Инструкция по динамической балансировке вала: Статический против динамического, Полевые процедуры и стандарты ISO 21940

Что такое динамическая балансировка?

Каждая вращающаяся деталь — от ротора измельчителя весом 200 кг до шпинделя стоматологической бормашины весом 5 г — имеет некоторый остаточный дисбаланс. Производственные допуски, несоответствие материалов, коррозия и накопившиеся отложения смещают центр масс относительно геометрической оси вращения. В результате возникает центробежная сила, которая возрастает пропорционально квадрату скорости: удвоение частоты вращения приводит к учетверению силы.

Ротор, вращающийся со скоростью 3000 об/мин и имеющий всего 10 g дисбаланса на радиусе 150 мм, создает вращательную силу примерно в 150 Н — этого достаточно, чтобы разрушить подшипники за несколько недель. Динамическая балансировка снижает эту силу до уровня, установленного международными стандартами (ISO 21940-11, ранее ISO 1940), продлевая срок службы подшипников с месяцев до лет и сокращая время простоя, связанное с вибрацией.

Статический и динамический баланс

Одноплоскостная

Статический баланс

Центр тяжести ротора смещен относительно оси вращения. одна плоскость. При размещении на опорах с острыми краями, тяжелая сторона скатывается вниз — это можно заметить, даже не вращая.

Исправление: Добавить или удалить массу в одной угловой точке, противоположной точке наибольшего веса. Достаточно одной плоскости коррекции.

Применимо к: узкие дискообразные детали, у которых L/D ниже примерно 0.5 - маховики, шлифовальные круги, однодисковые рабочие колёса, пильные диски, тормозные диски.

Две плоскости

Динамический баланс

Два (или более) смещения массы находятся в разные плоскости вдоль длины ротора. Они могут статически компенсировать друг друга — ротор неподвижно стоит на острых гранях — но создают качающаяся пара при вращении. Эта пара колебаний не может быть обнаружена или скорректирована без вращения.

Исправление: Два компенсирующих груза расположены в двух отдельных плоскостях. Прибор вычисляет массу и угол для каждой плоскости на основе матрицы коэффициентов влияния.

Применимо к: удлиненные роторы — валы, вентиляторы с широкими рабочими колесами, роторы измельчителей, ролики, рабочие колеса многоступенчатых насосов, турбины.

Четыре типа дисбаланса

В стандарте ISO 21940-11 выделяют четыре основных типа дисбаланса. Понимание того, какой из них преобладает, помогает выбрать правильную стратегию балансировки.

На практике почти каждый ротор, с которым вы сталкиваетесь в полевых условиях, имеет динамический дисбаланс — сочетание силовых и моментных составляющих. Именно поэтому двухплоскостная балансировка является стандартной процедурой для любого ротора, кроме тонкого диска.

Когда следует использовать одноплоскостную, а когда двухплоскостную балансировку

Решающим фактором является ротор. геометрическое соотношение L/D (от осевой длины до внешнего диаметра) в сочетании с его рабочей скоростью.

Классы качества баланса ISO 21940-11

Стандарт ISO 21940-11 (преемник стандарта ISO 1940-1) присваивает каждому классу вращающихся машин определенный класс. сбалансированный класс качества G, определяемая как максимально допустимая скорость центра тяжести ротора в мм/с. Допустимый остаточный удельный дисбаланс e_за (в г·мм/кг) определяется сортом зерна и рабочей скоростью:

Пример решения задачи: Ротор вентилятора

Ротор центробежного вентилятора весит 80 кг, работает со скоростью 1450 об/мин, а радиус коррекции составляет 250 мм. Требуемый класс: G 6.3.

Соответствующие стандарты: ISO 21940‑11 (жесткие роторы), ISO 21940‑12 (гибкие роторы), ISO 10816‑3 (пределы интенсивности вибрации), ISO 1940 (предшественник по наследству).

Семиэтапная процедура балансировки поля

Это метод коэффициента влияния для балансировки поля в двух плоскостях, применяемый с помощью портативного прибора, такого как Балансет-1А. Та же логика применима к любому двухканальному балансировочному анализатору.

