Obiekty nieliniowe w wyważaniu wirnika
Dlaczego wyważanie “nie działa”, dlaczego współczynniki wpływu ulegają zmianie i jak postępować w rzeczywistych warunkach terenowych
Przegląd
W praktyce wyważanie wirnika prawie nigdy nie sprowadza się do prostego obliczenia i zamontowania ciężarka korekcyjnego. Formalnie algorytm jest dobrze znany, a urządzenie wykonuje wszystkie obliczenia automatycznie, ale ostateczny wynik zależy w znacznie większym stopniu od zachowania samego obiektu niż od urządzenia wyważającego. Dlatego w praktyce nieustannie zdarzają się sytuacje, w których wyważanie “nie działa”, zmieniają się współczynniki wpływu, drgania stają się niestabilne, a wynik nie jest powtarzalny z jednego pomiaru do drugiego.
Drgania liniowe i nieliniowe, ich cechy i metody wyważania
Skuteczne wyważanie wymaga zrozumienia, jak obiekt reaguje na dodanie lub usunięcie masy. W tym kontekście kluczową rolę odgrywają koncepcje obiektów liniowych i nieliniowych. Zrozumienie, czy obiekt jest liniowy czy nieliniowy, pozwala na wybór właściwej strategii wyważania i pomaga osiągnąć pożądany rezultat.
Obiekty liniowe zajmują szczególne miejsce w tej dziedzinie ze względu na ich przewidywalność i stabilność. Umożliwiają one stosowanie prostych i niezawodnych metod diagnostycznych i równoważących, co sprawia, że ich badanie jest ważnym krokiem w diagnostyce drgań.
Obiekty liniowe i nieliniowe
Większość tych problemów wynika z fundamentalnego, lecz często niedocenianego rozróżnienia między obiektami liniowymi i nieliniowymi. Obiekt liniowy, z punktu widzenia wyważania, to układ, w którym przy stałej prędkości obrotowej amplituda drgań jest proporcjonalna do wielkości niewyważenia, a faza drgań podąża za położeniem kątowym masy niewyważonej w sposób ściśle przewidywalny. W tych warunkach współczynnik wpływu jest stały. Wszystkie standardowe algorytmy wyważania dynamicznego, w tym te zaimplementowane w Balanset-1A, są zaprojektowane właśnie dla takich obiektów.
W przypadku obiektu liniowego proces wyważania jest przewidywalny i stabilny. Zamontowanie obciążnika próbnego powoduje proporcjonalną zmianę amplitudy i fazy drgań. Ponowne rozruchy dają ten sam wektor drgań, a obliczony ciężar korekcyjny pozostaje ważny. Takie obiekty dobrze nadają się zarówno do wyważania jednorazowego, jak i seryjnego z wykorzystaniem zapisanych współczynników wpływu.
Obiekt nieliniowy zachowuje się w zupełnie inny sposób. Naruszona zostaje sama podstawa obliczeń wyważenia. Amplituda drgań nie jest już proporcjonalna do niewyważenia, faza staje się niestabilna, a współczynnik wpływu zmienia się w zależności od masy obciążnika próbnego, trybu pracy, a nawet czasu. W praktyce objawia się to chaotycznym zachowaniem wektora drgań: po zainstalowaniu obciążnika próbnego zmiana drgań może być zbyt mała, nadmierna lub po prostu niepowtarzalna.
Czym są obiekty liniowe?
Obiekt liniowy to układ, w którym drgania są wprost proporcjonalne do wielkości braku równowagi.
Obiekt liniowy, w kontekście wyważania, to model zidealizowany, charakteryzujący się wprost proporcjonalną zależnością między wielkością niewyważenia (masą niezrównoważoną) a amplitudą drgań. Oznacza to, że podwojenie niewyważenia spowoduje również podwojenie amplitudy drgań, pod warunkiem, że prędkość obrotowa wirnika pozostanie stała. I odwrotnie, zmniejszenie niewyważenia spowoduje proporcjonalne zmniejszenie drgań.
W przeciwieństwie do układów nieliniowych, w których zachowanie obiektu może się zmieniać w zależności od wielu czynników, obiekty liniowe pozwalają na osiągnięcie wysokiego poziomu precyzji przy minimalnym wysiłku.
Ponadto stanowią podstawę do szkolenia i ćwiczeń dla balancerów. Zrozumienie zasad obiektów liniowych pomaga rozwijać umiejętności, które później można zastosować w bardziej złożonych systemach.
Graficzna reprezentacja liniowości
Wyobraź sobie wykres, gdzie oś pozioma przedstawia wielkość masy niezrównoważonej (nierównowagę), a oś pionowa amplitudę drgań. W przypadku obiektu liniowego wykres ten będzie linią prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych (punkt, w którym zarówno wielkość niezrównoważenia, jak i amplituda drgań są równe zero). Nachylenie tej linii charakteryzuje wrażliwość obiektu na niewyważenie: im większe nachylenie, tym silniejsze drgania przy tym samym niezrównoważeniu.
