Zrozumienie niewyważenia (nierównowagi) w maszynach wirujących
Niewyważenie — używane zamiennie z niewyważenie — to stan, w którym wirnik‘s środek ciężkości nie pokrywa się z osią obrotu. Masa jest rozłożona nierównomiernie wokół wału, więc gdy wirnik się obraca, przesunięta masa wywołuje siłę netto siła odśrodkowa co powoduje odchylenie wirnika od jego środka i wywołuje drgania całej maszyny. To przesunięcie środka ciężkości względem środka geometrycznego stanowi niewyważenie wirnika ekscentryczność, a powodowane przez nie drgania sprawiają, że niewyważenie jest najczęstszą usterką w maszynach wirujących — i zazwyczaj pierwszą, którą sprawdza diagnostyk.
1. Definicja: Co powoduje powstanie siły
Siła oddziałująca jest siłą odśrodkową: F = m·r·ω², gdzie m·r to moment niewyważenia (iloraz masy względem środka ciężkości pomnożony przez promień) oraz ω to prędkość kątowa. Wynikają z tego od razu dwie konsekwencje. Po pierwsze, siła obraca się wraz z wałem, więc oddziałuje na łożyska raz na każdy obrót. Po drugie, jest ona proporcjonalna do kwadrat prędkości — wirnik, który działa bez zarzutu przy powolnym obracaniu ręką, może stać się niebezpieczny przy pełnych obrotach, dlatego jakość wyważenia Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wymagania znacznie się zaostrzają. Niewyważenie określa się jako iloczyn masy i promienia, zazwyczaj w jednostkach gram-milimetr (g·mm), ponieważ o sile decyduje zarówno wielkość masy przesuniętej względem środka, jak i odległość tej masy od osi.
2. Rozpoznawanie niewyważenia: Klasyczne objawy
Niewyważenie stosunkowo łatwo rozpoznać, ponieważ jego wibracja sygnatura jest tak spójna — to główny powód, dla którego stanowi ona naturalny punkt wyjścia w analiza drgań:
- Częstotliwość: drgania utrzymują się dokładnie na poziomie 1× prędkość obrotowa (the prędkość obrotowa). Wystarczy zwiększyć lub zmniejszyć prędkość maszyny, a krzywa szczytowa idealnie się do niej dostosuje.
- Kierunek: energia pochodzi głównie z promieniowy — w poziomie i w pionie — zazwyczaj przy niewielkim osiowy (osiowe) drgania.
- Amplituda: proporcjonalna do kwadratu prędkości obrotowej, więc podwojenie prędkości powoduje w przybliżeniu czterokrotny wzrost siły niewyważenia i wynikających z niej drgań.
- Faza: 1× faza Odczyt jest stabilny i powtarzalny, co pozwala na zlokalizowanie miejsca niezrównoważenia.
Ponieważ dominujący pik 1× może również wynikać z niewspółosiowość, a wygięty wał lub rezonans, a wnikliwy analityk potwierdza to niewyważenie na podstawie jego całość wzór: wysoki 1×, niski harmoniczne, głównie energii promieniowej, oraz fazę stabilną. Natomiast silny składnik 2× wskazuje na niewspółosiowość lub luz mechaniczny.
3. Trzy rodzaje niewyważenia
Niewyważenie statyczne
Zjawisko to, zwane również "niewyważeniem sił", jest najprostszym rodzajem, w którym masa jest przesunięta w jednej płaszczyźnie — można to sobie wyobrazić jako jeden punkt o większej masie na cienkim dysku. Jest to zjawisko "statyczne", ponieważ ujawnia się w stanie spoczynku: umieszczony na krawędziach noża bez tarcia wirnik obraca się, aż punkt o większej masie znajdzie się na dole. Pojedynczy obciążnik umieszczony pod kątem 180° względem tego punktu koryguje to niewyważenie, co stanowi obszar wyważanie jednopłaszczyznowe.
