Pengimbangan rotor: ketidakseimbangan statik dan dinamik, resonans dan prosedur praktikal

Peranti

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

€1,975.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Vibration sensor

€90.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Optical Sensor (Laser Tachometer)

€124.00 + VAT (jika berkenaan)

Peranti

Balanset-4

€6,803.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Magnetic Stand Insize-60-kgf

€46.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Reflective tape

€10.00 + VAT (jika berkenaan)

Peranti

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

€1,735.00 + VAT (jika berkenaan)

Apakah itu rotor dan apakah yang diperbetulkan oleh pengimbangan?

Rotor ialah suatu badan yang berputar di sekitar suatu paksi dan dipegang oleh permukaan galasnya dalam penyokong. Permukaan galas rotor memindahkan beban ke penyokong melalui galas gelinding atau galas gelincir. Permukaan galas ialah permukaan trunnion atau permukaan yang menggantikannya.

Dalam rotor yang seimbang sempurna, jisimnya diagihkan secara simetri mengelilingi paksi putaran, iaitu, mana-mana elemen rotor boleh dipadankan dengan elemen lain yang terletak secara simetri mengelilingi paksi putaran. Dalam rotor yang seimbang, daya emparan yang bertindak pada mana-mana elemen rotor diseimbangkan oleh daya emparan yang bertindak pada elemen simetri tersebut. Contohnya, daya emparan F1 dan F2, yang sama magnitud dan bertentangan arah, bertindak pada elemen 1 dan 2 (ditanda hijau dalam Rajah 1). Ini adalah benar untuk semua elemen rotor simetri, dan dengan itu jumlah daya emparan yang bertindak pada rotor ialah 0 dan rotor seimbang.

Tetapi jika simetri rotor terganggu (elemen tidak simetri ditandakan dengan warna merah pada Rajah 1), maka daya sentrifugal tidak seimbang F3 bertindak ke atas rotor. Semasa berputar, daya ini mengubah arah mengikut putaran rotor. Beban dinamik yang terhasil daripada daya ini disalurkan ke galas, menyebabkan keausan dan kerosakan yang dipercepatkan.

Selain itu, di bawah pengaruh daya yang berubah arah ini, berlaku herotan berkitar pada penyokong dan asas tempat rotor dipasang, iaitu wujud getaran. Untuk menghapuskan ketidakseimbangan rotor beserta getaran yang menyertainya, jisim pengimbang mesti dipasang untuk mengembalikan simetri kepada rotor.

Pengimbangan rotor ialah operasi untuk membetulkan ketidakseimbangan dengan menambah jisim pengimbang. Dalam erti kata lain, matlamat pengimbangan ialah membawa paksi inersia utama pusat rotor sedekat mungkin dengan paksi putarannya, supaya baki ketidakseimbangan berada dalam had yang ditetapkan.
Tugas penyeimbangan ialah mencari saiz dan kedudukan (sudut) satu atau lebih jisim penyeimbang.

Jenis-jenis rotor dan jenis ketidakseimbangan

Dengan mengambil kira kekuatan bahan rotor dan magnitud daya emparan yang bertindak ke atasnya, rotor boleh dibahagikan kepada dua jenis - rotor tegar dan rotor fleksibel.
Rotor kaku mengalami deformasi yang tidak ketara di bawah tindakan daya sentrifugal pada mod operasi, dan pengaruh deformasi ini dalam pengiraan boleh diabaikan.

Ubah bentuk rotor fleksibel tidak boleh lagi diabaikan. Ubah bentuk rotor fleksibel merumitkan penyelesaian masalah pengimbangan dan memerlukan penggunaan model matematik lain berbanding dengan masalah pengimbangan rotor kaku. Perlu diambil perhatian bahawa rotor yang sama pada kelajuan rendah boleh berkelakuan seperti kaku, dan pada kelajuan tinggi - seperti fleksibel. Kriteria praktikalnya ialah kelajuan operasi berbanding kelajuan kritikal (lenturan) pertama rotor: sesebuah rotor dianggap kaku — ISO 21940-11 menyebutnya sebagai rotor dengan “kelakuan kaku” (rigid behaviour) — apabila ia beroperasi jauh di bawah kelajuan tersebut, dalam praktiknya di bawah lebih kurang 50–70% daripada kelajuan kritikal pertama. Melebihi itu, rotor melentur membentuk bentuk mod yang berubah mengikut kelajuan: ia bersifat fleksibel dan mesti diimbangi dengan kaedah modal atau berbilang satah (ISO 21940-12). Seterusnya, kita hanya akan membincangkan pengimbangan rotor kaku.