Wykres 1: Zależność pomiędzy amplitudą drgań (µm) a niezrównoważoną masą (g)
Wykres 1 ilustruje zależność między amplitudą drgań (µm) liniowego obiektu wyważającego a niezrównoważoną masą (g) wirnika. Współczynnik proporcjonalności wynosi 0,5 µm/g. Proste podzielenie 300 przez 600 daje 0,5 µm/g. Dla niezrównoważonej masy 800 g (UM=800 g) drgania będą wynosić 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Należy zauważyć, że dotyczy to stałej prędkości wirnika. Przy innej prędkości obrotowej współczynnik będzie inny.
Ten współczynnik proporcjonalności nazywany jest współczynnikiem wpływu (współczynnikiem wrażliwości) i ma wymiar µm/g lub, w przypadkach obejmujących brak równowagi, µm/(g*mm), gdzie (g*mm) jest jednostką braku równowagi. Znając współczynnik wpływu (IC), można również rozwiązać problem odwrotny, a mianowicie określić niezrównoważoną masę (UM) na podstawie wielkości drgań. Aby to zrobić, należy podzielić amplitudę drgań przez IC.
Na przykład, jeżeli zmierzona wartość drgań wynosi 300 µm, a znany współczynnik wynosi IC=0,5 µm/g, należy podzielić 300 przez 0,5, aby uzyskać 600 g (UM=600 g).
Współczynnik wpływu (IC): kluczowy parametr obiektów liniowych
Kluczową cechą obiektu liniowego jest współczynnik wpływu (IC). Jest on liczbowo równy tangensowi kąta nachylenia linii na wykresie drgań w funkcji niewyważenia i wskazuje, o ile zmienia się amplituda drgań (w mikronach, µm) po dodaniu jednostki masy (w gramach, g) w określonej płaszczyźnie korekcji przy określonej prędkości wirnika. Innymi słowy, IC jest miarą wrażliwości obiektu na niewyważenie. Jego jednostką miary jest µm/g lub, gdy niewyważenie jest wyrażone jako iloczyn masy i promienia, µm/(g*mm).
IC to w istocie "paszportowa" charakterystyka obiektu liniowego, umożliwiająca przewidywanie jego zachowania po dodaniu lub odjęciu masy. Znajomość IC pozwala rozwiązać zarówno problem bezpośredni – określanie wielkości drgań dla danego niewyważenia – jak i problem odwrotny – obliczanie wielkości niewyważenia na podstawie zmierzonych drgań.
Problem bezpośredni:
Zadanie odwrotne:
Faza drgań w obiektach liniowych
Oprócz amplitudy, drgania charakteryzują się również fazą, która określa położenie wirnika w momencie maksymalnego odchylenia od położenia równowagi. W przypadku obiektu liniowego faza drgań jest również przewidywalna. Jest ona sumą dwóch kątów:
- Kąt, który określa położenie całkowitej masy niewyważonej wirnika. Kąt ten wskazuje kierunek, w którym koncentruje się pierwotne niewyważenie.
- Argument współczynnika wpływu. Jest to stały kąt charakteryzujący właściwości dynamiczne obiektu i niezależny od wielkości ani kąta nachylenia niezrównoważonej masy.
W ten sposób, znając argument IC i mierząc fazę drgań, można określić kąt instalacji masy niezrównoważonej. Pozwala to nie tylko na obliczenie wielkości masy korekcyjnej, ale także na jej precyzyjne umiejscowienie na wirniku w celu uzyskania optymalnej równowagi.
Wyważanie obiektów liniowych
Ważne jest, aby zauważyć, że w przypadku obiektu liniowego współczynnik wpływu (IC) ustalony w ten sposób nie zależy od wielkości lub kąta instalacji masy próbnej ani od początkowych drgań. Jest to kluczowa cecha liniowości. Jeśli IC pozostaje niezmieniony, gdy parametry masy próbnej lub początkowe drgania są zmieniane, można z pewnością stwierdzić, że obiekt zachowuje się liniowo w rozpatrywanym zakresie nierównowag.
Kroki równoważenia obiektu liniowego
- Pomiar początkowych drgań: Pierwszym krokiem jest zmierzenie drgań w stanie początkowym. Określa się amplitudę i kąt drgań, które wskazują kierunek braku równowagi.
- Instalowanie mszy próbnej: Masa o znanym ciężarze jest zainstalowana na wirniku. Pomaga to zrozumieć, jak obiekt reaguje na dodatkowe obciążenia i umożliwia obliczenie parametrów drgań.