Niewyważenie parowe
Dwa równe niezrównoważenia masowe na przeciwległych końcach wirnika, oddalone od siebie o 180°, znoszą się jako siła wypadkowa, ale tworzą para sił — moment kołysania, który powoduje obrót wirnika wzdłużną osią. Wirnik taki jest wyważony statycznie (nie przewraca się na krawędziach), ale podczas pracy silnie wibruje, a do zniwelowania tego momentu potrzebne są dwa obciążniki korygujące umieszczone w dwóch różnych płaszczyznach.
Niewyważenie dynamiczne
Nierównowaga dynamiczna, występująca w niemal wszystkich rzeczywistych maszynach, stanowi połączenie skutków statycznych i momentowych. Jej skorygowanie wymaga zmiany rozkładu masy w co najmniej dwóch płaszczyznach wzdłuż wirnika — wyważanie dynamiczne (dwupłaszczyznowe). Gdy składowe statyczna i momentowa przypadkowo pokrywają się kątowo, ten szczególny przypadek określa się jako niewyważenie quasi-statyczne.
4. Najczęstsze przyczyny
Niewyważenie może wynikać z procesu produkcji lub pojawić się w trakcie eksploatacji. Do najczęstszych przyczyn należą:
- Wady produkcyjne: Porowatość odlewów, nierównomierna gęstość materiału i tolerancje obróbki.
- Błędy montażu: nieprawidłowo zamontowane elementy, nierównomiernie dokręcone śruby lub źle osadzone wpusty.
- Zużycie: nierównomierna erozja, korozja lub zużycie na łopatkach wentylatora i pompy wirniki.
- Nagromadzenie materiału: brud, kurz lub osady gromadzące się na wirnikach wentylatorów, dmuchaw i wirówek.
- Awaria podzespołu: wyrzucony ciężarek wyważający lub złamana łopatka natychmiast powodują poważne niewyważenie.
5. Dlaczego korygowanie nierównowagi ma kluczowe znaczenie
Praca maszyny przy znacznym niewyważeniu powoduje jej stopniowe zużycie, ponieważ siła cykliczna obciąża konstrukcję przy każdym obrocie:
- Przedwczesna awaria łożyska: Łożyska są narażone na duże obciążenia dynamiczne i szybko się zużywają.
- Zmęczenie materiału i pękanie: narasta powtarzające się obciążenie zmęczenie uszkodzenia w wale, fundamencie i elementach przyległych.
- Obniżona sprawność: energia traca się w postaci drgań i ciepła, zamiast być przetwarzana na użyteczną pracę.
- Zagrożenia dla bezpieczeństwa: W skrajnych przypadkach poważne niewyważenie może doprowadzić do katastrofalnej awarii.
6. Korygowanie niewyważenia w terenie
Niewyważenie można wyeliminować poprzez systematyczne równoważenie procedura — jeden z najskuteczniejszych pojedynczych kroków służących poprawie niezawodności maszyn. Celem nie jest całkowite wyeliminowanie niewyważenia, lecz jego niewielkie, określone niewyważenie resztkowe w granicach tolerancji. Przyjęte wartości graniczne wynikają z Klasa G system ISO 21940-11 (która zastąpiła starszą normę ISO 1940-1); powstałe drgania są następnie oceniane pod kątem wartości granicznych intensywności określonych w ISO 20816 (współczesny odpowiednik normy ISO 10816). Bezpłatny Kalkulator niewyważenia resztkowego (ISO 21940-11) przelicza wybraną klasę i prędkość roboczą na dopuszczalną wartość g·mm na płaszczyźnie.
W przypadku zmontowanej maszyny prace wykonuje się na miejscu, a nie na wyważarka. Przenośny analizator dwukanałowy, taki jak Balanset-1A mierzy amplitudę i fazę 1×, wyznacza niewyważenie wirnika współczynniki wpływu z ciężarek próbnyoraz oblicza masę i kąt każdego ciężarek korekcyjny do jedno- lub dwupłaszczyznowych wyważanie w terenie. Ponieważ urządzenie działa na łożyskach samej maszyny przy prędkości roboczej, nie tylko koryguje niewyważenie, ale także sprawdza, czy niewyważenie resztkowe mieści się w granicach określonej klasy ISO.
