Înțelegerea echilibrării pe două planuri
Echilibrarea pe două planuri este un echilibrare dinamică procedură în care ponderi de corecție sunt dispuse pe două planuri distincte de-a lungul rotorului pentru a elimina atât dezechilibru static și dezechilibrul cuplului în același timp. Aceasta este metoda standard pentru marea majoritate a mașinilor industriale rotative — orice rotor a cărui lungime axială este comparabilă cu diametrul său sau mai mare decât acesta. Spre deosebire de echilibrare pe un singur plan, care corectează doar deplasarea centrului de masă al rotorului, echilibrarea în două planuri abordează atât deplasarea forță centrifugă și momentul care face ca un rotor să se balanseze sau să se clatine în jurul centrului său.
1. Definiție: De ce două planuri?
Orice rotor rigid dezechilibra poate fi descompus în două componente independente. Dezechilibru static este un punct de greutate netă al cărui centru de masă este deplasat față de axa arborelui; acesta generează o forță în fază la ambii rulmenți și ar fi vizibil chiar și dacă rotorul ar fi echilibrat pe muchii ascuțite fără să se rotească. Dezechilibru de cuplu este o pereche de puncte de greutate egale, situate la 180° distanță una de cealaltă, la capetele opuse ale rotorului: aceasta nu produce nicio deplasare netă a centrului de masă, fiind astfel invizibilă în stare statică, însă la viteză mare generează un moment de balansare care determină defazarea celor doi rulmenți unul față de celălalt.
Un singur plan de corecție poate anula doar componenta statică. Pentru a anula un cuplu, sunt necesare două corecții care, împreună, formează un moment opus — iar acest lucru, prin definiție, necesită două planuri. Deoarece rotoarele reale prezintă o combinație arbitrară de dezechilibru static și de cuplu (o stare denumită adesea dezechilibru cvasistatic (atunci când cele două sunt combinate), două planuri de corecție reprezintă minimul necesar pentru a descrie și corecta pe deplin un rotor rigid vibrații.
2. Când este necesară echilibrarea pe două planuri?
Alegeți două planuri ori de câte ori se îndeplinește una dintre următoarele condiții:
Rotori lungi sau subțiri
Ca regulă generală, orice rotor cu un raport lungime-diametru mai mare de aproximativ 0,5 până la 1,0 trebuie echilibrat în două planuri. Printre exemple tipice se numără:
- Armături pentru motoare electrice
- Arborii pompei și compresorului
- Rotoare de ventilatoare multietajate
- Arbori de transmisie și cuplaje
- Axe și scule rotative
- Rotoare de turbină
Un disc îngust — o roată abrazivă, o singură roată de transmisie, un volant subțire — se află la celălalt extrem și poate fi de obicei corectat într-un singur plan, deoarece este prea scurt pentru a susține un cuplu semnificativ.
Dezechilibru de cuplu vizibil
Când valoarea măsurată este de 1× fază la cele două suporturi de rulment există o diferență semnificativă de fază — cu o diferență de aproape 180°, ceea ce indică o mișcare de balansare sau înclinare — există un dezechilibru de cuplu, iar acesta poate fi eliminat doar printr-o corecție în două planuri.
Când echilibrarea pe un singur plan nu este suficientă
Un indiciu clasic de diagnostic: o ajustare pe un singur plan reduce vibrațiile la unul dintre rulmenți, dar le amplifică la celălalt. Acest compromis este semnul distinctiv al unui cuplu necorectat și indică necesitatea unui al doilea plan de ajustare.
Rotori rigizi cu masă distribuită
Chiar și un rotor rigid care funcționează cu mult sub prima sa viteză critică beneficiază de două planuri dacă masa sa este distribuită pe o lungime axială considerabilă, asigurând reducerea la minimum a vibrațiilor la fiecare rulment, nu doar la unul singur.
3. Procedura de echilibrare în două planuri
Echilibrarea pe două planuri este mai complexă decât cea pe un singur plan, deoarece o corecție în oricare dintre planuri modifică vibrația la ambele rulmenți. Soluția acceptată este aceea metoda coeficientului de influență, aplicată cu două greutăți de probă de-a lungul unei secvențe de serii de măsurători.
