Obiecte neliniare în echilibrarea rotorului
De ce echilibrarea “nu funcționează”, de ce se modifică coeficienții de influență și cum se procedează în condiții reale de teren
Prezentare generală
În practică, echilibrarea rotorului nu se reduce aproape niciodată la simpla calculare și instalare a unei greutăți de corecție. Formal, algoritmul este bine cunoscut, iar instrumentul efectuează toate calculele automat, dar rezultatul final depinde mult mai mult de comportamentul obiectului în sine decât de dispozitivul de echilibrare. Acesta este motivul pentru care, în munca reală, apar constant situații în care echilibrarea “nu funcționează”, coeficienții de influență se modifică, vibrațiile devin instabile, iar rezultatul nu este repetabil de la o operațiune la alta.
Vibrații liniare și neliniare, caracteristicile lor și metodele de echilibrare
O echilibrare reușită necesită înțelegerea modului în care un obiect reacționează la adăugarea sau îndepărtarea de masă. În acest context, conceptele de obiecte liniare și neliniare joacă un rol cheie. Înțelegerea dacă un obiect este liniar sau neliniar permite selectarea strategiei corecte de echilibrare și ajută la obținerea rezultatului dorit.
Obiectele liniare ocupă un loc special în acest domeniu datorită predictibilității și stabilității lor. Acestea permit utilizarea unor metode simple și fiabile de diagnosticare și echilibrare, făcând studiul lor un pas important în diagnosticarea vibrațiilor.
Obiecte liniare vs. neliniare
Majoritatea acestor probleme își au rădăcina într-o distincție fundamentală, dar adesea subestimată, dintre obiectele liniare și cele neliniare. Un obiect liniar, din punctul de vedere al echilibrării, este un sistem în care, la o turație constantă, amplitudinea vibrației este proporțională cu cantitatea de dezechilibru, iar faza vibrației urmează poziția unghiulară a masei dezechilibrate într-un mod strict previzibil. În aceste condiții, coeficientul de influență este o valoare constantă. Toți algoritmii standard de echilibrare dinamică, inclusiv cei implementați în Balanset-1A, sunt concepuți exact pentru astfel de obiecte.
Pentru un obiect liniar, procesul de echilibrare este previzibil și stabil. Instalarea unei greutate de probă produce o modificare proporțională a amplitudinii și fazei vibrației. Pornirile repetate dau același vector de vibrație, iar greutatea de corecție calculată rămâne valabilă. Astfel de obiecte sunt potrivite atât pentru echilibrarea unică, cât și pentru echilibrarea în serie folosind coeficienți de influență salvați.
Un obiect neliniar se comportă într-un mod fundamental diferit. Însăși baza calculului de echilibrare este încălcată. Amplitudinea vibrației nu mai este proporțională cu dezechilibrul, faza devine instabilă, iar coeficientul de influență se modifică în funcție de masa greutății de probă, modul de funcționare sau chiar de timp. În practică, acest lucru apare ca un comportament haotic al vectorului de vibrație: după instalarea unei greutăți de probă, schimbarea vibrației poate fi prea mică, excesivă sau pur și simplu irepetabilă.
Ce sunt obiectele liniare?
Un obiect liniar este un sistem în care vibrația este direct proporțională cu magnitudinea dezechilibrului.
Un obiect liniar, în contextul echilibrării, este un model idealizat caracterizat printr-o relație direct proporțională între magnitudinea dezechilibrului (masa dezechilibrată) și amplitudinea vibrației. Aceasta înseamnă că, dacă dezechilibrul este dublat, amplitudinea vibrației se va dubla și ea, cu condiția ca viteza de rotație a rotorului să rămână constantă. În schimb, reducerea dezechilibrului va reduce proporțional vibrațiile.
Spre deosebire de sistemele neliniare, în care comportamentul unui obiect poate varia în funcție de mulți factori, obiectele liniare permit un nivel ridicat de precizie cu un efort minim.
În plus, ele servesc drept bază pentru instruirea și exersarea operatorilor de echilibrare. Înțelegerea principiilor obiectelor liniare ajută la dezvoltarea abilităților care pot fi aplicate ulterior sistemelor mai complexe.
Reprezentarea grafică a liniarității
Imaginați-vă un grafic în care axa orizontală reprezintă magnitudinea masei dezechilibrate (dezechilibrului), iar axa verticală reprezintă amplitudinea vibrației. Pentru un obiect liniar, acest grafic va fi o linie dreaptă care trece prin origine (punctul în care atât magnitudinea dezechilibrului, cât și amplitudinea vibrației sunt zero). Panta acestei linii caracterizează sensibilitatea obiectului la dezechilibru: cu cât panta este mai abruptă, cu atât vibrațiile sunt mai mari pentru același dezechilibru.
Graficul 1: Relația dintre amplitudinea vibrației (µm) și masa dezechilibrată (g) la o rază de corecție constantă și o turație de rotație constantă
Graficul 1 ilustrează relația dintre amplitudinea vibrației (µm) a unui obiect de echilibrare liniar și masa dezechilibrată (g) a rotorului. Coeficientul de proporționalitate este de 0,5 µm/g. Simpla împărțire a 300 la 600 dă 0,5 µm/g. Pentru o masă dezechilibrată de 800 g (UM=800 g), vibrația va fi de 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Rețineți că acest lucru se aplică la o viteză constantă a rotorului. La o viteză de rotație diferită, coeficientul va fi diferit.
