Część I: Podstawy teoretyczne i regulacyjne dynamicznego bilansowania

Dynamiczne wyważanie w terenie to jedna z kluczowych operacji w technologii regulacji drgań, mająca na celu wydłużenie żywotności urządzeń przemysłowych i zapobieganie sytuacjom awaryjnym. Zastosowanie przenośnych urządzeń, takich jak Balanset-1A, pozwala na wykonywanie tych operacji bezpośrednio w miejscu pracy, minimalizując przestoje i koszty związane z demontażem. Jednak skuteczne wyważanie wymaga nie tylko umiejętności obsługi urządzenia, ale także dogłębnego zrozumienia procesów fizycznych leżących u podstaw drgań oraz znajomości przepisów regulujących jakość pracy.

Zasada metodologii opiera się na instalowaniu obciążników próbnych i obliczaniu współczynników wpływu niewyważenia. Mówiąc najprościej, przyrząd mierzy drgania (amplitudę i fazę) obracającego się wirnika, po czym użytkownik sekwencyjnie dodaje małe obciążniki próbne w określonych płaszczyznach, aby „skalibrować” wpływ dodatkowej masy na drgania. Na podstawie zmian amplitudy i fazy drgań przyrząd automatycznie oblicza niezbędną masę i kąt instalacji obciążników korygujących w celu wyeliminowania niewyważenia.

Podejście to wdraża tzw. metoda trzech przebiegów W przypadku wyważania dwupłaszczyznowego: pomiar wstępny i dwa przebiegi z obciążnikami próbnymi (po jednym w każdej płaszczyźnie). W przypadku wyważania jednopłaszczyznowego zazwyczaj wystarczają dwa przebiegi – bez obciążnika i z jednym obciążnikiem próbnym. W nowoczesnych urządzeniach wszystkie niezbędne obliczenia są wykonywane automatycznie, co znacznie upraszcza proces i zmniejsza wymagania dotyczące kwalifikacji operatora.

Sekcja 1.1: Fizyka niewyważenia: szczegółowa analiza

U podstaw wszelkich drgań w urządzeniach wirujących leży niewyważenie, czyli niewyważenie. Niewyważenie to stan, w którym masa wirnika jest nierównomiernie rozłożona względem jego osi obrotu. Ten nierównomierny rozkład prowadzi do występowania sił odśrodkowych, które z kolei powodują drgania podpór i całej konstrukcji maszyny. Konsekwencje nieskontrolowanego niewyważenia mogą być katastrofalne: od przedwczesnego zużycia i zniszczenia łożysk po uszkodzenie fundamentu i samej maszyny. Aby skutecznie zdiagnozować i wyeliminować niewyważenie, konieczne jest wyraźne rozróżnienie jego rodzajów.

Rodzaje niewyważenia

Niewyważenie statyczne (pojedyncza płaszczyzna): Ten rodzaj niewyważenia charakteryzuje się przemieszczeniem środka masy wirnika równolegle do osi obrotu. W stanie statycznym taki wirnik, zamontowany na poziomych pryzmatach, zawsze będzie obracał się stroną cięższą w dół. Niewyważenie statyczne jest dominujące w przypadku cienkich wirników o kształcie dysku, gdzie stosunek długości do średnicy (L/D) jest mniejszy niż 0,25, na przykład w przypadku tarcz szlifierskich lub wąskich wirników wentylatorów. Eliminacja niewyważenia statycznego jest możliwa poprzez zainstalowanie jednego ciężarka korekcyjnego w jednej płaszczyźnie korekcyjnej, naprzeciwko punktu cięższego.

Brak równowagi pary (momentu): Ten typ niewyważenia występuje, gdy główna oś bezwładności wirnika przecina oś obrotu w środku masy, ale nie jest do niej równoległa. Niewyważenie pary można przedstawić jako dwie masy o równej wartości, ale przeciwnie skierowane, położone w różnych płaszczyznach. W stanie statycznym taki wirnik znajduje się w równowadze, a niewyważenie objawia się jedynie podczas obrotu w postaci „kołysania” lub „chybotania”. Aby je skompensować, konieczne jest zamontowanie co najmniej dwóch obciążników korekcyjnych w dwóch różnych płaszczyznach, tworzących moment kompensacyjny.

