Динамичко балансирање поља

Део I: Теоријске и регулаторне основе динамичког балансирања

Field dynamic balancing is one of the key operations in vibration commissioning and condition-based maintenance, aimed at extending the service life of industrial equipment and preventing emergency situations. The use of portable instruments such as Balanset-1A allows these operations to be performed directly at the operating site, minimizing downtime and costs associated with dismantling. However, successful balancing requires not only the ability to work with the instrument, but also a deep understanding of the physical processes underlying vibration, as well as knowledge of the regulatory framework governing the quality of work.

Принцип методологије заснива се на постављању пробних тегова и израчунавању коефицијената утицаја неравнотеже. Једноставно речено, инструмент мери вибрације (амплитуду и фазу) ротирајућег ротора, након чега корисник секвенцијално додаје мале пробне тегове у одређеним равнима како би „калибрисао“ утицај додатне масе на вибрације. На основу промена амплитуде и фазе вибрација, инструмент аутоматски израчунава потребну масу и угао постављања корективних тегова како би се елиминисала неравнотежа.

Овај приступ имплементира тзв. метода са три пролаза за балансирање у две равни: почетно мерење и два мерења са пробним теговима (по један у свакој равни). За балансирање у једној равни, обично су довољна два мерења - без тега и са једним пробним тегом. Код савремених инструмената, сви потребни прорачуни се врше аутоматски, што значајно поједностављује процес и смањује захтеве за квалификацијом оператера.

Одељак 1.1: Физика неравнотеже: Детаљна анализа

У сржи сваке вибрације у ротирајућој опреми лежи неравнотежа, или неуравнотеженост. Неравнотежа је стање у којем је маса ротора неравномерно распоређена у односу на његову осу ротације. Ова неравномерна расподела доводи до појаве центрифугалних сила, које заузврат изазивају вибрације носача и целе машинске структуре. Последице нерешене неравнотеже могу бити катастрофалне: од превременог хабања и уништења лежајева до оштећења темеља и саме машине. За ефикасну дијагнозу и отклањање неравнотеже, потребно је јасно разликовати њене врсте.

Врсте неравнотеже

Статичка неравнотежа (једна раван): In this type of unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the axis of rotation - the center of mass is offset radially from the rotation axis. In a static state, such a rotor, installed on horizontal knife-edges (parallel ways), will always turn with the heavy side downward. Static unbalance is dominant for thin, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5, for example, grinding wheels or narrow fan impellers. Static unbalance elimination is possible by installing one corrective weight in one correction plane, diametrically opposite to the heavy point - a single-plane approach that is valid at moderate speeds (roughly under 1000 rpm); high-speed narrow discs still require two-plane balancing.

Пар (момента) неравнотеже: Овај тип се јавља када главна оса инерције ротора сече осу ротације у центру масе, али није паралелна са њом. Спој неравнотеже може се представити као две једнаке по величини, али супротно усмерене неуравнотежене масе које се налазе у различитим равнима. У статичком стању, такав ротор је у равнотежи, а неравнотежа се манифестује само током ротације у облику „љуљања“ или „климања“. Да би се то компензовало, потребна је уградња најмање два корективна тега у две различите равни, стварајући компензациони момент.

Динамичка неравнотежа: Ово је најчешћи тип неравнотеже у реалним условима, који представља комбинацију статичке и парне неравнотеже. У овом случају, главна централна оса инерције ротора се не поклапа са осом ротације и не сече је у центру масе. Да би се елиминисала динамичка неравнотежа, неопходна је корекција масе у најмање две равни. Двоканални инструменти као што је Balanset-1A посебно су дизајнирани за решавање овог проблема.

Квазистатички дисбаланс: Ово је посебан случај динамичке неравнотеже где главна оса инерције сече осу ротације, али не у центру масе ротора. Ово је суптилна, али важна разлика за дијагностиковање сложених роторских система.

Крути и флексибилни ротори: критична разлика

Један од основних концепата у балансирању је разлика између крутих и флексибилних ротора. Ова разлика одређује саму могућност и методологију успешног балансирања.

Крути ротор: Ротор се сматра крутим ако је његова радна фреквенција обртања знатно нижа од његове прве критичне фреквенције и не подлеже значајним еластичним деформацијама (угибима) под дејством центрифугалних сила. Балансирање таквог ротора се обично успешно врши у две корекционе равни. Инструменти Balanset-1A су првенствено дизајнирани за рад са крутим роторима.

Флексибилни ротор: Ротор се сматра флексибилним ако ради на фреквенцији ротације близу једне од својих критичних фреквенција или је изнад ње. У овом случају, еластично отклон вратила постаје упоредиво са померањем центра масе и само по себи значајно доприноси укупним вибрацијама.