Pasul 1 — Măsurarea inițială
Porniți mașina la turația de echilibrare selectată și înregistrați vectorii inițiali de vibrație 1× (amplitudine și fază) la ambii rulmenți. Denumiți-i „Rulment 1” și „Rulment 2”. Această pereche surprinde efectul combinat al tuturor dezechilibrelor din rotor.
Etapa 2 - Definirea planurilor de corecție
Selectați două planuri de corecție unde se poate adăuga sau elimina masă. Amplasați-le la o distanță cât mai mare una de alta și într-un loc cât mai accesibil — de obicei lângă capetele rotorului, la flanșele de cuplare sau la butucurile ventilatoarelor. O distanță mare între planuri asigură o corecție a cuplului puternică și bine echilibrată.
Pasul 3 — Greutate de probă în planul 1
Opriți mașina și montați o greutate de probă cu masa cunoscută, la un unghi cunoscut, în primul plan. Porniți din nou mașina și înregistrați noile vibrații la ambii rulmenți. Vectorul schimbare la fiecare rulment se observă doi coeficienți de influență: efectul Planului 1 asupra Rulmentului 1 și al Planului 1 asupra Rulmentului 2.
Pasul 4 — Greutate de probă în planul 2
Scoateți prima greutate de testare, așezați o greutate de testare în al doilea plan, porniți sistemul și măsurați din nou. Astfel se obțin cei doi coeficienți rămași: Planul 2 pe Rulmentul 1 și Planul 2 pe Rulmentul 2.
Pasul 5 — Calculați corecțiile
Instrumentul conține acum patru coeficienți de influență complexi, dispuși sub forma unei matrice 2×2. Folosind matematică vectorială și prin inversarea matricei, aceasta rezolvă o pereche de ecuații simultane pentru a determina masa exactă și unghiul necesar în fiecare plan, astfel încât vibrațiile la ambii rulmenți să fie reduse simultan la zero. A calculator al coeficientului de influență pe un singur plan ilustrează aritmetica vectorială de bază pentru un singur plan; cazul cu două planuri o extinde pur și simplu la o matrice, în timp ce un calculator pentru greutatea de probă ajută la stabilirea unei mase inițiale de testare adecvate.
Pasul 6 — Instalare și verificare
Montați definitiv ambele greutăți calculate și efectuați o verificare prin rulare. Vibrațiile la ambii rulmenți ar trebui să se încadreze acum în limitele acceptabile. Dacă rămâne o mică vibrație reziduală, o scurtă echilibrare de finisare — reutilizarea coeficienților deja măsurați — permite obținerea unui rezultat mai precis fără a mai fi necesare alte încercări.
4. Explicația matricei coeficienților de influență
Puterea metodei rezidă în acea matrice 2×2, deoarece fiecare plan influențează ambele rulmenți:
- Efecte directe: o greutate din Planul 1 exercită cea mai puternică influență asupra Rulmentului 1 din apropiere, iar o greutate din Planul 2 asupra Rulmentului 2 din apropiere.
- Efectele de cuplare încrucișată: o greutate plasată în Planul 1 mișcă, de asemenea, Rulmentul 2 (de obicei, mai puțin intens), iar o greutate plasată în Planul 2 mișcă, de asemenea, Rulmentul 1.
Rezolvarea matricei ține cont simultan de toate cele patru interacțiuni, astfel încât cele două corecții se completează reciproc, în loc să se contrazică. Calculele manuale sunt extrem de dificile — o greșeală de semn sau o eroare de fază de un grad se propagă prin inversare — și tocmai de aceea un instrument specializat de echilibrare își dovedește utilitatea.
Pentru două plane (1, 2) și doi rulmenți (A, B), sistemul este VA = αA1·W1 + αA2·W2 și VB = αB1·W1 + αB2·W2, unde fiecare termen V, α și W este un vector complex (de amplitudine și fază). Programul de echilibrare inversează acest sistem 2×2 pentru a determina greutățile de corecție W1 și W2 care fac VA și VB să dispară.
