Zrozumienie niewspółosiowości wałów w maszynach obrotowych
Niewspółosiowość wału jest to stan, w którym osie obrotu dwóch lub więcej połączonych wałów nie leżą na jednej linii podczas pracy maszyny w normalnych warunkach eksploatacyjnych. Oprócz tego brak równowagijest to jedna z najczęstszych przyczyn przedwczesnych awarii maszyn, co powoduje wzrost wibracja, co prowadzi do uszkodzeń łożysk i uszczelek oraz marnotrawstwa energii. Celem precyzyjnego ustawiania osi jest jak największe zbliżenie osi wałów do linii prostej, w ramach określonej tolerancji, przy temperaturze i obciążeniu, w jakich maszyna faktycznie pracuje.
1. Rodzaje niewspółosiowości
Niewspółosiowość dzieli się na dwa podstawowe typy, chociaż w większości przypadków rzeczywistych występuje kombinacja obu typów.
Przesunięcie równoległe (niewspółosiowość równoległa)
Przesunięcie równoległe występuje wtedy, gdy osie obu wałów przebiegają równolegle do siebie, ale są względem siebie przesunięte o pewną odległość. Wyobraź sobie, że jeden wał znajduje się wyżej lub niżej od drugiego (przesunięcie pionowe) albo jest przesunięty w jedną stronę (przesunięcie poziome). Osie nigdy się nie stykają; po prostu przebiegają obok siebie.
Niewspółosiowość kątowa
Niewspółosiowość kątowa występuje, gdy dwa wały są ustawione pod kątem względem siebie. Ich osie przecinają się w miejscu połączenia, ale nie leżą na tej samej linii, co powoduje powstanie „szczeliny” w miejscu połączenia, która jest szersza po jednej stronie niż po drugiej.
Łączna niewspółosiowość
W praktyce najczęściej mamy do czynienia z następującym scenariuszem: wały wykazują jednocześnie przesunięcie równoległe i niewspółosiowość kątową. W rzeczywistych maszynach prawie nigdy nie występuje tylko jeden rodzaj niewspółosiowości, dlatego też korekta niewspółosiowości odbywa się jednocześnie w płaszczyźnie pionowej i poziomej.
2. Charakterystyka drgań wynikająca z niewspółosiowości
Niewspółosiowość powoduje powstanie bardzo charakterystycznego sygnału, który analityk może wykryć w FFT spectrum:
- Wskaźnik główny (2×): klasycznym objawem jest szczyt o dużej amplitudzie dokładnie w 2× prędkość obrotowa (rzęd 2.). Siły wynikające z niewspółosiowości oddziałują na wały i sprzęganie do dwóch cykli zginania na obrót, dzięki czemu energia skupia się dwukrotnie prędkość biegu.
- Wysokie wibracje osiowe: niewspółosiowość często powoduje silne drgania osiowe (równolegle do wału). Wysoki pik 2× w kierunku osiowym jest jednym z najsilniejszych wskaźników spośród wszystkich.
- Inne harmoniczne (1×, 3×, 4×): chociaż 2× jest głównym czynnikiem, niewspółosiowość może również wpłynąć na składową 1×, a w poważnych przypadkach — zwłaszcza przy przesunięciu równoległym — powoduje większe harmonia takie jak 3× i 4×.
- Częstotliwości charakterystyczne sprzęgła: Niektóre sprzęgła, gdy są zużyte lub obciążone w wyniku niewspółosiowości, generują drgania o swoich charakterystycznych częstotliwościach.
Widmo wykazujące pik 2×, którego amplituda wynosi co najmniej 50% amplitudy piku 1×, zwłaszcza w połączeniu z wysokimi drganiami osiowymi, stanowi klasyczny przykład niewspółosiowości. Ponieważ składowa 1× również może być podwyższona, niewspółosiowość łatwo pomylić z niewyważeniem; decydującymi wskazówkami są względna wielkość piku 2× oraz siła odczytu osiowego. Potwierdzenie diagnozy za pomocą faza Pomiary po obu stronach sprzęgła pozwalają wyeliminować tę niejednoznaczność — w przypadku maszyn niewspółosiowych zazwyczaj występuje różnica faz osiowych wynosząca około 180° między jedną a drugą stroną sprzęgła.
3. Najczęstsze przyczyny niewspółosiowości
Niewspółosiowość może występować już od dnia montażu lub pojawiać się stopniowo w trakcie eksploatacji.
