi utt.
Balansēšanas procesu var veikt divējādi:
- Lauka balansēšana (in situ) — samontētais rotors tiek balansēts savos gultņos, uz savas pamatnes, savā darba ātrumā, izmantojot pārnēsājamu balansēšanas komplektu;
- Darbnīcas balansēšana — rotors tiek noņemts un balansēts uz speciālas balansēšanas mašīnas.
Rotoru balansēšanai to pašu gultņos parasti izmanto specializētas balansēšanas ierīces (komplektus), kas ļauj izmērīt balansējamā rotora vibrāciju tā rotācijas frekvencē vektora veidā, t. i., izmērīt gan vibrācijas amplitūdu, gan fāzi. Šobrīd minētās ierīces tiek ražotas, izmantojot mikroprocesoru tehnoloģiju, un papildus vibrācijas mērīšanai un analīzei nodrošina automātisku to koriģējošo atsvaru parametru aprēķinu, kuri jāuzstāda uz rotora, lai kompensētu tā nelīdzsvarotību.
Šīs ierīces ietver:
- mērīšanas un skaitļošanas bloks, kura pamatā ir dators vai rūpnieciskais kontrolieris;
- divi (vai vairāki) vibrācijas sensori;
- fāzes leņķa sensors;
- piederumi sensoru uzstādīšanai uz vietas;
- specializēta programmatūra, kas izstrādāta, lai veiktu pilnu rotora vibrācijas parametru mērījumu ciklu vienā, divās vai vairākās korekcijas plaknēs.
Pašlaik visizplatītākās ir divu veidu balansēšanas mašīnas:
- Mīksta balsta mašīnas (ar lokaniem balstiem);
- Cieta balsta mašīnas (ar stingriem balstiem).
Mīksta balsta (virs rezonanses) mašīnas ir relatīvi lokani balsti, piemēram, uz plakanu atsperu bāzes. Šo balstu dabisko vibrāciju frekvence parasti ir 2-3 reizes zemāka par uz tiem uzstādītā balansējamā rotora rotācijas frekvenci, tāpēc mašīna darbojas virs rezonanses. Šo virs-rezonanses mašīnu balstu kustības mērīšanai parasti izmanto vibrācijas sensorus (akselerometrus, vibrācijas ātruma sensorus u. c.).
Cieta balsta (pirms rezonanses) mašīnas izmanto salīdzinoši stingrus balstus, kuru vibrācijas pašfrekvencei jābūt 2-3 reizes augstākai par balansējamā rotora rotācijas frekvenci, lai mašīna darbotos zem rezonanses. Pirmsrezonanses mašīnas balstu dinamiskās slodzes mērīšanai parasti izmanto spēka devējus.
Pirmsrezonanses (cieto gultņu) balansēšanas mašīnu priekšrocība ir tā, ka balansēšanu uz tām var veikt salīdzinoši zemos rotora ātrumos (līdz 400–500 rpm), kas ievērojami vienkāršo mašīnas un tās pamatnes konstrukciju un palielina balansēšanas ražīgumu un drošību.
Cieto rotoru balansēšana
Svarīgi!
- Balansēšana novērš tikai vibrāciju, ko izraisa rotora masas asimetrisks sadalījums attiecībā pret rotācijas asi. Balansēšana nenovērš cita veida vibrāciju!
- Balansēšanai tiek pakļauti tehniskie mehānismi, kuru konstrukcija nodrošina rezonanses neesamību rotācijas darba frekvencē, kas ir droši nostiprināti uz pamatnes, uzstādīti ekspluatācijā derīgos gultņos.
- Pirms balansēšanas jālabo bojātas mašīnas. Pretējā gadījumā kvalitatīva balansēšana nav iespējama.
Balansēšana neaizstāj remontu!
Balansēšanas galvenais uzdevums ir noteikt kompensācijas atsvaru masu un novietojumu, kas kompensē centrbēdzes spēkus.