1

Подготовьте ротор и установите датчики.

Очистите корпуса подшипников от грязи и смазки — датчики должны плотно прилегать к металлической поверхности. Установите датчик вибрации 1 на корпус подшипника, ближайший к Плоскость 1 (обычно со стороны привода). Установите датчик 2 рядом с Плоскость 2 (со стороны, противоположной приводу). Прикрепите светоотражающую ленту к валу лазерного тахометра. Подключите все кабели к измерительному блоку.

2

Измерение начальной вибрации (эксперимент 0)

In the software, open the balancing wizard — F3 - Two-plane (или F7 - Balancing) — and start on the Run 0 - Initial tab. Start the rotor and bring it to stable operating speed. The instrument measures vibration amplitude (mm/s) and phase angle (°) at both sensors simultaneously. This is the исходный уровень — "болезненность" ротора до обработки. Запишите значения и остановите машину.

Совет для практикующих: подождите не менее 10–15 секунд после стабилизации оборотов двигателя, прежде чем начинать запись. Тепловые переходные процессы и воздушные потоки утихают в первые несколько секунд.

3

Установите пробный груз в плоскости 1 (заезд 1)

Остановите ротор. Прикрепите пробный груз of known mass at an arbitrary angular position in Plane 1. Mark this position clearly — it becomes your 0° reference for angle measurement later. Enter the trial weight Mass, g и Radius, mm in the software's Trial weight group — without the mass entered, the program can only report the correction as a percentage of the trial weight. Switch to the Run 1 - Trial Pl.1 tab, restart the rotor and record vibration at both sensors. The instrument now knows how the rotor's vibration field changes when mass is added in Plane 1.

Field tip: Use a bolt with a washer clamped to the rotor rim, or a hose clamp with a nut for quick attachment. The trial weight should produce a measurable vibration change (20–30% amplitude change or 20–30° phase shift at either sensor).

⚖

Какой должен быть вес пробного груза? Используйте эмпирическую формулу: Mt = Mr × Ksupport × Kvibration / (Rt × (N/100)²) где М_r = rotor mass (g), K_support = support stiffness coefficient (0.5–5.0, use 3 for standard pedestals), K_{вибрация} = vibration level coefficient (0.5–3.0, use 1.0 for normal vibration of 5–10 mm/s), R_t = радиус установки (см), Н = об/мин. Или воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором пробного груза — Введите параметры ротора и мгновенно получите рекомендуемую массу.

4

Переместите испытательный груз в плоскость 2 (Заезд 2)

Stop the rotor. Remove the trial weight from Plane 1. Attach the same trial weight (or one of similar known mass) at an arbitrary position in Plane 2. Mark this second reference point. Switch to the Run 2 - Trial Pl.2 tab, restart and record vibration at both sensors. Now the instrument has the complete influence coefficient matrix — four complex coefficients linking unbalance in either plane to vibration at either sensor.

Полезный совет: если вы используете другую массу для испытаний в Plane 2, введите правильное значение в программу — расчеты скорректируются автоматически.

5

Рассчитать поправочные веса

The instrument solves the influence coefficient equations and displays the Correction mass (g) и Angle (°) for Plane 1 and Plane 2. The angle is measured from the trial weight position in the direction of rotor rotation. In the Correction method group you choose Add mass (weld or bolt a counterweight) or Remove mass (drill or grind material). The displayed angle is always the angle you actually work at: with Remove mass selected the software has already added 180° to the computed angle, so drill or remove exactly where it indicates — do not add another 180°.

6

Установите корректирующие грузы.

Remove the trial weight from Plane 2. Fabricate or select correction weights matching the calculated masses. Install each correction weight at the same radius as the trial weight — the calculated mass is valid only at that radius. If you must use a different radius, enter both radii in the software so it recalculates the mass. Measure the angle from the trial weight reference mark in the direction of rotation. Attach the correction weights firmly — welding, hose clamps, set‑screw weights, or bolts depending on the machine type and speed.