Acest coeficient de proporționalitate se numește coeficient de influență (coeficient de sensibilitate) și are o dimensiune de µm/g sau, în cazurile care implică dezechilibru, µm/(g*mm), unde (g*mm) este unitatea de dezechilibru. Cunoscând coeficientul de influență (IC), se poate rezolva și problema inversă, și anume, determinarea masei dezechilibrate (UM) pe baza mărimii vibrației. Pentru a face acest lucru, împărțiți amplitudinea vibrației la IC.
De exemplu, dacă vibrația măsurată este de 300 µm și coeficientul cunoscut este IC=0,5 µm/g, împărțiți 300 la 0,5 pentru a obține 600 g (UM=600 g).
O notă despre unități: valorile deplasării în µm folosite în aceste exemple sunt ilustrative și alese pentru un calcul aritmetic simplu. Balanset-1A măsoară și afișează viteza vibrației, în mm/s RMS; principiul liniarității și metoda coeficientului de influență funcționează identic în ambele unități.
Coeficientul de influență (IC): parametru cheie al obiectelor liniare
O caracteristică critică a unui obiect liniar este coeficientul de influență (IC). Acesta este numeric egal cu tangenta unghiului de pantă al dreptei de pe graficul vibrație-dezechilibru și indică cu cât se modifică amplitudinea vibrației (în microni, µm) atunci când o unitate de masă (în grame, g) este adăugată într-un plan de corecție specific, la o viteză specifică a rotorului. Cu alte cuvinte, IC este o măsură a sensibilității obiectului la dezechilibru. Unitatea sa de măsură este µm/g sau, atunci când dezechilibrul este exprimat ca produsul dintre masă și rază, µm/(g*mm).
CI este, în esență, caracteristica "pașaportului" unui obiect liniar, permițând prezicerea comportamentului său atunci când se adaugă sau se îndepărtează masă. Cunoașterea CI permite rezolvarea atât a problemei directe – determinarea magnitudinii vibrației pentru un dezechilibru dat – cât și a problemei inverse – calcularea magnitudinii dezechilibrului din vibrațiile măsurate.
Problema directă:
Problema inversă:
Cum se obține IC în practică:
Aici V0 este vectorul de vibrație măsurat în rularea inițială (Run 0), V1 este vectorul măsurat după aplicarea unei mase de probă mde probă este instalat (Run 1), K este coeficientul de influență, iar mcorr este masa de corecție. Toate acestea sunt mărimi complexe (vectoriale) care combină amplitudinea și faza — motiv pentru care articolul vorbește mai jos despre argumentul coeficientului de influență.
În acest articol, masa în grame este folosită ca proxy pentru dezechilibru: este echivalentă cu dezechilibrul în g·mm doar atât timp cât raza de corecție rămâne aceeași. Când raza se schimbă, folosiți g·mm și un IC în µm/(g·mm).
Faza de vibrație în obiecte liniare
Pe lângă amplitudine, vibrația este caracterizată și de faza sa, care indică poziția rotorului în momentul abaterii maxime de la poziția sa de echilibru. Pentru un obiect liniar, faza vibrației este, de asemenea, previzibilă. Este suma a două unghiuri:
- Unghiul care determină poziția masei totale dezechilibrate a rotorului. Acest unghi indică direcția în care este concentrat dezechilibrul primar.
- Argumentul coeficientului de influență. Acesta este un unghi constant care caracterizează proprietățile dinamice ale obiectului și nu depinde de magnitudinea sau unghiul instalației de masă dezechilibrată.
Astfel, cunoscând argumentul IC și măsurând faza de vibrație, este posibil să se determine unghiul instalației de masă dezechilibrate. Acest lucru permite nu numai calcularea mărimii masei corective, ci și plasarea precisă a acesteia pe rotor pentru a obține echilibrul optim.
Echilibrarea obiectelor liniare
Este important de menționat că, pentru un obiect liniar, coeficientul de influență obținut din rularea de probă ca K = (V1 − V0) / mde probă nu depinde de mărimea sau unghiul de instalare a masei de probă și nici de vibrația inițială. Aceasta este o caracteristică-cheie a liniarității. Dacă IC rămâne neschimbat atunci când parametrii masei de probă sau vibrația inițială se modifică, se poate afirma cu încredere că obiectul se comportă liniar în intervalul de dezechilibre considerat.
Pași pentru echilibrarea unui obiect liniar
- Măsurarea vibrației inițiale: Primul pas este măsurarea vibrației în starea inițială. Se determină amplitudinea și unghiul de vibrație, care indică direcția de dezechilibru.
- Instalarea unei mase de probă: O masă de greutate cunoscută este instalată pe rotor. Acest lucru ajută la înțelegerea modului în care obiectul reacționează la sarcini suplimentare și permite calcularea parametrilor de vibrație.
- Remăsurarea vibrației: După instalarea masei de probă, se măsoară noi parametri de vibrație. Comparându-le cu valorile inițiale, este posibil să se determine modul în care masa afectează sistemul.
- Calcularea masei corectoare: Pe baza datelor de măsurare, se determină masa și unghiul de instalare al greutății corectoare. Această greutate este plasată pe rotor pentru a elimina dezechilibrul.