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

• ketidakseimbangan statik — 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 dinamik — 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 kes ini, jisim sama besar M1 dan M2 yang tidak seimbang berada pada satah yang berbeza - pada tempat yang berbeza di sepanjang rotor. Dalam kedudukan statik, iaitu apabila rotor tidak berputar, hanya graviti yang bertindak ke atas rotor dan jisim-jisim tersebut saling mengimbangi. Dalam dinamik, apabila rotor berputar, daya emparan Fc1 dan Fc2 mula bertindak ke atas jisim M1 dan M2. Daya-daya ini sama magnitudnya dan berlawanan arah. Walau bagaimanapun, kerana ia dikenakan pada tempat yang berbeza di sepanjang aci dan tidak berada pada garis yang sama, daya-daya ini tidak saling mengimbangi. Daya Fc1 dan Fc2 mewujudkan momen yang bertindak ke atas rotor — itulah sebabnya ketidakseimbangan kopel juga dipanggil ketidakseimbangan momen. Sehubungan itu, daya emparan yang tidak diimbangi bertindak pada kedudukan galas, yang boleh jauh melebihi nilai yang dikira dan mengurangkan jangka hayat galas.

Oleh sebab jenis ketidakseimbangan ini hanya wujud semasa rotor berputar, ia tidak boleh dibetulkan dalam keadaan statik dengan pengimbangan "di atas pisau" (on knives) atau kaedah yang serupa. Untuk menghapuskan ketidakseimbangan kopel, dua pemberat pampasan mesti dipasang, yang menghasilkan momen sama magnitud tetapi berlawanan arah dengan momen yang timbul daripada jisim M1 dan M2. Jisim pampasan ini tidak semestinya diletakkan bertentangan dan sama magnitud dengan jisim M1 dan M2. Yang penting ialah kedua-duanya menghasilkan momen yang sepenuhnya mengimbangi momen ketidakseimbangan tersebut.

Secara umum, jisim M1 dan M2 mungkin tidak sama antara satu sama lain, jadi akan wujud gabungan ketidakseimbangan statik dan kopel — kes umum inilah yang menurut ISO 21940-2 dipanggil ketidakseimbangan dinamik. Secara teori telah dibuktikan bahawa bagi rotor kaku, dua pemberat yang diletakkan berjauhan di sepanjang rotor diperlukan dan mencukupi untuk menghapuskan ketidakseimbangannya. Pemberat ini akan mengimbangi kedua-dua momen yang terhasil daripada ketidakseimbangan kopel dan daya emparan yang terhasil daripada asimetri jisim berbanding paksi rotor (ketidakseimbangan statik). Biasanya, ketidakseimbangan kopel adalah ciri rotor panjang, seperti aci, dan ketidakseimbangan statik adalah ciri rotor sempit. Walau bagaimanapun, jika rotor sempit itu senget berbanding paksinya, atau mengalami ubah bentuk ("angka lapan"), maka ketidakseimbangan kopel akan sukar dihapuskan (lihat Rajah 4), kerana dalam kes ini sukar untuk memasang pemberat pembetulan yang menghasilkan momen pampasan yang diperlukan.

Gaya F1 dan F2 tidak terletak pada satu garisan dan tidak saling mengimbangi.
Oleh sebab lengan yang tersedia untuk mencipta momen pampasan adalah kecil disebabkan rotor yang sempit, berat pembetulan yang besar mungkin diperlukan. Walau bagaimanapun, ini juga mengakibatkan "ketidakseimbangan teraruh" disebabkan herotan rotor sempit oleh daya emparan daripada berat pembetulan. (lihat, sebagai contoh, 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 turut hadir: geometri bilah yang tidak seragam menghasilkan bebanan bilah yang tidak seragam dan seterusnya daya jejarian bersih. Seperti daya emparan pemberat pembetulan, daya ini berskala dengan kuasa dua kelajuan, tetapi ia juga bergantung kepada titik operasi — ketumpatan udara, kedudukan damper, rintangan saluran — jadi pemberat pembetulan yang diimbangi pada satu titik operasi tidak akan kekal optimum pada titik yang lain. Oleh itu, komponen aerodinamik mesti dibetulkan dengan memulihkan geometri bilah, bukan dengan menambah jisim.

