ISO 1940-1: Захтеви за квалитет балансирања крутих ротора

Аналитички извештај: Детаљна анализа стандарда ISO 1940-1 “Захтеви за квалитет балансирања крутих ротора” и интеграција мерних система Balanset-1A у дијагностику вибрација

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

Комплетан комплет за дијагностику и балансирање вибрација од Вибромере, укључујући четири сензора вибрација са кабловима, модул сигналног интерфејса, ласерски тахометар са магнетним постољем, дигиталну вагу, УСБ кабл и торбу за ношење. Систем је дизајниран за балансирање ротора и праћење стања индустријске опреме.

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

Introduction

У савременој инжењерској пракси и индустријској производњи, динамичко балансирање ротирајуће опреме је фундаментални процес који обезбеђује поузданост, век трајања и безбедан рад машина. Неуравнотеженост ротирајућих маса је најчешћи извор штетних вибрација, што доводи до убрзаног хабања склопова лежајева, заморног лома темеља и кућишта и повећане буке. На глобалном нивоу, стандардизација захтева за балансирање игра кључну улогу у обједињавању производних процеса и критеријума прихватања опреме.

Централни документ који регулише ове захтеве деценијама је међународни стандард ISO 1940-1. Иако је последњих година индустрија постепено прелазила на новију серију ISO 21940, принципи, физички модели и методологија уграђени у ISO 1940-1 остају темељ инжењерске праксе у балансирању. Разумевање унутрашње логике овог стандарда је неопходно не само за пројектанте ротора, већ и за стручњаке за одржавање који користе модерне преносиве инструменте за балансирање као што је Balanset-1A.

Овај извештај има за циљ да пружи исцрпну, детаљну анализу сваког поглавља стандарда ISO 1940-1, да открије физичко значење његових формула и толеранција и да покаже како савремени хардверско-софтверски системи (користећи Balanset-1A као пример) аутоматизују примену захтева стандарда, смањујући људске грешке и побољшавајући тачност поступака балансирања.

Поглавље 1. Обим и основни концепти

Прво поглавље стандарда дефинише његов обим и уводи критично важну разлику између типова ротора. ISO 1940-1 се примењује само на роторе у константном (крутом) стању. Ова дефиниција је темељ целе методологије, јер је понашање крутих и флексибилних ротора фундаментално различито.

Феноменологија крутог ротора

Ротор се класификује као крут ако су његове еластичне деформације под дејством центрифугалних сила у целом опсегу радних брзина занемарљиво мале у поређењу са наведеним толеранцијама неуравнотежености. У практичном смислу, то значи да се расподела масе ротора не мења значајно како се брзина мења од нуле до максималне радне брзине.

Важна последица ове дефиниције је непроменљивост балансирања: ротор балансиран на малој брзини (на пример, на машини за балансирање у радионици) остаје балансиран на својој радној брзини током рада. Ово омогућава балансирање при брзинама знатно нижим од радне брзине, што поједностављује и смањује трошкове процеса.

Ако ротор ради у суперкритичној области (при брзинама изнад прве критичне брзине савијања) или близу резонанције, подложан је значајним отклонима. У овом случају, ефективна расподела масе зависи од брзине, а балансирање извршено при једној брзини може бити неефикасно или чак штетно при другој. Такви ротори се називају флексибилним, а захтеви за њих су наведени у другом стандарду — ISO 11342. ISO 1940-1 намерно искључује флексибилне роторе и фокусира се само на круте.

Изузеци и ограничења

Стандард такође јасно наводи шта је ван његовог делокруга:

Ротори са променљивом геометријом (на пример, зглобна вратила, лопатице хеликоптера).
Резонантне појаве у систему ротор–носач–темељ, ако не утичу на класификацију ротора као крутог.
Аеродинамичке и хидродинамичке силе које могу изазвати вибрације које нису директно повезане са расподелом масе.

Дакле, ISO 1940-1 се фокусира на инерцијалне силе изазване неусклађеношћу између масене осе и осе ротације.

Поглавље 2. Нормативне референце

Да би се осигурало недвосмислено тумачење његових захтева, ISO 1940-1 се позива на низ сродних стандарда. Кључни је ISO 1925 “Механичке вибрације — Балансирање — Речник”. Овај документ игра улогу речника који фиксира семантику техничког језика. Без заједничког разумевања термина као што су “главна оса инерције” или “неуравнотеженост пара”, ефикасна комуникација између купца опреме и пружаоца услуга балансирања је немогућа.

Још једна важна референца је ISO 21940-2 (раније ISO 1940-2), који се бави грешкама у равнотежи. Он анализира методолошке и инструменталне грешке које настају током мерења неравнотеже и показује како их узети у обзир приликом провере да ли су толеранције испуњене.