- Nieprawidłowy montaż: Najczęstszą przyczyną jest po prostu brak precyzyjnego wyrównania podczas wstępnej konfiguracji maszyny.
- Wzrost termiczny: Gdy maszyny nagrzewają się od temperatury otoczenia do temperatury roboczej, ich elementy ulegają rozszerzeniu. Silnik może się wydłużyć, a obudowa pompy może pęcznieć, co powoduje rozregulowanie wałów. Prawidłowe wyrównanie na zimno polega na celowym przesunięciu maszyn tak, aby do wyrównanie po rozgrzaniu — oto dlaczego kompensacja rozszerzalności cieplnej jest uwzględnione w docelowych danych liczbowych.
- Odmiana fajki: Siły powstające w wyniku niewłaściwego podparcia rurociągów wlotowych lub wylotowych mogą spowodować przesunięcie pompy lub sprężarki względem napędu — jest to bardzo częsty problem w przemyśle przetwórczym.
- Kwestie związane z fundamentami: Słaby lub pęknięty fundament albo poluzowane śruby kotwiące powodują, że maszyna z czasem się przesuwa. Niewystarczające sztywność fundamentu pozwala również na przesuwanie się wyrównania pod obciążeniem.
- Miękka stopa: sytuacja, w której jedna stopka mocująca nie przylega płasko do płyty podstawy, co powoduje skręcenie lub wypaczenie ramy maszyny podczas dokręcania śrub. Miękka stopa należy to poprawić, zanim wyrównanie będzie trwałe.
4. Dlaczego korygowanie niewspółosiowości ma kluczowe znaczenie
Eksploatacja maszyny z nieprawidłowym ustawieniem może mieć poważne konsekwencje:
- Awaria łożyska i uszczelnienia: duże obciążenia cykliczne działające na wały przenoszą się bezpośrednio na łożyska i uszczelnienia, powodując ich przedwczesne zużycie — co jest częstą przyczyną powtarzających się wady łożysk.
- Awaria sprzęgła: Złącza są skonstruowane tak, by tolerować niewielkie niedokładne wyrównanie, jednak nadmierne przesunięcie powoduje ich zużycie i prowadzi do szybkiej awarii.
- Shaft fatigue: Ciągłe zginanie wałów może powodować zmęczenie pęknięcia i doprowadzić w końcu do uszkodzenia wału.
- Wzrost zużycia energii: znaczna część energii jest marnowana w postaci ciepła i drgań, zamiast służyć do wykonywania użytecznej pracy.
5. Korekta i sprawdzenie wyrównania
Precyzyjne wyrównanie — przy użyciu czujników zegarowych lub Laserowe osiowanie wałów systemy — stanowią podstawę każdego skutecznego programu zapewnienia niezawodności i konserwacji. Korekta polega zazwyczaj na dodaniu lub usunięciu skalibrowanych podkładek pod nóżkami oraz na przesunięciu maszyny w płaszczyźnie poziomej, przy czym wymagane przesunięcia oblicza się na podstawie zmierzonego przesunięcia i kątowości; a kalkulator grubości podkładki przekształca odczyty wskaźników w dokładny zestaw podkładek dla każdej stopy oraz tolerancja wyrównania Wartość odniesienia pozwala sprawdzić, czy wynik jest dopuszczalny dla danej prędkości.
Praca nie kończy się na zamontowaniu sprzęgła. Po wyrównaniu maszyny należy ponownie sprawdzić ją za pomocą pomiaru drgań, aby upewnić się, że poziom drgań szczytowych 2× oraz drgań osiowych spadły. W tym momencie przydaje się przenośny dwukanałowy analizator drgań takich jak Balans-1a ma nieocenione znaczenie: rejestruje przebieg przed i po korekcie oraz fazę sprzężenia krzyżowego, potwierdzając, że korekta faktycznie zmniejszyła siły wynikające z niewspółosiowości, a nie tylko je przesunęła. Ponieważ niewyważenie i niewspółosiowość często występują razem, ten sam przyrząd może następnie skorygować wszelkie pozostałe 1× o wyważanie w terenie gdy zależność ta zostanie potwierdzona — ogólny poziom ocenia się w świetle współczesnych ISO 20816-3 ograniczenia (norma, która zastąpiła ISO 10816-3).
