Deel I: Theoretische en regulerende grondslagen van dynamisch balanceren

Dynamisch balanceren in het veld is een van de belangrijkste processen in de trillingsafstellingstechnologie, gericht op het verlengen van de levensduur van industriële apparatuur en het voorkomen van noodsituaties. Het gebruik van draagbare instrumenten zoals de Balanset-1A maakt het mogelijk om deze processen direct op de werklocatie uit te voeren, waardoor de stilstandtijd en de kosten die gepaard gaan met demontage tot een minimum worden beperkt. Succesvol balanceren vereist echter niet alleen de vaardigheid om met het instrument te werken, maar ook een diepgaand begrip van de fysische processen die ten grondslag liggen aan trillingen, evenals kennis van het regelgevingskader dat de kwaliteit van het werk bepaalt.

Het methodologische principe is gebaseerd op het installeren van proefgewichten en het berekenen van de invloedscoëfficiënten van onbalans. Simpel gezegd meet het instrument de trilling (amplitude en fase) van een roterende rotor, waarna de gebruiker sequentieel kleine proefgewichten in specifieke vlakken toevoegt om de invloed van extra massa op de trilling te "kalibreren". Op basis van veranderingen in trillingsamplitude en -fase berekent het instrument automatisch de benodigde massa en installatiehoek van correctiegewichten om onbalans te elimineren.

Deze aanpak implementeert de zogenaamde drie-run methode Voor balanceren in twee vlakken: een eerste meting en twee runs met proefgewichten (één in elk vlak). Voor balanceren in één vlak zijn twee runs meestal voldoende: één zonder gewicht en één met een proefgewicht. In moderne instrumenten worden alle benodigde berekeningen automatisch uitgevoerd, wat het proces aanzienlijk vereenvoudigt en de kwalificatie-eisen voor de operator verlaagt.

Sectie 1.1: Fysica van onbalans: diepgaande analyse

De kern van elke trilling in roterende apparatuur is onbalans. Onbalans is een toestand waarbij de rotormassa ongelijkmatig verdeeld is ten opzichte van de rotatieas. Deze ongelijkmatige verdeling leidt tot het ontstaan van centrifugale krachten, die op hun beurt trillingen van de steunen en de gehele machineconstructie veroorzaken. De gevolgen van onbalans die niet wordt aangepakt, kunnen catastrofaal zijn: van voortijdige slijtage en beschadiging van lagers tot schade aan de fundering en de machine zelf. Voor een effectieve diagnose en eliminatie van onbalans is het noodzakelijk om de verschillende typen duidelijk te onderscheiden.

Soorten onbalans

Statische onbalans (enkelvlak): Dit type onbalans wordt gekenmerkt door een verschuiving van het zwaartepunt van de rotor parallel aan de rotatieas. In statische toestand zal een dergelijke rotor, gemonteerd op horizontale prisma's, altijd met de zware zijde naar beneden draaien. Statische onbalans is dominant bij dunne, schijfvormige rotoren met een lengte-diameterverhouding (L/D) kleiner dan 0,25, bijvoorbeeld bij slijpschijven of smalle ventilatorwaaiers. Het elimineren van statische onbalans is mogelijk door één correctiegewicht in één correctievlak te plaatsen, diametraal tegenover het zware punt.

Koppel (moment) onevenwicht: Dit type treedt op wanneer de hoofdtraagheidsas van de rotor de rotatieas in het massamiddelpunt snijdt, maar er niet evenwijdig aan is. Koppelonbalans kan worden weergegeven als twee even grote, maar tegengesteld gerichte onbalansmassa's die zich in verschillende vlakken bevinden. In een statische toestand is zo'n rotor in evenwicht, en de onbalans manifesteert zich alleen tijdens de rotatie in de vorm van "schommelen" of "wiebelen". Om dit te compenseren, zijn ten minste twee correctiegewichten in twee verschillende vlakken nodig, waardoor een compenserend moment ontstaat.

