Partea I: Fundamentele teoretice și de reglementare ale echilibrării dinamice

Echilibrarea dinamică în câmp este una dintre operațiunile cheie în tehnologia de reglare a vibrațiilor, menită să prelungească durata de viață a echipamentelor industriale și să prevină situațiile de urgență. Utilizarea instrumentelor portabile, cum ar fi Balanset-1A, permite efectuarea acestor operațiuni direct la locul de operare, reducând la minimum timpii de nefuncționare și costurile asociate cu demontarea. Cu toate acestea, o echilibrare reușită necesită nu numai capacitatea de a lucra cu instrumentul, ci și o înțelegere profundă a proceselor fizice care stau la baza vibrațiilor, precum și cunoașterea cadrului de reglementare care reglementează calitatea lucrărilor.

Principiul metodologiei se bazează pe instalarea unor greutăți de probă și calcularea coeficienților de influență a dezechilibrului. Simplu spus, instrumentul măsoară vibrațiile (amplitudinea și faza) unui rotor în rotație, după care utilizatorul adaugă secvențial greutăți de probă mici în planuri specifice pentru a „calibrea” influența masei suplimentare asupra vibrațiilor. Pe baza modificărilor amplitudinii și fazei vibrațiilor, instrumentul calculează automat masa necesară și unghiul de instalare a greutăților corective pentru a elimina dezechilibrul.

Această abordare implementează așa-numitul metoda cu trei runde Pentru echilibrarea pe două planuri: măsurare inițială și două rulări cu greutăți de probă (câte una în fiecare plan). Pentru echilibrarea pe un singur plan, două rulări sunt de obicei suficiente - fără greutate și cu o greutate de probă. În instrumentele moderne, toate calculele necesare sunt efectuate automat, simplificând semnificativ procesul și reducând cerințele de calificare a operatorului.

Secțiunea 1.1: Fizica dezechilibrului: Analiză aprofundată

În centrul oricărei vibrații a unui echipament rotativ se află dezechilibrul sau neechilibrul. Dezechilibrul este o condiție în care masa rotorului este distribuită neuniform față de axa sa de rotație. Această distribuție neuniformă duce la apariția forțelor centrifuge, care la rândul lor provoacă vibrații ale suporturilor și ale întregii structuri a mașinii. Consecințele unui dezechilibru nereparat pot fi catastrofale: de la uzura prematură și distrugerea rulmenților până la deteriorarea fundației și a mașinii în sine. Pentru o diagnosticare și eliminare eficientă a dezechilibrului, este necesar să se distingă clar tipurile acestuia.

Tipuri de dezechilibru

Dezechilibru static (un singur plan): Acest tip de dezechilibru este caracterizat prin deplasarea centrului de masă al rotorului paralel cu axa de rotație. Într-o stare statică, un astfel de rotor, instalat pe prisme orizontale, se va roti întotdeauna cu partea grea în jos. Dezechilibrul static este dominant pentru rotoarele subțiri, în formă de disc, unde raportul lungime-diametru (L/D) este mai mic de 0,25, de exemplu, pietrele abrazive sau rotoarele înguste ale ventilatorului. Eliminarea dezechilibrului static este posibilă prin instalarea unei greutăți corective într-un plan de corecție, diametral opus punctului greu.

Dezechilibru de cuplu (moment): Acest tip apare atunci când axa principală de inerție a rotorului intersectează axa de rotație în centrul de masă, dar nu este paralelă cu acesta. Dezechilibrul cuplului poate fi reprezentat ca două mase dezechilibrate egale ca mărime, dar cu direcții opuse, situate în plane diferite. Într-o stare statică, un astfel de rotor este în echilibru, iar dezechilibrul se manifestă doar în timpul rotației sub formă de „balansare” sau „oscilare”. Pentru a-l compensa, este necesară instalarea a cel puțin două greutăți corective în două plane diferite, creând un moment compensator.

Dezechilibru dinamic: Acesta este cel mai frecvent tip de dezechilibru în condiții reale, reprezentând o combinație de dezechilibre statice și de cuplu. În acest caz, axa centrală principală de inerție a rotorului nu coincide cu axa de rotație și nu o intersectează în centrul de masă. Pentru a elimina dezechilibrul dinamic, este necesară corecția masei în cel puțin două plane. Instrumentele cu două canale, cum ar fi Balanset-1A, sunt concepute special pentru a rezolva această problemă.

Dezechilibru cvasistatic: Acesta este un caz special de dezechilibru dinamic în care axa principală de inerție intersectează axa de rotație, dar nu la nivelul centrului de masă al rotorului. Aceasta este o distincție subtilă, dar importantă, pentru diagnosticarea sistemelor rotorice complexe.

