ISO 21940-12: Procedury i tolerancje dla wirników o zachowaniu elastycznym
ISO 21940-12 jest międzynarodową normą, która zajmuje się trudniejszym problemem wyważania elastyczne wirniki — wirniki, których kształt i rozkład niewyważenia zmieniają się znacząco wraz ze wzrostem prędkości, zwłaszcza w miarę zbliżania się do punktu przegięcia i podczas jego przekraczania prędkości krytyczne. Pełny tytuł brzmi: „Drgania mechaniczne — Wyważanie wirników — Część 12: Procedury i tolerancje dla wirników o właściwościach elastycznych”. Unlike a sztywny wirnik, który można wyważyć jednokrotnie przy niskiej prędkości i mieć pewność, że zachowa równowagę, elastyczny wirnik wyważony w stanie spoczynku może gwałtownie wibrować przy prędkości roboczej. Norma ta określa specjalistyczne procedury wieloprzędkościowe i wielopłaszczyznowe, których wymagają takie wirniki, i stanowi naturalne uzupełnienie ISO 21940-11która reguluje wirniki sztywne.
1. Zakres i klasyfikacja wirników
Norma ma zastosowanie do każdego wirnika, którego rozkład niewyważenia i/lub postać ugięcia zmienia się wraz z prędkością obrotową. ISO 21940-12 ujmuje tę problematykę wokół typowych konfiguracje wirników z właściwościami elastycznymi oraz procedur wyważania dostosowanych do każdego z nich, zamiast systemu opartego na klasach numerycznych. Szeroko cytowany schemat pięciokategorialny przytoczony poniżej pochodzi w rzeczywistości z zastąpionej normy ISO 11342:1998 i pozostaje przydatnym przewodnikiem po złożoności zadania; wirniki mieszczą się w spektrum od quasi-sztywnych po bardzo elastyczne:
- Klasa 1 — Wirniki sztywne: charakteryzują się sztywnością w całym zakresie prędkości i są poddawane badaniom zgodnie z normą ISO 21940-11.
- Klasa 2 — Wirniki półsztywne: można utrzymać równowagę przy niskiej prędkości, ale może być konieczne równowaga trymowania przy prędkości roboczej, aby wyeliminować resztkowe odkształcenia.
- Klasa 3 — Wirniki wymagające wyważania przy różnych prędkościach: zazwyczaj przekraczając jedną lub więcej prędkości krytycznych, najczęściej przy zachowaniu równowagi z współczynnik wpływu metoda.
- Klasa 4 i 5 — Wirniki o wysokiej elastyczności: takie jak wały dużych turbin z generatorami, które wywołują wiele modów zginania i wymagają zaawansowanych wyważanie modalne aby skorygować każdy tryb.
Przypisanie wirnika do odpowiedniej klasy pozwala analitykowi od razu ocenić, jak skomplikowane będzie zadanie i jaką procedurę należy zastosować.
2. Procedury wyważania: dwie podstawowe metody
Rozdział ten stanowi techniczne jądro normy. Jego główne przesłanie jest takie, że wyważenie przy małej prędkości jest niewystarczające dla wirnika elastycznego i musi być uzupełnione pracami przy dużej prędkości, uwzględniającymi ugięcie wału. ISO 21940-12 porządkuje te prace jako rodzinę procedur wyważania — procedury niskobiegowe (oznaczone A do F, takie jak wyważanie jednopłaszczyznowe, dwupłaszczyznowe i etapowe podczas montażu) oraz procedury wysokobiegowe (G do I, realizowane przy jednej lub kilku podwyższonych prędkościach). Procedury wysokobiegowe opierają się na dwóch głównych technikach:
Metoda współczynnika wpływu
Ta wszechstronna i powszechnie stosowana technika polega na umieszczeniu znanego waga próbna w jednej płaszczyźnie korekcji na raz i rejestruje wynik wibracja odpowiedź — oba amplituda i faza — w wielu punktach pomiarowych i przy różnych prędkościach. Powtórzenie tej procedury dla każdej płaszczyzny pozwala stworzyć macierz współczynników oddziaływania, która matematycznie opisuje, w jaki sposób niewyważenie w dowolnej płaszczyźnie wpływa na drgania w dowolnym punkcie i przy dowolnej prędkości. Następnie komputer odwraca tę macierz, aby wyznaczyć zestaw obciążników korygujących i kątów, które jednocześnie minimalizują drgania w całym zakresie pracy. Ta sama matematyka leży u podstaw obliczeń dla jednej płaszczyzny; można ją zbadać interaktywnie za pomocą Kalkulator współczynnika wpływu.