Dynamische onbalans: Dit is het meest voorkomende type onbalans onder reële omstandigheden en vertegenwoordigt een combinatie van statische en koppelonbalans. In dit geval valt de hoofdtraagheidsas van de rotor niet samen met de rotatieas en snijdt deze niet in het massamiddelpunt. Om dynamische onbalans te elimineren, is massacorrectie in ten minste twee vlakken noodzakelijk. Tweekanaalsinstrumenten zoals de Balanset-1A zijn specifiek ontworpen om dit probleem op te lossen.

Quasi-statische onbalans: Dit is een speciaal geval van dynamische onbalans, waarbij de hoofdtraagheidsas de rotatieas snijdt, maar niet in het zwaartepunt van de rotor. Dit is een subtiel maar belangrijk onderscheid voor de diagnose van complexe rotorsystemen.

Stijve en flexibele rotoren: cruciaal onderscheid

Een van de fundamentele concepten bij het balanceren is het onderscheid tussen stijve en flexibele rotoren. Dit onderscheid bepaalt de mogelijkheid en methodologie van succesvol balanceren.

Stijve rotor: Een rotor wordt als star beschouwd als de rotatiefrequentie aanzienlijk lager is dan de eerste kritische frequentie en er geen significante elastische vervormingen (afbuigingen) optreden onder invloed van centrifugale krachten. Het balanceren van een dergelijke rotor wordt doorgaans succesvol uitgevoerd in twee correctievlakken. Balanset-1A-instrumenten zijn primair ontworpen voor gebruik met starre rotoren.

Flexibele rotor: Een rotor wordt als flexibel beschouwd als hij draait met een rotatiefrequentie die dicht bij een van zijn kritische frequenties ligt of deze overschrijdt. In dit geval wordt de elastische asdoorbuiging vergelijkbaar met de verplaatsing van het zwaartepunt en draagt deze zelf aanzienlijk bij aan de algehele trillingen.

Voordat met de werkzaamheden wordt begonnen, is het van groot belang de rotor te classificeren door de bedrijfssnelheid te correleren met bekende (of berekende) kritische frequenties. Als het niet mogelijk is resonantie te omzeilen, wordt aanbevolen de montageomstandigheden van de unit tijdens het balanceren tijdelijk aan te passen om de resonantie te verschuiven.

Paragraaf 1.2: Regelgevend kader: ISO-normen

Normen op het gebied van balanceren vervullen verschillende belangrijke functies: ze stellen een uniforme technische terminologie vast, definiëren kwaliteitseisen en, belangrijker nog, dienen als basis voor een compromis tussen technische noodzaak en economische haalbaarheid.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Kwaliteitseisen voor het balanceren van starre rotoren

Deze norm is het basisdocument voor het bepalen van de toelaatbare restonbalans. Het introduceert het concept van balanceerkwaliteitsklasse (G), die afhankelijk is van het type machine en de draaifrequentie.

Kwaliteitsklasse G: Elk type apparatuur komt overeen met een specifieke kwaliteitsklasse die constant blijft, ongeacht de rotatiesnelheid. Zo wordt klasse G6.3 aanbevolen voor brekers en G2.5 voor elektromotorankers en turbines.

Berekening van de toegestane restonbalans (U_per): De norm maakt het mogelijk om een specifieke toegestane onbalanswaarde te berekenen die dient als doelindicator tijdens het balanceren. De berekening gebeurt in twee fasen:

1. Bepaling van de toelaatbare specifieke onbalans (e_per) met behulp van de formule:
   e per = (G × 9549) / n
   waarbij G de balanceerkwaliteitsklasse is (bijv. 2,5) en n de operationele rotatiefrequentie, tpm. De meeteenheid voor e_per is g·mm/kg of μm.
2. Bepaling van de toelaatbare restonbalans (U_per) voor de gehele rotor:
   U per = e per × M
   waarbij M de rotormassa is, kg. De meeteenheid voor U_per is g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Balanceren op zijn plaats

Deze norm reguleert rechtstreeks het veldbalanceringsproces.