- Verificare finală: După instalarea greutății corective, vibrația ar trebui redusă semnificativ. Dacă vibrația reziduală depășește în continuare nivelul acceptabil, procedura poate fi repetată.
Notă: Obiectele liniare servesc drept modele ideale pentru studierea și aplicarea practică a metodelor de echilibrare. Proprietățile lor permit inginerilor și diagnosticienilor să se concentreze pe dezvoltarea abilităților de bază și pe înțelegerea principiilor fundamentale ale lucrului cu sistemele de rotoare. Deși obiectul perfect liniar este o idealizare, majoritatea mașinilor aflate într-o stare mecanică bună se comportă suficient de liniar în intervalul de dezechilibru întâlnit la echilibrarea pe teren — motiv pentru care metoda coeficientului de influență funcționează. Modelul liniar nu este, așadar, un exercițiu academic, ci ipoteza de lucru normală; neliniaritatea este excepția care trebuie recunoscută.
Echilibrare serială și coeficienți stocați
Echilibrarea în serie merită o atenție specială. Aceasta poate crește semnificativ productivitatea, dar numai atunci când este aplicată unor obiecte liniare, stabile din punct de vedere vibrațional. În aceste cazuri, coeficienții de influență obținuți pe primul rotor pot fi reutilizați pentru rotoarele identice următoare. Software-ul Balanset-1A susține acest lucru direct: coeficienții dintr-o sesiune anterioară de echilibrare sunt stocați în arhivă și pot fi reaplicați unui rotor identic cu funcția Aplicare coeficienți (F6 Rapoarte, arhiva de echilibrare). Totuși, de îndată ce rigiditatea reazemelor, viteza de rotație sau starea rulmenților se modifică, reproductibilitatea se pierde, iar abordarea în serie încetează să mai funcționeze.
Obiecte neliniare: când teoria diverge de practică
Ce este un obiect neliniar?
Un obiect neliniar este un sistem în care amplitudinea vibrației nu este proporțională cu magnitudinea dezechilibrului. Spre deosebire de obiectele liniare, unde relația dintre vibrație și masa de dezechilibru este reprezentată de o linie dreaptă, în sistemele neliniare această relație poate urma traiectorii complexe.
În lumea reală, nu toate obiectele se comportă liniar. Obiectele neliniare prezintă o relație între dezechilibru și vibrație care nu este direct proporțională. Aceasta înseamnă că coeficientul de influență nu este constant și poate varia în funcție de factori precum:
- Mărimea dezechilibrului: Creșterea dezechilibrului poate modifica rigiditatea suporturilor rotorului, ducând la modificări neliniare ale vibrațiilor.
- Prezența jocurilor și golurilor: Jocurile și golurile din rulmenți și alte conexiuni pot provoca schimbări bruște ale vibrațiilor în anumite condiții.
Modificările de temperatură și sarcinile externe variabile modifică și ele caracteristicile dinamice ale obiectului, dar într-un mod diferit: fac sistemul nestaționar, nu neliniar (vezi secțiunea despre instabilitatea vibrației de mai jos).
De ce sunt dificile obiectele neliniare?
Neliniaritatea introduce multe variabile în procesul de echilibrare. Lucrul de succes cu obiecte neliniare necesită mai multe măsurători și analize mai complexe. De exemplu, metodele standard aplicabile obiectelor liniare nu produc întotdeauna rezultate precise pentru sistemele neliniare. Acest lucru necesită o înțelegere mai profundă a fizicii procesului și utilizarea metodelor de diagnosticare specializate.
Semne de neliniaritate
Un obiect neliniar poate fi identificat prin următoarele semne:
- Modificări neproporționale ale vibrațiilor: Pe măsură ce dezechilibrul crește, vibrația poate crește mai rapid sau mai lent decât se aștepta pentru un obiect liniar.
- Schimbarea de fază în vibrație: Faza de vibrație se poate schimba în mod imprevizibil cu variații ale dezechilibrului sau ale vitezei de rotație.
- Prezența armonicilor și subarmonicilor: Spectrul de vibrație poate prezenta armonici superioare (multipli ai frecvenței de rotație) și subarmonici (fracțiuni ale frecvenței de rotație), indicând efecte neliniare. În software-ul Balanset-1A, acestea pot fi inspectate pe ecranul F8 Charts, fila F5-Spectrum (Hz); rețineți că senzorul de vibrație își menține precizia nominală până la aproximativ 550 Hz, iar răspunsul său scade peste această valoare, astfel încât componentele spectrale de frecvență mai înaltă trebuie citite doar ca fiind orientative.
- Histerezis: Amplitudinea vibrației poate depinde nu numai de valoarea actuală a dezechilibrului, ci și de istoria acestuia. De exemplu, atunci când dezechilibrul este crescut și apoi scade înapoi la valoarea sa inițială, amplitudinea vibrației poate să nu revină la nivelul inițial.
Cum se testează liniaritatea unui obiect
- Verificarea repetabilității: Efectuați Run 0, opriți mașina, reporniți-o și repetați Run 0 fără a atinge nimic. Dacă amplitudinea coincide în limita a aproximativ 10%, iar faza în limita a aproximativ 10–15°, obiectul este suficient de stabil pentru a fi echilibrat.
- Verificarea îndepărtării: După rularea de probă, îndepărtați greutatea de probă și repetați Run 0. Dacă vectorul de vibrație nu revine la valoarea inițială, obiectul are histerezis sau joc mecanic.