Daya elektromagnet pada mesin elektrik (tarikan magnet tidak seimbang daripada jurang udara yang eksentrik, bar patah, laminasi litar pintas) berkelakuan berbeza lagi: ia dikawal oleh fluks jurang udara, bukan oleh kelajuan putaran, dan kebanyakannya merangsang mesin pada dua kali frekuensi talian serta pada sideband pole-pass dan bukan pada 1×. Oleh kerana ia bertindak pada frekuensi selain frekuensi putaran, pengimbangan langsung tidak dapat mengimbanginya. Ringkasnya, pengimbangan hanya menghapuskan rangsangan 1× yang berkaitan jisim — ia tidak dapat menghapuskan setiap punca getaran pada sesebuah mesin.

Getaran mekanisme

Getaran ialah tindak balas reka bentuk mekanisme terhadap kesan daya rangsangan kitaran. Daya ini boleh mempunyai pelbagai sifat.
Daya emparan yang terhasil daripada rotor yang tidak seimbang ialah daya tidak terkompensasi yang bertindak pada "titik berat". Daya inilah dan getaran yang disebabkan olehnya yang boleh dihapuskan dengan mengimbangi rotor.

Daya interaksi bersifat "geometri" yang timbul daripada ralat pembuatan dan pemasangan bahagian-bahagian yang sepadan. Daya-daya ini boleh, sebagai contoh, timbul akibat ketidakbulatan leher aci, ralat dalam profil gigi dalam gear, kealunan landasan galas, ketidaksejajaran aci yang sepadan, dsb. Dalam kes ketidakbulatan jurnal, paksi aci akan dialihkan bergantung pada sudut putaran aci. Walaupun getaran ini juga berlaku pada kelajuan rotor, hampir mustahil untuk menghapuskannya dengan mengimbangi.

Gaya aerodinamik yang terhasil daripada putaran impeller kipas dan mekanisme bilah lain. Gaya hidrodinamik yang terhasil daripada putaran impeller pam hidraulik, turbin, dan lain-lain.
Gaya elektromagnetik yang terhasil daripada operasi mesin elektrik, contohnya lilitan rotor tidak simetrik, lilitan litar pintas, dan lain-lain.

Magnitud getaran (contohnya amplitudnya Av) bukan sahaja bergantung kepada daya pengujaan Fv yang bertindak pada mekanisme dengan frekuensi bulatan ω, tetapi juga pada ketegaran k mekanisme tersebut, jisimnya m, serta pekali peredaman C, seperti ditunjukkan oleh formula (1) di bawah.

Pelbagai jenis sensor boleh digunakan untuk mengukur getaran dan mekanisme imbangan, termasuk:

• penderia getaran mutlak yang direka untuk mengukur pecutan getaran (akselerometer) dan penderia kelajuan getaran;
• sensor getaran relatif - arus pusar atau kapasitif, direka untuk mengukur anjakan getaran;
• dalam beberapa kes (apabila reka bentuk mekanisme membenarkannya), sensor daya juga boleh digunakan untuk menilai beban getarannya; khususnya, ia digunakan secara meluas untuk mengukur beban getaran sokongan mesin pengimbang galas keras.

Jadi, getaran adalah tindak balas mesin terhadap tindakan daya luaran. Amplitud getaran bergantung bukan sahaja pada magnitud daya yang bertindak pada mekanisme, tetapi juga pada kekakuan reka bentuk mekanisme. Satu daya yang sama boleh menyebabkan getaran yang berbeza. Dalam mesin galas keras, walaupun getaran kecil, galas boleh mengalami beban dinamik yang ketara. Inilah sebabnya sensor daya dan bukannya sensor getaran (akselerometer getaran) digunakan semasa mengimbangkan mesin galas keras.