Voordelen: Het belangrijkste voordeel van balanceren op de rotor is dat deze onder reële bedrijfsomstandigheden, op zijn steunen en onder bedrijfsbelasting, wordt gebalanceerd. Hierbij wordt automatisch rekening gehouden met de dynamische eigenschappen van het steunsysteem en de invloed van de aangesloten componenten van de asoverbrenging.

Nadelen en beperkingen:

• Beperkte toegang: Vaak is de toegang tot correctievlakken op een geassembleerde machine moeilijk, waardoor de mogelijkheden voor het installeren van gewichten beperkt zijn.
• Noodzaak van proefdraaien: Het balanceringsproces vereist meerdere "start-stop"-cycli van de machine.
• Moeilijkheden met ernstige onevenwichtigheid: Bij een zeer grote initiële onbalans kunnen beperkingen in de vlakselectie en de massa van het correctiegewicht het onmogelijk maken om de vereiste balanskwaliteit te bereiken.

Deel II: Praktische gids voor balanceren met Balanset-1A-instrumenten

Het succes van het balanceren van de 80% hangt af van de grondigheid van de voorbereidende werkzaamheden. De meeste fouten zijn niet te wijten aan een storing van het instrument, maar aan het negeren van factoren die de herhaalbaarheid van de meting beïnvloeden. Het belangrijkste voorbereidingsprincipe is het uitsluiten van alle andere mogelijke trillingsbronnen, zodat het instrument alleen het effect van onbalans meet.

Sectie 2.1: Basis voor succes: pre-balanceringsdiagnostiek en machinevoorbereiding

Stap 1: Primaire trillingsdiagnostiek (Is er werkelijk sprake van onbalans?)

Voordat u gaat balanceren, is het nuttig om eerst een trillingsmeting uit te voeren in de vibratiemeterstand. De Balanset-1A-software heeft een "Vibratiemeter"-modus (F5-knop) waarmee u de algehele trilling en de trilling van het onderdeel afzonderlijk bij de rotatiefrequentie (1×) kunt meten voordat u gewichten aanbrengt.

Klassiek onevenwichtssymbool: Het trillingsspectrum moet worden gedomineerd door een piek bij de rotatiefrequentie van de rotor (piek bij 1x RPM-frequentie). De amplitude van deze component moet in horizontale en verticale richting vergelijkbaar zijn, en de amplitudes van andere harmonischen moeten aanzienlijk lager zijn.

Tekenen van andere defecten: Als het spectrum significante pieken vertoont bij andere frequenties (bijv. 2x, 3x RPM) of bij niet-meervoudige frequenties, duidt dit op de aanwezigheid van andere problemen die moeten worden verholpen voordat er gebalanceerd kan worden.

Stap 2: Uitgebreide mechanische inspectie (checklist)

• Rotor: Reinig alle rotoroppervlakken grondig van vuil, roest en aangekoekte productresten. Zelfs een kleine hoeveelheid vuil op een grote radius veroorzaakt aanzienlijke onbalans. Controleer of er geen onderdelen beschadigd of ontbreken.
• Lagers: Controleer de lagerassemblages op overmatige speling, bijgeluiden en oververhitting. Versleten lagers maken het onmogelijk om stabiele metingen te verkrijgen.
• Fundering en frame: Zorg ervoor dat het apparaat op een stevige fundering is geplaatst. Controleer of de ankerbouten goed vastzitten en of er geen scheuren in het frame zitten.
• Drijfveer: Bij riemaandrijvingen: controleer de riemspanning en de conditie. Bij koppelingen: controleer de uitlijning van de assen.
• Veiligheid: Zorg ervoor dat alle beschermingsmiddelen aanwezig zijn en bruikbaar zijn.

