Dwie uwagi na temat zasadności wymagań klientów wobec producentów wyważarek

Wprowadzenie

W ciągu ostatniego półtora roku nasza firma otrzymała ponad 30 zapytań dotyczących zakupu różnego rodzaju wyważarki. Analiza specyfikacji technicznych dołączonych do tych zapytań pokazuje, że większość z nich zawiera szereg cech, które mają znaczący wpływ na harmonogramy produkcji i koszty maszyn, a także zawężają listę potencjalnych dostawców. Wśród nich na uwagę zasługują dwa wymagania:

• Wymóg zapewnienia określonego niewyważenie resztkowe, która nie powinna przekraczać 0,1 g*mm/kg (µm).
• Wymóg wpisania wyważarki do rejestru przyrządów pomiarowych.

Przeanalizujmy zasadność i wykonalność wdrożenia tych wymagań z perspektywy prawdziwego konsumenta.

1. Analiza wymagań dotyczących dokładności maszyny

Zweryfikujemy zasadność wymagań klienta dotyczących dokładności, korzystając ze specyfikacji technicznej wyważarki przeznaczonej do wyważania wirników silników elektrycznych, turbozespołów i sprężarek o masie od 10 do 1500 kg. Specyfikacja określa tolerancję dla niewyważenia szczątkowego, która według klienta nie powinna przekraczać 0,1 g*mm/kg.

Aby sprawdzić spełnienie tego wymogu, odwołujemy się do tabeli 1 w ISO 1940-1 „Drgania mechaniczne – Wymagania dotyczące jakości wyważenia wirników”. Zgodnie z zaleceniami zawartymi w tej tabeli zakładamy, że dokładność wyważenia wirniki wirników silników elektrycznych, turbosprężarek i sprężarek, którą powinna zapewnić zamówiona maszyna, musi spełniać klasę jakości G2.5 grade. Zakładając, że oczekiwana robocza częstotliwość obrotowa wyważanego wirnika wynosi na przykład 200 Hz (co z dużym zapasem pokrywa częstotliwości obrotowe większości znanych maszyn), możemy łatwo obliczyć dopuszczalne resztkowe niewyważenie właściwe dla wyważania statycznego (jednopłaszczyznowego) za pomocą wzoru 5 z normy: eper = 2500 / (6,28 * 200) = 1,99 g*mm/kg.

Biorąc pod uwagę zalecenia tej samej normy ISO 1940-1 (obecnie zastąpionej przez ISO 21940-11), zgodnie z sekcją 7, dopuszczalna wartość ustalona dla wirnika asymetrycznego z dwoma podporami podczas wyważania dynamicznego powinna wynosić co najmniej 0,3 * eper, co w naszym przypadku dałoby 0,6 g*mm/kg, a nie 0,1 g*mm/kg, jak wymagano w pierwotnej specyfikacji technicznej. Ten podział dopuszczalnej tolerancja wyważenia pomiędzy dwiema płaszczyznami korekcji można sprawdzić za pomocą naszego Kalkulator niewyważenia resztkowego (ISO 21940-11).

Innymi słowy, jak pokazuje nasza analiza, wymagania dotyczące dokładności wyważarki zawarte w niniejszej Specyfikacji Technicznej (i wielu innych podobnych dokumentach) są wyraźnie wygórowane. Praktyczna realizacja tych wygórowanych wymagań angażuje producenta w rozwiązywanie poważnych zadań projektowych i technologicznych, zwykle pojawiających się przy produkcji maszyn o wyjątkowo wysokiej dokładności, co niewątpliwie wpływa na koszt i czas produkcji maszyn. Co więcej, wymagania te nie zawsze są technicznie wykonalne.

Warto również zauważyć, że skuteczna praca tak precyzyjnych maszyn może wymagać od potencjalnego klienta spełnienia kilku dodatkowych warunków, takich jak konieczność zapewnienia pomieszczeń o stałej temperaturze i czystości, fundamentów izolujących drgania itp., których koszt wykonania może nawet przewyższyć koszty związane z nabyciem maszyny. W odpowiedzi na możliwy sprzeciw przedstawiciela klienta (autora wspomnianej wcześniej Specyfikacji Technicznej), że spełnienie tego wymagania pozwala osiągnąć na maszynie znacznie mniejsze niewyważenie resztkowe, faktycznie odpowiadające klasie G0.4, można zalecić zapoznanie się z zaleceniami GOST 22061-76 “Machines and technological equipment. System of balancing quality grades. Basic provisions” (norma krajowa, której współczesnym międzynarodowym odpowiednikiem jest ISO 21940-11, dawniej ISO 1940-1), obowiązującej przed wprowadzeniem ISO 1940-1.