Rotoare rigide și flexibile: Distincție critică

Unul dintre conceptele fundamentale în echilibrare este distincția dintre rotoarele rigide și cele flexibile. Această distincție determină însăși posibilitatea și metodologia unei echilibrări reușite.

Rotor rigid: Un rotor este considerat rigid dacă frecvența sa de rotație de funcționare este semnificativ mai mică decât prima sa frecvență critică și nu suferă deformări elastice (devieri) semnificative sub acțiunea forțelor centrifuge. Echilibrarea unui astfel de rotor se realizează de obicei cu succes în două plane de corecție. Instrumentele Balanset-1A sunt concepute în principal pentru lucrul cu rotoare rigide.

Rotor flexibil: Un rotor este considerat flexibil dacă funcționează la o frecvență de rotație apropiată de una dintre frecvențele sale critice sau dacă o depășește. În acest caz, deformarea elastică a arborelui devine comparabilă cu deplasarea centrului de masă și contribuie ea însăși semnificativ la vibrația generală.

Înainte de începerea lucrului, este extrem de important să se clasifice rotorul prin corelarea vitezei sale de funcționare cu frecvențele critice cunoscute (sau calculate). Dacă este imposibil să se ocolească rezonanța, se recomandă modificarea temporară a condițiilor de montare ale unității în timpul echilibrării pentru a deplasa rezonanța.

Secțiunea 1.2: Cadrul de reglementare: Standarde ISO

Standardele în domeniul echilibrării îndeplinesc mai multe funcții cheie: stabilesc o terminologie tehnică unificată, definesc cerințele de calitate și, important, servesc drept bază pentru compromisul dintre necesitatea tehnică și fezabilitatea economică.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Cerințe de calitate pentru echilibrarea rotoarelor rigide

Acest standard este documentul fundamental pentru determinarea dezechilibrului rezidual admisibil. Introduce conceptul de grad de calitate a echilibrării (G), care depinde de tipul mașinii și de frecvența de rotație a acesteia.

Grad de calitate G: Fiecare tip de echipament corespunde unui grad specific de calitate care rămâne constant indiferent de viteza de rotație. De exemplu, gradul G6.3 este recomandat pentru concasoare, iar G2.5 pentru armăturile și turbinele motoarelor electrice.

Calculul dezechilibrului rezidual admisibil (U_pe): Standardul permite calcularea unei valori specifice admisibile a dezechilibrului care servește drept indicator țintă în timpul echilibrării. Calculul se efectuează în două etape:

1. Determinarea dezechilibrului specific admisibil (e_pe) folosind formula:
   e per = (G × 9549) / n
   unde G este gradul de calitate al echilibrării (de exemplu, 2,5), n este frecvența de rotație de funcționare, rpm. Unitatea de măsură pentru e_pe este g·mm/kg sau μm.
2. Determinarea dezechilibrului rezidual admisibil (U_pe) pentru întregul rotor:
   U per = e per × M
   unde M este masa rotorului, în kg. Unitatea de măsură pentru U_pe este g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Echilibrul pe loc

Acest standard reglementează direct procesul de echilibrare a câmpului.

Avantaje: Principalul avantaj al echilibrării pe loc este că rotorul este echilibrat în condiții reale de funcționare, pe suporturile sale și sub sarcină. Acest lucru ia în considerare automat proprietățile dinamice ale sistemului de susținere și influența componentelor trenului de arbori conectate.

Dezavantaje și limitări:

• Acces limitat: Adesea, accesul la planurile de corecție de pe o mașină asamblată este dificil, limitând posibilitățile de instalare a greutății.
• Nevoie de teste: Procesul de echilibrare necesită mai multe cicluri de "pornire-oprire" ale mașinii.
• Dificultăți cu dezechilibru sever: În cazurile unui dezechilibru inițial foarte mare, limitările privind selecția planului și masa corectivă pot să nu permită obținerea calității de echilibrare necesare.

Partea a II-a: Ghid practic pentru echilibrarea cu instrumente Balanset-1A

Succesul echilibrării depinde de temeinicia lucrărilor pregătitoare. Majoritatea defecțiunilor nu sunt legate de funcționarea defectuoasă a instrumentului, ci de ignorarea factorilor care afectează repetabilitatea măsurătorilor. Principiul principal de pregătire este de a exclude toate celelalte surse posibile de vibrații, astfel încât instrumentul să măsoare doar efectul dezechilibrului.

