Înțelegerea dezechilibrului (dezbalansării) în mașinile rotative
Dezechilibru — se folosește în mod interschimbabil cu dezechilibru — este starea în care un rotor al cărui centru de masă nu coincide cu axa sa de rotație. Masa este distribuită inegal în jurul axului, astfel încât, atunci când rotorul se rotește, masa descentrată generează o forță centrifugă netă care îndepărtează rotorul de centrul său și face ca întreaga mașină să vibreze. Această deplasare a centrului de masă al rotorului față de centrul geometric poartă numele de excentricitate, iar vibrațiile pe care le produce fac ca dezechilibrul să fie cea mai frecventă defecțiune la mașinile rotative — și, de obicei, prima pe care o verifică un specialist în diagnosticare.
1. Definiție: Ce determină forța
Forța care produce mișcarea este forța centrifugă: F = m·r·ω², unde m·r este dezechilibrul (masa deplasată înmulțită cu raza sa) și ω este viteza unghiulară. Din aceasta decurg imediat două consecințe. În primul rând, forța se rotește odată cu arborele, astfel încât exercită o presiune asupra rulmenților o dată la fiecare rotație. În al doilea rând, aceasta variază proporțional cu viteza la pătrat — un rotor care se comportă bine când este rotit încet cu mâna poate deveni extrem de solicitant la turație maximă, motiv pentru care cerințele privind calitatea echilibrului devin mult mai stricte pe măsură ce viteza de funcționare crește. Dezechilibrul se cuantifică ca produsul dintre masă și rază, exprimat de obicei în grame-milimetri (g·mm), deoarece atât masa deplasată față de centru, cât și distanța acesteia față de axă determină forța.
2. Diagnosticarea dezechilibrului: semnătura clasică
Dezechilibrul este relativ ușor de identificat, deoarece semnătura sa de vibrații este atât de consecventă — unul dintre principalele motive pentru care reprezintă punctul de plecare firesc în analiza vibrațiilor:
- Frecvență: vibrația se situează exact la 1× viteza de rotație (adică viteză de funcționare). Măriți sau reduceți turația mașinii, iar valoarea maximă se adaptează perfect.
- Direcție: energia este predominant de tip radial — pe orizontală și pe verticală — de obicei cu vibrații reduse de tip axial (de împingere).
- Amplitudine: proporțională cu pătratul vitezei de rotație, astfel încât dublarea vitezei determină aproximativ o creștere de patru ori a forței de dezechilibru și a vibrațiilor rezultate.
- Faza: 1× fază — citirea este stabilă și repetabilă, ceea ce face ca punctul greu să poată fi localizat.
Deoarece un vârf dominant de 1× poate apărea și din nealiniere, a arbore îndoit sau rezonanță, un analist atent confirmă dezechilibrul prin întreg tiparul: 1× ridicat, puține armonice, energie predominant radială și o fază stabilă. O componentă 2× de mare amploare, în schimb, indică o posibilă nealiniere sau joc mecanic.
3. Cele trei tipuri de dezechilibru
Dezechilibru static
Denumit și „dezechilibru de forțe”, acesta este cel mai simplu tip, în care masa este deplasată într-un singur plan — imaginați-vă un punct mai greu pe un disc subțire. Este „static” deoarece se manifestă în repaus: echilibrat pe muchii de cuțit fără frecare, rotorul se rostogolește până când punctul mai greu ajunge în partea de jos. O singură greutate plasată la 180° față de punctul mai greu corectează acest lucru, ceea ce ține de echilibrare pe un singur plan.
Dezechilibru în cuplu
Două puncte de greutate egale situate la capetele opuse ale rotorului, la o distanță de 180°, se anulează reciproc ca forță netă, dar formează un cuplu — un moment de balansare care răsucește rotorul cap-coadă. Un astfel de rotor este echilibrat static (nu se va rostogoli pe muchii ascuțite), dar vibrează puternic în timpul funcționării, fiind necesare două greutăți de corecție amplasate în două planuri distincte pentru a anula acest moment.
Dezechilibru dinamic
Dezechilibrul dinamic, o problemă întâlnită la aproape toate utilajele reale, combină efectele statice cu cele de cuplu. Remedierea acestuia necesită modificări ale masei în cel puțin două planuri de-a lungul rotorului — echilibrare dinamică (pe două planuri). În cazul în care componentele statice și de cuplu se aliniază din punct de vedere unghiular, acest caz special se numește dezechilibru cvasistatic.
4. Cauze frecvente
Dezechilibrul poate apărea încă din faza de fabricație sau se poate manifesta în timpul funcționării. Printre sursele frecvente se numără:
- Defectele de fabricație: porozitatea pieselor turnate, densitatea neuniformă a materialului și toleranțele de prelucrare.
- Erori de asamblare: componente montate incorect, șuruburi strânse inegal sau chei nealiniate.
- Uzură și deteriorare: eroziune neuniformă, coroziune sau uzură pe paletele ventilatoarelor și, la pompe, pe rotoare.
- Acumularea de material: murdăria, praful sau produsele care se acumulează pe rotoarele ventilatoarelor, suflantelor și centrifugelor.
- Defecțiune a unei componente: o greutate de echilibrare aruncată sau o lamă ruptă provoacă instantaneu un dezechilibru grav.
5. De ce este esențial să corectăm dezechilibrele
Funcționarea unei mașini cu un dezechilibru semnificativ duce la deteriorarea treptată a acesteia, deoarece forța ciclică solicită structura la fiecare rotație:
- Defecțiunea prematură a rulmentului: rulmenții sunt supuși unor sarcini dinamice mari și se uzează rapid.
- Oboseală și fisurare: solicitările repetate produc deteriorări de oboseală în arbore, în fundație și în piesele învecinate.
- Eficiență redusă: energia se pierde sub formă de vibrații și căldură, în loc să fie transformată în energie utilă.
- Riscuri de siguranță: în cazuri extreme, un dezechilibru grav poate duce la o defecțiune catastrofală.
6. Corectarea dezechilibrelor pe teren
Dezechilibrul se remediază printr-o procedură sistematică de echilibrare — una dintre cele mai eficiente măsuri individuale pentru îmbunătățirea fiabilității utilajelor. Obiectivul nu este eliminarea completă a dezechilibrului, ci menținerea unui dezechilibru rezidual mic și bine definit, în limitele de toleranță. Limitele acceptate provin din sistemul Grad G al ISO 21940-11 (care a înlocuit vechiul standard ISO 1940-1); vibrația rezultată este apoi evaluată în raport cu limitele de severitate prevăzute în ISO 20816 (succesorul actual al standardului ISO 10816). Un Calculator de dezechilibru rezidual (ISO 21940-11) convertește gratuit o clasă de calitate aleasă și o viteză de funcționare în valoarea admisibilă a g·mm pe plan.
În cazul unei mașini asamblate, lucrările se efectuează la fața locului, nu într-o mașină de echilibrat. Un analizor portabil cu două canale, precum Balanset-1A măsoară amplitudinea și faza la 1×, determină coeficienți de influență de la un greutate de probă, calculând masa și unghiul la care se montează greutatea de corecție pe unul sau două planuri, prin echilibrarea la fața locului. Deoarece funcționează în rulmenții proprii ai mașinii la viteza de funcționare, acesta corectează dezechilibrul și verifică dacă dezechilibrul rezidual se încadrează în clasa ISO aleasă.