Równoważenie modalne
Wyważanie modalne jest podejściem bardziej intuicyjnym z fizycznego punktu widzenia: traktuje każde wygięcie mode wirnika jako odrębnego problemu niewyważenia. Wirnik uruchamia się przy wybranej prędkości krytycznej lub w jej pobliżu, aby maksymalnie wzbudzić odpowiedni kształt modowy; pomiary drgań pozwalają następnie zlokalizować efektywny „punkt ciężkości” dla tego modu, a w punktach maksymalnego ugięcia — w węzłach — umieszcza się obciążniki korygujące, aby go zrównoważyć. Proces ten powtarza się dla każdego znaczącego trybu zginania w zakresie roboczym, wyważając wirnik po jednym trybie na raz. Te dwie metody nie są konkurencyjne; duże maszyny są często wyważane przy użyciu metody hybrydowej, która wykorzystuje wiedzę o trybach do wyboru płaszczyzn i współczynników wpływu w celu dopracowania obciążników.
3. Określanie tolerancji wyważania
The simple G-klasa Tolerancja, która sprawdza się tak dobrze w przypadku sztywnych wirników, jest zazwyczaj niewystarczająca w przypadku wirników elastycznych, ponieważ pojedyncza wartość mimośrodu nie pozwala uwzględnić zgięcia zależnego od prędkości. Norma ISO 21940-12 wprowadza zatem szersze kryteria tolerancji, które mogą opierać się na:
- Limits on the resztkowe niewyważenie modalne dla każdego istotnego trybu zginania.
- Limits on the bezwzględne amplitudy drgań wału w określonych miejscach i przy określonych prędkościach, zwłaszcza przy prędkości roboczej.
- Limits on the siły przenoszone na łożyska.
Te ograniczenia oparte na drganiach i siłach wiążą kryteria akceptacji z normami dotyczącymi intensywności drgań w warunkach eksploatacji, takimi jak ISO 20816 serii, a nie do pojedynczej wartości niewyważenia resztkowego.
4. Sprawdzanie ostatecznego stanu wyważenia
Sprawdzanie wyważenia wirnika elastycznego zasadniczo różni się od sprawdzania wirnika sztywnego. Wirnik sztywny jest sprawdzany przy jednej prędkości obrotowej; wirnik elastyczny należy sprawdzić pod kątem wyważenia w całym zakresie całość zakres pracy. Po wprowadzeniu ostatnich poprawek wirnik przechodzi przez rozbieg, przy czym drgania są stale monitorowane w kluczowych miejscach, takich jak łożyska i punkty maksymalnego ugięcia. Wirnik zostaje dopuszczony do eksploatacji tylko wtedy, gdy zmierzone drgania pozostają poniżej z góry określonych limitów przy wszystkich prędkościach — zwłaszcza podczas przechodzenia przez każdą prędkość krytyczną oraz podczas pracy z maksymalną prędkością ciągłą. Ta kompleksowa kontrola potwierdza, że pełne zachowanie dynamiczne wirnika zostało opanowane.
5. Wymiar terenowy i praktyczne narzędzia
Chociaż większość prac związanych z wirnikami elastycznymi odbywa się na stanowiskach balansujących o dużej prędkości, te same umiejętności pomiaru amplitudy i fazy mają zastosowanie do wyważanie w terenie oraz wyważanie poprawkowe po zamontowaniu maszyny. Przenośny analizator dwukanałowy, taki jak Balans-1a rejestruje amplitudę 1× i fazę w łożyskach samej maszyny, oblicza współczynniki wpływu i umożliwia inżynierowi zastosowanie i weryfikację korekty wyważenia przy prędkości roboczej bez demontażu — co jest często konieczne w przypadku wirników quasi-sztywnych klasy 2, które przeszły wyważanie w warsztacie, ale nadal wykazują niewielkie ugięcia podczas pracy. W przypadku zainstalowanych maszyn średnich i dużych, specjalne procedury na miejscu i środki bezpieczeństwa ISO 21940-13 należy stosować wraz z tą częścią.
6. Najważniejsze wnioski
- Zachowanie elastyczne a sztywne: wirnik uznaje się za elastyczny, gdy jego prędkość robocza osiąga znaczną część — zazwyczaj powyżej 70% — jego pierwszej częstotliwości zginania częstotliwość własna. Gdy obraca się szybciej, siły odśrodkowe powodują jego wygięcie i zmieniają jego niewyważenie.
- Prędkości krytyczne i kształty drgań: Znajomość prędkości krytycznych wirnika oraz kształtów, jakie przybiera on przy każdej z nich, ma zasadnicze znaczenie; każdy tryb stanowi odrębny problem wyważania.
- Wielopłaszczyznowy, wielobiegowy: Korekty w kilku płaszczyznach, oparte na pomiarach przy różnych prędkościach, są raczej regułą niż wyjątkiem.
- Równoważenie modalne: skuteczna strategia polegająca na umieszczaniu obciążników w taki sposób, aby zrównoważyć niewyważenie poszczególnych modów ugięcia w ich węzłach antyrze.