5. Echilibrarea pe două planuri în teren
Echilibrarea pe două planuri este metoda obișnuită de echilibrarea la fața locului, iar acesta este exact scopul pentru care a fost conceput un analizor portabil cu două canale. Cu un instrument precum Balanset-1A, un tehnician montează un accelerometru la fiecare rulment se montează un senzor optic tahometru laser pentru referința de fază și parcurge direct cele șase etape de mai sus — rulare inițială, două rulări de probă, rezolvare, corectare, verificare — fără a demonta mașina sau a trimite rotor la un atelier de echilibrare. Deoarece lucrarea este efectuată in situ, în rulmenții proprii ai mașinii și la viteza reală de funcționare, rezultatul reflectă condițiile reale de instalare — rigiditatea rulmenților, flexibilitatea fundației, sarcinile termice și de proces — pe care un atelier mașină de echilibrat nu poate fi reprodus. Instrumentul verifică apoi rezultatul final dezechilibru rezidual în raport cu clasa ISO aleasă, înainte de semnarea raportului.
6. Avantajele echilibrării pe două planuri
- Corectare completă: elimină atât dezechilibrul static, cât și cel de cuplu, oferind o imagine completă a rotorului rigid.
- Reduce la minimum vibrațiile la toți rulmenții: optimizează întregul sistem al rotorului, nu doar o singură parte a acestuia.
- Prelungește durata de viață a componentelor: O vibrație mai redusă la ambele puncte de sprijin înseamnă o uzură mai mică a rulmenților, garniturilor și cuplajelor, precum și un risc mai mic de oboseală fisurare.
- Standardul din industrie: solicitat de mulți producători de echipamente și prevăzut în standardele tehnice pentru rotoarele rigide în ISO 21940-11 (succesorul actual al standardului ISO 1940-1).
- Potrivit pentru majoritatea mașinilor: este valabil pentru rotoarele rigide care funcționează sub prima lor viteză critică, ceea ce acoperă marea majoritate a echipamentelor industriale.
7. Poziția: pe un singur plan, pe două planuri și pe mai multe planuri
| Metodă | Planuri | Corectează | Rotor tipic |
|---|---|---|---|
| Plan unic | 1 | Numai static | Discuri subțiri, roți de transmisie înguste, ventilatoare simple |
| Două planuri | 2 | Static + cuplu | Majoritatea rotoarelor industriale rigide |
| Multi-plan | 3 sau mai multe | Static + cuplu + încovoiere modală | Rotori flexibili la turații superioare vitezei critice |
În comparație cu echilibrarea pe un singur plan, echilibrarea pe două planuri este mai complexă și durează mai mult, dar asigură o reducere mult mai eficientă a vibrațiilor pentru orice tip de rotor, cu excepția celor de tip disc cu lățime foarte redusă. La polul opus, un rotor flexibil în cazul în care se funcționează la o viteză sau mai multe viteze critice, poate fi necesară utilizarea a trei sau mai multe planuri — a se vedea echilibrarea pe mai multe planuri — însă pentru majoritatea utilajelor industriale, două planuri sunt pe deplin suficiente.
8. Provocări frecvente și soluții
Planuri de corecție inaccesibile
Provocare: pe o mașină asamblată, pozițiile ideale ale planurilor pot fi inaccesibile.
Soluție: folosiți orice element disponibil — butuci de cuplare, pale de ventilator, flanșe externe — și lăsați coeficienții instrumentului să compenseze geometria imperfectă, întrucât matricea este măsurată pe mașina propriu-zisă.
Răspuns slab la greutatea de probă
Provocare: dacă o greutate de probă abia modifică valorile afișate, coeficienții de influență devin zgomotoși, iar soluția devine nesigură.
Soluție: utilizați o masă de test mai mare sau mutați-o la o rază mai mare pentru a ridica efectul acesteia cu mult peste pragul de zgomot al măsurătorii.
Comportament neliniar
Provocare: rotoare cu joc mecanic, picior moale, sau în apropierea rezonanţă s-ar putea să nu răspundă liniar la greutăți — o condiție prealabilă pe care o presupune metoda.
Soluție: remediați mai întâi defecțiunile mecanice (strângeți elementele de fixare, corectați piciorul moale) și, acolo unde este posibil, efectuați echilibrarea departe de turațiile critice. Asigurați-vă că problema este într-adevăr un dezechilibru și nu nealiniere prefăcându-se a fi acesta.