Sekcja 3 tego standardu, przygotowana przez najlepszych specjalistów w dziedzinie wyważania ze Związku Radzieckiego, rozsądnie stwierdza, co następuje:

1. Wirniki wyrobów sklasyfikowanych w 1. klasie jakości wyważenia (klasa G0.4 według ISO 1940-1) powinny być wyważane we własnych łożyskach, we własnej obudowie, we wszystkich warunkach roboczych, przy użyciu własnego napędu.
2. Wirniki produktów sklasyfikowanych w 2. klasie jakości wyważania (klasa G1.0) powinny być wyważane we własnych łożyskach lub we własnej obudowie, ze specjalnym napędem, jeśli własny napęd nie jest dostępny.
3. Wirniki produktów sklasyfikowanych w klasach jakości wyważania od 3. do 11. (klasy od G2.5 do G4000) mogą być wyważane jako części lub zespoły.

Istotą tych zaleceń jest to, że dążenie do osiągnięcia klas jakości wyważania G0.4 i G1.0 na wyważarce jest często technicznie i ekonomicznie bezsensowne. Po zainstalowaniu wirników w maszynie, osiągnięta dokładność zostaje utracona i aby ją przywrócić, wymagane jest dodatkowe wyważenie zespołu wirnika (we własnych łożyskach i z własnym napędem), wykonane przy użyciu przenośnego sprzętu do wyważania wibracyjnego.

Jako ilustracyjny przykład tej tezy można rozważyć wyważanie ściernicy przeznaczonej do pracy na precyzyjnej szlifierce do wałków (klasa dokładności “C”). Zgodnie z wymaganiami wspomnianej wcześniej Tabeli 1 normy ISO 1940-1 jakość wyważenia ściernicy powinna co najmniej odpowiadać klasie G0.4. Biorąc pod uwagę, że oczekiwana prędkość obrotowa ściernicy podczas pracy będzie wynosić 6000 rpm (100 Hz), korzystając z dobrze znanego wzoru 7 z ISO 1940-1, określamy dopuszczalne niewyważenie właściwe resztkowe eper, które wyniesie 0.64 g*mm/kg.

Innymi słowy, po wyważeniu na wyważarce i zapewnieniu tej tolerancji przemieszczenie środka masy ściernicy względem osi technologicznej (osi trzpienia wyważarki) nie powinno przekraczać 0,64 µm. Ponieważ dopuszczalne bicie promieniowe wrzeciona szlifierki klasy “C” według krajowej normy GOST 11654-90 wynosi 2 µm, po zamontowaniu naszej ściernicy na tej maszynie (ponownym odniesieniu ściernicy z osi technologicznej do osi roboczej) resztkowe niewyważenie właściwe może znacząco wzrosnąć i co najmniej trzykrotnie przekroczyć tolerancję zalecaną przez ISO 1940-1. W takich i podobnych przypadkach, jak wspomniano wcześniej, wymagane jest dodatkowe wyważanie w celu skompensowania błędów powstających na etapie montażu.

Powyższe pozwala nam stwierdzić, że w zdecydowanej większości przypadków wymagania dotyczące dokładności dla średnich i ciężkich wyważarek można ograniczyć do poziomu niewyważenia szczątkowego wynoszącego 0,5 g*mm/kg lub nawet 1,0 g*mm/kg. Wdrożenie tego zalecenia w praktyce pozwala producentowi znacznie zmniejszyć złożoność i koszt produkcji maszyny, podczas gdy klient (pod warunkiem wdrożenia racjonalnego procesu technologicznego) może osiągnąć wymaganą dokładność wyważania. Głównym wyjątkiem od tej reguły mogą być małe specjalistyczne wyważarki stosowane np. do wyważania wirników żyroskopów, turbosprężarek samochodowych itp. Cechy konstrukcyjne tych maszyn pozwalają na osiągnięcie resztkowego niewyważenia właściwego na poziomie 0,1 g*mm/kg lub niższym, co jest technicznie uzasadnione i ekonomicznie wykonalne.

2. O potrzebie włączenia wyważarek do rejestru przyrządów pomiarowych

W ostatnich latach w naszym kraju dokonano zdumiewającego odkrycia, które może wprawić w zakłopotanie „zmarłych w pokoju” specjalistów z ENIMS**, którzy opracowali klasyfikator obrabiarek skrawających. Dzięki czyjejś „lekkiej ręce” na rynku maszyn pojawił się zupełnie nowy typ sprzętu – „Wyważarki do pomiaru drgań”, które muszą posiadać Certyfikat Rosyjskiej Normy Państwowej i odpowiednie oznaczenie.*)

I wszystko byłoby dobrze, ale nagle okazało się, że "zaawansowani" klienci zaczęli umieszczać w swoich Specyfikacjach Technicznych obowiązkowy wymóg wpisania wyważarek do Rejestru Urządzeń Pomiarowych. Spróbujmy zrozumieć, jak prawnie i technicznie uzasadniony jest ten wymóg, a także jego ekonomiczną wykonalność.

Na początek warto zrozumieć, w jaki sposób wymóg ten odnosi się do zaleceń istniejących dokumentów regulacyjnych. Zacznijmy od normy ISO 8-82 „Obrabiarki skrawające. Ogólne wymagania dotyczące badania dokładności”. Norma ta określa podstawowe pojęcia i zasady klasyfikacji maszyn według dokładności, ogólne wymagania dotyczące badania dokładności oraz ogólne wymagania dotyczące metod sprawdzania dokładności. Należy zauważyć, że odniesienia do procedur oceny cech jakościowych maszyn w tej normie używają tylko terminu „sprawdzanie” i nie ma wzmianki o potrzebie włączenia maszyn do Rejestru Przyrządów Pomiarowych, a tym samym o potrzebie ich „kalibracji”.

