Duas observações sobre a razoabilidade das exigências dos clientes para os fabricantes de máquinas de balanceamento

Introdução

Nos últimos um ano e meio, nossa empresa recebeu mais de 30 consultas sobre a compra de vários tipos de máquinas de balanceamento. Uma análise das Especificações Técnicas anexadas a essas solicitações revela que a maioria inclui várias características que afetam significativamente os cronogramas de produção e os custos das máquinas, além de minimizar a lista de possíveis fornecedores. Entre esses requisitos, dois se destacam:

• O requisito de garantir um desequilíbrio residual, que não deve exceder 0,1 g*mm/kg (µm).
• A exigência de incluir a máquina de balanceamento no Registro de Instrumentos de Medição.

Let’s analyze the reasonableness and feasibility of implementing these requirements from the perspective of a real consumer.

1. Análise dos requisitos de precisão da máquina

We will verify the validity of the customer’s accuracy requirements using a Technical Specification for a balancing machine designed to balance rotors of electric motors, turbo units, and compressors weighing between 10 and 1500 kg. The specification sets a tolerance for specific residual imbalance that, according to the customer, should not exceed 0.1 g*mm/kg.

Para verificar esse requisito, consultamos a Tabela 1 de ISO 1940-1-2007 “Vibração mecânica - Requisitos de qualidade de balanceamento para rotores.” Com base nas recomendações dessa tabela, supomos que a precisão do equilíbrio do rotores de motores elétricos, unidades turbo e compressores, que a máquina encomendada deve garantir, devem atender à qualidade G2.5 grau. Supondo que a frequência de rotação operacional esperada do rotor balanceado seja, por exemplo, 200 Hz (o que, com uma grande margem, cobre as frequências de rotação da maioria das máquinas conhecidas), podemos calcular facilmente o desequilíbrio específico residual permitido para o balanceamento estático (plano único) usando a fórmula 5 da norma: eper = 2500 / (6,28 * 200) = 1,99 g*mm/kg.

Considerando as recomendações da mesma norma ISO 1940-1-2007 (hoje substituída pela ISO 21940-11), fornecido na seção 7, o valor permissível definido para um rotor assimétrico de dois suportes durante o balanceamento dinâmico deve ser de pelo menos 0,3 * eper, o que, no nosso caso, seria 0,6 g*mm/kg, e não 0,1 g*mm/kg, conforme exigido na especificação técnica inicial. Essa divisão do limite permitido tolerância de equilíbrio entre os dois planos de correção pode ser verificado com o nosso Calculadora de desequilíbrio residual (ISO 21940-11).

Em outras palavras, como mostra nossa análise, os requisitos de precisão da máquina de balanceamento nesta Especificação Técnica (e em muitos outros documentos semelhantes) são claramente excessivos. A implementação prática desses requisitos excessivos obriga o fabricante a resolver sérios desafios de projeto e tecnológicos, que normalmente surgem na produção de máquinas de precisão excepcionalmente alta, o que, sem dúvida, afeta o custo e o tempo de produção das máquinas. Além disso, esses requisitos nem sempre são tecnicamente viáveis.

It is also important to note that the effective operation of such high-precision machines may require the potential customer to meet several additional conditions, such as the need for thermo-constant and clean rooms, vibration-isolating foundations, etc., whose creation costs may even exceed the costs associated with acquiring the machine. In response to the possible objection from the customer’s representative (the author of the aforementioned Technical Specification) that meeting this requirement allows achieving a significantly lower residual imbalance on the machine, actually corresponding to the G0.4 grade, they can be recommended to familiarize themselves with the recommendations of ISO 22061-76 “Machines and technological equipment. System of balancing quality grades. Basic provisions,” which was in effect before the introduction of ISO 1940-1-2007.