Поглавље 3. Термини и дефиниције

Разумевање терминологије је неопходан услов за дубинску анализу стандарда. Ово поглавље даје строге физичке дефиниције на којима се заснива каснија логика израчунавања.

3.1 Балансирање

Балансирање је процес побољшања расподеле масе ротора тако да се он окреће у својим лежајевима без стварања неуравнотежених центрифугалних сила које прелазе дозвољене границе. То је итеративни поступак који укључује мерење почетног стања, израчунавање корекционих радњи и верификацију резултата.

3.2 Неуравнотеженост

Неуравнотеженост је физичко стање ротора у коме се његова главна централна инерцијална оса не поклапа са осом ротације. То доводи до центрифугалних сила и момената који изазивају вибрације у носачима. У векторском облику, неуравнотеженост U је дефинисана као производ неуравнотежене масе m и њеног радијалног растојања r од осе ротације (ексцентричности):

U = m · r

СИ јединица је килограм-метар (кг·м), али у пракси балансирања практичнија јединица је грам-милиметар (г·мм).

3.3 Специфична неравнотежа

Специфична неравнотежа је критично важан концепт за поређење квалитета равнотеже ротора различитих маса. Дефинише се као однос вектора главног неравнотеже U и укупне масе ротора M:

е = У / М

Ова величина има димензију дужине (обично изражену у микрометрима, µm или g·mm/kg) и физички представља ексцентричност центра масе ротора у односу на осу ротације. Специфична неуравнотеженост је основа за класификацију ротора у степене квалитета балансирања.

3.4 Врсте неравнотеже

Стандард разликује неколико врста неравнотеже, од којих свака захтева сопствену стратегију корекције:

Статичка неравнотежа. Главна инерцијска оса је паралелна са осом ротације, али је померена од ње. Може се кориговати једним тегом у једној равни (кроз центар масе). Типично за уске роторе налик диску.
Неравнотежа у пару. Главна инерцијска оса пролази кроз центар масе, али је нагнута у односу на осу ротације. Резултујући вектор неравнотеже је нула, али пар сила тежи да “нагне” ротор. То се може елиминисати само помоћу два тега у различитим равнима који стварају компензациони пар.
Динамичка неравнотежа. Најопштији случај, који представља комбинацију статичке и спрегнуте неравнотеже. Главна инерцијална оса није ни паралелна са осом ротације нити се са њом сече. Корекција захтева балансирање у најмање две равни.

Поглавље 4. Релевантни аспекти балансирања

Ово поглавље детаљно разрађује геометријски и векторски приказ неуравнотежености и поставља правила за избор равни мерења и корекције.

4.1 Векторска репрезентација

Било која неравнотежа крутог ротора може се математички свести на два вектора која се налазе у две произвољно изабране равни нормалне на осу ротације. Ово је теоријско оправдање за балансирање у две равни. Инструмент Balanset-1A користи управо овај приступ, решавајући систем векторских једначина за израчунавање корекционих тежина у равнима 1 и 2.

4.2 Референтне равни и корекционе равни

Стандард прави важну разлику између равни у којима су специфициране толеранције и равни у којима се врши корекција.

Толеранцијске равни. То су обично равни лежаја (А и Б). Овде су вибрације и динамичка оптерећења најкритичнији за поузданост машине. Дозвољена неуравнотеженост U_по се обично одређује у односу на ове равни.

Корекционе равни. То су физички доступна места на ротору где се материјал може додавати или уклањати (бушењем, причвршћивањем тегова итд.). Она се можда не поклапају са равнима лежаја.

Задатак инжењера (или софтвера за балансирање) је да претвори дозвољену неравнотежу из равни лежајева у еквивалентне толеранције у равнима корекције, узимајући у обзир геометрију ротора. Грешке у овој фази могу довести до тога да ротор буде формално уравнотежен у равнима корекције, али производи неприхватљива оптерећења на лежајеве.

4.3 Ротори којима је потребна једна или две корекционе равни

Стандард нуди препоруке о броју равни потребних за балансирање:

Један авион. Довољно за кратке роторе чија је дужина много мања од пречника (L/D < 0,5) и са занемарљивим аксијалним одступањем. У овом случају, неуравнотеженост пара може се занемарити. Примери: ременице, уски зупчаници, точкови вентилатора.
Два авиона. Неопходно за издужене роторе где неуравнотеженост пара може бити значајна. Примери: арматуре мотора, ролне машина за папир, карданска вратила.

