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.
Linear and nonlinear vibrations, their features, and balancing methods
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
Most of these problems are rooted in a fundamental but often underestimated distinction between linear and nonlinear objects. A linear object, from the balancing point of view, is a system in which, at a constant rotational speed, the vibration amplitude is proportional to the amount of dezechilibru, and the vibration phase follows the angular position of the unbalanced mass in a strictly predictable way. Under these conditions, the influence coefficient is a constant value. All standard dynamic balancing algorithms, including those implemented in the Balanset-1A, are designed precisely for such objects.
For a linear object, the balancing process is predictable and stable. Installing a greutate de probă produces a proportional change in vibration amplitude and phase. Repeated starts give the same vibration vector, and the calculated correction weight remains valid. Such objects are well suited both for one-time balancing and for serial balancing using stored influence coefficients.
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.
Graphical representation of linearity
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.
Graph 1: The Relationship Between Vibration Amplitude (µm) and Unbalanced Mass (g) at a constant correction radius and constant rotational speed
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).
A note on units: the displacement values in µm used in these examples are illustrative and chosen for simple arithmetic. The Balanset-1A measures and displays vibration velocity, mm/s RMS; the linearity principle and the influence-coefficient method work identically in either unit.
Influence coefficient (IC): key parameter of linear objects
A critical characteristic of a linear object is the coeficientul de influență (IC). It is numerically equal to the tangent of the slope angle of the line on the graph of vibration versus imbalance and indicates how much the vibration amplitude (in microns, µm) changes when a unit of mass (in grams, g) is added in a specific correction plane at a specific rotor speed. In other words, IC is a measure of the object's sensitivity to imbalance. Its unit of measurement is µm/g, or, when imbalance is expressed as the product of mass and radius, 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.
Direct problem:
Inverse problem:
How the IC is obtained in practice:
Here V0 is the vibration vector measured in the initial run (Run 0), V1 is the vector measured after a trial mass mde probă is installed (Run 1), K is the influence coefficient, and mcorr is the correction mass. All of these are complex (vector) quantities combining amplitude and phase — which is exactly why the article speaks below about the argument of the influence coefficient.
Throughout this article, the mass in grams is used as a proxy for unbalance: it is equivalent to unbalance in g·mm only as long as the correction radius stays the same. When the radius changes, use g·mm and an IC in 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.
Balancing linear objects
It is important to note that for a linear object, the influence coefficient obtained from the trial run as K = (V1 − V0) / mde probă does not depend on the magnitude or angle of the trial mass installation, nor on the initial vibration. This is a key characteristic of linearity. If the IC remains unchanged when the trial mass parameters or initial vibration are altered, it can be confidently asserted that the object behaves linearly within the considered range of imbalances.
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: Linear objects serve as ideal models for studying and practically applying balancing methods. Their properties allow engineers and diagnosticians to focus on developing basic skills and understanding the fundamental principles of working with rotor systems. Although the perfectly linear object is an idealization, most machines in good mechanical condition behave linearly enough within the range of unbalance encountered in field balancing — which is exactly why the influence-coefficient method works at all. The linear model is therefore not an academic exercise but the normal working assumption; nonlinearity is the exception that has to be recognized.
Echilibrare serială și coeficienți stocați
Serial balancing deserves special attention. It can significantly increase productivity, but only when applied to linear, vibration-stable objects. In such cases, influence coefficients obtained on the first rotor can be reused for subsequent identical rotors. The Balanset-1A software supports this directly: coefficients from a previous balancing session are stored in the archive and can be re-applied to an identical rotor with the Apply coefficients function (F6 Reports, balancing archive). However, as soon as support stiffness, rotational speed, or bearing condition changes, repeatability is lost and the serial approach stops working.
Nonlinear objects: when theory diverges from practice
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.
In the real world, not all objects behave linearly. Nonlinear objects exhibit a relationship between imbalance and vibration that is not directly proportional. This means the influence coefficient is not constant and may vary depending on factors such as:
- 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.
Temperature changes and varying external loads also alter the dynamic characteristics of the object, but in a different way: they make the system non-stationary rather than nonlinear (see the section on vibration instability below).
Why are nonlinear objects challenging?
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: The vibration spectrum may exhibit higher harmonics (multiples of the rotational frequency) and subharmonics (fractions of the rotational frequency), indicating nonlinear effects. In the Balanset-1A software, these can be inspected on the F8 Charts screen, F5-Spectrum (Hz) tab; keep in mind that the vibration sensor maintains its rated accuracy up to about 550 Hz, and its response rolls off above that, so higher-frequency spectral components should be read as indicative only.
- 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.
How to test an object for linearity
- Repeatability check: Perform Run 0, stop the machine, restart it, and repeat Run 0 without touching anything. If the amplitude agrees within about 10% and the phase within about 10–15°, the object is stable enough to balance.
