Inzicht in multi-plane balancing
Definitie: Wat is Multi-Plane Balancing?
Multi-plane balancering is een geavanceerde balanceren procedure waarbij drie of meer correctievlakken Verdeeld over de lengte van een rotor om acceptabele trillingsniveaus te bereiken. Deze techniek is noodzakelijk voor flexibele rotoren—rotoren die tijdens bedrijf aanzienlijk buigen of strekken omdat ze draaien met snelheden boven een of meer kritische snelheden.
Terwijl tweevlaksbalancering is voldoende voor de meeste starre rotoren, multi-plane balancering breidt het principe uit om de complexe afbuigingsvormen (modusvormen) op te vangen die flexibele rotoren bij hoge snelheden vertonen.
Wanneer is multi-plane balancing vereist?
In verschillende specifieke situaties is multi-plane balancing noodzakelijk:
1. Flexibele rotoren die boven kritische snelheden werken
De meest voorkomende toepassing is voor flexibele rotoren—lange, slanke rotoren die werken met snelheden hoger dan hun eerste (en soms tweede of derde) kritische snelheid. Voorbeelden hiervan zijn:
- Stoom- en gasturbinerotoren
- Hogesnelheidscompressorassen
- Papiermachinerollen
- Grote generatorrotoren
- Centrifuge rotoren
- Hogesnelheidsspindels
Deze rotoren ondergaan aanzienlijke buiging tijdens bedrijf en hun afbuigingsvorm verandert afhankelijk van de rotatiesnelheid en de aangestuurde modus. Twee correctievlakken zijn simpelweg onvoldoende om trillingen over alle bedrijfssnelheden te beheersen.
2. Zeer lange stijve rotoren
Zelfs sommige stijve rotoren, als ze in verhouding tot hun diameter extreem lang zijn, kunnen baat hebben bij drie of meer correctievlakken om trillingen op meerdere lagerlocaties langs de as te minimaliseren.
3. Rotoren met complexe massaverdeling
Rotoren met meerdere schijven, wielen of waaiers op verschillende axiale locaties vereisen mogelijk dat elk element afzonderlijk moet worden gebalanceerd, wat resulteert in een balanceringsprocedure op meerdere vlakken.
4. Wanneer tweevlaksbalancering onvoldoende blijkt
Als een poging tot balanceren op twee vlakken de trillingen op de gemeten lagerlocaties vermindert, maar de trillingen op tussenliggende locaties langs de rotor hoog blijven (zoals bij afbuiging in het midden van de overspanning), zijn mogelijk aanvullende correctievlakken nodig.
De uitdaging: flexibele rotordynamiek
Flexibele rotoren brengen unieke uitdagingen met zich mee die het balanceren van meerdere vlakken complex maken:
Modusvormen
Wanneer een flexibele rotor door een kritische snelheid, trilt het in een specifiek patroon, een zogenaamde modusvorm. De eerste modus toont de schachtbuiging doorgaans in een vloeiende boog, de tweede modus toont een S-curve met een knooppunt in het midden, en hogere modi tonen steeds complexere vormen. Elke modus vereist een specifieke correctiegewichtsverdeling.
Snelheidsafhankelijk gedrag
De onbalansrespons van een flexibele rotor verandert dramatisch met de snelheid. Een correctie die bij de ene snelheid goed werkt, kan bij een andere snelheid ineffectief of zelfs contraproductief zijn. Multi-plane balancering moet rekening houden met het volledige toerentalbereik.
Cross-Coupling Effecten
Bij multi-plane balancering beïnvloedt een correctiegewicht in één vlak de trillingen op alle meetpunten. Bij drie, vier of meer correctievlakken worden de wiskundige relaties aanzienlijk complexer dan bij twee-plane balancering.
De multi-plane balanceringsprocedure
De procedure verlengt de invloedcoëfficiëntmethode gebruikt bij tweevlaksbalancering:
Stap 1: Eerste metingen
Meet trillingen op meerdere plaatsen langs de rotor (meestal bij elk lager, en soms op tussenliggende plaatsen) bij de gewenste bedrijfssnelheid. Bij flexibele rotoren kunnen metingen bij meerdere snelheden nodig zijn.
Stap 2: Correctievlakken definiëren
Identificeer N correctievlakken waar gewichten kunnen worden toegevoegd. Deze moeten over de lengte van de rotor worden verdeeld op toegankelijke plaatsen, zoals koppelingsflenzen, wielvelgen of speciaal ontworpen balansringen.