Поглавље 5. Разматрања сличности

Поглавље 5 објашњава физичку логику која стоји иза степена квалитета G баланса. Зашто су потребне различите границе неуравнотежености за турбину у односу на точак аутомобила? Одговор лежи у анализи напрезања и оптерећења.

Закон масовне сличности

За геометријски сличне роторе који раде под сличним условима, дозвољена преостала неуравнотеженост U_по је директно пропорционална маси ротора M:

У_по ∝ М

То значи да је специфични дисбаланс е_по = У_по / M треба да буде исти за такве роторе. Ово омогућава примену јединствених захтева на машинама различитих величина.

Закон сличности брзине

Центрифугална сила F генерисана неравнотежом дефинише се као:

F = M · e · Ω²

где је Ω угаона брзина.

Да би се постигао исти век трајања лежајева и слични нивои механичког напрезања код ротора који раде различитим брзинама, центрифугалне силе морају остати у дозвољеним границама. Ако желимо да специфично оптерећење буде константно, онда када Ω повећа дозвољену ексцентричност e_по мора се смањити.

Теоријске и емпиријске студије су довеле до следеће везе:

е_по · Ω = const

Производ специфичне неравнотеже и угаоне брзине има димензију линеарне брзине (mm/s). Она карактерише линеарну брзину центра масе ротора око осе ротације. Ова вредност је постала основа за дефинисање степена квалитета G равнотеже.

Поглавље 6. Спецификација толеранција баланса

Ово је практично најважније поглавље, које описује методе за квантитативно одређивање толеранција равнотеже. Стандард предлаже пет метода, али доминантна је заснована на систему оцена квалитета G.

6.1 Оцене квалитета баланса G

ISO 1940-1 уводи логаритамску скалу оцена квалитета балансирања, означену словом G и бројем. Број представља максималну дозвољену брзину центра масе ротора у mm/s. Корак између суседних оцена је фактор 2,5.

Следећа табела даје детаљан преглед Г степена са типичним типовима ротора. Ова табела је главни алат за избор захтева за балансирање у пракси.

Табела 1. ISO 1940-1 Оцене квалитета баланса (детаљно)

Оцена Г	е_по · Ω (мм/с)	Типични типови ротора	Коментар стручњака
G 4000	4000	Радилице малобрзинских бродских дизел мотора на крутим темељима.	Опрема са веома растреситим захтевима где вибрације апсорбују масивни темељи.
G 1600	1600	Радилице великих двотактних мотора.
G 630	630	Радилице великих четворотактних мотора; бродски дизел мотори на еластичним носачима.
G 250	250	Радилице брзих дизел мотора.
G 100	100	Комплетни мотори аутомобила, камиона, локомотива.	Типична класа за моторе са унутрашњим сагоревањем.
G 40	40	Аутомобилски точкови и фелне, карданска вратила.	Точкови су релативно грубо балансирани јер сама гума уноси значајне варијације.
G 16	16	Карданска вратила (посебни захтеви); пољопривредне машине; компоненте дробилица.	Машине које раде у тешким условима, али захтевају поузданост.
G 6.3	6.3	Општи индустријски стандард: вентилатори, пумпе, замајци, обични електромотори, алатне машине, ролне машина за папир.	Најчешћи степен. Ако нема посебних захтева, обично се користи G 6.3.
G 2.5	2.5	Висока прецизност: гасне и парне турбине, турбогенератори, компресори, електромотори (висина центра >80 мм, >950 о/мин).	Потребно за машине велике брзине како би се спречило прерано оштећење лежајева.
G 1	1	Прецизна опрема: погони вретена за брушење, магнетофони, мале брзе арматуре.	Захтева посебно прецизне машине и услове (чистоћа, ниске спољашње вибрације).
G 0.4	0.4	Ултрапрецизна опрема: жироскопи, прецизна вретена, оптички дискови.	Близу границе конвенционалног балансирања; често захтева балансирање у сопственим лежајевима машине.

6.2 Метод за израчунавање U_по

Дозвољена преостала неуравнотеженост U_по (у г·мм) се израчунава из ознаке Г формулом:

У_по = (9549 · Г · М) / n

where:

G је степен квалитета баланса (мм/с), на пример 6,3,
M је маса ротора (kg),
n је максимална радна брзина (о/мин),
9549 је фактор конверзије јединица (изведен из 1000 · 60 / 2π).

Пример. Размотримо ротор вентилатора масе M = 200 kg који ради на n = 1500 обртаја у минути, са специфицираним степеном тврдоће G 6.3.

У_по ≈ (9549 · 6,3 · 200) / 1500 ≈ 8021 г·мм

Ово је укупна дозвољена преостала неуравнотеженост за ротор у целини. Затим се мора распоредити између равни.