Kā minēts iepriekš, stingriem rotoriem parasti ir nepieciešami un pietiekami divi kompensējošie svari. Tas novērsīs gan statisko, gan momenta komponenti rotora nelīdzsvarotībā. Vispārējā vibrācijas mērīšanas shēma balansēšanas laikā ir šāda.
Vibrācijas sensori tiek uzstādīti uz gultņu balstiem 1. un 2. punktā. Rotoram tiek piestiprināta apgrieziena atzīme, parasti ar atstarojošu lentu. Lāzera tahometrs izmanto apgrieziena atzīmi, lai noteiktu rotora ātrumu un vibrācijas signāla fāzi.
Kā tiek veikta dinamiskā balansēšana (trīs palaidienu metode)
Vairumā gadījumu dinamiskā balansēšana tiek veikta ar trīs ciklu metodi. Metode balstās uz to, ka uz rotora secīgi 1. un 2. plaknē tiek novietoti zināmas masas izmēģinājuma svari, un balansēšanas svaru lielums un novietojums tiek aprēķināts, pamatojoties uz vibrācijas parametru izmaiņu rezultātiem.
Plakni, kurā tiek uzstādīts korekcijas svars, sauc par korekcijas plakne. Korekcijas plaknes atrodas uz paša rotora — parasti rotora korpusa abos galos, uz ventilatora vai lāpstiņriteņa diskiem vai speciāliem balansēšanas gredzeniem. Tos vajadzētu izvēlēties pēc iespējas tālāk vienu no otra gar vārpstu, cik to atļauj konstrukcija, lai mērens svars radītu pietiekamu korekcijas momentu. Tas nav tas pats, kas mērīšanas punkti, kas atrodas uz gultņu korpusiem (skat. 6. att.).
Pirmajā palaišanā tiek izmērīta sākotnējā vibrācija (Balanset programmatūrā tas ir Run 0). Tad uz rotora, tuvāk vienam no gultņiem, tiek novietots zināmas masas izmēģinājuma svars. Tiek veikta otrā palaišana (Run 1), un tiek izmērīti vibrācijas parametri, kuriem vajadzētu mainīties testa svara uzstādīšanas dēļ. Tad testa svars pirmajā plaknē tiek noņemts un uzstādīts otrajā plaknē. Tiek veikts trešais testa gājiens (Run 2), un tiek izmērīti vibrācijas parametri. Testa svars tiek noņemts, un programmatūra automātiski aprēķina balansēšanas svaru masas un uzstādīšanas leņķus.
Aprēķinātie korekcijas svari pēc tam tiek uzstādīti savās plaknēs, un tiek veikts kontroles gājiens — Balanset programmatūrā tas ir Run T (Trim). Atlikušo vibrāciju salīdzina ar pielaidi. Ja rezultāts joprojām ir virs mērķa, programmatūra atkārtoti izmanto jau noteiktos ietekmes koeficientus, tāpēc jauni izmēģinājuma svara gājieni nav vajadzīgi — tiek aprēķināta un uzstādīta tikai neliela papildu precizēšanas korekcija.
Testa atsvaru uzstādīšanas mērķis ir noteikt, kā sistēma reaģē uz nelīdzsvarotības izmaiņām. Testa atsvaru svars un atrašanās vieta ir zināma, tāpēc programmatūra var aprēķināt tā sauktos ietekmes koeficientus, kas parāda, kā zināmas nelīdzsvarotības ieviešana ietekmē vibrācijas parametrus. Ietekmes koeficienti ir pašas mehāniskās sistēmas raksturlielumi un ir atkarīgi no balstu stingrības un rotora un balsta sistēmas masas (inerces).
Vienāda tipa mehānismiem ar vienādu konstrukciju ietekmes koeficienti būs tuvi. Tos ir iespējams saglabāt datora atmiņā un izmantot vienāda tipa mehānismu balansēšanai bez testa palaidieniem, kas ievērojami palielina balansēšanas produktivitāti. Jāņem vērā, ka testa atsvaru masa jāizvēlas tāda, lai vibrācijas parametri ievērojami mainītos, kad tiek uzstādīti testa atsvari. Pretējā gadījumā palielinās ietekmes koeficientu aprēķina kļūda un pasliktinās balansēšanas kvalitāte.
