Zrozumienie wyważania dwupłaszczyznowego
Wyważanie dwupłaszczyznowe jest wyważanie dynamiczne procedura, w której ciężarki korekcyjne są rozmieszczone w dwóch oddzielnych płaszczyznach wzdłuż osi wirnika, aby wyeliminować zarówno niewyważenie statyczne oraz niewyważenie pary jednocześnie. Jest to standardowa metoda stosowana w przypadku zdecydowanej większości przemysłowych maszyn wirujących — każdego wirnika, którego długość osiowa jest porównywalna z jego średnicą lub większa od niej. W przeciwieństwie do wyważanie jednopłaszczyznowe, które koryguje jedynie przesunięcie środka ciężkości wirnika, wyważanie dwupłaszczyznowe uwzględnia zarówno przesunięcie siła odśrodkowa oraz moment, który powoduje kołysanie się lub drganie wirnika wokół jego osi.
1. Definicja: Dlaczego dwie płaszczyzny?
Każdy wirnik sztywny brak równowagi można rozłożyć na dwa niezależne składniki. Niewyważenie statyczne jest punktem o dużym obciążeniu, którego środek ciężkości jest przesunięty względem osi wału; wywiera on siłę o tej samej fazie na oba łożyska i byłby widoczny nawet wtedy, gdyby wirnik był wyważony na krawędziach nożowych bez obracania się. Niewyważenie pary to para równomiernych skupisk masy rozmieszczonych pod kątem 180° na przeciwległych końcach wirnika: nie powoduje to żadnego przesunięcia środka ciężkości, więc w stanie spoczynku jest to niewidoczne, jednak przy większej prędkości generuje moment kołysania, który powoduje, że oba łożyska pracują w fazie przesuniętej względem siebie.
Pojedyncza płaszczyzna korekcyjna może zniwelować jedynie składową statyczną. Aby zniwelować moment obrotowy, potrzebne są dwie korekty, które razem tworzą moment przeciwny — a to z definicji wymaga dwóch płaszczyzn. Ponieważ rzeczywiste wirniki charakteryzują się dowolną kombinacją niewyważenia statycznego i momentowego (stan ten często nazywany jest niewyważenie quasi-statyczne (gdy te dwa elementy są połączone), dwie płaszczyzny korekcyjne to minimum potrzebne do pełnego opisania i skorygowania wibracja.
2. Kiedy konieczne jest wyważanie dwupłaszczyznowe?
Należy wybrać dwie płaszczyzny, gdy spełniony jest którykolwiek z poniższych warunków:
Długie lub smukłe wirniki
Zasadniczo każdy wirnik, którego stosunek długości do średnicy przekracza wartość od około 0,5 do 1,0, powinien być wyważony w dwóch płaszczyznach. Typowe przykłady to:
- Armatury silników elektrycznych
- Wały pomp i sprężarek
- Wirniki wentylatorów wielostopniowych
- Wały napędowe i sprzęgła
- Wrzeciona i narzędzia obrotowe
- Wirniki turbin
Na drugim biegunie znajduje się wąski dysk — ściernica, pojedyncze koło pasowe, cienkie koło zamachowe — który zazwyczaj można wyregulować w jednej płaszczyźnie, ponieważ jest zbyt krótki, by wytworzyć znaczący moment obrotowy.
Widoczne niewyważenie momentowe
Gdy zmierzona wartość 1× faza w dwóch punktach podparcia łożysk występuje znaczna rozbieżność — zbliżająca się do 180°, co wskazuje na ruch kołyszący lub przechylający — występuje niewyważenie momentu obrotowego i można je usunąć jedynie poprzez korektę dwupłaszczyznową.
Gdy wyważanie w jednej płaszczyźnie nie wystarcza
Klasyczna wskazówka diagnostyczna: próba wyrównania w jednej płaszczyźnie zmniejsza drgania w jednym łożysku, ale powoduje ich wzrost w drugim. Ten kompromis jest charakterystycznym objawem nieskorygowanego momentu obrotowego i wskazuje na konieczność wyrównania w drugiej płaszczyźnie.
Sztywne wirniki o rozłożonej masie
Nawet sztywny wirnik znacznie poniżej poziomu z pierwszego prędkość krytyczna zyskuje dzięki dwóm płaszczyznom, jeśli jego masa rozkłada się na znacznej długości osiowej, co pozwala zminimalizować drgania w każdym łożysku, a nie tylko w jednym.
3. Procedura równoważenia dwupłaszczyznowego
Równoważenie dwupłaszczyznowe jest bardziej skomplikowane niż równoważenie jednopłaszczyznowe, ponieważ korekta w jednej z płaszczyzn powoduje zmianę drgań w Zarówno łożyska. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest metoda współczynnika wpływu, nakładane dwoma ciężarki próbne w całej sekwencji serie pomiarów.