Brak równowagi dynamicznej: Jest to najczęstszy rodzaj niewyważenia w warunkach rzeczywistych, stanowiący połączenie niewyważenia statycznego i sprzężonego. W tym przypadku główna centralna oś bezwładności wirnika nie pokrywa się z osią obrotu i nie przecina jej w środku masy. Aby wyeliminować niewyważenie dynamiczne, konieczna jest korekcja masy w co najmniej dwóch płaszczyznach. Dwukanałowe instrumenty, takie jak Balanset-1A, zostały zaprojektowane specjalnie w celu rozwiązania tego problemu.

Nierównowaga quasi-statyczna: Jest to szczególny przypadek niewyważenia dynamicznego, w którym główna oś bezwładności przecina oś obrotu, ale nie środek masy wirnika. To subtelne, ale istotne rozróżnienie w diagnostyce złożonych układów wirników.

Wirniki sztywne i elastyczne: kluczowe rozróżnienie

Jedną z fundamentalnych koncepcji wyważania jest rozróżnienie wirników sztywnych i elastycznych. To rozróżnienie determinuje możliwość i metodologię udanego wyważania.

Wirnik sztywny: Wirnik uważa się za sztywny, jeśli jego robocza częstotliwość obrotów jest znacznie niższa od pierwszej częstotliwości krytycznej i nie ulega znacznym odkształceniom sprężystym (ugięciom) pod wpływem sił odśrodkowych. Wyważanie takiego wirnika zazwyczaj z powodzeniem przeprowadza się w dwóch płaszczyznach korekcyjnych. Urządzenia Balanset-1A są przeznaczone głównie do pracy z wirnikami sztywnymi.

Elastyczny wirnik: Wirnik uważa się za elastyczny, jeśli pracuje z częstotliwością obrotową zbliżoną do jednej ze swoich częstotliwości krytycznych lub ją przekraczającą. W takim przypadku sprężyste ugięcie wału staje się porównywalne z przemieszczeniem środka masy i samo w sobie znacząco przyczynia się do ogólnych drgań.

Przed rozpoczęciem pracy niezwykle ważne jest sklasyfikowanie wirnika poprzez porównanie jego prędkości roboczej ze znanymi (lub obliczonymi) częstotliwościami krytycznymi. Jeśli ominięcie rezonansu jest niemożliwe, zaleca się tymczasową zmianę warunków montażu urządzenia podczas wyważania w celu przesunięcia rezonansu.

Sekcja 1.2: Ramy regulacyjne: Normy ISO

Normy w dziedzinie równoważenia spełniają kilka kluczowych funkcji: ustalają ujednoliconą terminologię techniczną, definiują wymagania jakościowe i co najważniejsze, stanowią podstawę kompromisu między koniecznością techniczną a wykonalnością ekonomiczną.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Wymagania jakościowe dotyczące wyważania wirników sztywnych

Niniejsza norma jest podstawowym dokumentem do określania dopuszczalnego niewyważenia resztkowego. Wprowadza ona pojęcie klasy jakości wyważenia (G), która zależy od rodzaju maszyny i jej częstotliwości obrotów roboczych.

Klasa jakości G: Każdy typ sprzętu odpowiada określonej klasie jakości, która pozostaje stała niezależnie od prędkości obrotowej. Na przykład klasa G6.3 jest zalecana dla kruszarek, a G2.5 dla wirników silników elektrycznych i turbin.

Obliczanie dopuszczalnego niewyważenia resztkowego (U_za): Norma pozwala na obliczenie konkretnej dopuszczalnej wartości niewyważenia, która służy jako wskaźnik docelowy podczas wyważania. Obliczenie odbywa się w dwóch etapach:

1. Określenie dopuszczalnego niewyważenia właściwego (e_za) korzystając ze wzoru:
   e na = (G × 9549) / n
   gdzie G to klasa jakości wyważania (np. 2,5), n to robocza częstotliwość obrotów, obr./min. Jednostką miary dla e_za wynosi g·mm/kg lub μm.
2. Określenie dopuszczalnego niewyważenia resztkowego (U_za) dla całego wirnika:
   U na = e na × M
   gdzie M to masa wirnika w kg. Jednostką miary dla U_za jest g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Równoważenie na miejscu

Norma ta bezpośrednio reguluje proces wyważania pola.