Sectie 2.2: Instrumentopstelling en -configuratie

Hardware-installatie

Trillingssensoren (versnellingsmeters):

• Sluit de sensorkabels aan op de overeenkomstige instrumentconnectoren (bijv. X1 en X2 voor Balanset-1A).
• Installeer sensoren op de lagerhuizen, zo dicht mogelijk bij de rotor.
• Kernpraktijk: Om een maximaal signaal te verkrijgen, moeten de sensoren worden geïnstalleerd in de richting waar de trilling het sterkst is. Gebruik een sterke magnetische voet of een schroefbevestiging om een stevig contact te garanderen.

Fasesensor (lasertachometer):

• Sluit de sensor aan op de speciale ingang (X3 voor Balanset-1A).
• Bevestig een klein stukje reflecterende tape aan de as of een ander draaiend onderdeel van de rotor.
• Installeer de toerenteller zo dat de laserstraal gedurende de hele omwenteling stabiel op het doel gericht blijft.

Softwareconfiguratie (Balanset-1A)

• Start de software (als beheerder) en sluit de USB-interfacemodule aan.
• Ga naar de module voor het balanceren. Maak een nieuw record aan voor de eenheid die gebalanceerd moet worden.
• Selecteer het type balancering: 1-vlak (statisch) voor smalle rotoren of 2-vlak (dynamisch) voor de meeste andere gevallen.
• Definieer correctievlakken: kies plaatsen op de rotor waar correctiegewichten veilig kunnen worden aangebracht.

Sectie 2.3: Balanceringsprocedure: Stapsgewijze handleiding

Run 0: Initiële meting

• Start de machine en breng deze op een stabiele werksnelheid. Het is uiterst belangrijk dat de rotatiesnelheid in alle volgende runs gelijk is.
• Start de meting in het programma. Het instrument registreert de initiële trillingsamplitude en fase.

Run 1: Proefgewicht in vlak 1

• Stop de machine.
• Selectie van het proefgewicht: De massa van het proefgewicht moet voldoende zijn om een merkbare verandering in de trillingsparameters te veroorzaken (amplitudeverandering van ten minste 20-30° OF faseverandering van ten minste 20-30°).
• Installatie van proefgewichten: Bevestig het gewogen proefgewicht stevig op een bekende straal in vlak 1. Noteer de hoekpositie.
• Start de machine op dezelfde stabiele snelheid.
• Voer de tweede meting uit.
• Stop de machine en VERWIJDER het proefgewicht.

Run 2: Proefgewicht in vlak 2 (voor balanceren in 2 vlakken)

• Herhaal de procedure uit stap 2 exact, maar plaats het proefgewicht in vlak 2.
• Beginnen, meten, stoppen en VERWIJDER het proefgewicht.

Berekening en installatie van correctiegewichten

• Op basis van de vectorwijzigingen die tijdens proefdraaien zijn geregistreerd, berekent het programma automatisch de massa en de installatiehoek van het correctiegewicht voor elk vliegtuig.
• De installatiehoek wordt doorgaans gemeten vanaf de plaats van het proefgewicht in de richting van de rotorrotatie.
• Bevestig de permanente correctiegewichten op een veilige manier. Houd er bij het lassen rekening mee dat de las zelf ook massa heeft.

Run 3: Verificatiemeting en fijnbalancering

• Start de machine opnieuw.
• Voer een controlemeting uit om het niveau van de resttrilling te beoordelen.
• Vergelijk de verkregen waarde met de tolerantie die is berekend volgens ISO 1940-1.
• Als de trilling nog steeds de tolerantie overschrijdt, berekent het instrument een kleine "fijne" (trim) correctie.
• Sla na voltooiing het rapport en de invloedscoëfficiënten op voor eventueel toekomstig gebruik.

Deel III: Geavanceerde probleemoplossing en probleemoplossing

In dit gedeelte worden de meest complexe aspecten van veldbalancering besproken: situaties waarin de standaardprocedure geen resultaten oplevert.