Penderia getaran digunakan pada mekanisme dengan penyokong yang agak lentur apabila tindakan daya sentrifugal tidak seimbang menyebabkan deformasi ketara pada penyokong dan getaran. Penderia daya digunakan untuk penyokong kaku apabila walaupun daya ketara akibat ketidakseimbangan tidak menyebabkan getaran ketara.

Resonans adalah faktor yang menghalang pengimbangan.

Sebelum ini kami menyebut bahawa rotor dibahagikan kepada kaku dan fleksibel. Kekakuan atau kefleksibelan rotor tidak seharusnya dikelirukan dengan kekakuan atau mobiliti penyokong (asas) di mana rotor dipasang. Sesebuah rotor dianggap kaku apabila deformasinya (pembengkokan) di bawah tindakan daya sentrifugal boleh diabaikan. Deformasi rotor fleksibel adalah relatif besar dan tidak boleh diabaikan.

Dalam artikel ini, kami hanya mempertimbangkan penyeimbangan rotor kaku. Rotor kaku (tidak boleh cacat) boleh dipasang pada penyokong kaku atau penyokong boleh alih (lentur). Jelas bahawa kekakuan/keupayaan penggantungan penyokong ini juga bersifat relatif, bergantung pada kelajuan rotor dan magnitudo daya sentrifugal yang terhasil. Ambang bersyarat ialah frekuensi getaran semula jadi penyokong rotor.

Bagi sistem mekanikal, bentuk dan frekuensi getaran semula jadi ditentukan oleh jisim dan keanjalan elemen-elemen sistem mekanikal tersebut. Ertinya, frekuensi getaran semula jadi merupakan ciri dalaman sistem mekanikal dan tidak bergantung kepada daya luaran. Apabila terpesong daripada kedudukan keseimbangan, penyokong akibat keanjalannya cenderung kembali ke kedudukan keseimbangan. Tetapi disebabkan inersia rotor yang besar, proses ini bersifat ayunan teredam. Getaran ini adalah getaran semula jadi sistem rotor-penyokong. Frekuensinya bergantung kepada nisbah jisim rotor terhadap keanjalan penyokong, sepertimana ditunjukkan oleh formula (2) di bawah.

Apabila rotor mula berputar dan frekuensi putarannya hampir dengan frekuensi getaran semula jadi, amplitud getaran meningkat dengan mendadak, yang boleh menyebabkan kemusnahan struktur.

Fenomena resonans mekanikal berlaku. Berhampiran resonans, respons diperkuat oleh faktor kualiti Q = 1/(2ζ), biasanya 3–17 untuk struktur mesin, dan puncaknya boleh sangat sempit: perubahan kelajuan dalam lingkungan beberapa peratus sahaja boleh mengubah tahap getaran berkali-kali ganda. Merentasi resonans, lengah fasa berubah sebanyak 180°, melalui 90° pada puncak.

Jika reka bentuk mekanisme itu tidak berjaya dan frekuensi operasi rotor hampir dengan frekuensi getaran semula jadi, maka pengendalian mekanisme itu menjadi mustahil kerana getaran yang terlalu tinggi. Pengimbangan dengan kaedah biasa kemudiannya menjadi mustahil, kerana walaupun perubahan kecil dalam kelajuan secara drastik mengubah parameter getaran. Untuk pengimbangan di kawasan resonans, kaedah khas yang tidak dibincangkan dalam artikel ini digunakan.

Adalah mungkin untuk menentukan frekuensi getaran semula jadi mekanisme semasa meluncur (apabila pemutaran rotor dimatikan) atau melalui kaedah hentakan dengan analisis spektral seterusnya terhadap tindak balas sistem terhadap hentakan.

Bagi mekanisme yang frekuensi operasi putarannya berada di atas frekuensi resonans, iaitu beroperasi dalam rejim superkritikal (pasca-resonans), penyokong dianggap bergerak dan penderia getaran digunakan untuk pengukuran, terutamanya akselerometer getaran, yang mengukur pecutan elemen struktur. Bagi mekanisme yang beroperasi dalam mod pra-resonans, penyokong dianggap kaku. Dalam kes ini, penderia daya digunakan.

Model linear dan bukan linear bagi sistem mekanikal. Ketaklinearan adalah faktor yang menghalang pengimbangan.