Zalety: Główną zaletą wyważania w miejscu jest to, że wirnik jest wyważany w rzeczywistych warunkach pracy, na podporach i pod obciążeniem roboczym. Automatycznie uwzględnia to właściwości dynamiczne układu podpór i wpływ połączonych elementów układu wałów.

Wady i ograniczenia:

• Ograniczony dostęp: Często dostęp do płaszczyzn korekcyjnych w zmontowanej maszynie jest utrudniony, co ogranicza możliwości montażu ciężarków.
• Potrzeba przeprowadzenia prób: Proces wyważania wymaga wykonania kilku cykli "start-stop" maszyny.
• Trudności z poważnym brakiem równowagi: W przypadku bardzo dużego początkowego niewyważenia ograniczenia dotyczące wyboru płaszczyzny i masy obciążnika korekcyjnego mogą nie pozwolić na osiągnięcie wymaganej jakości wyważenia.

Część II: Praktyczny przewodnik po wyważaniu za pomocą przyrządów Balanset-1A

Sukces wyważania 80% zależy od dokładności prac przygotowawczych. Większość usterek nie wynika z nieprawidłowego działania przyrządu, ale z ignorowania czynników wpływających na powtarzalność pomiarów. Główną zasadą przygotowania jest wykluczenie wszystkich innych możliwych źródeł drgań, tak aby przyrząd mierzył jedynie wpływ niewyważenia.

Sekcja 2.1: Podstawy sukcesu: Diagnostyka przed wyważeniem i przygotowanie maszyny

Krok 1: Podstawowa diagnostyka drgań (czy to na pewno brak równowagi?)

Przed wyważeniem warto wykonać wstępny pomiar drgań w trybie wibrometru. Oprogramowanie Balanset-1A posiada tryb "Miernika drgań" (przycisk F5), w którym można zmierzyć drgania całkowite oraz oddzielnie drgania poszczególnych komponentów przy częstotliwości obrotów (1×) przed zamontowaniem jakichkolwiek obciążników.

Klasyczny objaw braku równowagi: Widmo drgań powinno być zdominowane przez szczyt przy częstotliwości obrotowej wirnika (szczyt przy 1x częstotliwości obr./min). Amplituda tej składowej w kierunku poziomym i pionowym powinna być porównywalna, a amplitudy pozostałych harmonicznych powinny być znacznie niższe.

Oznaki innych wad: Jeżeli widmo zawiera znaczące piki przy innych częstotliwościach (np. 2x, 3x obr./min) lub przy częstotliwościach, które nie są wielokrotne, wskazuje to na obecność innych problemów, które należy wyeliminować przed wykonaniem równoważenia.

Krok 2: Kompleksowa kontrola mechaniczna (lista kontrolna)

• Wirnik: Dokładnie oczyść wszystkie powierzchnie wirnika z brudu, rdzy i przywierającego produktu. Nawet niewielka ilość brudu o dużym promieniu powoduje znaczne niewyważenie. Sprawdź, czy nie ma uszkodzonych lub brakujących elementów.
• Namiar: Sprawdź zespoły łożysk pod kątem nadmiernego luzu, hałasu i przegrzewania. Zużyte łożyska uniemożliwiają uzyskanie stabilnych odczytów.
• Fundament i rama: Upewnij się, że urządzenie jest zamontowane na sztywnym fundamencie. Sprawdź dokręcenie śrub kotwiących i brak pęknięć w ramie.
• Prowadzić: W przypadku napędów pasowych należy sprawdzić napięcie i stan paska. W przypadku połączeń sprzęgających – wyrównanie wałów.
• Bezpieczeństwo: Upewnij się, że wszystkie osłony ochronne są obecne i sprawne.

Sekcja 2.2: Konfiguracja i konfiguracja urządzenia

Instalacja sprzętu

Czujniki drgań (akcelerometry):

• Podłącz kable czujników do odpowiednich złączy urządzenia (np. X1 i X2 w przypadku Balanset-1A).
• Zamontuj czujniki na obudowach łożysk tak blisko wirnika, jak to możliwe.
• Kluczowa praktyka: Aby uzyskać maksymalny sygnał, czujniki należy zainstalować w kierunku, w którym drgania są najsilniejsze. Aby zapewnić stabilny styk, należy zastosować mocną podstawę magnetyczną lub gwintowane mocowanie.