Kā redzams 1. attēlā, centrbēdzes spēks darbojas radiālā virzienā, t. i., perpendikulāri rotora asij. Tāpēc vibrācijas sensori jāuzstāda tā, lai to jutības ass arī būtu vērsta radiālā virzienā. Parasti pamatnes stingrība horizontālajā virzienā ir mazāka, tāpēc vibrācija horizontālajā virzienā ir lielāka. Tādēļ, lai palielinātu jutību, sensorus ieteicams uzstādīt tā, lai to jutības ass būtu vērsta arī horizontāli. Lai gan principiālas atšķirības nav. Papildus vibrācijai radiālajā virzienā jāuzrauga arī vibrācija aksiālajā virzienā, gar rotora griešanās asi. Šo vibrāciju parasti neizraisa nelīdzsvarotība, bet citi cēloņi, galvenokārt saistīti ar caur sakabi savienoto vārpstu neizlīdzinājumu.
Šo vibrāciju nevar novērst ar balansēšanu, un šādā gadījumā ir nepieciešama centrēšana. Praksē šādām mašīnām parasti ir gan rotora nelīdzsvarotība, gan vārpstas nesaskaņotība, kas ievērojami sarežģī vibrācijas novēršanas uzdevumu. Šādos gadījumos vispirms jācentrē mašīna un tikai tad jābalansē. (Lai gan spēcīgas momenta nelīdzsvarotības gadījumā vibrācija rodas arī aksiālā virzienā pamatnes konstrukcijas "savērpšanās" dēļ.)
Saistītie raksti (balansēšanas statīvu piemēri)
Balansēšanas mehānismu kvalitātes novērtēšanas kritēriji
Rotoru (mehānismu) balansēšanas kvalitāti var novērtēt divos veidos. Pirmā metode ietver balansēšanas procesā noteiktā atlikušās nelīdzsvarotības lieluma salīdzināšanu ar atlikušās nelīdzsvarotības pielaidi. Šīs pielaides dažādām rotoru klasēm ir norādītas ISO 21940-11 (agrāk ISO 1940-1).
Kā tiek aprēķināta tolerance (ISO 21940-11). Standarts nosaka balansēšanas kvalitātes klasi G, kas ir pieļaujamās īpatnējās nelīdzsvarotības euz vienu un darba leņķiskais ātrums ω, izteikts mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], kur n ir darba ātrums apgr./min;
- euz vienu = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (skaitliski vienāds ar masas centra nobīdi µm) — līdzvērtīgi euz vienu = 9549 · G / n;
- Uuz vienu = euz vienu · m [g·mm], kur m ir rotora masa kilogramos.
Risināts piemērs. Rotors m = 50 kg, darba ātrums n = 3000 rpm, klase G 6.3 (ventilatori, sūkņi, standarta elektromotori): ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s; euz vienu = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (pārbaude: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Uuz vienu = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm visam rotoram.
Tolerances sadalīšana starp divām plaknēm. Rotoram, kura masas centrs atrodas starp korekcijas plaknēm, kopējā pielaide tiek sadalīta apgriezti proporcionāli attālumam no masas centra līdz katrai plaknei; simetriskam rotoram tā vienkārši ir puse katrā plaknē — iepriekšējā piemērā aptuveni 500 g·mm uz plakni. Nevienai plaknei nevajadzētu piešķirt vairāk par 70% vai mazāk par 30% no Uuz vienu.
Tipiskās klases: G 0.4 — žiroskopi, precīzijas slīpmašīnu vārpstas · G 1 — slīpmašīnu vārpstas, precīzijas armatūras · G 2.5 — turbīnas, turboģeneratori, darbmašīnu piedziņas · G 6.3 — vispārējā mašīnbūve: ventilatori, sūkņu lāpstiņrati, spararati, standarta elektromotori · G 16 — kardānvārpstas ar īpašām prasībām, lauksaimniecības tehnika, drupinātāji · G 40 — automašīnu riteņi, kardānvārpstas · G 100 — ātrgaitas dīzeļdzinēju kloķvārpstu piedziņas.