- Verificarea cu masă dublă: Repetați rularea de probă cu o greutate de probă de două ori mai grea, în aceeași locație. Pentru un obiect liniar, modificarea vectorului (V1 − V0) trebuie să se dubleze ca magnitudine și să păstreze aceeași direcție. Orice alt rezultat înseamnă că coeficientul de influență depinde de masa de probă — obiectul este neliniar.
- Verificare la 180°: Aceeași greutate de probă deplasată cu 180° trebuie să rotească modificarea vectorului cu 180°.
Reprezentarea grafică a neliniarității
Pe un grafic al vibrației versus dezechilibru, neliniaritatea este evidentă în abaterile de la o linie dreaptă. Graficul poate prezenta inflexiuni, curbură, bucle de histerezis și alte caracteristici care indică o relație complexă între dezechilibru și vibrație.
Graficul 2. Obiect neliniar (la o rază de corecție constantă și o turație de rotație constantă)
50 g; 40 µm (galben), 100 g; 54,7 µm (albastru).
Acest obiect prezintă două segmente, două linii drepte. Pentru dezechilibre mai mici de 50 de grame, graficul reflectă proprietățile unui obiect liniar, menținând proporționalitatea între dezechilibrul în grame și amplitudinea vibrației în microni. Pentru dezechilibre mai mari de 50 de grame, creșterea amplitudinii vibrației încetinește.
Exemple de obiecte neliniare
Exemple de obiecte neliniare în contextul echilibrării includ:
- Rotoare cu fisuri: Fisurile din rotor pot duce la modificări neliniare ale rigidității și, ca urmare, la o relație neliniară între vibrație și dezechilibru.
- Rotoare cu jocuri în rulmenți: Jocurile din rulmenți pot provoca schimbări bruște ale vibrațiilor în anumite condiții.
- Rotoare cu elemente elastice neliniare: Unele elemente elastice, cum ar fi amortizoarele de cauciuc, pot prezenta caracteristici neliniare, afectând dinamica rotorului.
Tipuri de neliniaritate
1. Neliniaritate moale-rigidă
În astfel de sisteme se observă două segmente: moale și rigid. În segmentul moale, comportamentul seamănă cu liniaritatea, unde amplitudinea vibrației crește proporțional cu masa de dezechilibru. Cu toate acestea, după un anumit prag (punct de întrerupere), sistemul trece la un mod rigid, în care creșterea amplitudinii încetinește.
2. Neliniaritate elastică
Modificările în rigiditatea suporturilor sau a contactelor din cadrul sistemului fac relația vibrație-dezechilibru complexă. De exemplu, vibrația poate crește sau scădea brusc atunci când se depășesc anumite praguri de sarcină.
3. Neliniaritate indusă de frecare
În sistemele cu frecare semnificativă (de exemplu, în rulmenți), amplitudinea vibrației poate fi imprevizibilă. Frecarea poate reduce vibrația într-un interval de viteză și o poate amplifica în altul.
Cauze frecvente ale neliniarității
Cele mai frecvente cauze ale neliniarității sunt jocurile mărite ale rulmenților, uzura rulmenților, frecarea uscată, suporturile slăbite și fisurile din structură. Funcționarea în apropierea unei rezonanță este o problemă separată: nu face obiectul neliniar, dar distruge repetabilitatea măsurătorilor și, prin urmare, este la fel de fatală pentru metoda coeficientului de influență. Adesea, obiectul prezintă așa-numita neliniaritate moale-dură (soft–hard). La niveluri mici de dezechilibru, sistemul se comportă aproape liniar, dar pe măsură ce vibrația crește, intră în joc elemente mai rigide ale reazemelor sau carcasei. În astfel de cazuri, echilibrarea este posibilă doar într-un interval îngust de funcționare și nu oferă rezultate stabile pe termen lung.
Instabilitatea vibrațiilor
O altă problemă serioasă este instabilitatea vibrației. Chiar și un obiect formal liniar poate prezenta modificări ale amplitudinii și fazei în timp. Acest lucru este cauzat de efecte termice, modificări ale vâscozității lubrifiantului, dilatare termică, frecare instabilă în reazeme și sarcini externe variabile care acționează asupra mașinii. Ca urmare, măsurătorile efectuate la doar câteva minute distanță pot produce vectori de vibrație diferiți. În aceste condiții, compararea semnificativă a măsurătorilor devine imposibilă, iar calculul de echilibrare își pierde fiabilitatea.
Rețineți distincția: un neliniar obiect dă un coeficient de influență diferit pentru o masă diferită a greutății de probă; un nestaționar (instabil) oferă un coeficient de influență diferit pentru aceeași greutate de probă măsurată la un moment diferit. Ambele afectează calculul, dar remediile diferă — neliniaritatea se corectează mecanic, instabilitatea se corectează prin stabilizarea regimului de funcționare și măsurare rapidă.