Apabila mengimbangi rotor kaku, model matematik yang dipanggil model linear digunakan untuk pengiraan pengimbangan. Model linear bermaksud bahawa dalam model sedemikian, satu kuantiti adalah berkadar terus (linear) dengan kuantiti yang lain. Sebagai contoh, jika jisim tidak diimbangi pada rotor digandakan, nilai getaran juga akan digandakan. Bagi rotor kaku, model linear boleh digunakan kerana ia tidak mengalami deformasi.

Untuk rotor fleksibel, model linear tidak lagi boleh digunakan. Bagi rotor fleksibel, jika jisim titik berat meningkat semasa putaran, deformasi tambahan akan berlaku, dan selain jisim, jejari lokasi titik berat juga akan meningkat. Oleh itu, bagi rotor fleksibel, getaran akan meningkat lebih daripada dua kali ganda, dan kaedah pengiraan biasa tidak akan berfungsi.

Punca ketakterlinearan yang lain ialah perubahan kekukuhan penyokong pada pesongan besar: pada pesongan kecil satu set elemen struktur menanggung beban, pada pesongan besar elemen lain pula berperanan. Inilah sebabnya anda tidak boleh mengimbangi mekanisme yang tidak dipasang pada asas, tetapi, sebagai contoh, hanya diletakkan di atas lantai. Dengan getaran yang ketara, daya ketidakseimbangan boleh menarik mekanisme itu daripada lantai, sekali gus mengubah ciri-ciri kekukuhan sistem secara ketara. Kaki motor mesti diikat dengan kukuh, pemasangan bolt mesti diketatkan, ketebalan washer mesti menyediakan kekukuhan pemasangan yang mencukupi, dan sebagainya. Jika galas rosak, ketidaksejajaran aci yang ketara dan hentakan mungkin berlaku, yang turut menghasilkan kelinearan yang lemah dan ketidakupayaan untuk melakukan pengimbangan yang berkualiti.

Peranti pengimbangan dan mesin pengimbangan

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

Proses ini boleh dilakukan melalui dua kaedah.

Kaedah pertama melibatkan pemesinan trunnion rotor sedemikian rupa sehingga paksi yang melalui pusat trunnion bertepatan dengan paksi inersia utama pusat rotor. Teknik sebegini jarang digunakan dalam praktik dan tidak akan dibincangkan secara terperinci dalam artikel ini.

Kaedah kedua (yang paling biasa) melibatkan memindahkan, memasang atau menanggalkan pemberat pembetulan pada rotor, yang diletakkan supaya paksi inersia rotor sedekat mungkin dengan paksi putarannya.

Memindahkan, menambah atau mengeluarkan berat pembetulan semasa penyeimbangan boleh dilaksanakan melalui pelbagai operasi teknologi termasuk: pengeboran, penggilingan, penimbunan permukaan, pengelasan, pemasangan atau penanggalan skru, pembakaran laser atau sinaran elektron, elektrolisis, pelapisan permukaan elektromagnetik, dan lain-lain.

Proses penyeimbangan boleh dilaksanakan 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 pengimbangan rotor pada galasnya sendiri, peranti (kit) pengimbang khusus biasanya digunakan, yang membolehkan pengukuran getaran rotor yang diimbangi pada frekuensi putarannya dalam bentuk vektor, iaitu mengukur kedua-dua amplitud dan fasa getaran. Pada masa kini, peranti tersebut dihasilkan berdasarkan teknologi mikropemproses dan (selain pengukuran dan analisis getaran) menyediakan pengiraan automatik parameter pemberat pembetulan yang perlu dipasang pada rotor untuk mengimbangi ketidakseimbangannya.

Peranti-peranti ini termasuk:

• unit pengukuran dan pengiraan berasaskan komputer atau pengawal industri;
• dua (atau lebih) penderia getaran;
• a phase angle sensor;
• aksesori untuk memasang penderia di tapak;
• perisian khusus, direka untuk menjalankan kitaran penuh pengukuran parameter getaran rotor dalam satu, dua atau lebih satah pembetulan.