- Ponowny pomiar drgań: Po zainstalowaniu masy próbnej mierzone są nowe parametry drgań. Porównując je z wartościami początkowymi, można określić, jak masa wpływa na układ.
- Obliczanie masy korekcyjnej: Na podstawie danych pomiarowych określa się masę i kąt instalacji ciężarka korekcyjnego. Ciężarek ten umieszcza się na wirniku w celu wyeliminowania braku równowagi.
- Weryfikacja końcowa: Po zainstalowaniu ciężarka korygującego drgania powinny zostać znacznie zredukowane. Jeśli drgania resztkowe nadal przekraczają dopuszczalny poziom, procedurę można powtórzyć.
Uwaga: Obiekty liniowe służą jako idealne modele do badania i praktycznego stosowania metod wyważania. Ich właściwości pozwalają inżynierom i diagnostom skupić się na rozwijaniu podstawowych umiejętności i zrozumieniu fundamentalnych zasad pracy z systemami wirników. Chociaż ich zastosowanie w praktyce jest ograniczone, badanie obiektów liniowych pozostaje ważnym krokiem w rozwoju diagnostyki drgań i wyważania.
Równoważenie szeregowe i współczynniki przechowywane
Na szczególną uwagę zasługuje wyważanie seryjne. Może ono znacząco zwiększyć wydajność, ale tylko w przypadku obiektów liniowych i odpornych na drgania. W takich przypadkach współczynniki wpływu uzyskane dla pierwszego wirnika można wykorzystać dla kolejnych identycznych wirników. Jednak wraz ze zmianą sztywności podpór, prędkości obrotowej lub stanu łożysk, powtarzalność zostaje utracona, a podejście seryjne przestaje działać.
Obiekty nieliniowe: Kiedy teoria rozmija się z praktyką
Czym jest obiekt nieliniowy?
Obiekt nieliniowy to układ, w którym amplituda drgań nie jest proporcjonalna do wielkości braku równowagi. W przeciwieństwie do obiektów liniowych, w których związek między drganiami a masą braku równowagi jest przedstawiony linią prostą, w układach nieliniowych związek ten może przebiegać po złożonych trajektoriach.
W świecie rzeczywistym nie wszystkie obiekty zachowują się liniowo. Obiekty nieliniowe wykazują związek między brakiem równowagi a drganiami, który nie jest wprost proporcjonalny. Oznacza to, że współczynnik wpływu nie jest stały i może się zmieniać w zależności od kilku czynników, takich jak:
- Wielkość nierównowagi: Wzrost niewyważenia może zmienić sztywność podparć wirnika, co prowadzi do nieliniowych zmian drgań.
- Prędkość obrotowa: Przy różnych prędkościach obrotowych mogą być wywoływane różne zjawiska rezonansowe, co również skutkuje zachowaniem nieliniowym.
- Obecność luzów i szczelin: Luzy i szczeliny w łożyskach i innych połączeniach mogą w pewnych warunkach powodować nagłe zmiany wibracji.
- Temperatura: Zmiany temperatury mogą wpływać na właściwości materiału, a w konsekwencji na charakterystykę drgań obiektu.
- Obciążenia zewnętrzne: Obciążenia zewnętrzne działające na wirnik mogą zmieniać jego charakterystyki dynamiczne i prowadzić do zachowania nieliniowego.
Dlaczego obiekty nieliniowe są trudne?
Nieliniowość wprowadza wiele zmiennych do procesu równoważenia. Udana praca z obiektami nieliniowymi wymaga większej liczby pomiarów i bardziej złożonej analizy. Na przykład standardowe metody stosowane do obiektów liniowych nie zawsze dają dokładne wyniki dla układów nieliniowych. Wymaga to głębszego zrozumienia fizyki procesu i stosowania specjalistycznych metod diagnostycznych.
Oznaki nieliniowości
Obiekt nieliniowy można rozpoznać po następujących znakach:
- Nieproporcjonalne zmiany drgań: W miarę jak nierównowaga wzrasta, drgania mogą narastać szybciej lub wolniej, niż można by się spodziewać w przypadku obiektu liniowego.
- Przesunięcie fazowe wibracji: Faza drgań może zmieniać się w sposób nieprzewidywalny wraz ze zmianami niewyważenia lub prędkości obrotowej.
- Obecność harmonicznych i subharmonicznych: Widmo drgań może wykazywać wyższe harmoniczne (wielokrotności częstotliwości obrotowej) i subharmoniczne (ułamki częstotliwości obrotowej), co wskazuje na występowanie efektów nieliniowych.
- Histereza: Amplituda drgań może zależeć nie tylko od bieżącej wartości niewyważenia, ale także od jego historii. Na przykład, gdy niewyważenie jest zwiększane, a następnie zmniejszane z powrotem do wartości początkowej, amplituda drgań może nie powrócić do swojego pierwotnego poziomu.