Paragraaf 3.1: Diagnose en het overwinnen van meetinstabiliteit

Symptoom: Bij herhaalde metingen onder identieke omstandigheden veranderen de amplitude- en/of fasewaarden significant ("float", "jump"). Dit maakt correctieberekening onmogelijk.

Grondoorzaak: Het instrument functioneert naar behoren. Het geeft correct aan dat de trillingsrespons van het systeem instabiel en onvoorspelbaar is.

Systematisch diagnostisch algoritme:

• Mechanische losheid: Dit is de meest voorkomende oorzaak. Controleer of de bevestigingsbouten van het lagerhuis en de frameankerbouten goed vastzitten. Controleer op scheuren in de fundering of het frame.
• Lagerdefecten: Overmatige interne speling in wentellagers of slijtage van de lagerbehuizing zorgt ervoor dat de as onvoorspelbaar in de lagersteun kan bewegen.
• Procesgerelateerde instabiliteit:
  • Aerodynamisch (ventilatoren): Turbulente luchtstroming en loslating van de luchtstroom door de schoepen kunnen willekeurige krachteffecten veroorzaken.
  • Hydraulisch (pompen): Cavitatie veroorzaakt krachtige, willekeurige hydraulische schokken die het periodieke signaal van onbalans maskeren.
  • Interne massabeweging (brekers, molens): Materiaal kan zich binnenin de rotor herverdelen en fungeren als "mobiele onbalans".
• Resonantie: Als de bedrijfssnelheid zeer dicht bij de eigenfrequentie van de constructie ligt, veroorzaken zelfs kleine snelheidsvariaties enorme veranderingen in de trillingsamplitude en -fase.
• Thermische effecten: Door opwarming van de machine kan thermische uitzetting leiden tot buiging van de as of veranderingen in de uitlijning.

Sectie 3.2: Wanneer balanceren niet helpt: het identificeren van basisdefecten

Symptoom: De balanceerprocedure is uitgevoerd, de metingen zijn stabiel, maar de uiteindelijke trilling blijft hoog.

Gebruik van spectrumanalysator voor differentiële diagnose:

• Verkeerde uitlijning van de as: Belangrijkste kenmerk: hoge trillingspiek bij tweemaal de toerentalfrequentie. Sterke axiale trillingen zijn kenmerkend.
• Defecten aan wentellagers: Dit manifesteert zich als hoogfrequente trillingen bij karakteristieke "lager"-frequenties (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Schachtboog: Dit uit zich als een hoge piek bij 1x RPM, maar vaak vergezeld van een merkbare component bij 2x RPM.
• Elektrische problemen (elektromotoren): Asymmetrie in het magnetische veld kan trillingen veroorzaken met een frequentie die tweemaal zo hoog is als de voedingsfrequentie (100 Hz bij een netwerk van 50 Hz).

Veelvoorkomende fouten bij het balanceren en tips om deze te voorkomen

• Balanceren van een defecte of vuile rotor: Controleer altijd de staat van het mechanisme voordat u het balanceert.
• Proefgewicht te klein: Streef naar de 20-30% trillingsveranderingsregel.
• Niet-naleving van de regimeconstantie: Zorg er tijdens alle metingen voor dat de rotatiesnelheid constant en gelijk blijft.
• Fase- en markeringsfouten: Houd de hoekbepaling nauwlettend in de gaten. De hoek van het correctiegewicht wordt doorgaans gemeten vanaf de positie van het proefgewicht in de draairichting.
• Verkeerde bevestiging of verlies van gewichten: Volg de methodologie strikt op - als het nodig is om het proefgewicht te verwijderen, doe dat dan.

Balanceren van kwaliteitsnormen

Deel IV: Veelgestelde vragen en toepassingsnotities

Paragraaf 4.1: Algemene veelgestelde vragen (FAQ)

Wanneer moet ik 1-vlaks balanceren en wanneer 2-vlaks balanceren?
Gebruik 1-vlaks (statische) balancering voor smalle, schijfvormige rotoren (L/D-verhouding < 0,25). Gebruik 2-vlakken (dynamische) balancering voor vrijwel alle andere rotors, vooral met L/D > 0.25.