Dua jenis mesin penyeimbangan adalah yang paling biasa pada masa ini:

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

Soft-bearing (above-resonance) machines mempunyai penyokong yang agak lentur, contohnya berasaskan spring rata. Frekuensi getaran semula jadi penyokong ini biasanya 2-3 kali lebih rendah daripada frekuensi putaran rotor yang diimbangkan, yang dipasang di atasnya, jadi mesin beroperasi di atas resonans. Sensor getaran (accelerometer, sensor kelajuan getaran, dsb.) biasanya digunakan untuk mengukur pergerakan penyokong mesin di-atas-resonans ini.

Hard-bearing (pre-resonance) machines menggunakan penyokong yang agak tegar, yang frekuensi getaran semula jadinya sepatutnya 2-3 kali lebih tinggi daripada frekuensi putaran rotor yang diimbangkan, jadi mesin beroperasi di bawah resonans. Transduser daya biasanya digunakan untuk mengukur beban dinamik pada penyokong mesin pre-resonance ini.

Kelebihan mesin pengimbang pre-resonance (hard-bearing) ialah pengimbangan pada mesin tersebut boleh dilakukan pada kelajuan rotor yang agak rendah (sehingga 400–500 rpm), yang amat memudahkan reka bentuk mesin dan asasnya, serta meningkatkan produktiviti dan keselamatan pengimbangan.

Peranti

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

€1,975.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Vibration sensor

€90.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Optical Sensor (Laser Tachometer)

€124.00 + VAT (jika berkenaan)

Peranti

Balanset-4

€6,803.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Magnetic Stand Insize-60-kgf

€46.00 + VAT (jika berkenaan)

bahagian

Reflective tape

€10.00 + VAT (jika berkenaan)

Peranti

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

€1,735.00 + VAT (jika berkenaan)

Pengimbangan rotor kaku

Tugas utama pengimbangan ialah mencari jisim dan lokasi berat pampasan yang mengimbangi daya emparan
Seperti disebutkan di atas, untuk rotor tegar, secara amnya perlu dan memadai untuk memasang dua berat pampasan. Ini akan menghapuskan kedua-dua komponen statik dan komponen ganding daripada ketidakseimbangan rotor. Skema am untuk mengukur getaran semasa pengimbangan adalah seperti berikut.

Sensor getaran dipasang pada penyokong galas di titik 1 dan 2. Tanda putaran dilekatkan pada rotor, biasanya menggunakan pita reflektif. Tanda putaran ini digunakan oleh takometer laser untuk menentukan kelajuan rotor dan fasa isyarat getaran.

Cara pengimbangan dinamik dilakukan (kaedah tiga larian)

Dalam kebanyakan kes, pengimbangan dinamik dilakukan dengan kaedah tiga kali mula (three starts). Kaedah ini berdasarkan fakta bahawa berat percubaan dengan jisim yang diketahui diletakkan pada rotor secara berurutan pada satah 1 dan 2, dan berat serta kedudukan berat pengimbang dikira berdasarkan hasil perubahan parameter getaran.

The plane in which a correction weight is installed is called a satah pembetulan. Correction planes are located on the rotor itself — biasanya pada kedua-dua hujung badan rotor, pada cakera kipas atau impeler, atau pada gelang pengimbang khusus. Ia harus dipilih sejauh mungkin antara satu sama lain di sepanjang aci sejauh yang dibenarkan oleh reka bentuk, supaya berat yang sederhana menghasilkan momen pembetulan yang mencukupi. Ini tidak sama dengan measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).

Pada permulaan pertama, getaran awal diukur (dalam perisian Balanset ini dipanggil Run 0). Kemudian berat percubaan dengan jisim yang diketahui diletakkan pada rotor lebih dekat kepada salah satu galas. Permulaan kedua dilakukan (Run 1) dan parameter getaran diukur, yang sepatutnya berubah akibat pemasangan berat percubaan tersebut. Kemudian berat percubaan pada satah pertama dikeluarkan dan dipasang pada satah kedua. Larian percubaan ketiga dilakukan (Run 2) dan parameter getaran diukur. Berat percubaan dikeluarkan dan perisian secara automatik mengira jisim dan sudut pemasangan pemberat pengimbang.