Czujnik fazy (tachometr laserowy):

• Podłącz czujnik do specjalnego wejścia (X3 dla Balanset-1A).
• Przyklej mały kawałek taśmy odblaskowej do wału lub innej obracającej się części wirnika.
• Tachometr należy zamontować tak, aby wiązka lasera stabilnie padała na znacznik podczas całego obrotu.

Konfiguracja oprogramowania (Balanset-1A)

• Uruchom oprogramowanie (jako administrator) i podłącz moduł interfejsu USB.
• Przejdź do modułu bilansowania. Utwórz nowy rekord dla bilansowanej jednostki.
• Wybierz rodzaj wyważania: 1-płaszczyznowe (statyczne) dla wąskich wirników lub 2-płaszczyznowe (dynamiczne) w większości innych przypadków.
• Określ płaszczyzny korekcji: wybierz miejsca na wirniku, w których możliwe będzie bezpieczne zamontowanie ciężarków korekcyjnych.

Sekcja 2.3: Procedura równoważenia: Przewodnik krok po kroku

Uruchom 0: Pomiar początkowy

• Uruchom maszynę i doprowadź ją do stabilnej prędkości roboczej. Niezwykle ważne jest, aby prędkość obrotowa była taka sama we wszystkich kolejnych cyklach.
• W programie rozpocznij pomiar. Urządzenie zarejestruje początkowe wartości amplitudy i fazy drgań.

Przebieg 1: Ciężar próbny w samolocie 1

• Zatrzymaj maszynę.
• Wybór wagi próbnej: Masa ciężarka próbnego powinna być wystarczająca, aby spowodować zauważalną zmianę parametrów drgań (zmianę amplitudy o co najmniej 20-30% LUB zmianę fazy o co najmniej 20-30 stopni).
• Montaż ciężarka próbnego: Mocno zamocuj zważony ciężarek próbny na znanym promieniu w płaszczyźnie 1. Zanotuj położenie kątowe.
• Uruchom maszynę z tą samą, stabilną prędkością.
• Wykonaj drugi pomiar.
• Zatrzymaj urządzenie i ZDJĄĆ ciężarek próbny.

Przebieg 2: Próba obciążenia w płaszczyźnie 2 (do wyważania w 2 płaszczyznach)

• Powtórz dokładnie procedurę od kroku 2, ale zamontuj ciężarek próbny w płaszczyźnie 2.
• Rozpocznij, zmierz, zatrzymaj i ZDJĄĆ ciężarek próbny.

Obliczenie i montaż obciążników korekcyjnych

• Na podstawie zmian wektorów zarejestrowanych podczas próbnych przebiegów program automatycznie obliczy masę i kąt montażu ciężarka korekcyjnego dla każdej płaszczyzny.
• Kąt montażu mierzony jest zazwyczaj od miejsca położenia ciężarka próbnego w kierunku obrotu wirnika.
• Mocno zamocuj stałe obciążniki korekcyjne. Podczas spawania pamiętaj, że sama spoina również ma masę.

Przebieg 3: Pomiar weryfikacyjny i dokładne wyważanie

• Uruchom maszynę ponownie.
• Wykonaj pomiar kontrolny w celu oceny poziomu drgań resztkowych.
• Porównaj otrzymaną wartość z tolerancją obliczoną zgodnie z normą ISO 1940-1.
• Jeśli drgania nadal przekraczają tolerancję, przyrząd obliczy niewielką "dokładną" korektę (wyrównanie).
• Po zakończeniu zapisz raport i współczynniki wpływu, aby móc z nich skorzystać w przyszłości.

Część III: Zaawansowane rozwiązywanie problemów i usuwanie usterek

Ta sekcja poświęcona jest najbardziej złożonym aspektom wyważania pola - sytuacjom, w których standardowa procedura nie przynosi rezultatów.