Tomēr atbilstība noteiktajām pielaidēm nevar pilnībā garantēt mehānisma darbības uzticamību, kas saistīta ar tā vibrācijas minimālā līmeņa sasniegšanu. Tas izskaidrojams ar to, ka mehānisma vibrācijas lielumu nosaka ne tikai spēka lielums, kas saistīts ar rotora atlikušo nelīdzsvarotību, bet tas ir atkarīgs arī no vairākiem citiem parametriem, tostarp no mehānisma konstrukcijas elementu stingrības k, tā masas m, slāpēšanas koeficienta, kā arī rotācijas frekvences. Tāpēc, lai novērtētu mehānisma dinamiskās īpašības (tostarp tā līdzsvara kvalitāti), vairākos gadījumos ieteicams novērtēt mehānisma atlikušo vibrāciju līmeni, ko reglamentē vairāki standarti.
Visplašāk izmantotais standarts rūpniecisko mašīnu pieļaujamiem vibrācijas līmeņiem ir ISO 20816-3 (agrāk ISO 10816-3). Tas aptver mašīnas virs 15 kW, kas darbojas 120–15000 apgr./min diapazonā, un klasificē tās divās dimensijās: pēc jaudas grupas (1. grupa — virs 300 kW; 2. grupa — 15 līdz 300 kW) un pēc balsta tipa (stingrs vai elastīgs). Katrai kombinācijai ir savas A/B, B/C un C/D zonu robežas mm/s RMS. Mašīnām, kas neietilpst šajā tvērumā, ir sērijas īpašas daļas (turbīnu iekārtas — ISO 20816-2, hidrauliskās mašīnas, virzuļa mašīnas, sūkņi) vai produktu standarti, piemēram, ISO 14694 rūpnieciskajiem ventilatoriem.
Vispārīgām mašīnām, kas tiek novērtētas pēc nerotējošām daļām, klasiskais ISO 10816-1 zonas (tagad ISO 20816-1 sastāvdaļa) dod šādas vibrācijas ātruma robežas, mm/s RMS:
| Klase | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| I klase (mazas mašīnas, līdz 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| II klase (vidējas mašīnas, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| III klase (lielas mašīnas, stingrs pamats) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| IV klase (lielas mašīnas, elastīgs pamats) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Zona A atbilst jaunu mašīnu vibrācijai; zona B ir pieņemama neierobežotai ilgtermiņa darbībai; zona C pieļauj tikai ierobežotu darbību; zona D norāda uz vibrāciju, kas pietiekami spēcīga, lai radītu bojājumus.
Standarti un atsauces
- ISO 21940-11:2016 — Mehāniskā vibrācija — Rotoru balansēšana — 11. daļa: procedūras un pielaides rotoriem ar stingru uzvedību. (Aizstāj ISO 1940-1, kas ir atsaukts.) G-klases un tolerances kalkulators →
- ISO 21940-2 — Mehāniskā vibrācija — Rotoru balansēšana — 2. daļa: terminoloģija. (Statiskās, momenta, kvazistatiskās un dinamiskās nelīdzsvarotības definīcijas.)
- ISO 20816-1:2016 — Mehāniskā vibrācija — Mašīnu vibrācijas mērīšana un novērtēšana — 1. daļa: vispārīgas vadlīnijas. (Aizstāj ISO 10816-1 un ISO 7919-1.) Novērtējuma zonas →
- ISO 20816-3:2022 — Mehāniskā vibrācija — Mašīnu vibrācijas mērīšana un novērtēšana — 3. daļa: rūpnieciskas mašīnas ar nominālo jaudu virs 15 kW un nominālajiem ātrumiem no 120 r/min līdz 15 000 r/min. (Aizstāj ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Rūpnieciskie ventilatori — balansēšanas kvalitātes un vibrācijas līmeņu specifikācijas.
BIEŽĀK UZDOTIE JAUTĀJUMI
Vai balansēšana likvidē visas vibrācijas?