Berat pembetulan yang telah dikira kemudian dipasang pada satah masing-masing dan larian pemeriksaan dibuat — dalam perisian Balanset ini dipanggil Run T (Trim). Getaran baki dibandingkan dengan toleransi. Jika keputusan masih melebihi sasaran, perisian menggunakan semula pekali pengaruh yang telah ditentukan, jadi tiada larian berat-percubaan baharu diperlukan — hanya pembetulan trim tambahan yang kecil dikira dan dipasang.

Tujuan memasang berat percubaan adalah untuk menentukan bagaimana sistem bertindak balas terhadap perubahan ketidakseimbangan. Berat dan lokasi berat percubaan diketahui, jadi perisian boleh mengira apa yang dipanggil pekali pengaruh, menunjukkan bagaimana pengenalan ketidakseimbangan yang diketahui menjejaskan parameter getaran. Pekali pengaruh adalah ciri-ciri sistem mekanikal itu sendiri dan bergantung kepada kekukuhan penyokong serta jisim (inersia) sistem rotor-penyokong.

Untuk mekanisme jenis yang sama dengan reka bentuk yang sama, koefisien pengaruh akan hampir sama. Ia boleh disimpan dalam memori komputer dan digunakan untuk mengimbangkan mekanisme jenis yang sama tanpa menjalankan ujian, yang meningkatkan produktiviti pengimbangan dengan ketara. Perlu diingat bahawa jisim pemberat ujian hendaklah dipilih supaya parameter getaran berubah dengan ketara apabila pemberat ujian dipasang. Jika tidak, ralat pengiraan koefisien pengaruh akan meningkat dan kualiti pengimbangan akan merosot.

Seperti yang anda lihat dalam Rajah 1, daya emparan bertindak dalam arah jejari, iaitu berserenjang dengan paksi rotor. Oleh itu, sensor getaran mesti dipasang supaya paksi kepekaannya juga menunjuk ke arah jejari. Biasanya, kekakuan asas dalam arah mendatar adalah lebih rendah, jadi getaran dalam arah mendatar lebih tinggi. Oleh itu, untuk meningkatkan kepekaan, sensor hendaklah dipasang supaya paksi kepekaannya juga diarahkan secara mendatar. Walaupun tiada perbezaan asas. Selain getaran dalam arah jejari, getaran dalam arah paksi, sepanjang paksi putaran rotor, juga mesti dipantau. Getaran ini biasanya bukan disebabkan oleh ketidakseimbangan, tetapi oleh punca lain, terutamanya berkaitan dengan ketidakselarasan aci yang disambungkan melalui gandingan.

Getaran ini tidak dapat dihapuskan dengan pengimbangan; dalam kes ini penjajaran (alignment) diperlukan. Dalam praktiknya, mesin sebegini biasanya mempunyai kedua-dua ketidakseimbangan rotor dan ketidaksejajaran aci, yang menjadikan tugas menghapuskan getaran jauh lebih sukar. Dalam kes sebegini, mesin perlu disenteringkan terlebih dahulu barulah diimbangi. (Walaupun dengan ketidakseimbangan tork yang kuat, getaran turut berlaku pada arah paksi akibat "pemuntiran" struktur asas.)

Kriteria untuk menilai kualiti mekanisme pengimbangan

Kualiti pengimbangan rotor (mekanisme) boleh dinilai dengan dua cara. Kaedah pertama melibatkan perbandingan jumlah baki ketidakseimbangan yang ditentukan semasa proses pengimbangan dengan toleransi baki ketidakseimbangan. Toleransi ini untuk kelas rotor yang berbeza dinyatakan 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 jisimnya terletak di antara satah pembetulan, jumlah toleransi dibahagikan secara berkadar songsang dengan jarak dari pusat jisim ke setiap satah; untuk rotor simetri ini bermakna hanya separuh pada setiap satah — lebih kurang 500 g·mm setiap satah dalam contoh di atas. Tiada satah pun sepatutnya diperuntukkan lebih daripada 70% atau kurang daripada 30% daripada U_per.

Typical grades: G 0.4 — girokop, spindel pengisar presisi · G 1 — spindel mesin pengisar, armatur presisi · G 2.5 — turbin, penjana turbo, pemacu mesin perkakas · G 6.3 — kejuruteraan am: kipas, impeler pam, roda tenaga (flywheel), motor elektrik standard · G 16 — aci kardan dengan keperluan khas, jentera pertanian, penghancur (crusher) · G 40 — roda kereta, aci pemacu (aci kardan) · G 100 — pemacu aci engkol enjin diesel berkelajuan tinggi.