Stap 3: opeenvolgende proefgewichtruns
Voer N proefritten uit, elk met een proefgewicht in één correctievlak. Bijvoorbeeld met vier correctievlakken:
- Run 1: Proefgewicht alleen in vlak 1
- Run 2: Proefgewicht alleen in vlak 2
- Run 3: Proefgewicht alleen in vlak 3
- Run 4: Proefgewicht alleen in vlak 4
Meet tijdens elke run de trillingen op alle sensorlocaties. Dit creëert een complete matrix met invloedscoëfficiënten die beschrijft hoe elk correctievlak elk meetpunt beïnvloedt.
Stap 4: Bereken correctiegewichten
De balanceringssoftware lost een systeem van N gelijktijdige vergelijkingen op (waarbij N het aantal correctievlakken is) om de optimale correctiegewichten voor elk vlak. Deze berekening maakt gebruik van matrixalgebra en is veel te complex om handmatig uit te voeren; gespecialiseerde software is essentieel.
Stap 5: Installeren en verifiëren
Installeer alle berekende correctiegewichten gelijktijdig en controleer de trillingsniveaus. Voor flexibele rotoren moet de verificatie over het volledige toerentalbereik worden uitgevoerd om acceptabele trillingen bij alle snelheden te garanderen.
Modale Balancing: Een Alternatieve Benadering
Voor zeer flexibele rotoren wordt een geavanceerde techniek gebruikt, genaamd modale balancering Kan effectiever zijn dan conventionele multi-plane balancering. Modale balancering richt zich op specifieke trillingsmodi in plaats van specifieke snelheden. Door correctiegewichten te berekenen die overeenkomen met de natuurlijke modusvormen van de rotor, kunnen betere resultaten worden behaald met minder proefdraaien. Deze methode vereist echter geavanceerde analysetools en een diepgaand begrip van de rotordynamiek.
Complexiteit en praktische overwegingen
Balanceren op meerdere vlakken is aanzienlijk complexer dan balanceren op twee vlakken:
Aantal proefritten
Het aantal benodigde proefdraaien neemt lineair toe met het aantal vlakken. Een viervlaksbalans vereist vier proefdraaien plus de initiële en verificatiedraaien – in totaal zes starts en stops. Dit verhoogt de kosten, tijd en slijtage van de machine.
Wiskundige complexiteit
Voor het oplossen van N correctiegewichten moet een N×N-matrix worden omgedraaid. Dit is een rekenintensieve taak en kan numeriek instabiel zijn als de metingen ruis bevatten of als de correctievlakken slecht zijn gepositioneerd.
Meetnauwkeurigheid
Omdat multi-plane balancing afhankelijk is van het gelijktijdig oplossen van veel vergelijkingen, hebben meetfouten en ruis een grotere impact dan bij two-plane balancing. Hoogwaardige sensoren en zorgvuldige dataverzameling zijn essentieel.
Toegankelijkheid van het correctievlak
Het vinden van N toegankelijke en effectieve correctievlaklocaties kan een uitdaging zijn, vooral op machines die oorspronkelijk niet zijn ontworpen voor multi-vlakbalancering.
Apparatuur- en softwarevereisten
Voor multi-plane balancing is het volgende nodig:
- Geavanceerde balanceringssoftware: Kan N×N invloedscoëfficiëntmatrices verwerken en stelsels van complexe vectorvergelijkingen oplossen.
- Meerdere trillingssensoren: Er worden minimaal N sensoren (één per meetlocatie) aanbevolen, hoewel sommige instrumenten met minder sensoren kunnen werken door de sensoren tussen runs te verplaatsen.
- Toerenteller/Sleutelfase: Essentieel voor nauwkeurige fase meting.
- Ervaren personeel: De complexiteit van multi-plane balancering vraagt om technici met een geavanceerde opleiding in rotordynamica en trillingsanalyse.
Typische toepassingen
Multi-plane balanceren is standaardpraktijk in industrieën met hogesnelheidsmachines:
- Energieopwekking: Grote stoom- en gasturbinegeneratorsets
- Petrochemie: Hogesnelheidscentrifugaalcompressoren en turbo-expanders
- Pulp en papier: Lange papiermachine droogrollen en kalenderrollen
- Lucht- en ruimtevaart: Rotors en turbomachines van vliegtuigmotoren
- Productie: Hogesnelheidsmachinegereedschapsspindels
Bij deze toepassingen is de investering in multi-plane balancering gerechtvaardigd vanwege het criticaliteitsniveau van de apparatuur, de gevolgen van storingen en de winst in operationele efficiëntie door te werken met minimale trillingen.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 