Secțiunea 2.1: Fundamentele succesului: Diagnosticare pre-echilibrare și pregătirea mașinii

Pasul 1: Diagnosticarea primară a vibrațiilor (Este într-adevăr un dezechilibru?)

Înainte de echilibrare, este util să efectuați o măsurare preliminară a vibrațiilor în modul vibrometru. Software-ul Balanset-1A are un mod "Vibration Meter" (butonul F5) în care puteți măsura vibrațiile generale și separat ale componentei la frecvența de rotație (1×) înainte de a instala greutăți.

Semn clasic de dezechilibru: Spectrul de vibrații ar trebui să fie dominat de un vârf la frecvența de rotație a rotorului (vârf la frecvența de 1x RPM). Amplitudinea acestei componente în direcții orizontale și verticale ar trebui să fie comparabilă, iar amplitudinile altor armonice ar trebui să fie semnificativ mai mici.

Semne ale altor defecte: Dacă spectrul conține vârfuri semnificative la alte frecvențe (de exemplu, 2x, 3x RPM) sau la frecvențe care nu sunt multiple, acest lucru indică prezența altor probleme care trebuie eliminate înainte de echilibrare.

Pasul 2: Inspecție mecanică completă (listă de verificare)

• Rotor: Curățați temeinic toate suprafețele rotorului de murdărie, rugină și produs lipit. Chiar și o cantitate mică de murdărie pe o rază mare creează un dezechilibru semnificativ. Verificați dacă nu există elemente sparte sau lipsă.
• Rulmenți: Verificați ansamblurile rulmenților pentru joc excesiv, zgomote parazite și supraîncălzire. Rulmenții uzați nu vor permite obținerea unor citiri stabile.
• Fundație și cadru: Asigurați-vă că unitatea este instalată pe o fundație rigidă. Verificați strângerea șuruburilor de ancorare, absența fisurilor în cadru.
• Conduce: Pentru transmisiile cu curea, verificați tensiunea și starea curelei. Pentru conexiunile cuplajului - alinierea arborelui.
• Siguranță: Asigurați prezența și funcționalitatea tuturor dispozitivelor de protecție.

Secțiunea 2.2: Configurarea și configurarea instrumentului

Instalare hardware

Senzori de vibrații (accelerometre):

• Conectați cablurile senzorilor la conectorii corespunzători ai instrumentului (de exemplu, X1 și X2 pentru Balanset-1A).
• Instalați senzorii pe carcasele rulmenților cât mai aproape de rotor.
• Practică cheie: Pentru a obține un semnal maxim, senzorii trebuie instalați în direcția în care vibrațiile sunt maxime. Folosiți o bază magnetică puternică sau un suport filetat pentru a asigura un contact rigid.

Senzor de fază (tahometru laser):

• Conectați senzorul la intrarea specială (X3 pentru Balanset-1A).
• Atașați o bucată mică de bandă reflectorizantă pe ax sau pe altă parte rotativă a rotorului.
• Instalați tahometrul astfel încât fasciculul laser să lovească stabil marcajul pe întreaga rotație.

Configurare software (Balanset-1A)

• Lansați software-ul (ca administrator) și conectați modulul de interfață USB.
• Accesați modulul de echilibrare. Creați o nouă înregistrare pentru unitatea care este echilibrată.
• Selectați tipul de echilibrare: pe 1 plan (static) pentru rotoare înguste sau pe 2 planuri (dinamic) pentru majoritatea celorlalte cazuri.
• Definiți planurile de corecție: alegeți locurile de pe rotor unde greutățile corective pot fi instalate în siguranță.

Secțiunea 2.3: Procedura de echilibrare: Ghid pas cu pas

Rularea 0: Măsurarea inițială

• Porniți mașina și aduceți-o la o viteză de funcționare stabilă. Este extrem de important ca viteza de rotație să fie aceeași în toate rulările ulterioare.
• În program, începeți măsurarea. Instrumentul va înregistra valorile inițiale ale amplitudinii și fazei vibrațiilor.

Rula 1: Greutate de probă în planul 1

• Oprește mașina.
• Selectarea greutății de probă: Masa greutății de probă trebuie să fie suficientă pentru a provoca o modificare vizibilă a parametrilor de vibrație (o modificare a amplitudinii de cel puțin 20-30% SAU o modificare de fază de cel puțin 20-30 de grade).
• Instalarea greutății de probă: Fixați în siguranță greutatea de probă cântărită la o rază cunoscută în planul 1. Înregistrați poziția unghiulară.
• Porniți mașina la aceeași viteză stabilă.
• Efectuați a doua măsurătoare.
• Opriți mașina și ÎNDEPĂRTAȚI greutatea de probă.