6.3 Графички метод

Стандард укључује логаритамски дијаграм (слика 2 у ISO 1940-1) који повезује брзину ротације са дозвољеним специфичним дисбалансом за сваки степен Г. Користећи га, инжењер може брзо да процени захтеве без прорачуна, лоцирањем пресека брзине ротора са жељеном линијом степена Г.

Поглавље 7. Додела дозвољене преостале неравнотеже равнима корекције

У_по Израчунато у поглављу 6 односи се на центар масе ротора. Међутим, у пракси се балансирање врши у две равни (обично близу лежајева). Поглавље 7 регулише како поделити ову укупну толеранцију између равни корекције — критично важна фаза где су грешке честе.

7.1 Симетрични ротори

За најједноставнији случај симетричног ротора (центар масе тачно на пола пута између лежајева и корекционих равни симетричних у односу на њега), толеранција је равномерно подељена:

У_по,л = У_по / 2
У_по,Р = У_по / 2

7.2 Асиметрични ротори (ротори са између лежајева)

Ако се центар масе помери ка једном лежају, толеранција се додељује пропорционално статичким реакцијама на лежајевима (обрнуто пропорционално растојањима).

Нека је L растојање између толеранцијских равни (лежајева), a растојање од центра масе до левог лежаја, b до десног лежаја.

У_{по, лево} = У_по · (б / Л)
У_{по, десно} = У_по · (а / Л)

Дакле, лежају који носи веће статичко оптерећење додељује се већи део толеранције неуравнотежености.

7.3 Надвисни и уски ротори

Ово је најсложенији случај који се разматра у стандарду. За роторе са значајном преклопном масом (на пример, импелер пумпе на дугом вратилу) или када су равни корекције близу једна другој (b < L/3), једноставна алокација више није адекватна.

Неуравнотежена маса на преклопљеном делу ствара момент савијања који оптерећује и блиске и удаљене лежајеве. Стандард уводи корекционе факторе који пооштравају толеранције.

За роторе са преклопним положајем, толеранције треба поново израчунати кроз еквивалентне реакције лежајева. Често то доводи до знатно мањег дозвољеног неуравнотежења у равни преклопног положаја у поређењу са ротором исте масе са између лежајева, како би се спречила прекомерна оптерећења лежајева.

Табела 2. Упоредна анализа метода расподеле толеранција

Тип ротора	Метод расподеле	Features
Симетрично	50% / 50%	Једноставно, али ретко у свом чистом облику.
Асиметрично	Пропорционално растојањима	Узима у обзир померање центра масе. Главна метода за вратила између лежајева.
Надвисни	Реалокација заснована на тренуцима	Захтева решавање статичких једначина. Толеранције се често значајно смањују како би се заштитио удаљени лежај.
Уско (b ≪ L)	Одвојена статичка и парна ограничења	Препоручује се да се статичка неравнотежа и неравнотежа спреге наведу одвојено, јер се њихови ефекти на вибрације разликују.

Поглавље 8. Грешке у балансу

Ово поглавље прелази са теорије на стварност. Чак и ако је прорачун толеранције савршен, стварна преостала неуравнотеженост може је премашити због грешака у процесу. ISO 1940-1 класификује ове грешке као:

Систематске грешке: нетачности калибрације машине, ексцентрични уређаји (трнови, прирубнице), ефекти жлебова за кључ (видети ISO 8821).
Случајне грешке: бука инструментације, луфт у носачима, варијације у намештају и положају ротора током поновне монтаже.

Стандард захтева да укупна грешка мерења не прелази одређени део толеранције (обично 10–15%). Ако су грешке велике, радна толеранција која се користи при балансирању мора се смањити како би се осигурало да стварна преостала неуравнотеженост, укључујући грешку, и даље задовољава наведену границу.

Поглавља 9 и 10. Склапање и верификација

Поглавље 9 упозорава да балансирање појединачних компоненти не гарантује да ће склоп бити уравнотежен. Грешке при склапању, радијално одступање и ексцентричност спојнице могу поништити пажљиво балансирање компоненти. Препоручује се коначно балансирање потпуно склопљеног ротора.

Поглавље 10 описује поступке верификације. За правно валидну потврду квалитета балансирања није довољно одштампати листић балансирајуће машине. Мора постојати провера која искључује грешке машине — на пример, индексни тест (ротирање ротора у односу на носаче) или употреба пробних тегова. Инструмент Balanset-1A може се користити за извођење таквих провера на терену, мерење заосталих вибрација и упоређивање истих са израчунатим ISO границама.

