Vibrații liniare și neliniare, caracteristicile lor și metode de echilibrare
Mecanismele rotative ne înconjoară peste tot – de la ventilatoare miniaturale din computere până la turbine gigantice la centralele electrice. Funcționarea lor fiabilă și eficientă depinde direct de echilibrare – procesul de eliminare a dezechilibrelor de masă care duc la vibrații nedorite. Vibrațiile, la rândul lor, nu numai că reduc performanța și durata de viață a echipamentelor, dar pot provoca și accidente grave și răniri. Prin urmare, echilibrarea este o procedură crucială în producția, operarea și întreținerea echipamentelor rotative.
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.
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 mărimea 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. Dimpotrivă, reducerea dezechilibrului va scădea 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 antrenamentul și exersarea echilibranților. Înțelegerea principiilor obiectelor liniare ajută la dezvoltarea abilităților care pot fi aplicate ulterior sistemelor mai complexe.
Reprezentarea grafică a liniarității
Imaginează-ți un grafic în care axa orizontală reprezintă mărimea masei dezechilibrate (dezechilibrul), 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 mărimea dezechilibrului, cât și amplitudinea vibrației sunt zero). Panta acestei linii caracterizează sensibilitatea obiectului la dezechilibru: cu cât panta este mai abruptă, cu atât vibrațiile pentru același dezechilibru sunt mai mari.
Graficul 1: Relația dintre amplitudinea vibrației (µm) și masa dezechilibrată (g)
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).
Coeficientul de influență (IC): Parametrul cheie al obiectelor liniare
O caracteristică critică a unui obiect liniar este coeficientul de influență (IC). Este numeric egal cu tangenta unghiului de pantă al dreptei de pe graficul vibrației în funcție de dezechilibru și indică cât de mult 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 anumită viteză a rotorului. Cu alte cuvinte, IC este o măsură a sensibilității obiectului la dezechilibru. Unitatea sa de măsură este µm/g sau, când dezechilibrul este exprimat ca produs dintre masă și rază, µm/(g*mm).
IC este, în esență, caracteristica „pașaportului” a unui obiect liniar, permițând predicții ale comportamentului său atunci când se adaugă sau se îndepărtează masa. Cunoașterea IC permite rezolvarea atât a problemei directe – determinarea mărimii vibrației pentru un dezechilibru dat – cât și a problemei inverse – calcularea mărimii dezechilibrului din vibrația măsurată.
Problemă directă:
• Amplitudinea vibrației (µm) = IC (µm/g) * Masa dezechilibrata (g)
Problema inversa:
• Masa dezechilibrata (g) = Amplitudinea vibratiei (µm) / IC (µm/g)
Faza de vibrație în obiectele liniare
Pe lângă amplitudine, vibrația este caracterizată și de faza acesteia, care indică poziția rotorului în momentul abaterii maxime de la poziția sa de echilibru. Pentru un obiect liniar, faza de vibrație 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 mărimea sau unghiul instalației de masă dezechilibrate.
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 (IC) determinat astfel nu depinde de mărimea sau unghiul instalației de masă de probă, nici de vibrația inițială. Aceasta este o caracteristică cheie a liniarității. Dacă IC rămâne neschimbat atunci când parametrii de masă de încercare sau vibrația inițială sunt modificați, se poate afirma cu încredere că obiectul se comportă liniar în intervalul considerat de dezechilibre.
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 vibrațiilor:
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 corective:
Pe baza datelor de măsurare, se determină masa și unghiul de instalare al greutății corective. 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.
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 cu rotoare. Deși aplicarea lor în practica reală este limitată, studiul obiectelor liniare rămâne un pas important în avansarea diagnosticării și echilibrării vibrațiilor.
Aceste obiecte formează baza pentru dezvoltarea metodelor și instrumentelor care sunt ulterior adaptate pentru lucrul cu sisteme mai complexe, inclusiv obiecte neliniare. În cele din urmă, înțelegerea funcționării obiectelor liniare ajută la asigurarea performanței echipamentelor stabile și fiabile, la minimizarea vibrațiilor și la prelungirea duratei de viață a acestuia.