Wat moet ik doen als het proefgewicht een gevaarlijke toename van trillingen veroorzaakt?
Stop de machine onmiddellijk. Dit betekent dat het proefgewicht te dicht bij het bestaande zwaartepunt was geplaatst. De oplossing: verplaats het proefgewicht 180 graden ten opzichte van de oorspronkelijke positie.

Kunnen opgeslagen invloedscoëfficiënten voor een andere machine gebruikt worden?
Ja, maar alleen als de andere machine absoluut identiek is - hetzelfde model, dezelfde rotor, dezelfde fundering, dezelfde lagers. Elke verandering in de structurele stijfheid maakt ze ongeldig.

Hoe moet je rekening houden met spiebanen? (ISO 8821)
Het is standaard om een "halve spie" in de spiebaan van de as te gebruiken bij het balanceren zonder het bijbehorende onderdeel. Dit compenseert de massa van dat deel van de spie dat de groef op de as vult.

Paragraaf 4.2: Balanceringsgids voor specifieke apparatuurtypen

Industriële ventilatoren en rookafzuigers:

• Probleem: Het meest gevoelig voor onevenwichtigheid als gevolg van productophoping op de messen of slijtage door schurende materialen.
• Procedure: Reinig de waaier altijd grondig voordat u aan het werk gaat. Let op aerodynamische krachten die instabiliteit kunnen veroorzaken.

Pompen:

• Probleem: Grootste vijand: cavitatie.
• Procedure: Controleer vóór het balanceren of er voldoende cavitatiemarge bij de inlaat aanwezig is (NPSHa). Controleer of de zuigleiding niet verstopt is.

Brekers, maalmachines en mulchers:

• Probleem: Extreme slijtage, mogelijkheid van grote onbalansveranderingen als gevolg van hamerbreuk of slijtage.
• Procedure: Controleer de integriteit en bevestiging van de werkende onderdelen. Mogelijk is extra verankering van het machineframe nodig.

Ankers van elektrische motoren:

• Probleem: Kan zowel mechanische als elektrische trillingsbronnen hebben.
• Procedure: Gebruik een spectrumanalysator om te controleren op trillingen bij tweemaal de voedingsfrequentie. De aanwezigheid hiervan duidt op een elektrische storing, niet op een onbalans.

Conclusie

Dynamisch balanceren van rotors op hun plaats met behulp van draagbare instrumenten zoals de Balanset-1A is een krachtig hulpmiddel om de betrouwbaarheid en efficiëntie van industriële apparatuur te verhogen. Het succes van deze procedure hangt echter niet zozeer af van het instrument zelf, maar van de specialistische kwalificaties en het vermogen om een systematische aanpak te hanteren.

Kernprincipes:

• Voorbereiding bepaalt resultaat: Grondige reiniging van de rotor, controle van de lagers en de fundering, en een voorlopige trillingsdiagnose zijn essentiële voorwaarden voor een succesvolle balancering.
• Naleving van normen vormt de basis van kwaliteit: De toepassing van ISO 1940-1 transformeert subjectieve beoordeling in een objectief, meetbaar en juridisch relevant resultaat.
• Het instrument is niet alleen een balancer, maar ook een diagnosetool: Evenwichtsproblemen of leesinstabiliteit zijn belangrijke diagnostische signalen die wijzen op ernstiger problemen.
• Inzicht in procesfysica is essentieel voor het oplossen van niet-standaardtaken: Kennis van de verschillen tussen starre en flexibele rotors, en inzicht in de invloed van resonantie, stelt specialisten in staat de juiste beslissingen te nemen.

Door de aanbevelingen in deze handleiding op te volgen, kunnen technische specialisten niet alleen gangbare taken succesvol uitvoeren, maar ook complexe, niet-triviale problemen met trillingen van roterende apparatuur effectief diagnosticeren en oplossen.