Пре почетка рада, изузетно је важно класификовати ротор корелацијом његове радне брзине са познатим (или израчунатим) критичним фреквенцијама. Ако је немогуће заобићи резонанцу, препоручује се привремена промена услова монтаже јединице током балансирања како би се померила резонанција.

Одељак 1.2: Регулаторни оквир: ISO стандарди

Стандарди у области балансирања обављају неколико кључних функција: успостављају јединствену техничку терминологију, дефинишу захтеве квалитета и, што је важно, служе као основа за компромис између техничке нужности и економске изводљивости.

ISO 21940-11 (ranije ISO 1940-1): Zahtevi kvaliteta za balansiranje krutih rotora

This standard is the fundamental document for determining permissible residual unbalance. It introduces the concept of balance quality grade (G), which is chosen by machine type only. The speed enters later, when the grade is converted into a permissible specific unbalance: e_по = (G × 9549) / n.

Оцена квалитета Г: Each type of equipment corresponds to a specific quality grade that remains constant regardless of rotation speed. For example, grade G6.3 is recommended for fans, pumps and general-purpose electric motors, G16 for crushers and agricultural machinery, and G2.5 for turbines and turbo-compressors.

Израчунавање дозвољене преостале неуравнотежености (U_по): The standard allows calculation of a specific permissible unbalance value that serves as a target indicator during balancing. The calculation is performed in three stages:

1. Одређивање дозвољене специфичне неуравнотежености (е_по) користећи формулу:
   е по = (G × 9549) / n
   где је G степен квалитета балансирања (нпр. 2,5), n је радна фреквенција ротације, о/мин. Јединица мере за e_по је g·mm/kg или μm.
2. Одређивање дозвољене преостале неуравнотежености (U_по) за цео ротор:
   U по = e по × M
   где је M маса ротора, kg. Јединица мере за U_по је г·мм.
3. Allocation of U_по between the two correction planes. For a symmetric rotor, split it 50/50 (in the example below: 19.9 g·mm per plane). For an asymmetric between-bearing rotor: U_лево = У_по × (b/L), U_десно = У_по × (a/L), where a and b are the distances from the center of mass to the left and right bearings and L = a + b. Overhung rotors require a moment-based recalculation with a tighter tolerance on the overhung plane. Balanset-1A performs this allocation automatically and shows the per-plane residual unbalance (D1, D2) next to the balancing tolerance on the Result tab.

ISO 20806:2009: Kriterijumi i zaštitne mere za balansiranje srednjih i velikih rotora in-situ

Овај стандард директно регулише процес балансирања поља.

Предности: Главна предност балансирања на месту је у томе што је ротор балансиран у реалним радним условима, на својим носачима и под радним оптерећењем. Ово аутоматски узима у обзир динамичка својства система носача и утицај повезаних компоненти вратила.

Недостаци и ограничења:

• Ограничен приступ: Често је приступ корекционим равнима на склопљеној машини отежан, што ограничава могућности за уградњу тегова.
• Потреба за пробним покретањима: Процес балансирања захтева неколико циклуса "старт-стоп" машине.
• Тешкоће код велике неравнотеже: У случајевима веома велике почетне неравнотеже, ограничења у избору равни и масе корективног тега можда неће дозволити постизање потребног квалитета балансирања.

Део II: Практични водич за балансирање помоћу инструмената Balanset-1A

The success of balancing depends overwhelmingly on the thoroughness of preparatory work. Most failures are related not to instrument malfunction, but to ignoring factors affecting measurement repeatability. The main preparation principle is to exclude all other possible sources of vibration so that the instrument measures only the effect of unbalance.

Одељак 2.1: Темељ успеха: Дијагностика пре балансирања и припрема машине

Корак 1: Примарна дијагностика вибрација (Да ли је заиста неуравнотеженост?)

Пре балансирања, корисно је извршити прелиминарно мерење вибрација у режиму виброметра. Софтвер Balanset-1A има режим "Мерач вибрација" (дугме F5) где можете измерити укупне вибрације и посебно компоненту на фреквенцији ротације (1×) пре инсталирања било каквих тегова.

Класичан знак неравнотеже: Спектар вибрација треба да буде доминиран врхом на фреквенцији ротације ротора (врх на фреквенцији од 1x RPM). Амплитуда ове компоненте у хоризонталном и вертикалном правцу треба да буде упоредива, а амплитуде осталих хармоника треба да буду знатно ниже.

Знаци других недостатака: Ако спектар садржи значајне врхове на другим фреквенцијама (нпр. 2x, 3x RPM) или на фреквенцијама које нису вишеструке, то указује на присуство других проблема које треба елиминисати пре балансирања.