Rula 2: Greutate de probă în planul 2 (pentru echilibrarea pe 2 planuri)

• Repetați exact procedura de la pasul 2, dar instalați greutatea de probă în planul 2.
• Pornire, măsurare, oprire și ÎNDEPĂRTAȚI greutatea de probă.

Calculul și instalarea greutăților corective

• Pe baza modificărilor vectoriale înregistrate în timpul rulărilor de probă, programul va calcula automat masa și unghiul de instalare al greutății corective pentru fiecare plan.
• Unghiul de instalare se măsoară de obicei de la locația greutății de probă în direcția de rotație a rotorului.
• Atașați în siguranță greutăți corective permanente. Când utilizați sudarea, rețineți că și sudura în sine are masă.

Rula 3: Măsurare de verificare și echilibrare fină

• Porniți din nou mașina.
• Efectuați o măsurătoare de control pentru a evalua nivelul vibrațiilor reziduale.
• Comparați valoarea obținută cu toleranța calculată conform ISO 1940-1.
• Dacă vibrațiile depășesc în continuare toleranța, instrumentul va calcula o mică corecție "fină" (de ajustare).
• După finalizare, salvați raportul și coeficienții de influență pentru o posibilă utilizare ulterioară.

Partea a III-a: Rezolvarea și depanarea avansată a problemelor

Această secțiune este dedicată celor mai complexe aspecte ale echilibrării câmpului - situații în care procedura standard nu produce rezultate.

Secțiunea 3.1: Diagnosticarea și depășirea instabilității măsurătorilor

Simptom: În timpul măsurătorilor repetate în condiții identice, citirile de amplitudine și/sau fază se modifică semnificativ („flotare”, „salt”). Acest lucru face imposibil calculul corecției.

Cauza de bază: Instrumentul nu funcționează defectuos. Acesta raportează cu precizie că răspunsul vibrațional al sistemului este instabil și imprevizibil.

Algoritm de diagnostic sistematic:

• Slăbire mecanică: Aceasta este cea mai frecventă cauză. Verificați strângerea șuruburilor de montare a carcasei rulmentului, a șuruburilor de ancorare a cadrului. Verificați dacă există fisuri în fundație sau cadru.
• Defecte ale rulmenților: Jocul intern excesiv al rulmenților sau uzura carcasei rulmentului permite arborelui să se miște haotic în interiorul suportului.
• Instabilitate legată de proces:
  • Aerodinamic (ventilatoare): Fluxul de aer turbulent, separarea fluxului de la pale pot provoca efecte de forță aleatorii.
  • Hidraulice (pompe): Cavitația creează șocuri hidraulice puternice, aleatorii, care maschează semnalul periodic cauzat de dezechilibru.
  • Mișcare internă a masei (concasoare, mori): Materialul se poate redistribui în interiorul rotorului, acționând ca un "dezechilibru mobil".
• Rezonanţă: Dacă viteza de funcționare este foarte apropiată de frecvența naturală a structurii, chiar și mici variații de viteză provoacă modificări uriașe ale amplitudinii și fazei vibrațiilor.
• Efecte termice: Pe măsură ce mașina se încălzește, dilatarea termică poate provoca îndoirea arborelui sau modificări de aliniere.

Secțiunea 3.2: Când echilibrarea nu ajută: Identificarea defectelor radiculare

Simptom: Procedura de echilibrare a fost efectuată, valorile sunt stabile, dar vibrațiile finale rămân ridicate.

Utilizarea analizorului de spectru pentru diagnostic diferențial:

• Dealinierea arborelui: Semnul principal - vârf de vibrație ridicat la o frecvență de 2x RPM. Vibrațiile axiale ridicate sunt caracteristice.
• Defecte ale rulmenților: Se manifestă ca vibrații de înaltă frecvență la frecvențe caracteristice "de rulment" (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Arcul arborelui: Se manifestă ca un vârf ridicat la 1x RPM, dar adesea însoțit de o componentă vizibilă la 2x RPM.
• Probleme electrice (motoare electrice): Asimetria câmpului magnetic poate provoca vibrații la o frecvență dublă față de cea de alimentare (100 Hz pentru o rețea de 50 Hz).

Erori frecvente de echilibrare și sfaturi de prevenire

• Echilibrarea unui rotor defect sau murdar: Verificați întotdeauna starea mecanismului înainte de echilibrare.
• Greutate de probă prea mică: Urmăriți regula de modificare a vibrațiilor 20-30%.
• Nerespectarea constanței regimului: Mențineți întotdeauna o viteză de rotație stabilă și identică în timpul tuturor măsurătorilor.
• Erori de fază și marcaj: Monitorizați cu atenție determinarea unghiului. Unghiul greutății corective este de obicei măsurat din poziția greutății de probă în direcția de rotație.
• Prindere incorectă sau pierdere a greutăților: Respectați cu strictețe metodologia - dacă este necesară îndepărtarea greutății de probă, îndepărtați-o.