Sekcja 3.1: Diagnoza i przezwyciężanie niestabilności pomiaru

Objaw: Podczas wielokrotnych pomiarów w identycznych warunkach, odczyty amplitudy i/lub fazy ulegają znacznym zmianom („pływanie”, „skok”). Uniemożliwia to obliczenie korekcji.

Przyczyna główna: Urządzenie działa prawidłowo. Precyzyjnie informuje, że reakcja systemu na drgania jest niestabilna i nieprzewidywalna.

Systematyczny algorytm diagnostyczny:

• Luz mechaniczny: To najczęstsza przyczyna. Sprawdź dokręcenie śrub mocujących obudowę łożyska i śrub kotwiących ramę. Sprawdź, czy w fundamencie lub ramie nie ma pęknięć.
• Wady łożysk: Nadmierny luz wewnętrzny w łożyskach tocznych lub zużycie panewki łożyska powoduje chaotyczne przesuwanie się wału wewnątrz podpory.
• Niestabilność związana z procesem:
  • Aerodynamiczne (wentylatory): Turbulentny przepływ powietrza, oderwanie się strumienia od łopatek może powodować przypadkowe efekty siłowe.
  • Hydrauliczne (pompy): Kawitacja powoduje silne, losowe wstrząsy hydrauliczne, które maskują sygnał okresowy i zapobiegają utracie równowagi.
  • Ruch masowy wewnętrzny (kruszarki, młyny): Materiał może ulegać redystrybucji wewnątrz wirnika, działając jako "ruchome niewyważenie".
• Rezonans: Jeżeli prędkość robocza jest bardzo bliska częstotliwości drgań własnych konstrukcji, nawet niewielkie zmiany prędkości powodują ogromne zmiany amplitudy i fazy drgań.
• Efekty termiczne: W miarę nagrzewania się maszyny rozszerzalność cieplna może powodować wyginanie się wału lub zmiany jego współosiowości.

Sekcja 3.2: Kiedy równoważenie nie pomaga: identyfikacja wad źródłowych

Objaw: Wykonano procedurę wyważania, odczyty są stabilne, ale końcowe drgania pozostają wysokie.

Wykorzystanie analizatora widma do diagnostyki różnicowej:

• Niewspółosiowość wału: Główny objaw – wysoki szczyt drgań przy częstotliwości 2x obr./min. Charakterystyczne są wysokie drgania osiowe.
• Wady łożysk tocznych: Objawiają się jako drgania o wysokiej częstotliwości na charakterystycznych częstotliwościach "nośnych" (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Łuk wału: Objawia się wysokim szczytem przy 1x RPM, ale często towarzyszy mu zauważalny składnik przy 2x RPM.
• Problemy elektryczne (silniki elektryczne): Asymetria pola magnetycznego może powodować drgania o częstotliwości dwukrotnie wyższej od częstotliwości zasilania (100 Hz dla sieci 50 Hz).

Typowe błędy w równoważeniu i wskazówki, jak im zapobiegać

• Wyważanie uszkodzonego lub zabrudzonego wirnika: Przed wyważaniem należy zawsze sprawdzić stan mechanizmu.
• Zbyt mała masa próbna: Należy stosować się do reguły zmiany wibracji 20-30%.
• Nieprzestrzeganie stałości reżimu: Podczas wszystkich pomiarów należy zawsze utrzymywać stałą i jednakową prędkość obrotową.
• Błędy fazy i znaku: Uważnie monitoruj wyznaczanie kąta. Kąt obciążnika korekcyjnego jest zazwyczaj mierzony od położenia obciążnika próbnego w kierunku obrotu.
• Nieprawidłowe mocowanie lub utrata ciężarków: Należy ściśle przestrzegać podanej metodologii — jeśli konieczne jest usunięcie ciężaru próbnego, należy go usunąć.

Równoważenie standardów jakości

Część IV: Często zadawane pytania i uwagi dotyczące aplikacji

Sekcja 4.1: Często zadawane pytania ogólne (FAQ)

Kiedy stosować wyważanie jednopłaszczyznowe, a kiedy dwupłaszczyznowe?
W przypadku wąskich wirników w kształcie dysku (stosunek L/D) należy stosować wyważanie jednopłaszczyznowe (statyczne) < 0,25). W przypadku praktycznie wszystkich innych wirników, zwłaszcza o stosunku L/D >, należy stosować wyważanie dwupłaszczyznowe (dynamiczne). 0.25.