Nieliniowość wprowadza wiele zmiennych do procesu równoważenia. Do pomyślnej operacji wymagane są dalsze pomiary i złożone analizy. Na przykład standardowe metody stosowane do obiektów liniowych nie zawsze dają dokładne wyniki dla układów nieliniowych. Wymaga to głębszego zrozumienia fizyki procesu i stosowania specjalistycznych metod diagnostycznych.
Graficzna reprezentacja nieliniowości
Na wykresie drgań w stosunku do niewyważenia nieliniowość jest widoczna w odchyleniach od linii prostej. Wykres może zawierać zagięcia, krzywizny, pętle histerezy i inne cechy, które wskazują na złożony związek między niewyważeniem a drganiami.
Wykres 2. Obiekt nieliniowy
50 g; 40 μm (żółty), 100 g; 54,7 μm (niebieski).
Ten obiekt przedstawia dwa segmenty, dwie linie proste. W przypadku nierównowag mniejszych niż 50 gramów wykres odzwierciedla właściwości obiektu liniowego, zachowując proporcjonalność między nierównowagą w gramach a amplitudą drgań w mikronach. W przypadku nierównowag większych niż 50 gramów wzrost amplitudy drgań zwalnia.
Przykłady obiektów nieliniowych
Przykłady obiektów nieliniowych w kontekście równoważenia obejmują:
- Wirniki z pęknięciami: Pęknięcia wirnika mogą powodować nieliniowe zmiany sztywności, a w rezultacie nieliniową zależność między drganiami i niewyważeniem.
- Wirniki z luzami łożyskowymi: Luzy w łożyskach mogą w pewnych warunkach powodować nagłe zmiany wibracji.
- Wirniki z nieliniowymi elementami sprężystymi: Niektóre elementy sprężyste, na przykład amortyzatory gumowe, mogą wykazywać charakterystyki nieliniowe, wpływając na dynamikę wirnika.
Rodzaje nieliniowości
1. Nieliniowość miękka-sztywna
W takich układach obserwuje się dwa segmenty: miękki i sztywny. W segmencie miękkim zachowanie przypomina liniowość, gdzie amplituda drgań wzrasta proporcjonalnie do masy niewyważenia. Jednak po przekroczeniu pewnego progu (punktu przerwania) układ przechodzi w tryb sztywny, w którym wzrost amplitudy zwalnia.
2. Nieliniowość sprężysta
Zmiany sztywności podpór lub styków w systemie sprawiają, że relacja wibracji z brakiem równowagi staje się złożona. Na przykład wibracje mogą nagle wzrosnąć lub spaść, gdy przekroczą określone progi obciążenia.
3. Nieliniowość wywołana tarciem
W układach ze znacznym tarciem (np. w łożyskach) amplituda drgań może być nieprzewidywalna. Tarcie może redukować drgania w jednym zakresie prędkości i wzmacniać je w innym.
Najczęstsze przyczyny nieliniowości
Najczęstszymi przyczynami nieliniowości są zwiększone luzy łożyskowe, zużycie łożysk, tarcie suche, poluzowane podpory, pęknięcia konstrukcji oraz praca w pobliżu częstotliwości rezonansowych. Często obiekt wykazuje tzw. nieliniowość miękko-twardą. Przy niewielkich poziomach niewyważenia układ zachowuje się niemal liniowo, ale wraz ze wzrostem drgań, angażowane są sztywniejsze elementy podpór lub obudowy. W takich przypadkach wyważenie jest możliwe jedynie w wąskim zakresie pracy i nie zapewnia stabilnych, długoterminowych rezultatów.
Niestabilność wibracji
Kolejnym poważnym problemem jest niestabilność drgań. Nawet obiekt formalnie liniowy może wykazywać zmiany amplitudy i fazy w czasie. Jest to spowodowane efektami termicznymi, zmianami lepkości środka smarnego, rozszerzalnością cieplną oraz niestabilnym tarciem w podporach. W rezultacie pomiary wykonane w odstępie zaledwie kilku minut mogą dawać różne wektory drgań. W takich warunkach miarodajne porównanie pomiarów staje się niemożliwe, a obliczenia równoważące tracą na wiarygodności.
Równoważenie w pobliżu rezonansu
Wyważanie w pobliżu rezonansu jest szczególnie problematyczne. Gdy częstotliwość obrotowa pokrywa się z częstotliwością własną układu lub jest jej bliska, nawet niewielkie niewyważenie powoduje gwałtowny wzrost drgań. Faza drgań staje się niezwykle wrażliwa na niewielkie zmiany prędkości. Obiekt w efekcie wchodzi w stan nieliniowy, a wyważanie w tym obszarze traci sens fizyczny. W takich przypadkach, aby można było rozważyć wyważenie, konieczna jest zmiana prędkości obrotowej lub konstrukcji mechanicznej.