Echilibrarea standardelor de calitate

Partea a IV-a: Întrebări frecvente și note de aplicare

Secțiunea 4.1: Întrebări frecvente generale (FAQ)

Când se folosește echilibrarea pe un plan și când pe două planuri?
Utilizați echilibrarea pe un singur plan (statică) pentru rotoare înguste, în formă de disc (raportul L/D < 0,25). Se utilizează echilibrarea pe 2 planuri (dinamică) pentru practic toate celelalte rotoare, în special cu L/D > 0.25.

Ce trebuie făcut dacă greutatea de probă a cauzat o creștere periculoasă a vibrațiilor?
Opriți imediat mașina. Aceasta înseamnă că greutatea de probă a fost instalată aproape de punctul de greutate existent. Soluția: mutați greutatea de probă la 180 de grade față de poziția inițială.

Pot fi utilizați coeficienții de influență salvați pentru o altă mașină?
Da, dar numai dacă cealaltă mașină este absolut identică - același model, același rotor, aceeași fundație, aceleași rulmenți. Orice modificare a rigidității structurale le va invalida.

Cum se iau în considerare canalele de pană? (ISO 8821)
Practica standard este de a utiliza o "jumătate de pană" în canelura arborelui atunci când se echilibrează fără piesa de cuplare. Aceasta compensează masa acelei părți a panei care umple canelura de pe arbore.

Secțiunea 4.2: Ghid de echilibrare pentru tipuri specifice de echipamente

Ventilatoare industriale și evacuatoare de fum:

• Problemă: Cel mai susceptibil la dezechilibru din cauza acumulării de produs pe lame sau a uzurii abrazive.
• Procedura: Curățați întotdeauna temeinic rotorul înainte de a începe lucrul. Acordați atenție forțelor aerodinamice care pot cauza instabilitate.

Pompe:

• Problemă: Principalul inamic - cavitația.
• Procedura: Înainte de echilibrare, asigurați o marjă de cavitație suficientă la intrare (NPSHa). Verificați dacă conducta de aspirație nu este înfundată.

Concasoare, tocatoare și tocătoare:

• Problemă: Uzură extremă, posibilitatea unor modificări mari ale dezechilibrului din cauza ruperii sau uzurii ciocanului.
• Procedura: Verificați integritatea și fixarea elementelor de lucru. Poate fi necesară ancorarea suplimentară a cadrului mașinii.

Armături pentru motoare electrice:

• Problemă: Poate avea atât surse de vibrații mecanice, cât și electrice.
• Procedura: Folosește un analizor de spectru pentru a verifica dacă există vibrații la o frecvență dublă față de cea de alimentare. Prezența lor indică o defecțiune electrică, nu un dezechilibru.

Concluzie

Echilibrarea dinamică a rotoarelor la locul lor folosind instrumente portabile precum Balanset-1A este un instrument puternic pentru creșterea fiabilității și eficienței funcționării echipamentelor industriale. Cu toate acestea, succesul acestei proceduri nu depinde atât de instrumentul în sine, cât de calificarea specialistului și de capacitatea de a aplica o abordare sistematică.

Principii cheie:

• Pregătirea determină rezultatul: Curățarea temeinică a rotorului, verificarea stării rulmenților și a fundației și diagnosticarea preliminară a vibrațiilor sunt condiții obligatorii pentru o echilibrare reușită.
• Respectarea standardelor este baza calității: Aplicarea standardului ISO 1940-1 transformă evaluarea subiectivă într-un rezultat obiectiv, măsurabil și semnificativ din punct de vedere juridic.
• Instrumentul nu este doar un echilibrator, ci și un instrument de diagnosticare: Incapacitatea de a se echilibra sau instabilitatea în citire sunt semne diagnostice importante care indică probleme mai grave.
• Înțelegerea fizicii proceselor este esențială pentru rezolvarea sarcinilor non-standard: Cunoașterea diferențelor dintre rotoarele rigide și cele flexibile, înțelegerea influenței rezonanței permite specialiștilor să ia decizii corecte.

Respectarea recomandărilor prezentate în acest ghid va permite specialiștilor tehnici nu numai să facă față cu succes sarcinilor tipice, ci și să diagnosticheze și să rezolve eficient probleme complexe, non-triviale, legate de vibrațiile echipamentelor rotative.