Echilibrarea aproape de rezonanță
Echilibrarea în apropierea rezonanței este deosebit de problematică. Când frecvența de rotație este apropiată de o frecvență naturală a sistemului, chiar și un dezechilibru mic produce o creștere bruscă a vibrației, iar atât amplitudinea, cât și faza devin extrem de sensibile la mici variații de viteză. Rețineți că rezonanța în sine nu este neliniaritate: un sistem liniar are rezonanțe, iar la rezonanță vibrația rămâne proporțională cu dezechilibrul. Ceea ce se pierde este repetabilitatea — o dispersie de ±1% a vitezei de rotație în apropierea vitezei critice modifică vectorul măsurat mult mai mult decât o face greutatea de probă, astfel încât coeficientul de influență măsurat în această zonă este inutilizabil în practică. (Un răspuns rezonant puternic poate, în plus, împinge reazemele într-un regim cu adevărat neliniar — dar aceasta este o consecință, nu definiția.) În astfel de cazuri, viteza de echilibrare trebuie deplasată departe de frecvența naturală, sau structura mecanică trebuie modificată, înainte de a încerca echilibrarea.
Vibrații ridicate după o echilibrare “reușită”
În practică, este frecvent întâlnirea unor situații în care, după o procedură de echilibrare formal reușită, nivelul general al vibrațiilor rămâne ridicat. Acest lucru nu indică o eroare a instrumentului sau a operatorului. Echilibrarea elimină doar dezechilibrul de masă. Dacă vibrațiile sunt cauzate de defecte ale fundației, elemente de fixare slăbite, nealiniere sau rezonanță, greutățile de corecție nu vor rezolva problema. În aceste cazuri, analiza distribuției spațiale a vibrațiilor pe mașină și pe fundația acesteia ajută la identificarea cauzei reale.
Echilibrarea obiectelor neliniare: o sarcină complexă cu soluții neconvenționale
Echilibrarea obiectelor neliniare este o sarcină provocatoare care necesită metode și abordări specializate. Metoda standard de masă de probă, dezvoltată pentru obiecte liniare, poate da rezultate eronate sau poate fi complet inaplicabilă.
Metode de echilibrare pentru obiecte neliniare
- Echilibrare pas cu pas: Această metodă implică reducerea treptată a dezechilibrului prin instalarea unor greutăți corective în fiecare etapă. După fiecare etapă, se efectuează măsurători ale vibrațiilor și se determină o nouă greutate corectivă pe baza stării actuale a obiectului. Această abordare ia în considerare modificările coeficientului de influență în timpul procesului de echilibrare.
- Echilibrarea la mai multe turații: Coeficienții de influență depind de viteză, astfel încât un rotor care trebuie să funcționeze într-un interval larg de viteze poate necesita coeficienți măsurați la mai multe viteze. Acesta este domeniul echilibrării modale (pe mai multe viteze) a rotoarelor flexibile și necesită un obiect liniar, reproductibil, mai multe planuri de corecție și, de regulă, o mașină de echilibrat. Nu este o soluție de ocolire pentru un obiect neliniar și nu înseamnă echilibrare în apropierea unei rezonanțe — vitezele de măsurare trebuie alese în continuare departe de vitezele critice. Balanset-1A implementează metoda coeficientului de influență la o singură viteză: toate rulările (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) trebuie efectuate la aceeași viteză de rotație.
- Folosind modele matematice: Pentru obiecte neliniare complexe, pot fi folosite modele matematice care descriu dinamica rotorului în timp ce țin cont de efectele neliniare. Aceste modele ajută la prezicerea comportamentului obiectului în diferite condiții și la determinarea parametrilor optimi de echilibrare.
Experiența și intuiția unui specialist joacă un rol crucial în echilibrarea obiectelor neliniare. Un echilibrist experimentat poate recunoaște semnele de neliniaritate, poate selecta o metodă adecvată și o poate adapta situației specifice. Analizarea spectrelor de vibrații, observarea modificărilor vibrațiilor pe măsură ce parametrii de funcționare ai obiectului variază și luarea în considerare a caracteristicilor de proiectare ale rotorului ajută la luarea deciziilor corecte și la obținerea rezultatelor dorite.
Cum să echilibrați obiecte neliniare folosind un instrument conceput pentru obiecte liniare
Aceasta este o intrebare buna. Metoda mea personala de echilibrare a unor astfel de obiecte incepe cu repararea mecanismului: sudand fisurile, inlocuind rulmentii, stringand suruburile, verificand ancorele sau izolatorii de vibratii si asigurand ca rotorul nu se freaca de elementele structurale stationare.
În continuare, identific frecvențele de rezonanță, deoarece este imposibil să echilibrezi un rotor la turații apropiate de rezonanță. Pentru aceasta, folosesc metoda impactului pentru determinarea rezonanței (funcția Bump Test din software-ul Balanset-1A) sau un grafic de decelerare a rotorului (funcția RunDown).
Apoi, determin poziția senzorului pe mecanism: verticală, orizontală sau înclinată.
Dupa incercari, dispozitivul indica unghiul si greutatea sarcinilor corective. Injumatatescc greutatea sarcinii corective, dar folosesc unghiurile sugerate de dispozitiv pentru plasarea rotorului. Daca vibratia reziduala dupa corectie depaseste in continuare nivelul acceptabil, efectuez o alta functionare a rotorului. Desigur, acest lucru necesita mai mult timp, dar rezultatele sunt uneori inspiratoare.
Arta și știința echilibrării echipamentelor rotative
Echilibrarea echipamentelor rotative este un proces complex care combină elemente de știință și artă. Pentru obiectele liniare, echilibrarea implică calcule relativ simple și metode standard. Cu toate acestea, lucrul cu obiecte neliniare necesită o înțelegere profundă a dinamicii rotorului, capacitatea de a analiza semnalele de vibrație și abilitățile de a alege cele mai eficiente strategii de echilibrare.