Obiecte neliniare: când teoria diverge de la 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 mai mulți factori, cum ar fi:
- Mărimea dezechilibrului: Creșterea dezechilibrului poate modifica rigiditatea suporturilor rotorului, ducând la modificări neliniare ale vibrațiilor.
- Viteza de rotatie: Diferite fenomene de rezonanță pot fi excitate la viteze de rotație diferite, rezultând, de asemenea, un comportament neliniar.
- Prezența degajărilor și golurilor: Jocurile și golurile din rulmenți și alte conexiuni pot provoca schimbări bruște ale vibrațiilor în anumite condiții.
- Temperatură: Schimbările de temperatură pot afecta proprietățile materialului și, în consecință, caracteristicile de vibrație ale obiectului.
- Sarcini externe: Sarcinile externe care acționează asupra rotorului pot modifica caracteristicile sale dinamice și pot duce la un comportament neliniar.
De ce sunt obiectele neliniare provocatoare?
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 vibrații poate prezenta armonici mai mari (multiplii frecvenței de rotație) și subarmonici (fracții ale frecvenței de rotație), indicând efecte neliniare.
- 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.
Neliniaritatea introduce multe variabile în procesul de echilibrare. Pentru o funcționare cu succes sunt necesare mai multe măsurători și analize 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.
Reprezentarea grafică a neliniarității
Pe un grafic al vibrației versus dezechilibru, neliniaritatea este evidentă în abaterile de la o linie dreaptă. Graficul poate prezenta curburi, curbură, bucle de histerezis și alte caracteristici care indică o relație complexă între dezechilibru și vibrație.
Graficul 2. Obiect neliniar
50 g; 40μm (galben),
100g; 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 joc la 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 din cauciuc, pot prezenta caracteristici neliniare, afectând dinamica rotorului.
Tipuri de neliniaritate
1. Neliniaritate Soft-Stiff
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 le poate amplifica în altul.
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 presupune reducerea treptată a dezechilibrului prin instalarea unor greutăți corective în fiecare etapă. După fiecare etapă, se fac măsurători ale vibrațiilor și se determină o nouă greutate corectivă pe baza stării curente a obiectului. Această abordare ține cont de modificările coeficientului de influență în timpul procesului de echilibrare. - Echilibrare la mai multe viteze:
Această metodă abordează efectele fenomenelor de rezonanță la diferite viteze de rotație. Echilibrarea se realizează la mai multe viteze aproape de rezonanță, permițând o reducere mai uniformă a vibrațiilor pe întregul interval de viteză de funcționare. - 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 cu experiență poate recunoaște semnele de neliniaritate, poate selecta o metodă adecvată și o poate adapta la situația specifică. Analizarea spectrelor de vibrații, observarea modificărilor vibrațiilor pe măsură ce variază parametrii de funcționare ai obiectului și luarea în considerare a caracteristicilor de proiectare ale rotorului, toate 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 întrebare bună. Metoda mea personală de echilibrare a unor astfel de obiecte începe cu repararea mecanismului: înlocuirea rulmenților, fisurile de sudură, strângerea șuruburilor, verificarea ancorelor sau a izolatorilor de vibrații și verificarea faptului că rotorul nu se freacă de elementele structurale staționare.
În continuare, identific frecvențele de rezonanță, deoarece este imposibil să echilibrezi un rotor la viteze apropiate de rezonanță. Pentru a face acest lucru, folosesc metoda impactului pentru determinarea rezonanței sau un grafic de declinare a rotorului.
Apoi, determin poziția senzorului pe mecanism: vertical, orizontal sau în unghi.
După încercări, dispozitivul indică unghiul și greutatea sarcinilor corective. Înjumătățim greutatea sarcinii corective, dar folosesc unghiurile sugerate de dispozitiv pentru plasarea rotorului. Dacă vibrația reziduală după corecție depășește în continuare nivelul acceptabil, efectuez o altă funcționare a rotorului. Desigur, acest lucru necesită 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.
RO 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RU 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
HI 
VI
0 Comentarii