Wysokie wibracje po “udanym” wyważeniu
W praktyce często spotyka się sytuacje, w których po formalnie pomyślnym wyważeniu, ogólny poziom drgań pozostaje wysoki. Nie oznacza to błędu urządzenia ani operatora. Wyważenie eliminuje jedynie niewyważenie masy. Jeśli drgania są spowodowane wadami fundamentu, poluzowanymi śrubami, niewspółosiowością lub rezonansem, obciążniki korekcyjne nie rozwiążą problemu. W takich przypadkach analiza przestrzennego rozkładu drgań na maszynie i jej fundamencie pomaga zidentyfikować prawdziwą przyczynę.
Wyważanie obiektów nieliniowych: złożone zadanie z niekonwencjonalnymi rozwiązaniami
Wyważanie obiektów nieliniowych to trudne zadanie, które wymaga specjalistycznych metod i podejść. Standardowa metoda masy próbnej, opracowana dla obiektów liniowych, może dawać błędne wyniki lub być całkowicie niemożliwa do zastosowania.
Metody równoważenia obiektów nieliniowych
- Utrzymywanie równowagi krok po kroku: Metoda ta polega na stopniowej redukcji niewyważenia poprzez instalowanie obciążników korekcyjnych na każdym etapie. Po każdym etapie przeprowadzane są pomiary drgań, a następnie, na podstawie aktualnego stanu obiektu, wyznaczany jest nowy obciążnik korekcyjny. Podejście to uwzględnia zmiany współczynnika wpływu podczas procesu wyważania.
- Równoważenie przy różnych prędkościach: Ta metoda zajmuje się efektami zjawisk rezonansowych przy różnych prędkościach obrotowych. Wyważanie jest wykonywane przy kilku prędkościach zbliżonych do rezonansu, co umożliwia bardziej równomierną redukcję drgań w całym zakresie prędkości roboczych.
- Korzystanie z modeli matematycznych: W przypadku złożonych obiektów nieliniowych można zastosować modele matematyczne opisujące dynamikę wirnika, uwzględniając jednocześnie efekty nieliniowe. Modele te pomagają przewidywać zachowanie obiektu w różnych warunkach i określać optymalne parametry wyważania.
Doświadczenie i intuicja specjalisty odgrywają kluczową rolę w wyważaniu obiektów nieliniowych. Doświadczony wyważacz potrafi rozpoznać oznaki nieliniowości, dobrać odpowiednią metodę i dostosować ją do konkretnej sytuacji. Analiza widm drgań, obserwacja zmian drgań wraz ze zmianami parametrów pracy obiektu oraz uwzględnienie cech konstrukcyjnych wirnika – wszystko to pomaga w podejmowaniu właściwych decyzji i osiąganiu pożądanych rezultatów.
Jak zrównoważyć obiekty nieliniowe za pomocą narzędzia przeznaczonego do obiektów liniowych
To dobre pytanie. Moja osobista metoda wyważania takich obiektów zaczyna się od naprawy mechanizmu: wymiany łożysk, spawania pęknięć, dokręcania śrub, sprawdzania kotew lub izolatorów drgań i weryfikacji, czy wirnik nie ociera się o nieruchome elementy konstrukcyjne.
Następnie identyfikuję częstotliwości rezonansowe, ponieważ nie można wyważyć wirnika przy prędkościach bliskich rezonansowi. Aby to zrobić, stosuję metodę uderzeniową do określania rezonansu lub wykres wybiegu wirnika.
Następnie określam położenie czujnika na mechanizmie: pionowo, poziomo czy pod kątem.
Po próbach urządzenie wskazuje kąt i ciężar obciążeń korekcyjnych. Zmniejszam ciężar obciążenia korekcyjnego o połowę, ale używam kątów sugerowanych przez urządzenie do rozmieszczenia wirnika. Jeśli drgania resztkowe po korekcie nadal przekraczają dopuszczalny poziom, wykonuję kolejny przebieg wirnika. Oczywiście zajmuje to więcej czasu, ale wyniki są czasami inspirujące.
Sztuka i nauka wyważania urządzeń obrotowych
Wyważanie wirującego sprzętu to złożony proces łączący elementy nauki i sztuki. W przypadku obiektów liniowych wyważanie obejmuje stosunkowo proste obliczenia i standardowe metody. Jednak praca z obiektami nieliniowymi wymaga głębokiego zrozumienia dynamiki wirnika, umiejętności analizowania sygnałów wibracyjnych i umiejętności wyboru najskuteczniejszych strategii wyważania.
Doświadczenie, intuicja i ciągłe doskonalenie umiejętności sprawiają, że wyważarka jest prawdziwym mistrzem w swoim fachu. W końcu jakość wyważania nie tylko decyduje o wydajności i niezawodności działania sprzętu, ale także zapewnia bezpieczeństwo ludzi.