Experiența, intuiția și îmbunătățirea continuă a abilităților sunt ceea ce fac din echilibrist un adevărat maestru al meșteșugului său. La urma urmei, calitatea echilibrării nu numai că determină eficiența și fiabilitatea funcționării echipamentelor, ci asigură și siguranța oamenilor.
Repetabilitatea măsurătorilor
Problemele legate de măsurare joacă, de asemenea, un rol major. Instalarea incorectă a senzorilor de vibrații, modificările punctelor de măsurare sau orientarea necorespunzătoare a senzorilor afectează direct atât amplitudinea, cât și faza. Pentru echilibrare, nu este suficient să se măsoare vibrațiile; repetabilitatea și stabilitatea măsurătorilor sunt esențiale. De aceea, în practică, locațiile și orientările de montare a senzorilor trebuie controlate strict.
Abordare practică pentru obiecte neliniare
Echilibrarea unui obiect neliniar începe întotdeauna nu cu instalarea unei greutăți de probă, ci cu evaluarea comportamentului la vibrații. Dacă amplitudinea și faza derivă în mod clar în timp, se modifică de la un început la altul sau reacționează brusc la variații mici de viteză, prima sarcină este de a obține cel mai stabil mod de funcționare posibil. Fără aceasta, orice calcule vor fi aleatorii.
Primul pas practic este alegerea vitezei corecte. Obiectele neliniare sunt extrem de sensibile la rezonanță, așadar echilibrarea trebuie efectuată la o viteză cât mai departe posibil de frecvențele naturale. Aceasta înseamnă adesea deplasarea sub sau peste intervalul obișnuit de funcționare. Chiar dacă vibrațiile la această viteză sunt mai mari, dar stabile, este preferabilă echilibrarea într-o zonă rezonantă.
În continuare, este important să se minimizeze toate sursele de neliniaritate suplimentară. Înainte de echilibrare, toate elementele de fixare trebuie verificate și strânse, jocurile eliminate pe cât posibil, iar suporturile și unitățile de rulment inspectate pentru slăbire. Echilibrarea nu compensează jocurile sau frecarea, dar poate fi posibilă dacă acești factori sunt aduși la o stare stabilă.
Când se lucrează cu un obiect neliniar, nu ar trebui utilizate din obișnuință ponderi de testare mici. O pondere de testare prea mică adesea nu reușește să deplaseze sistemul într-o regiune repetabilă, iar schimbarea vibrației devine comparabilă cu zgomotul de instabilitate. Ponderea de testare trebuie să fie suficient de mare pentru a provoca o schimbare clară și reproductibilă a vectorului de vibrație, dar nu atât de mare încât să antreneze obiectul într-un regim de funcționare diferit.
Măsurătorile ar trebui efectuate rapid și în condiții identice. Cu cât trece mai puțin timp între măsurători, cu atât este mai mare șansa ca parametrii dinamici ai sistemului să rămână neschimbați. Este recomandabil să se efectueze mai multe runde de control fără a modifica configurația pentru a confirma că obiectul se comportă consecvent.
Este foarte important să se fixeze punctele de montare ale senzorului de vibrații și orientarea acestora. Pentru obiectele neliniare, chiar și o mică deplasare a senzorului poate provoca modificări vizibile de fază și amplitudine, care pot fi interpretate în mod eronat ca efect al greutății de probă.
În calcule, atenția nu trebuie acordată concordanței numerice exacte, ci tendințelor. Dacă vibrațiile scad constant odată cu corecțiile succesive, acest lucru indică faptul că echilibrarea se îndreaptă în direcția corectă, chiar dacă coeficienții de influență nu converg formal.
Nu se recomandă stocarea și reutilizarea coeficienților de influență pentru obiecte neliniare. Chiar dacă un ciclu de echilibrare are succes, în timpul următoarei porniri obiectul poate intra într-un regim diferit, iar coeficienții anteriori nu vor mai fi valizi.
Trebuie reținut faptul că echilibrarea unui obiect neliniar este adesea un compromis. Scopul nu este de a obține cea mai mică vibrație posibilă, ci de a aduce mașina într-o stare stabilă și repetabilă, cu un nivel acceptabil de vibrații. În multe cazuri, aceasta este o soluție temporară până când rulmenții sunt reparați, suporții sunt restaurați sau structura este modificată.
Principalul principiu practic este stabilizarea mai întâi a obiectului, apoi echilibrarea acestuia și abia după aceea evaluarea rezultatului. Dacă stabilizarea nu poate fi realizată, echilibrarea ar trebui considerată o măsură auxiliară, mai degrabă decât o soluție finală.
Tehnica de corecție cu greutate redusă
În practică, la echilibrarea obiectelor neliniare, o altă tehnică importantă se dovedește adesea eficientă. Dacă instrumentul calculează o pondere de corecție folosind un algoritm standard, instalarea ponderii complete calculate agravează frecvent situația: vibrațiile pot crește, faza poate sări, iar obiectul poate trece într-un mod de funcționare diferit.