Krok 1 — Wstępny pomiar
Uruchom maszynę z wybraną prędkością wyważania i zarejestruj początkowe wektory drgań 1× (amplitudę i fazę) na obu łożyskach. Oznacz je jako „Łożysko 1” i „Łożysko 2”. Ta para odzwierciedla łączny wpływ wszystkich niewyważenia wirnika.
Krok 2 - Zdefiniowanie płaszczyzn korekcji
Wybierz dwa płaszczyzn korekcyjnych w miejscach, gdzie można dodać lub usunąć masę. Należy je umieścić tak daleko od siebie i tak, by były jak najbardziej dostępne — zazwyczaj w pobliżu końców wirników, przy kołnierzach sprzęgających lub przy piastach wentylatorów. Duża odległość między płaszczyznami zapewnia silną i dobrze wyregulowaną korekcję pary niewyważenia.
Krok 3 — Waga próbna w płaszczyźnie 1
Zatrzymaj maszynę i zamontuj ciężarek próbny o znanej masie pod znanym kątem w pierwszej płaszczyźnie. Uruchom maszynę ponownie i zarejestruj nowe drgania na obu łożyskach. Wektor zmiana dla każdego łożyska ujawnia dwa współczynniki oddziaływania: wpływ płaszczyzny 1 na łożysko 1 oraz wpływ płaszczyzny 1 na łożysko 2.
Krok 4 — Waga próbna w płaszczyźnie 2
Należy zdjąć pierwszy ciężarek próbny, umieścić ciężarek próbny w drugiej płaszczyźnie, uruchomić urządzenie i ponownie dokonać pomiaru. W ten sposób uzyskuje się pozostałe dwa współczynniki: współczynnik płaszczyzny 2 dla łożyska 1 oraz współczynnik płaszczyzny 2 dla łożyska 2.
Krok 5 — Oblicz poprawki
Urządzenie zawiera obecnie cztery złożone współczynniki oddziaływania ułożone w macierzy 2×2. Wykorzystując matematyka wektorowa oraz odwracanie macierzy, rozwiązuje układ równań określających dokładną masę i kąt wymagane w każdej płaszczyźnie, aby jednocześnie zredukować drgania w obu łożyskach do zera. A kalkulator współczynnika oddziaływania w jednej płaszczyźnie ilustruje podstawową arytmetykę wektorową dla jednej płaszczyzny; przypadek dwóch płaszczyzn polega po prostu na rozszerzeniu jej na macierz, podczas gdy Kalkulator wagi próbnej pomaga dobrać rozsądną masę do pierwszego testu.
Krok 6 — Zainstaluj i sprawdź
Zamontuj na stałe obie obliczone obciążniki i uruchom urządzenie w celu sprawdzenia. Drgania przy obu łożyskach powinny teraz mieścić się w dopuszczalnym zakresie. Jeśli pozostaje niewielka resztka, wystarczy równowaga trymowania — ponowne wykorzystanie już zmierzonych współczynników — pozwala uzyskać dokładniejszy wynik bez konieczności przeprowadzania kolejnych prób.
4. Wyjaśnienie macierzy współczynników wpływu
Siła tej metody tkwi w tej macierzy 2×2, ponieważ każda płaszczyzna ma wpływ na Zarówno łożyska:
- Efekty bezpośrednie: Waga w płaszczyźnie 1 wywiera największy wpływ na sąsiednie łożysko 1, a waga w płaszczyźnie 2 – na sąsiednie łożysko 2.
- Efekty sprzężenia krzyżowego: Obciążnik w płaszczyźnie 1 porusza również łożysko 2 (zazwyczaj z mniejszą siłą), a obciążnik w płaszczyźnie 2 porusza również łożysko 1.
Rozwiązanie macierzy uwzględnia wszystkie cztery oddziaływania jednocześnie, dzięki czemu obie korekty wzajemnie się uzupełniają, a nie znoszą. Obliczenia ręczne są bardzo wymagające — najmniejszy błąd w znaku lub fazie przenosi się na wynik odwrócenia — i właśnie dlatego specjalistyczny przyrząd do pomiaru równowagi jest tak nieoceniony.
Dla dwóch płaszczyzn (1, 2) i dwóch łożysk (A, B) układ ten jest VA = αA1-W1 + αA2-W2 i VB = αB1-W1 + αB2-W2, gdzie każdy człon V, α i W jest wektorem zespolonym (amplitudowo-fazowym). Oprogramowanie do wyważania rozwiązuje ten układ 2×2, aby znaleźć masy korekcyjne W1 i W2 które sprawiają, że VA i VB znikają.