Field tip: If you cannot place a weight at the exact angle (e.g. only bolt holes available), use the Weight Installing Method setting — Free positions, Fixed positions, Circular groove, or Drill. With Fixed positions the instrument decomposes the correction vector into two components at the nearest available positions.

7

Проверка баланса (выполнение проверки)

Restart the rotor and record the final vibration. Compare against the initial baseline and against the ISO 21940‑11 tolerance for your machine class — enter the tolerance in the Balancing tolerance, g*mm field, or press the ISO 1940... button to calculate it from the G‑grade, rotor mass, and RPM (divide the g·mm result by the correction radius to get grams). If vibration is within specification, you are done. If not, the instrument can perform a контрольный пуск on the Run T - Trim tab — it uses the existing influence coefficients to calculate a small additional correction without new trial weights.

Совет для работы на месте: Обычно достаточно одного прохода триммера. Если вам нужно больше двух проходов, значит, что-то изменилось между ними — проверьте наличие ослабленных грузов, теплового расширения или изменения скорости.

Расчет пробного груза

The trial weight must be heavy enough to produce a noticeable vibration change, but light enough not to overload bearings or create a dangerous condition. The standard empirical formula accounts for rotor mass, correction radius, operating speed, support stiffness, and the measured vibration level:

Не хотите производить вычисления вручную? Воспользуйтесь нашим Онлайн-калькулятор веса пробных образцов ↗ — Введите параметры ротора, тип опоры и уровень вибрации, и вы мгновенно получите рекомендуемую массу.

Worked Examples (K_support = 3, K_{вибрация} = 1.0)

Values shown assume K_support = 3 (standard bearing pedestals) and K_{вибрация} = 1.0 (normal vibration of 5–10 mm/s); scale accordingly for other support and vibration conditions.

Измерение угла коррекции

Балансировочный прибор выдает два числа для каждой плоскости: масса (какой вес) и угол (где его разместить). Угол всегда определяется относительно положения контрольного груза.

Как измерить угол

• Опорная точка (0°): Угловое положение, в котором вы разместили пробный груз. Четко отметьте его на роторе перед началом пробного запуска.
• Направление измерения: всегда в направлении вращения ротора.
• Определение ракурса: the result window shows the Correction mass и Angle for each plane. From the trial weight mark, count that many degrees in the rotation direction — that is where the correction weight goes.
• Если удаляется масса: select Remove mass in the Correction method group — the software adds 180° to the computed angle automatically, so drill or grind exactly at the displayed angle.

Распределение веса по фиксированным положениям

When the rotor has pre‑drilled holes or fixed mounting positions (e.g. fan blade bolts), you may not be able to place a weight at the exact calculated angle. In the Balanset‑1A software this is handled by the Weight Installing Method setting, which offers four modes: Свободные позиции, Фиксированные позиции, Круглый паз, и Drill (material removal, with drilling-depth calculation). With Fixed positions you enter the angles of the two nearest available positions, and the software decomposes the single correction vector into two smaller weights at those positions. The combined effect matches the original vector.

Плоскости коррекции и размещение датчиков

Плоскость коррекции — это осевое положение на роторе, в котором добавляется или удаляется масса. Датчик измеряет вибрацию в ближайшем подшипнике. Несколько ключевых правил:

• Датчик устанавливается на корпус подшипника. — как можно ближе к осевой линии подшипника в радиальном направлении (предпочтительно горизонтальном).
• Плоскость 1 соответствует датчику 1., Плоскость 2 к датчику 2. Сохраняйте единообразие нумерации, иначе программное обеспечение поменяет местами плоскости коррекции.
• Максимальное разделение плоскостей: Чем дальше друг от друга находятся две плоскости коррекции, тем лучше разрешение пары сил. Минимальное практическое расстояние между ними составляет ⅓ от длины подшипника.
• Выбирайте доступные позиции: Плоскость коррекции должна представлять собой место, где можно физически прикрепить грузы — край фланца, окружность расположения болтов, обод или сварочная поверхность.

На фотографии выше ротор измельчителя подготовлен для двухплоскостной балансировки. Синие метки 1 и 2 указывают положение датчиков на корпусах подшипников. Красные метки 1 и 2 показывают плоскости коррекции — в данном случае, фланцевые концы корпуса ротора, к которым будут приварены грузы.