În astfel de cazuri, instalarea unei ponderi de corecție reduse funcționează bine - de două sau uneori chiar de trei ori mai mică decât valoarea calculată de instrument. Acest lucru ajută la evitarea “aruncării” sistemului din regiunea condiționat liniară într-un alt regim neliniar. Practic, corecția este aplicată ușor, cu un pas mic, fără a provoca o modificare bruscă a parametrilor dinamici ai obiectului.
După instalarea greutății reduse, trebuie efectuată o rulare de control și trebuie evaluată tendința vibrațiilor. Dacă amplitudinea scade constant și faza rămâne relativ stabilă, corecția poate fi repetată folosind aceeași abordare, apropiindu-se treptat de nivelul minim de vibrații realizabil. Această metodă pas cu pas este adesea mai fiabilă decât instalarea integrală a greutății de corecție calculate dintr-o dată.
Această tehnică este eficientă în special pentru obiecte cu jocuri, frecare uscată și suporturi moi-dure, unde corecția completă calculată scoate imediat sistemul din zona liniară condiționată. Utilizarea unor mase de corecție reduse permite obiectului să rămână în cel mai stabil regim de funcționare și face posibilă obținerea unui rezultat practic chiar și acolo unde echilibrarea este considerată formal imposibilă.
Este important să înțelegem că aceasta nu este o “eroare a instrumentului”, ci o consecință a fizicii sistemelor neliniare. Instrumentul calculează corect pentru un model liniar, în timp ce inginerul adaptează rezultatul în practică la comportamentul real al sistemului mecanic.
Principiul final
În cele din urmă, o echilibrare reușită nu înseamnă doar calcularea unei greutăți și a unui unghi. Necesită înțelegerea comportamentului dinamic al obiectului, a liniarității sale, a stabilității vibrațiilor și a distanței față de condițiile de rezonanță. Balanset-1A oferă toate instrumentele necesare pentru măsurare, analiză și calcul, dar rezultatul final este întotdeauna determinat de starea mecanică a sistemului în sine. Aceasta este ceea ce distinge o abordare formală de practica inginerească reală în diagnosticarea vibrațiilor și echilibrarea rotorului.
Întrebări și răspunsuri
Acesta este un semn al unui obiect neliniar. La un obiect liniar, amplitudinea vibrației este proporțională cu mărimea dezechilibrului, iar faza se modifică cu același unghi ca poziția unghiulară a greutății. Când aceste condiții sunt încălcate, coeficientul de influență nu mai este constant, iar algoritmul standard de echilibrare începe să producă erori. Cauzele tipice sunt jocurile din rulmenți, reazemele slăbite, frecarea și funcționarea în apropierea rezonanței — care nu este în sine neliniaritate, dar amplifică vibrația și distruge repetabilitatea citirilor (verificați cu Testul de impact / Bump Test).
Un obiect liniar este un sistem rotoric în care, la aceeași viteză de rotație, amplitudinea vibrației este direct proporțională cu magnitudinea dezechilibrului, iar faza vibrației urmează strict poziția unghiulară a masei dezechilibrate. Pentru astfel de obiecte, coeficientul de influență este constant și nu depinde de masa greutății de probă.
Un obiect neliniar este un sistem în care proporționalitatea dintre vibrație și dezechilibru și/sau constanța relației de fază este încălcată. Amplitudinea vibrației și faza încep să depindă de masa greutății de probă. Cel mai adesea, acest lucru este asociat cu jocurile lagărelor, uzura, frecarea uscată, reazeme moi-dure sau angrenarea elementelor structurale mai rigide.
Da, dar rezultatul este instabil și depinde de modul de operare. Echilibrarea este posibilă doar într-un interval limitat, unde obiectul se comportă condiționat liniar. În afara acestui interval, coeficienții de influență se modifică și repetabilitatea rezultatului se pierde.
Coeficientul de influență este o măsură a sensibilității vibrațiilor la modificările dezechilibrului. Acesta arată cât de mult se va modifica vectorul de vibrații atunci când o greutate de probă cunoscută este instalată într-un plan dat la o viteză dată.
Coeficientul de influență este instabil dacă obiectul este neliniar, dacă vibrația este instabilă în timp sau dacă sunt prezente rezonanță, încălzire termică, elemente de fixare slăbite sau condiții de frecare în schimbare. În astfel de cazuri, pornirile repetate produc valori diferite ale amplitudinii și fazei.
Coeficienții de influență stocați pot fi utilizați numai pentru rotoare identice care funcționează la aceeași viteză, în aceleași condiții de instalare și rigiditate a suportului. Obiectul trebuie să fie liniar și stabil la vibrații. Chiar și o mică modificare a condițiilor face ca vechii coeficienți să nu fie fiabili.
În timpul încălzirii, jocurile rulmenților, rigiditatea suportului, vâscozitatea lubrifiantului și nivelul de frecare se modifică. Acest lucru modifică parametrii dinamici ai sistemului și, ca urmare, modifică amplitudinea și faza vibrațiilor.
Instabilitatea vibrațiilor este o modificare a amplitudinii și/sau a fazei în timp, la o viteză de rotație constantă. Echilibrarea se bazează pe compararea vectorilor de vibrație, astfel încât, atunci când vibrația este instabilă, comparația își pierde sensul, iar calculul devine nesigur.
Există instabilitate structurală inerentă, instabilitate lentă “târâtoare”, variații de la început la început, instabilitate legată de încălzire și instabilitate legată de rezonanță atunci când se operează în apropierea frecvențelor naturale.