5. Wyważanie dwupłaszczyznowe w terenie
Równoważenie dwupłaszczyznowe to powszechnie stosowana metoda wyważanie w terenie, a właśnie do tego służy przenośny analizator dwukanałowy. Dzięki takiemu urządzeniu, jak Balans-1a, technik montuje akcelerometr na każdym łożysku montuje się czujnik optyczny tachometr laserowy jako punkt odniesienia dla fazy i przechodzi bezpośrednio przez sześć powyższych etapów — uruchomienie wstępne, dwa uruchomienia próbne, rozwiązanie, korekta, weryfikacja — bez konieczności demontażu maszyny lub wysyłania wirnik do serwisu wyważającego. Ponieważ prace są wykonywane in situ, w łożyskach własnych maszyny i przy rzeczywistej prędkości roboczej, wynik odzwierciedla rzeczywiste warunki eksploatacyjne — sztywność łożysk, ugięcie fundamentu, obciążenia termiczne i technologiczne — na które musi się liczyć warsztat wyważarka nie da się odtworzyć. Następnie urządzenie sprawdza końcowy niewyważenie resztkowe z wybraną klasą ISO przed zatwierdzeniem raportu.
6. Zalety wyważania dwupłaszczyznowego
- Pełna poprawka: eliminuje zarówno niewyważenie statyczne, jak i dynamiczne – czyli całkowite niewyważenie wirnika sztywnego.
- Ogranicza drgania we wszystkich łożyskach: optymalizuje cały układ wirnika, a nie tylko jedną jego część.
- Wydłuża żywotność elementów: Mniejsze drgania na obu podporach oznaczają mniejsze zużycie łożysk, uszczelek i złączy oraz mniejsze ryzyko zmęczenie pękanie.
- Standard branżowy: wymagane przez wielu producentów sprzętu i określone w normach dotyczących sztywnych wirników w ISO 21940-11 (współczesny odpowiednik normy ISO 1940-1).
- Odpowiednie dla większości maszyn: dotyczy to sztywnych wirników pracujących poniżej ich pierwszej prędkości krytycznej, co obejmuje zdecydowaną większość urządzeń przemysłowych.
7. Układ: jedno-, dwu- i wielopłaszczyznowy
| Metoda | Samoloty | Koryguje | Typowy wirnik |
|---|---|---|---|
| Jednopłatowy | 1 | Tylko statyczne | Cienkie tarcze, wąskie koła pasowe, pojedyncze wentylatory |
| Dwupłaszczyznowy | 2 | Statyczne + moment | Najbardziej sztywne wirniki przemysłowe |
| Wielopłaszczyznowy | 3 lub więcej | Obciążenie statyczne + moment + zginanie modalne | Elastyczne wirniki powyżej prędkości krytycznej |
W porównaniu z wyważaniem jednopłaszczyznowym wyważanie dwupłaszczyznowe jest bardziej skomplikowane i trwa dłużej, ale zapewnia znacznie lepszą redukcję drgań w przypadku wszystkich wirników innych niż te najwęższe, typu tarczowego. Z drugiej strony, elastyczny wirnik przy prędkościach przekraczających jedną lub więcej prędkości krytycznych może być konieczne zastosowanie trzech lub więcej płaszczyzn — zob. wyważanie wielopłaszczyznowe — jednak w przypadku większości maszyn przemysłowych dwie płaszczyzny są całkowicie wystarczające.
8. Typowe wyzwania i rozwiązania
Niedostępne płaszczyzny korekcyjne
Wyzwanie: w zmontowanej maszynie idealne miejsca na umieszczenie płaszczyzn mogą być niedostępne.
Rozwiązanie: należy wykorzystać wszystko, co jest dostępne — piasty sprzęgające, łopatki wentylatora, kołnierze zewnętrzne — i pozwolić, by współczynniki przyrządu skompensowały nieidealną geometrię, ponieważ macierz jest mierzona na rzeczywistej maszynie.
Słaba reakcja na obciążenie próbne
Wyzwanie: jeśli masa próbna prawie nie wpływa na odczyty, współczynniki wpływu stają się zakłócone, a wynik nie jest wiarygodny.
Rozwiązanie: należy zastosować większą masę próbną lub przesunąć ją na większy promień, aby jej wpływ znacznie przewyższył poziom szumu pomiarowego.
Zachowanie nieliniowe
Wyzwanie: wirniki z luz mechaniczny, miękka stopalub w pobliżu rezonans może nie reagować liniowo na obciążenia — co jest założeniem tej metody.
Rozwiązanie: najpierw usunąć usterki mechaniczne (dokręcić elementy mocujące, wyeliminować miękką podstawę) i, w miarę możliwości, wyważyć tak, aby uniknąć prędkości krytycznych. Należy upewnić się, że przyczyną problemu jest rzeczywiście niewyważenie, a nie niewspółosiowość podszywając się pod to