A Seção 3 desta norma, elaborada pelos melhores especialistas na área de balanceamento da União Soviética, afirma, com razão, o seguinte:

1. Os rotores de produtos classificados na 1ª classe de qualidade de balanceamento (classe G0.4, de acordo com a norma ISO 1940-1-2007) devem ser balanceados em seus próprios rolamentos, dentro de seus próprios alojamentos, em todas as condições de operação, utilizando seu próprio acionamento.
2. Os rotores dos produtos classificados no 2º grau de qualidade de balanceamento (grau G1.0) devem ser balanceados em seus próprios rolamentos ou dentro de sua própria carcaça, utilizando um acionamento especial caso não haja acionamento próprio disponível.
3. Os rotores de produtos classificados nos graus de qualidade de balanceamento de 3º a 11º (graus G2.5 a G4000) podem ser balanceados como peças individuais ou como conjuntos.

A essência dessas recomendações é que a tentativa de atingir graus de equilíbrio G0,4 e G1,0 na máquina de balanceamento muitas vezes não faz sentido do ponto de vista técnico e econômico. Após a instalação dos rotores na máquina, a precisão alcançada é perdida e, para restaurá-la, é necessário um rebalanceamento adicional do conjunto do rotor (em seus próprios rolamentos e com seu próprio acionamento), realizado com o uso de equipamentos portáteis de balanceamento por vibração.

As an illustrative example of this thesis, we can consider balancing a grinding wheel intended for use on a high-precision cylindrical grinding machine (accuracy class “C”). According to the requirements of the previously mentioned Table 1 of ISO 1940-1-2007, the balance quality of the grinding wheel should at least meet the G0.4 grade. Given that the expected rotational frequency of the grinding wheel during operation will be 6000 rpm (100 Hz), using the well-known formula 7 of ISO 1940-1-2007, we determine the permissible residual specific imbalance eper, which will be 0.64 g*mm/kg.

In other words, after balancing on the balancing machine, ensuring this tolerance, the displacement of the center of mass of the grinding wheel relative to the technological axis (balancing machine mandrel axis) should not exceed 0.64 µm. Since the allowable radial runout of the spindle of a class “C” grinding machine according to ISO 11654-90 is 2 µm, after mounting our grinding wheel on it (re-baselining the wheel from the technological axis to the working axis), the residual specific imbalance can significantly increase and exceed the tolerance recommended by ISO 1940-1-2007 by at least three times. In such and other similar cases, as noted earlier, additional balancing is required to compensate for errors arising during the assembly stage.

O exposto acima nos permite afirmar que, na grande maioria dos casos, o requisito de precisão para máquinas de balanceamento de média e grande porte pode ser limitado a um nível de desequilíbrio específico residual de 0,5 g*mm/kg ou mesmo 1,0 g*mm/kg. A implementação dessa recomendação na prática permite ao fabricante reduzir significativamente a complexidade e o custo de fabricação da máquina, enquanto o cliente (desde que seja implementado um processo tecnológico racional) pode alcançar a precisão de balanceamento exigida. A principal exceção a essa regra podem ser as pequenas máquinas de balanceamento especializadas, utilizadas, por exemplo, para balancear rotores de giroscópios, turbocompressores automotivos, etc. As características de projeto dessas máquinas permitem atingir um nível de desbalanceamento específico residual de 0,1 g*mm/kg ou inferior, o que é tecnicamente justificado e economicamente viável.

2. Sobre a necessidade de incluir máquinas de balanceamento no Registro de Instrumentos de Medição

In recent years, an astonishing discovery has been made in our country that could confound the “departed in peace” specialists from ENIMS**, who developed the classifier of metal-cutting machines. With someone’s “light hand,” a completely new type of equipment has appeared on the machine market – “Vibration Measurement Balancing Machines,” which must have a Certificate from the Russian State Standard and the corresponding marking.*)

And all would be well, but it suddenly turned out that “advanced” customers began to include in their Technical Specifications a mandatory requirement for the inclusion of balancing machines in the Register of Measuring Instruments. Let us try to understand how legally and technically justified this requirement is, as well as its economic feasibility.

To begin with, it is useful to understand how this requirement relates to the recommendations of existing regulatory documents. Let’s start with ISO 8-82 “Metal-Cutting Machines. General Requirements for Accuracy Testing.” This standard establishes the basic concepts and principles of machine classification by accuracy, general requirements for accuracy testing, and general requirements for accuracy verification methods. It is important to note that the references to procedures for evaluating the qualitative characteristics of machines in this standard use only the term “verification” and there is no mention of the need to include machines in the Register of Measuring Instruments and, accordingly, the need for their “calibration.”