În zona de rezonanță, chiar și un dezechilibru mic provoacă o creștere bruscă a vibrației, iar atât amplitudinea, cât și faza devin extrem de sensibile la mici variații de viteză. Rezonanța în sine nu este neliniaritate — un sistem liniar are rezonanțe, iar la rezonanță vibrația rămâne proporțională cu dezechilibrul. Ceea ce se pierde este repetabilitatea: dispersia normală a vitezei de rotație în apropierea vitezei critice modifică vectorul măsurat mult mai mult decât o face greutatea de probă, astfel încât coeficientul de influență măsurat în această zonă este inutilizabil în practică. Viteza de echilibrare trebuie deplasată departe de frecvența naturală înainte de a încerca echilibrarea.
Semnele tipice sunt o creștere bruscă a vibrației la mici variații de viteză, fază instabilă, umflături largi în spectru și sensibilitate ridicată a vibrației la variații mici de turație. Un maxim al vibrației se observă adesea în timpul pornirii sau opririi libere. Cel mai fiabil indicator este faza: pe măsură ce viteza trece printr-o rezonanță, întârzierea de fază trece prin aproximativ 90° la vârf și se inversează cu aproximativ 180° peste acesta. Urmăriți citirea fazei în timpul unei porniri sau opriri libere lente — o variație de 180° împreună cu un maxim de amplitudine localizează viteza critică.
Vibrațiile ridicate pot fi cauzate de rezonanță, structuri slăbite, defecte de fundație sau probleme la rulmenți. În astfel de cazuri, echilibrarea nu va elimina cauza vibrațiilor.
Deplasarea vibrațiilor caracterizează amplitudinea mișcării, viteza vibrațiilor caracterizează viteza acestei mișcări, iar accelerația vibrațiilor caracterizează accelerația. Aceste mărimi sunt corelate, dar fiecare este mai potrivită pentru detectarea anumitor tipuri de defecte și intervale de frecvență.
Viteza vibrației reflectă nivelul de energie al vibrației pe un interval larg de frecvențe și este convenabilă pentru evaluarea stării generale a mașinilor conform standardelor ISO, precum ISO 10816-1.
Conversia corectă este posibilă doar pentru vibrații armonice de o singură frecvență. Pentru spectre de vibrații complexe, astfel de conversii oferă doar rezultate aproximative.
Printre motivele posibile se numără rezonanța, defectele de fundație, elementele de fixare slăbite, uzura rulmenților, nealinierea sau neliniaritatea obiectelor. Echilibrarea elimină doar dezechilibrul, nu și alte defecte.
Dacă nu se detectează defecte mecanice și vibrațiile nu scad după echilibrare, este necesar să se analizeze distribuția vibrațiilor pe mașină și pe fundație. Semnele tipice sunt vibrațiile ridicate ale carcasei și bazei și schimbările de fază între punctele de măsurare.
Instalarea incorectă a senzorului distorsionează amplitudinea și faza, reduce repetabilitatea măsurătorilor și poate duce la concluzii diagnostice incorecte și la rezultate eronate ale echilibrării.
Vibrațiile sunt distribuite neuniform în întreaga structură. Rigiditatea, masele și formele modurilor diferă, astfel încât amplitudinea și faza pot varia semnificativ de la un punct la altul.
De regulă, nu. Uzura și jocurile crescute fac ca obiectul să fie neliniar. Echilibrarea devine instabilă și nu oferă un rezultat pe termen lung. Excepțiile sunt posibile numai cu jocuri de proiectare și condiții stabile.
Pornirea creează sarcini dinamice mari. Dacă structura este slăbită, pozițiile relative ale elementelor se schimbă după fiecare pornire, ceea ce duce la modificări ale parametrilor de vibrație.
Echilibrarea în serie este posibilă pentru rotoare identice instalate în condiții identice, cu stabilitate la vibrații și absență a rezonanței. În acest caz, coeficienții de influență de la primul rotor pot fi aplicați și celor ulterioare.
Acest lucru se datorează de obicei modificărilor rigidității suportului, diferențelor de asamblare, modificărilor vitezei de rotație sau tranziției obiectului într-un regim de funcționare neliniar.
Reducerea vibrațiilor la un nivel stabil, menținând în același timp repetabilitatea amplitudinii și fazei de la început la început și absența semnelor de rezonanță sau neliniaritate.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko este inginer în analiza vibrațiilor, fondator și director general al Vibromera. De peste 15 ani echilibrează echipamente rotative pe teren, nu pe un stand de probă: tocătoare, ventilatoare industriale, concasoare, centrifuge, arbori și axe portsculă. Din această muncă s-au născut instrumentele Balanset — au fost concepute ca o unealtă pe care specialistul o poate duce la mașină și o poate folosi singur, la fața locului, nu ca echipament de laborator. Vibromera a fost fondată în 2017 și, din 2023, are sediul în Porto, Portugalia. Aici au loc dezvoltarea, asamblarea și asistența pentru gama Balanset. Instrumentul de vârf este Balanset-1A, un analizor portabil pentru echilibrarea într-un plan și în două plane și pentru diagnosticarea vibrațiilor. Nikolai se implică personal în asistența pentru clienți, în rezolvarea cazurilor dificile de echilibrare și în dezvoltarea software-ului. Lucrează cu clienți din întreaga lume, în orice limbă.
0 Comentarii