Консольный (выносной) ротор

Для консольных роторов — рабочих колес вентиляторов, маховиков, установленных за пределами подшипникового узла, рабочих колес насосов — требуется иная компоновка датчиков и плоскостей коррекции. Обе плоскости коррекции находятся на одной стороне подшипников, и при размещении датчиков необходимо учитывать дисбаланс усилительной пары подвесной массы.

Применение по типу оборудования

Методы крепления грузов

Распространенные ошибки при балансировке поля.

Полевой отчет: Балансировка ротора мульчера

Двухплоскостная динамическая балансировка вентилятора

Промышленные вентиляторы — центробежные, осевые и смешанного потока — относятся к числу наиболее распространенных типов роторов, балансируемых в полевых условиях. Приведенная ниже процедура описывает реальную двухплоскостную балансировку радиального вентилятора с использованием балансировочного устройства Balanset-1A.

Определение плоскостей и установка датчиков

Очистите поверхности для установки датчиков от грязи и масла. Датчики должны плотно прилегать к металлической поверхности корпуса подшипника — ни в коем случае не устанавливайте их на крышки, защитные кожухи или незакрепленные металлические панели.

• Датчик 1 (красный): Установите ближе к передней части вентилятора (со стороны плоскости 1).
• Датчик 2 (зеленый): Установите ближе к задней части вентилятора (со стороны плоскости 2).
• Плоскость 1 (красная зона): Плоскость коррекции на диске рабочего колеса, ближе к передней части.
• План 2 (зеленая зона): Плоскость коррекции должна располагаться ближе к задней пластине или ступице.

Подключите оба датчика вибрации и лазерный тахометр к Balanset-1A. Прикрепите светоотражающую ленту к валу или ступице для определения частоты вращения.

Процесс балансировки

Запустите вентилятор и выполните начальные измерения вибрации (Запуск 0). Установите пробный груз известной массы на плоскости 1 в произвольной точке, запустите вентилятор и запишите изменение вибрации (Запуск 1). Переместите пробный груз на плоскость 2 в произвольной точке, снова запустите вентилятор и запишите результаты (Запуск 2). Программное обеспечение Balanset-1A использует все три измерения для расчета корректирующей массы и угла для каждой плоскости.

Измерение угла наклона для корректирующих грузов вентилятора

Угол измеряется от положения контрольного груза в направлении вращения вентилятора — точно так, как описано в Измерение угла коррекции Раздел выше. Отметьте место, где был установлен пробный груз (0° отсчет), затем посчитайте указанный угол вдоль направления вращения, чтобы определить положение корректирующего груза.

На основе углов и масс, рассчитанных программным обеспечением, установите корректирующие грузы на плоскости 1 и плоскости 2. Снова включите вентилятор и убедитесь, что вибрация снизилась до приемлемого уровня. ISO 21940‑11 (обычно G 6.3 для вентиляторов общего назначения). Если остаточная вибрация все еще превышает целевой уровень, выполните один цикл регулировки.

Часто задаваемые вопросы

Оборудование для полевой балансировки

Балансет-1А Это двухканальный портативный прибор, позволяющий проводить динамическую балансировку в одной и двух плоскостях, а также анализ вибраций (общая скорость, спектры, форма волны). Поставляется в виде полного комплекта:

• 2x MEMS vibration sensors (ADXL335-based accelerometers) with magnetic mounts
• Лазерный тахометр (бесконтактный датчик оборотов) со светоотражающей лентой.
• Измерительное устройство с USB-подключением (подключается к любому ноутбуку под управлением Windows)
• Программное обеспечение: мастер балансировки, виброметр, анализатор спектра.
• Чехол для переноски со всеми кабелями и аксессуарами.

RPM range: 250-90,000. Vibration range: 0.2-80 mm/s RMS. Frequency range: 5-1000 Hz. Phase accuracy: ±1°. Weight splitting, trim runs, tolerance checking, and report generation included in the software. Full kit weighs approximately 4 kg.