Powtarzalność pomiarów
Istotną rolę odgrywają również kwestie pomiarowe. Nieprawidłowy montaż czujników drgań, zmiany punktów pomiarowych lub niewłaściwa orientacja czujnika bezpośrednio wpływają zarówno na amplitudę, jak i fazę. Aby zrównoważyć drgania, sam pomiar drgań nie wystarczy; kluczowe znaczenie ma powtarzalność i stabilność pomiarów. Dlatego w praktyce należy ściśle kontrolować miejsca i orientacje montażu czujników.
Praktyczne podejście do obiektów nieliniowych
Wyważanie obiektu nieliniowego zawsze zaczyna się nie od zainstalowania obciążnika próbnego, ale od oceny zachowania drgań. Jeśli amplituda i faza wyraźnie dryfują w czasie, zmieniają się od jednego startu do drugiego lub gwałtownie reagują na niewielkie zmiany prędkości, pierwszym zadaniem jest osiągnięcie możliwie najbardziej stabilnego trybu pracy. Bez tego wszelkie obliczenia będą losowe.
Pierwszym praktycznym krokiem jest wybór odpowiedniej prędkości. Obiekty nieliniowe są niezwykle wrażliwe na rezonans, dlatego wyważanie należy przeprowadzać przy prędkości jak najbardziej odbiegającej od częstotliwości naturalnych. Często oznacza to poruszanie się poniżej lub powyżej normalnego zakresu pracy. Nawet jeśli drgania przy tej prędkości są wyższe, ale stabilne, jest to preferowane rozwiązanie niż wyważanie w strefie rezonansowej.
Następnie ważne jest zminimalizowanie wszystkich źródeł dodatkowej nieliniowości. Przed wyważeniem należy sprawdzić i dokręcić wszystkie elementy złączne, wyeliminować luzy w jak największym stopniu oraz sprawdzić podpory i zespoły łożyskowe pod kątem luzu. Wyważenie nie kompensuje luzów ani tarcia, ale może być możliwe, jeśli czynniki te zostaną ustabilizowane.
Podczas pracy z obiektem nieliniowym nie należy z przyzwyczajenia używać małych obciążników próbnych. Zbyt mały obciążnik próbny często nie pozwala na wprowadzenie układu w obszar powtarzalności, a zmiana drgań staje się porównywalna z szumem niestabilności. Obciążnik próbny musi być wystarczająco duży, aby spowodować wyraźną i powtarzalną zmianę wektora drgań, ale nie na tyle duży, aby przesunął obiekt w inny tryb pracy.
Pomiary powinny być wykonywane szybko i w identycznych warunkach. Im krótszy czas między pomiarami, tym większa szansa, że parametry dynamiczne systemu pozostaną niezmienione. Zaleca się przeprowadzenie kilku przebiegów kontrolnych bez zmiany konfiguracji, aby upewnić się, że obiekt zachowuje się spójnie.
Bardzo ważne jest ustalenie punktów mocowania czujnika drgań i jego orientacji. W przypadku obiektów nieliniowych nawet niewielkie przesunięcie czujnika może spowodować zauważalne zmiany fazy i amplitudy, które mogą być błędnie interpretowane jako wpływ ciężaru próbnego.
W obliczeniach należy zwracać uwagę nie na ścisłą zgodność liczbową, lecz na trendy. Jeśli drgania konsekwentnie maleją wraz z kolejnymi korektami, oznacza to, że równoważenie zmierza we właściwym kierunku, nawet jeśli współczynniki wpływu formalnie nie są zbieżne.
Nie zaleca się przechowywania i ponownego wykorzystywania współczynników wpływu dla obiektów nieliniowych. Nawet jeśli jeden cykl równoważenia zakończy się sukcesem, podczas kolejnego uruchomienia obiekt może wejść w inny tryb pracy, a poprzednie współczynniki przestaną obowiązywać.
Należy pamiętać, że wyważanie obiektu nieliniowego często wiąże się z kompromisem. Celem nie jest osiągnięcie jak najniższych drgań, ale doprowadzenie maszyny do stabilnego i powtarzalnego stanu z akceptowalnym poziomem drgań. W wielu przypadkach jest to rozwiązanie tymczasowe, do czasu naprawy łożysk, odtworzenia podpór lub modyfikacji konstrukcji.
Główną zasadą praktyczną jest najpierw ustabilizowanie obiektu, następnie jego wyważenie, a dopiero potem ocena rezultatu. Jeśli stabilizacja nie jest możliwa, wyważenie należy traktować jako środek pomocniczy, a nie rozwiązanie ostateczne.