The next document to pay attention to is ISO 20076-2007 (ISO 2953:1999) “Vibration. Balancing Machines. Specifications and Methods for their Verification.” This standard, which sets specific requirements for the technical characteristics of balancing machines and their “verification” methods, also lacks requirements providing for the necessity of calibrating the machines and including them in the Register of Measuring Instruments. In this regard, it should be noted that requirements related to calibration are absent in standards for other types of machine tools, such as ISO for grinding machines and CNC machines, which may also include various measurement systems.

Além disso, não se encontram requisitos semelhantes na documentação técnica de todos os modelos conhecidos de máquinas de balanceamento estrangeiras, o que, em nossa opinião, também constitui um precedente importante. Com base nos argumentos apresentados acima, podem-se tirar as seguintes conclusões:

1. Existing regulatory and technical documents developed for machine tools and, in particular, for balancing machines, do not include requirements for their inclusion in the Register of Measuring Instruments and, accordingly, the need for their calibration. As a result, the inclusion of such requirements in Technical Specifications during competitive procurement procedures “de facto” significantly increases the production costs of machines and the expenses for their subsequent operation and, as it seems to us, “de jure” violates the rights of bona fide machine manufacturers who follow the letter and spirit of existing regulatory documents.
2. Os testes de rotina do sistema de medição podem e devem ser realizados como parte da máquina de balanceamento, de acordo com os requisitos e recomendações da norma ISO 20076-2007 (ISO 2953:1999), que prevêem o uso de um rotor de referência, um conjunto de pesos de teste e balanças calibradas durante as verificações. Esses testes devem incluir, necessariamente, os seguintes tipos de verificações:
   • Verificação do desequilíbrio residual mínimo alcançável (Umar);
   • Verificação do coeficiente de redução de desequilíbrio (URR);
   • Verificação do funcionamento do circuito de balanceamento condicional (mediante o procedimento de rotação do rotor em 180°).

É importante observar que essas verificações são realizadas sem desmontar o sistema de medição da máquina e não exigem o uso de um banco de vibração de calibração, o que elimina a necessidade de envolver especialistas de organizações externas e reduz significativamente a intensidade de mão de obra e o custo do trabalho. Além das principais verificações mencionadas acima, se necessário, outros parâmetros importantes do sistema de medição podem ser verificados diretamente na máquina (utilizando o rotor de referência mencionado anteriormente, um conjunto de pesos de teste e balanças calibradas), incluindo:

• Repetibilidade das leituras de amplitude e fase do sinal de vibração entre medições;
• Linearidade das leituras do sistema de medição em função da amplitude do sinal de vibração;
• Capacidade de resolução do sistema de medição (nível mínimo de desequilíbrio que o sistema de medição consegue registrar de forma constante), etc.

Conclusão

O autor espera que tanto os clientes quanto os fabricantes de máquinas de balanceamento compreendam os argumentos e recomendações apresentados neste trabalho, cujo principal objetivo é minimizar os custos de produção para ambas as partes, garantindo ao mesmo tempo a qualidade adequada das operações de balanceamento.

*Observação: Se essa tendência continuar a se desenvolver, não se pode descartar que em breve venhamos a saber da criação de retificadoras com medição de vibração, prensas com medição de vibração e até mesmo laminadores com medição de vibração. Afinal, elas compartilham com as máquinas de balanceamento a possibilidade de utilizar equipamentos especializados de medição de vibração.

ENIMS stands for “Experimental Research Institute of Metal-Cutting Machine Tools” (Экспериментально-исследовательский институт металлорежущих станков). This was a research institute in the Soviet Union dedicated to the development and improvement of various types of metal-cutting machines and equipment. The institute played a significant role in the advancement of the machine-building industry and the standardization of metalworking equipment by developing regulatory documents and standards, such as classifiers for machine tools and methods for their accuracy testing.

V.D. Feldman, Chief Specialist of LLC “Kinematics,” 2024