Walau bagaimanapun, pematuhan kepada toleransi yang ditetapkan tidak dapat menjamin sepenuhnya kebolehpercayaan operasi mekanisme, yang berkaitan dengan pencapaian tahap minimum getarannya. Hal ini dijelaskan oleh hakikat bahawa magnitudo getaran mekanisme ditentukan bukan sahaja oleh magnitudo daya yang berkaitan dengan ketidakseimbangan sisa rotornya, tetapi juga bergantung kepada beberapa parameter lain, termasuk: kekakuan k elemen struktur mekanisme, massanya m, faktor peredaman, serta frekuensi putaran. Oleh itu, untuk menilai kualiti dinamik mekanisme (termasuk kualiti imbangannya) dalam beberapa kes, disyorkan untuk menganggarkan tahap getaran baki mekanisme, yang dikawal oleh beberapa piawaian.

Piawaian yang paling banyak digunakan untuk tahap getaran yang dibenarkan bagi mesin industri ialah ISO 20816-3 (dahulunya ISO 10816-3). Ia meliputi mesin melebihi 15 kW yang beroperasi pada 120–15,000 rpm, dan mengklasifikasikannya dalam dua dimensi: mengikut kumpulan kuasa (Kumpulan 1 — melebihi 300 kW; Kumpulan 2 — 15 hingga 300 kW) dan mengikut jenis penyokong (kaku atau fleksibel). Setiap gabungan mempunyai sempadan zon A/B, B/C dan C/D tersendiri dalam mm/s RMS. Mesin di luar skop ini mempunyai bahagian khusus dalam siri tersebut (set turbin — ISO 20816-2, mesin hidraulik, mesin resiprokal, pam) atau piawaian produk seperti ISO 14694 untuk kipas industri.

For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic ISO 10816-1 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.

Piawaian dan rujukan

• 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 balik.) 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.

Soalan Lazim

Adakah pengimbangan menghapuskan semua getaran?

Tidak. Pengimbangan menghilangkan getaran yang disebabkan oleh taburan jisim rotor yang tidak simetri berbanding paksi putarannya. Getaran daripada ketidaksejajaran, kecacatan galas, daya aerodinamik/hidrodinamik, daya elektromagnet dan punca lain memerlukan tindakan diagnostik dan pembetulan yang berasingan.

Mengapakah pengimbangan boleh gagal berhampiran resonans?

Berhampiran resonans, perubahan kelajuan yang kecil boleh menyebabkan perubahan besar dalam amplitud getaran dan anjakan fasa 180°. Dalam keadaan sedemikian, keputusan pengukuran menjadi tidak stabil dan prosedur pengimbangan konvensional mungkin tidak menumpu tanpa kaedah khas.

Bilakah anda memerlukan pengimbangan satu satah vs. dua satah?

Satu pesawat sudah memadai untuk rotor berbentuk cakera, di mana panjang paksi rotor kecil berbanding diameternya — sebagai peraturan am L/D < 0.5 — dan kelajuan servis jauh di bawah kelajuan genting pertama. Contoh tipikal: roda kisar, impeler kipas satu-cakera, takal, roda kereta. Rotor sebegini membawa hampir sepenuhnya ketidakseimbangan statik.

Dua pesawat diperlukan untuk rotor memanjang (L/D ≥ 0.5), untuk mana-mana rotor dengan dua atau lebih impeler atau cakera yang berjarak di sepanjang aci, dan setiap kali fasa getaran pada kedua-dua galas berbeza dengan ketara — tanda adanya komponen ganding. Rotor tegar tidak pernah memerlukan lebih daripada dua satah.

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.

Apakah yang perlu dilakukan sebelum melakukan pengimbangan?

Pastikan mesin boleh diservis: pemasangan yang boleh dipercayai pada asas, galas yang sihat, tiada kelonggaran yang teruk dan tiada punca ketidaklinearan yang jelas. Pengimbangan bukanlah pengganti pembaikan.