Zredukowana technika korekcji ciężaru
W praktyce, podczas wyważania obiektów nieliniowych, skuteczna okazuje się inna ważna technika. Jeśli przyrząd oblicza masę korekcyjną za pomocą standardowego algorytmu, zainstalowanie pełnej obliczonej masy często pogarsza sytuację: może dojść do nasilenia drgań, przeskoku fazy i zmiany trybu pracy obiektu.
W takich przypadkach dobrze sprawdza się zastosowanie zmniejszonej wagi korekcyjnej – dwa, a czasem nawet trzy razy mniejszej od wartości obliczonej przez przyrząd. Pomaga to uniknąć “wyrzucenia” układu z warunkowo liniowego obszaru w inny, nieliniowy obszar. W efekcie korekta jest nakładana delikatnie, z niewielkim krokiem, bez gwałtownej zmiany parametrów dynamicznych obiektu.
Po zamontowaniu zredukowanego obciążnika należy przeprowadzić jazdę kontrolną i ocenić trend drgań. Jeśli amplituda stale spada, a faza pozostaje względnie stabilna, korektę można powtórzyć, stosując tę samą metodę, stopniowo zbliżając się do minimalnego osiągalnego poziomu drgań. Ta metoda krok po kroku jest często bardziej niezawodna niż jednorazowa instalacja pełnego obliczonego obciążnika korekcyjnego.
Technika ta jest szczególnie skuteczna w przypadku obiektów z luzami, tarciem suchym oraz podporami miękko-twardymi, gdzie pełna obliczona korekta natychmiast wyprowadza układ poza strefę warunkowo liniową. Zastosowanie zredukowanych mas korekcyjnych pozwala obiektowi pozostać w najbardziej stabilnym trybie pracy i umożliwia osiągnięcie praktycznego rezultatu nawet tam, gdzie wyważenie jest formalnie niemożliwe.
Ważne jest, aby zrozumieć, że nie jest to “błąd instrumentu”, lecz konsekwencja fizyki układów nieliniowych. Instrument poprawnie oblicza dla modelu liniowego, a inżynier dostosowuje wynik w praktyce do rzeczywistego zachowania układu mechanicznego.
Zasada końcowa
Ostatecznie, udane wyważenie nie polega jedynie na obliczeniu ciężaru i kąta. Wymaga zrozumienia dynamicznego zachowania obiektu, jego liniowości, stabilności drgań oraz odległości od warunków rezonansowych. Balanset-1A zapewnia wszystkie niezbędne narzędzia do pomiaru, analizy i obliczeń, ale ostateczny wynik zawsze zależy od stanu mechanicznego samego układu. To właśnie odróżnia formalne podejście od rzeczywistej praktyki inżynierskiej w diagnostyce drgań i wyważaniu wirników.
Pytania i odpowiedzi
Jest to oznaką obiektu nieliniowego. W obiekcie liniowym amplituda drgań jest proporcjonalna do wielkości niewyważenia, a faza zmienia się o kąt odpowiadający kątowi położenia ciężarka. Gdy te warunki zostaną naruszone, współczynnik wpływu przestaje być stały, a standardowy algorytm wyważania zaczyna generować błędy. Typowymi przyczynami są luzy łożyskowe, poluzowane podpory, tarcie i praca w pobliżu rezonansu.
Obiekt liniowy to układ wirnika, w którym przy tej samej prędkości obrotowej amplituda drgań jest wprost proporcjonalna do wielkości niewyważenia, a faza drgań ściśle podąża za położeniem kątowym masy niezrównoważonej. Dla takich obiektów współczynnik wpływu jest stały i nie zależy od masy ciężarka próbnego.
Obiekt nieliniowy to układ, w którym zaburzona jest proporcjonalność między drganiami a niewyważeniem i/lub stałość zależności fazowej. Amplituda i faza drgań zaczynają zależeć od masy obciążnika próbnego. Najczęściej jest to związane z luzami łożyskowymi, zużyciem, tarciem suchym, podporami miękko-twardymi lub zazębieniem sztywniejszych elementów konstrukcyjnych.
Tak, ale wynik jest niestabilny i zależy od trybu pracy. Wyważanie jest możliwe tylko w ograniczonym zakresie, w którym obiekt zachowuje się warunkowo liniowo. Poza tym zakresem współczynniki wpływu ulegają zmianie, a powtarzalność wyników zostaje utracona.
Współczynnik wpływu jest miarą wrażliwości drgań na zmiany niewyważenia. Pokazuje, o ile zmieni się wektor drgań po zamontowaniu znanego ciężarka próbnego w danym samolocie z określoną prędkością.
Współczynnik wpływu jest niestabilny, jeśli obiekt jest nieliniowy, drgania są niestabilne w czasie lub występuje rezonans, nagrzewanie termiczne, poluzowane elementy mocujące lub zmienne warunki tarcia. W takich przypadkach wielokrotne rozruchy generują różne wartości amplitudy i fazy.