Интеграција Balanset-1A у екосистем ISO 1940-1

Преносиви инструмент Balanset-1A (произвођач Vibromera) је модерно решење које омогућава имплементацију захтева ISO 1940-1 на терену, често без растављања опреме (балансирање на лицу места).

1. Аутоматизација прорачуна по ISO 1940-1

Једна од главних препрека у примени стандарда је сложеност прорачуна у поглављима 6 и 7. Инжењери често прескачу ригорозне прорачуне и ослањају се на интуицију. Balanset-1A решава овај проблем помоћу свог уграђеног калкулатора толеранције ISO 1940.

Ток рада: Корисник уноси масу ротора, радну брзину и бира Г степен са листе.

Резултат: Софтвер одмах израчунава U_по и, што је најважније, аутоматски га распоређује између равни корекције (раван 1 и раван 2), узимајући у обзир геометрију ротора (полупречнике, растојања). Ово елиминише људске грешке при раду са асиметричним и преклопљеним роторима.

2. Усклађеност са метролошким захтевима

Према својим спецификацијама, Balanset-1A обезбеђује тачност мерења брзине вибрација од ±5% и тачност фазе од ±1°. За класе G16 до G2.5 (вентилатори, пумпе, стандардни мотори) ово је више него довољно за поуздано балансирање.

За класу Г1 (прецизни погони) инструмент је такође применљив, али захтева пажљиву припрему (минимизирање спољашњих вибрација, осигуравање носача итд.).

Ласерски тахометар обезбеђује прецизну фазну синхронизацију, што је кључно за раздвајање компоненти неуравнотежености код балансирања у две равни, као што је описано у поглављу 4 стандарда.

3. Поступак билансирања и извештавање

Алгоритам инструмента (метод пробне тежине / коефицијента утицаја) у потпуности одговара физици крутог ротора описаног у ISO 1940-1.

Типичан редослед: измерити почетне вибрације → инсталирати пробни тег → измерити → израчунати корекциону масу и угао.

Верификација (Поглавље 10): Након постављања корекционих тегова, инструмент врши контролно мерење. Софтвер упоређује резултујући преостали дисбаланс са ISO толеранцијом. Ако је услов U_рес ≤ U_по задовољан, екран приказује потврду.

Извештавање: Функција F6 “Извештаји” генерише детаљан извештај који укључује почетне податке, векторе неуравнотежености, корекционе тежине и закључак о постигнутој оцени G (на пример, “Постигнута је оцена квалитета баланса G 6,3”). Ово трансформише инструмент из алата за одржавање у одговарајући алат за контролу квалитета погодан за формалну предају купцу.

Табела 3. Резиме: Имплементација захтева ISO 1940-1 у Balanset-1A

Захтев ISO 1940-1	Имплементација у Balanset-1A	Практична корист
Одређивање толеранције (Поглавље 6)	Уграђени калкулатор за оцену Г	Тренутни прорачун без ручних формула или графикона.
Додела толеранције (Поглавље 7)	Аутоматска расподела по геометрији	Узима у обзир асиметрију и прегибну геометрију.
Векторска декомпозиција (Поглавље 4)	Векторски дијаграми и поларни графикони	Визуализује неравнотежу; поједностављује постављање корекционих тегова.
Провера преостале неравнотеже (Поглавље 10)	Поређење U у реалном времену_рес против У_по	Објективна процена “прошао/пао”.
Документација	Аутоматско генерисање извештаја	Готов протокол за формалну документацију квалитета биланса.

Conclusion

ISO 1940-1 је неопходан алат за обезбеђивање квалитета ротирајуће опреме. Његова чврста физичка основа (закони сличности, векторска анализа) омогућава примену заједничких критеријума на веома различите машине. Истовремено, сложеност његових одредби – посебно расподела толеранција – дуго је ограничавала његову тачну примену у теренским условима.

Појава инструмената као што је Balanset-1A елиминише јаз између ISO теорије и праксе одржавања. Уграђивањем логике стандарда у кориснички интерфејс, инструмент омогућава особљу за одржавање да обавља балансирање на светском нивоу квалитета, продужавајући век трајања опреме и смањујући стопу кварова. Са таквим алатима, балансирање постаје прецизан, поновљив и потпуно документован процес, а не “уметност” коју практикује неколико стручњака.

Званични ИСО стандард

За комплетан званични стандард, посетите: ISO 1940-1 у ISO продавници

Белешка: Горе наведене информације су преглед стандарда. За комплетан званични текст са свим техничким спецификацијама, детаљним табелама, формулама и анексима, пуна верзија мора бити купљена од ISO-а.

← Назад на главни индекс