- Removal check: After the trial run, remove the trial weight and repeat Run 0. If the vibration vector does not return to its original value, the object has hysteresis or looseness.
- Double-mass check: Repeat the trial run with a trial weight twice as heavy in the same location. For a linear object the vector change (V1 − V0) must double in magnitude and keep the same direction. Any other outcome means the influence coefficient depends on the trial mass — the object is nonlinear.
- 180° check: The same trial weight moved 180° must rotate the vector change by 180°.
Graphical representation of nonlinearity
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.
Graph 2. Nonlinear Object (at a constant correction radius and constant rotational speed)
50 g; 40 µm (yellow), 100 g; 54.7 µm (blue).
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. Soft-stiff nonlinearity
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. Elastic nonlinearity
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. Friction-induced nonlinearity
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
The most common causes of nonlinearity are increased bearing clearances, bearing wear, dry friction, loosened supports, and cracks in the structure. Operation near a rezonanță is a separate problem: it does not make the object nonlinear, but it destroys measurement repeatability and is therefore just as fatal for the influence-coefficient method. Often, the object exhibits so-called soft–hard nonlinearity. At small unbalance levels the system behaves almost linearly, but as vibration increases, stiffer elements of the supports or casing become involved. In such cases, balancing is possible only within a narrow operating range and does not provide stable long-term results.
Instabilitatea vibrațiilor
Another serious issue is vibration instability. Even a formally linear object may show changes in amplitude and phase over time. This is caused by thermal effects, changes in lubricant viscosity, thermal expansion, unstable friction in the supports, and varying external loads acting on the machine. As a result, measurements taken only minutes apart can produce different vibration vectors. Under these conditions, meaningful comparison of measurements becomes impossible, and the balancing calculation loses reliability.
Note the distinction: a nonlinear object gives a different influence coefficient for a different trial-weight mass; a non-stationary (unstable) object gives a different influence coefficient for the same trial weight measured at a different time. Both break the calculation, but the remedies differ — nonlinearity is fixed mechanically, instability is fixed by stabilizing the operating regime and measuring quickly.
Echilibrarea aproape de rezonanță
Balancing near resonance is especially problematic. When the rotational frequency is close to a frecvență naturală of the system, even a small unbalance produces a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Note that resonance itself is not nonlinearity: a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability — a ±1% scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. (A large resonant response can, in addition, push the supports into a genuinely nonlinear range — but that is a consequence, not the definition.) In such cases the balancing speed must be moved away from the natural frequency, or the mechanical structure changed, before balancing is attempted.
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.
Balancing nonlinear objects: a complex task with unconventional solutions
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.
- Balancing at several speeds: Influence coefficients are speed-dependent, so a rotor that must run over a wide speed range may need coefficients measured at more than one speed. This is the domain of modal (multi-speed) balancing of flexible rotors and requires a linear, repeatable object, several correction planes and, as a rule, a balancing machine. It is not a workaround for a nonlinear object, and it does not mean balancing near a resonance — measurement speeds must still be chosen away from the critical speeds. The Balanset-1A implements the single-speed influence-coefficient method: all runs (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) must be performed at the same rotational speed.
- 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.
How to balance nonlinear objects using a tool designed for linear objects
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.
Next, I identify resonance frequencies, as it is impossible to balance a rotor at speeds close to resonance. To do this, I use the impact method for resonance determination (the Bump Test function in the Balanset-1A software) or a rotor coast-down graph (the RunDown function).
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.
The art and science of balancing rotating equipment
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
This is a sign of a nonlinear object. In a linear object, vibration amplitude is proportional to the amount of unbalance, and the phase changes by the same angle as the angular position of the weight. When these conditions are violated, the influence coefficient is no longer constant and the standard balancing algorithm starts to produce errors. Typical causes are bearing clearances, loosened supports, friction, and operation near resonance — which is not nonlinearity in itself, but amplifies the vibration and destroys the repeatability of the readings (check it with the 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.
In the resonance zone, even a small unbalance causes a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Resonance itself is not nonlinearity — a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability: the normal scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. The balancing speed must be moved away from the natural frequency before balancing is attempted.
Typical signs are a sharp increase in vibration with small speed changes, unstable phase, broad humps in the spectrum, and high sensitivity of vibration to minor RPM variations. A vibration maximum is often observed during run-up or coast-down. The most reliable indicator is the phase: as the speed passes through a resonance, the phase lag goes through about 90° at the peak and reverses by roughly 180° above it. Watch the phase readout during a slow run-up or coast-down — a 180° swing together with an amplitude maximum locates the critical speed.
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.
Vibration velocity reflects the energy level of vibration over a wide frequency range and is convenient for assessing the overall condition of machines according to ISO standards such as 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.
0 Comentarii