Zrozumienie mimośrodowości w maszynach obrotowych
W dynamika wirnika, ekscentryczność to promieniowe przesunięcie między środkiem masy wirnika (jego środkiem ciężkości) a jego środkiem geometrycznym — rzeczywistym środkiem wału. W idealnie wyważonym wirniku te dwa środki pokrywałyby się, jednak niedoskonałości produkcyjne i nierównomierna gęstość materiału sprawiają, że prawie zawsze pozostaje pewna ekscentryczność. Gdy wirnik z ekscentrycznością obraca się, masa przesunięta względem środka generuje siła odśrodkowa, a siła ta jest główną przyczyną niewyważenie drgania. Innymi słowy, ekscentryczność to zjawisko geometryczne leżące u podstaw najczęstszej usterki maszyn.
1. Definicja: Czym jest ekscentryczność?
Ekscentryczność to odległość — zazwyczaj rzędu kilku mikrometrów — mierzona prostopadle do osi obrotu, oddzielająca punkt rzeczywistego środka ciężkości od punktu, w którym obraca się wał. Ponieważ jest to właściwość związana z rozkładem masy, a nie z wyglądem powierzchni, prawdziwej ekscentryczności masy nie widać i nie można jej odczytać za pomocą czujnika zegarowego na nieruchomym wirniku. Ujawnia się ona dopiero wtedy, gdy wirnik się obraca, a przesunięta masa zaczyna wywierać siłę odśrodkową na zewnątrz raz na obrót.
2. Bezpośredni związek między ekscentrycznością a niewyważeniem
Ekscentryczność i niewyważenie to dwie strony tego samego medalu. Niewyważenie jest miarą wpływu ekscentryczności przy danej prędkości; ekscentryczność jest przyczyną fizyczną. Wielkość niewyważenia jest wprost proporcjonalna do masy wirnika i jego ekscentryczności:
Niewyważenie (U) = Masa (M) × Mimośród (e)
Ten prosty iloczyn wyjaśnia, dlaczego ekscentryczność ma tak kluczowe znaczenie. Wytwarzana przez nią siła odśrodkowa rośnie wraz z kwadrat prędkości obrotowej, więc nawet kilka mikrometrów ekscentryczności w ciężkim wirniku o dużej prędkości może wywołać ogromną siłę, powodując poważne wibracja and rapid zużycie łożysk. Można sprawdzić, jak gwałtownie rośnie ta siła wraz ze wzrostem masy, ekscentryczności i prędkości, korzystając z Kalkulator siły odśrodkowej spowodowanej niewyważeniem.
3. Rodzaje ekscentryczności
Ważne jest, aby odróżnić prawdziwą ekscentryczność od powiązanych z nią niedoskonałości geometrycznych, z którymi często jest ona mylona.
Ekscentryczność masowa
Prawdziwa ekscentryczność zdefiniowana powyżej — to przesunięcie między środkiem masy a środkiem geometrycznym. To właśnie ona powoduje niewyważenie i stanowi cel każdej procedury wyważania. Nie można jej zmierzyć bezpośrednio za pomocą czujnika zegarowego na nieruchomym wirniku; ujawnia się ona jedynie dynamicznie, jako siła występująca raz na obrót, której kierunek (kąt punktu ciężkości) określa się na podstawie faza wibracji 1×.
Ekscentryczność geometryczna (bicie)
Odchylenie powierzchni wirnika od idealnego koła — miara stopnia „nieokrągłości” wału lub wirnika, zwana również bicie mechaniczne. Czasami czop wału może mieć lekko owalny kształt lub być wyfrezowany z przesunięciem względem osi. W przeciwieństwie do ekscentryczności masowej, to can należy mierzyć za pomocą czujnika zegarowego podczas powolnego obrotu. Nie odzwierciedla to bezpośrednio niewyważenia masowego, ale forma o ekscentryczności geometrycznej bardzo często przyczynia się do niego. Wyraźnie odrębna, ale ściśle powiązana koncepcja ekscentryczność wirnika opisuje to przesunięcie geometryczne w kontekście silników i szczeliny powietrznej.
Bicie elektryczne
To wcale nie jest wada fizyczna, lecz efekt pomiarowy charakterystyczny dla metod bezkontaktowych sondy zbliżeniowe. W miejscach, gdzie powierzchnia wału wykazuje różnice w przenikalności magnetycznej lub przewodności elektrycznej, sonda generuje fałszywy sygnał imitujący bicie geometryczne. Zakłócenie to należy scharakteryzować i wyeliminować — zazwyczaj poprzez kompensacja kabla oraz odejmowanie bicia przy powolnym obrocie — podczas badań dynamicznych wirnika, w przeciwnym razie zostanie to błędnie zinterpretowane jako rzeczywisty ruch wału.
4. Przyczyny ekscentryczności
Ekscentryczność masowa przedostaje się do wirnika kilkoma drogami:
- Tolerancje produkcyjne: Żaden proces obróbki skrawaniem, odlewania ani montażu nie jest idealny, więc drobne błędy są nieuniknione.
- Nierównomierna gęstość materiału: Wtrącenia, puste przestrzenie lub porowatość w odlewie lub odkuwce powodują, że materiał staje się niejednorodny i zmienia się położenie środka ciężkości.
- Asymetryczna konstrukcja: niektóre elementy, takie jak wały korbowe, są z natury asymetryczne.
- Błędy montażu: Koło pasowe lub łożysko, które nie jest idealnie wycentrowane na wale, powoduje powstanie masy mimośrodowej.
- Zniekształcenia termiczne: nierównomierne ogrzewanie lub chłodzenie może spowodować wygięcie wirnika, co tymczasowo przesunie jego środek ciężkości — a wygięcie termiczne, często określany jako wektor termiczny, ponieważ znaczenie mają zarówno jego wielkość, jak i kierunek.
5. Jak radzić sobie z ekscentrycznością
Ponieważ przyczyną niewyważenia jest mimośrodowość masy, koryguje się ją poprzez równoważenie. Poprzez dodawanie lub usuwanie niewielkich ilości masy technik wytwarza przeciwdziałającą siłę odśrodkową, która skutecznie przyciąga linię środkową masy wirnika z powrotem w kierunku jego osi geometrycznej, minimalizując w ten sposób siłę wynikową i wynikające z niej drgania. W przypadku zmontowanej maszyny operację tę wykonuje się na miejscu: za pomocą przenośnego analizatora dwukanałowego, takiego jak Balanset-1A mierzy amplitudę i fazę 1× w łożyskach samej maszyny, oblicza, o ile ciężarek korekcyjny co i gdzie dodać, a także sprawdza niewyważenie resztkowe później. Należy pamiętać, że wyważenie znosi effect ekscentryczności; nie powoduje to przemieszczenia powierzchni geometrycznej, więc wirnik o dużym biciu geometrycznym może być dobrze wyważony, a mimo to ocierać się o elementy lub wykazywać wysokie odczyty na czujniku zbliżeniowym.