Kolejnym dokumentem, na który należy zwrócić uwagę, jest ISO 21940-21 (dawniej ISO 2953) “Mechanical vibration – Rotor balancing – Part 21: Description and evaluation of balancing machines.” Norma ta, która określa szczegółowe wymagania dotyczące charakterystyk technicznych wyważarek i metod ich “weryfikacji”, również nie zawiera wymagań przewidujących konieczność kalibracji tych maszyn oraz wpisywania ich do Rejestru Przyrządów Pomiarowych. W związku z tym należy zauważyć, że wymagania związane z kalibracją nie występują także w normach dotyczących innych typów obrabiarek, takich jak normy ISO dla szlifierek i obrabiarek CNC, które również mogą obejmować różne systemy pomiarowe.

Co więcej, podobnych wymogów nie znajdziemy w dokumentacji technicznej wszystkich znanych modeli zagranicznych wyważarek, co naszym zdaniem również stanowi istotny precedens. Na podstawie przedstawionych powyżej argumentów można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Istniejące dokumenty regulacyjne i techniczne opracowane dla obrabiarek, a w szczególności dla wyważarek, nie zawierają wymagań dotyczących ich wpisania do Rejestru Przyrządów Pomiarowych, a tym samym konieczności ich wzorcowania. W rezultacie, włączenie takich wymagań do Specyfikacji Technicznych podczas konkurencyjnych procedur przetargowych "de facto" znacznie zwiększa koszty produkcji maszyn i wydatki na ich późniejszą eksploatację oraz, jak nam się wydaje, "de iure" narusza prawa działających w dobrej wierze producentów maszyn, którzy postępują zgodnie z literą i duchem istniejących dokumentów regulacyjnych.
2. Rutynowe testy układu pomiarowego mogą i powinny być przeprowadzane jako część wyważarki zgodnie z wymaganiami i zaleceniami ISO 21940-21 (dawniej ISO 2953), które przewidują użycie wirnika wzorcowego, zestawu ciężarków testowych i wzorcowanych wag podczas sprawdzeń. Testy te muszą koniecznie obejmować następujące rodzaje sprawdzeń:
   • Sprawdzanie minimalnie osiągalnego pozostałego niewyważenia (Umar);
   • Sprawdzanie współczynnika redukcji niewyważenia (URR);
   • Sprawdzenie działania obwodu wyważania warunkowego (z procedurą obrotu wirnika o 180°).

Należy zauważyć, że kontrole te są przeprowadzane bez demontażu układu pomiarowego z maszyny i nie wymagają użycia kalibracyjnego stanowiska wibracyjnego, co eliminuje potrzebę angażowania specjalistów z organizacji zewnętrznych i znacznie zmniejsza pracochłonność i koszt pracy. Oprócz głównych kontroli wymienionych powyżej, w razie potrzeby, inne ważne parametry systemu pomiarowego mogą być sprawdzane bezpośrednio na maszynie (przy użyciu wspomnianego wirnika referencyjnego, zestawu ciężarków testowych i skalibrowanych wag), w tym:

• Powtarzalność odczytów amplitudy i fazy sygnału wibracyjnego od pomiaru do pomiaru;
• Liniowość odczytów systemu pomiarowego według amplitudy sygnału wibracyjnego;
• Zdolność rozdzielcza systemu pomiarowego (minimalny poziom niewyważenia stale rejestrowany przez system pomiarowy) itp.

Wnioski

Autor ma nadzieję, że zarówno klienci, jak i producenci wyważarek zrozumieją argumenty i zalecenia przedstawione w niniejszej pracy, której głównym celem jest zminimalizowanie kosztów produkcji dla obu stron przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej jakości operacji wyważania.

*Uwaga: Jeśli trend ten będzie się rozwijał, nie jest wykluczone, że wkrótce dowiemy się o powstaniu szlifierek do pomiaru drgań, pras do pomiaru drgań, a nawet walcarek do pomiaru drgań. W końcu łączy je z wyważarkami możliwość wykorzystania specjalistycznego sprzętu do pomiaru drgań.

ENIMS to skrót od "Experimental Research Institute of Metal-Cutting Machine Tools" (Экспериментально-исследовательский институт металлорежущих станков). Był to instytut badawczy w Związku Radzieckim zajmujący się rozwojem i udoskonalaniem różnego rodzaju maszyn i urządzeń do obróbki skrawaniem. Instytut odegrał znaczącą rolę w rozwoju przemysłu maszynowego i standaryzacji urządzeń do obróbki metalu poprzez opracowywanie dokumentów regulacyjnych i norm, takich jak klasyfikatory obrabiarek i metody badania ich dokładności.

V.D. Feldman, główny specjalista LLC “Kinematics”, 2024 r.