Nē. Balansēšana novērš vibrāciju, ko izraisa rotora masas asimetrisks sadalījums attiecībā pret tā rotācijas asi. Vibrācijai, ko izraisa asu nesakritība, gultņu defekti, aerodinamiskie/hidrodinamiskie spēki, elektromagnētiskie spēki un citi cēloņi, nepieciešama atsevišķa diagnostika un korektīvās darbības.
Kāpēc balansēšana var neizdoties rezonanses tuvumā?
Rezonanses tuvumā nelielas ātruma izmaiņas var izraisīt lielas vibrācijas amplitūdas izmaiņas un 180° fāzes nobīdi. Šādos apstākļos mērījumu rezultāti kļūst nestabili, un parastās balansēšanas procedūras var nekonverģēt bez īpašām metodēm.
Kad nepieciešama vienas plaknes vai divu plakņu balansēšana?
Viena plakne pietiek disciformas rotoriem, kuriem rotora aksiālais garums ir mazs salīdzinājumā ar diametru — kā orientējošs likums L/D < 0,5 — un darba ātrums ir krietni zem pirmā kritiskā ātruma. Tipiski piemēri: slīpripa, viena diska ventilatora lāpstiņritenis, skriemelis, automašīnas ritenis. Šāds rotors nes gandrīz tīri statisku nelīdzsvarotību.
Divas plaknes ir nepieciešamas pagarinātiem rotoriem (L/D ≥ 0,5), jebkuram rotoram ar diviem vai vairāk lāpstiņriteņiem vai diskiem gar vārpstu, un vienmēr, kad vibrācijas fāze abos gultņos ievērojami atšķiras — tas liecina par momenta komponenti. Stingram rotoram nekad nav vajadzīgas vairāk par divām plaknēm.
Ja šaubies, mēri abus gultņus: ja vienas plaknes korekcija samazina vibrāciju vienā gultnī un palielina to otrā, rotoram ir momenta komponente, un nepieciešama divu plakņu balansēšana.
Kas jādara pirms balansēšanas?
Pārliecinieties, vai mašīna ir darbspējīga: drošs stiprinājums pie pamatnes, veseli gultņi, nav ievērojama vaļīguma un nav acīmredzamu nelinearitātes avotu. Balansēšana neaizstāj remontu.
Galvenie secinājumi
- Balansēšana koriģē ar masu saistīto (centrbēdzes) ierosmi; tā nenovērš vārpstu asu nesakritību, gultņu bojājumus vai elektromagnētiskus/aerodinamiskus ierosmes avotus.
- Rezonanse un nelinearitāte var padarīt tradicionālo balansēšanu neefektīvu vai nedrošu.
- Stingriem rotoriem divu plakņu balansēšana ir vispārējais risinājums dinamiskajai nelīdzsvarotībai (statiskās un momenta komponentes kombinācija).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko ir vibrāciju analīzes inženieris, kā arī uzņēmuma Vibromera dibinātājs un vadītājs. Vairāk nekā 15 gadus viņš balansē rotējošas iekārtas darba vietā, nevis uz pārbaudes stenda: mulčētājus, rūpnieciskos ventilatorus, drupinātājus, centrifūgas, vārpstas un darbvārpstas. Tieši no šī darba radās Balanset instrumenti — tie tika veidoti kā rīks, ko speciālists var aiznest pie mašīnas un lietot viens pats uz vietas, nevis kā laboratorijas aprīkojums. Vibromera dibināta 2017. gadā, un kopš 2023. gada tā atrodas Portu, Portugālē. Šeit notiek Balanset līnijas izstrāde, montāža un atbalsts. Vadošais instruments ir Balanset-1A — portatīvs analizators balansēšanai vienā un divās plaknēs, kā arī vibrāciju diagnostikai. Nikolai personīgi piedalās klientu atbalstā, sarežģītu balansēšanas gadījumu risināšanā un programmatūras izstrādē. Viņš strādā ar klientiem visā pasaulē, jebkurā valodā.