Zapisane współczynniki wpływu mogą być stosowane tylko dla identycznych wirników pracujących z tą samą prędkością, w tych samych warunkach montażu i przy tej samej sztywności podparcia. Obiekt musi być liniowy i stabilny wibracyjnie. Nawet niewielka zmiana warunków sprawia, że stare współczynniki stają się niewiarygodne.
Podczas rozgrzewania zmieniają się luzy łożyskowe, sztywność podpór, lepkość środka smarnego i poziom tarcia. Zmienia to parametry dynamiczne układu, a w rezultacie amplitudę i fazę drgań.
Niestabilność drgań to zmiana amplitudy i/lub fazy w czasie przy stałej prędkości obrotowej. Wyważanie opiera się na porównywaniu wektorów drgań, więc gdy drgania są niestabilne, porównanie traci sens, a obliczenia stają się mało wiarygodne.
Występuje wrodzona niestabilność strukturalna, powolna, “pełzająca” niestabilność, zmienność od początku do końca, niestabilność związana z rozgrzewaniem oraz niestabilność związana z rezonansem podczas pracy w pobliżu częstotliwości naturalnych.
W strefie rezonansowej nawet niewielkie zaburzenie równowagi powoduje gwałtowny wzrost drgań, a faza staje się niezwykle wrażliwa na drobne zmiany. W takich warunkach obiekt staje się nieliniowy, a wyniki równoważenia tracą znaczenie fizyczne.
Typowymi objawami są gwałtowny wzrost drgań przy niewielkich zmianach prędkości, niestabilna faza, szerokie garby w widmie oraz wysoka wrażliwość drgań na niewielkie zmiany prędkości obrotowej. Maksimum drgań często obserwuje się podczas rozbiegu lub wybiegu.
Wysokie wibracje mogą być spowodowane rezonansem, poluzowanymi konstrukcjami, wadami fundamentów lub problemami z łożyskami. W takich przypadkach wyważenie nie wyeliminuje przyczyny wibracji.
Przemieszczenie drgań charakteryzuje amplitudę ruchu, prędkość drgań charakteryzuje prędkość tego ruchu, a przyspieszenie drgań charakteryzuje przyspieszenie. Wielkości te są ze sobą powiązane, ale każda z nich lepiej nadaje się do wykrywania określonych typów defektów i zakresów częstotliwości.
Prędkość drgań odzwierciedla poziom energii drgań w szerokim zakresie częstotliwości i jest przydatna do oceny ogólnego stanu maszyn zgodnie z normami ISO.
Prawidłowa konwersja jest możliwa tylko dla drgań harmonicznych o pojedynczej częstotliwości. W przypadku złożonych widm drgań takie konwersje dają jedynie przybliżone wyniki.
Możliwe przyczyny to rezonans, wady fundamentów, poluzowane śruby, zużycie łożysk, niewspółosiowość lub nieliniowość obiektu. Wyważanie usuwa jedynie niewyważenie, a nie inne wady.
Jeśli po wyważeniu nie zostaną wykryte żadne uszkodzenia mechaniczne, a drgania nie ustąpią, należy przeanalizować rozkład drgań na maszynie i fundamencie. Typowymi objawami są wysokie drgania obudowy i podstawy oraz przesunięcia fazowe między punktami pomiarowymi.
Nieprawidłowy montaż czujnika zniekształca amplitudę i fazę, zmniejsza powtarzalność pomiarów oraz może prowadzić do błędnych wniosków diagnostycznych i błędnych wyników wyważenia.
Drgania rozkładają się nierównomiernie w całej konstrukcji. Sztywność, masy i kształty drgań różnią się, dlatego amplituda i faza mogą się znacznie różnić w zależności od punktu.
Z reguły nie. Zużycie i zwiększone luzy powodują nieliniowość obiektu. Wyważenie staje się niestabilne i nie daje długotrwałych rezultatów. Wyjątki są możliwe tylko w przypadku luzów projektowych i stabilnych warunków.
Rozruch powoduje duże obciążenia dynamiczne. Jeśli konstrukcja się rozluźni, względne położenie elementów zmienia się po każdym rozruchu, co prowadzi do zmian parametrów drgań.
Wyważanie seryjne jest możliwe dla identycznych wirników zainstalowanych w identycznych warunkach, przy zachowaniu stabilności drgań i braku rezonansu. W takim przypadku współczynniki wpływu z pierwszego wirnika można zastosować do kolejnych.
Zwykle jest to spowodowane zmianami sztywności podparcia, różnicami w montażu, zmianami prędkości obrotowej lub przejściem obiektu w nieliniowy tryb pracy.
Redukcja drgań do stabilnego poziomu przy zachowaniu powtarzalności amplitudy i fazy od początku do końca oraz braku oznak rezonansu lub nieliniowości.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 
0 komentarzy