Co zrobić, jeśli ciężar próbny spowodował niebezpieczny wzrost drgań?
Natychmiast zatrzymaj maszynę. Oznacza to, że obciążnik próbny został zainstalowany blisko istniejącego punktu obciążenia. Rozwiązanie: przesuń obciążnik próbny o 180 stopni od jego pierwotnej pozycji.

Czy zapisane współczynniki wpływu można wykorzystać w innej maszynie?
Tak, ale tylko wtedy, gdy druga maszyna jest absolutnie identyczna – ten sam model, ten sam wirnik, ten sam fundament, te same łożyska. Każda zmiana sztywności konstrukcyjnej sprawi, że staną się one nieważne.

Jak uwzględniać rowki wpustowe? (ISO 8821)
Standardową praktyką jest stosowanie "półklina" w rowku wpustowym wału podczas wyważania bez części współpracującej. Kompensuje to masę tej części klina, która wypełnia rowek na wale.

Rozdział 4.2: Przewodnik po wyważaniu dla określonych typów urządzeń

Wentylatory przemysłowe i wyciągi dymowe:

• Problem: Najbardziej podatne na utratę równowagi z powodu nagromadzenia się produktu na ostrzach lub ścierania.
• Procedura: Zawsze dokładnie oczyść wirnik przed rozpoczęciem pracy. Zwróć uwagę na siły aerodynamiczne, które mogą powodować utratę stabilności.

Lakierki:

• Problem: Główny wróg - kawitacja.
• Procedura: Przed wyważeniem należy upewnić się, że margines kawitacji na wlocie (NPSHa) jest wystarczający. Sprawdź, czy rurociąg ssący nie jest zatkany.

Kruszarki, młyny i mulczery:

• Problem: Nadmierne zużycie, możliwość dużych zmian niewyważenia z powodu pęknięcia lub zużycia młotka.
• Procedura: Sprawdź integralność i mocowanie elementów roboczych. Może być konieczne dodatkowe zakotwiczenie ramy maszyny.

Armatura silników elektrycznych:

• Problem: Mogą występować zarówno mechaniczne, jak i elektryczne źródła drgań.
• Procedura: Użyj analizatora widma, aby sprawdzić drgania o częstotliwości dwukrotnie wyższej od częstotliwości zasilania. Ich obecność wskazuje na awarię elektryczną, a nie na asymetrię.

Wnioski

Dynamiczne wyważanie wirników na miejscu za pomocą przenośnych urządzeń, takich jak Balanset-1A, to potężne narzędzie zwiększające niezawodność i wydajność pracy urządzeń przemysłowych. Jednak sukces tej procedury zależy nie tyle od samego urządzenia, co od kwalifikacji specjalistów i umiejętności stosowania systematycznego podejścia.

Kluczowe zasady:

• Przygotowanie decyduje o wyniku: Dokładne czyszczenie wirnika, sprawdzenie stanu łożysk i fundamentów oraz wstępna diagnostyka drgań są obowiązkowymi warunkami udanego wyważenia.
• Zgodność z normami jest podstawą jakości: Zastosowanie normy ISO 1940-1 przekształca subiektywną ocenę w obiektywny, mierzalny i prawnie istotny wynik.
• Urządzenie jest nie tylko wyważarką, ale również narzędziem diagnostycznym: Niezdolność do utrzymania równowagi lub trudności w czytaniu są ważnymi objawami diagnostycznymi wskazującymi na poważniejsze problemy.
• Zrozumienie fizyki procesów jest kluczem do rozwiązywania niestandardowych zadań: Wiedza o różnicach pomiędzy wirnikami sztywnymi i elastycznymi oraz zrozumienie wpływu rezonansu pozwalają specjalistom podejmować właściwe decyzje.

Zastosowanie się do zaleceń zawartych w niniejszym poradniku pozwoli specjalistom technicznym nie tylko skutecznie poradzić sobie z typowymi zadaniami, ale także skutecznie diagnozować i rozwiązywać złożone, nietrywialne problemy związane z wibracjami urządzeń obrotowych.