Корак 2: Свеобухватни механички преглед (Контролна листа)

• Ротор: Thoroughly clean all rotor surfaces from dirt, rust and built-up deposits (caked product). Even a small amount of dirt at a large radius creates significant unbalance. Check for absence of broken or missing elements.
• Лежајеви: Проверите склопове лежајева на прекомерни зазор, страни шум и прегревање. Истрошени лежајеви неће омогућити добијање стабилних очитавања.
• Темељ и оквир: Ensure that the unit is installed on a rigid foundation. Check the torque of the anchor bolts and the absence of cracks in the frame.
• Погон: За каишне погоне, проверите затегнутост и стање каиша. За спојнице - поравнање вратила.
• безбедност: Обезбедите присуство и исправност свих заштитних ограђивача.

Одељак 2.2: Подешавање и конфигурација инструмента

Инсталација хардвера

Сензори вибрација (акцелерометри):

• Connect sensor cables to corresponding instrument connectors (e.g., X1 and X2 for Balanset-1A; on newer revisions the connectors are labeled Ch-1 and Ch-2).
• Инсталирајте сензоре на кућишта лежајева што је могуће ближе ротору.
• Кључна пракса: Да би се добио максималан сигнал, сензоре треба инсталирати у смеру где су вибрације максималне. Користите снажну магнетну базу или навојни носач да бисте осигурали чврст контакт.

Фазни сензор (ласерски тахометар):

• Connect the sensor to the special input (X3 for Balanset-1A; labeled Tacho on newer revisions).
• Причврстите мали комад рефлектујуће траке на осовину или други ротирајући део ротора.
• Инсталирајте тахометар тако да ласерски зрак стабилно удара у ознаку током целог обртаја.

Конфигурација софтвера (Balanset-1A)

• Launch the software and connect the USB interface module (administrator rights are not required).
• Go to the balancing module (F7 - Balancing). Create a new record for the unit being balanced.
• Select balancing type: 1-plane (static, the F2 - Single-plane tab) for narrow rotors or 2-plane (dynamic, the F3 - Two-plane tab) for most other cases.
• Дефинишите корекционе равни: изаберите места на ротору где се корективни тегови могу безбедно инсталирати.

Одељак 2.3: Поступак балансирања: Водич корак по корак

Покретање 0: Почетно мерење

• Покрените машину и доведите је до стабилне радне брзине. Изузетно је важно да брзина ротације буде иста у свим наредним покретањима.
• У програму, покрените мерење. Инструмент ће забележити почетне вредности амплитуде и фазе вибрација.

Покретање 1: Пробни тег у равни 1

• Зауставите машину.
• Избор пробног тега: The trial weight mass should be sufficient to cause noticeable change in vibration parameters (amplitude change of at least 20-30% OR phase change of at least 20-30 degrees). You do not have to guess the starting mass: after Run 0 the software's First Trial Weight Estimator recommends both the trial weight mass and its installation angle from the tachometer mark, and the program warns if the installed weight turns out to be too small.
• Постављање пробног тега: Чврсто причврстите измерјени пробни тег на познатом радијусу у равни 1. Забележите угаони положај.
• Покрените машину истом стабилном брзином.
• Извршите друго мерење.
• Заустави машину и remove the trial weight. If removing it is impractical, you can leave it installed - check the "Leave on rotor" box in the software so the calculation accounts for it.

Покретање 2: Пробни тег у равни 2 (за балансирање у 2 равни)

• Поновите тачно поступак из корака 2, али инсталирајте пробни тег у равни 2.
• Покрени, измери, заустави и remove the trial weight (or leave it with the "Leave on rotor" box checked, as in Run 1).

Израчунавање и уградња корективних тегова

• На основу промена вектора забележених током пробних покретања, програм ће аутоматски израчунати масу и угао уградње корективног тега за сваку раван.
• Угао уградње се обично мери од места пробног тега у смеру ротације ротора.
• Безбедно причврстите трајне корективне тегове. Приликом заваривања, имајте на уму да и сам завар има масу.

Run T (Trim): Verification measurement and fine balancing

• Поново покрените машину.
• Извршите контролно мерење да бисте проценили ниво заосталих вибрација.
• Упоредите добијену вредност са толеранцијом израчунатом према ISO 1940-1.
• Ако вибрације и даље прелазе толеранцију, инструмент ће израчунати малу "фину" (подрезивање) корекцију.
• Након завршетка, сачувајте извештај и коефицијенте утицаја за могућу будућу употребу.

Део III: Напредна анализа проблема и отклањање кварова

Овај одељак је посвећен најсложенијим аспектима балансирања поља - ситуацијама где стандардни поступак не даје резултате.

Одељак 3.1: Дијагноза и превазилажење нестабилности мерења

Симптом: Током поновљених мерења под идентичним условима, очитавања амплитуде и/или фазе значајно се мењају („плутање“, „скок“). Због тога је израчунавање корекције немогуће.

Основни узрок: Инструмент није неисправан. Он тачно извештава да је вибрациони одзив система нестабилан и непредвидив.

Систематски дијагностички алгоритам:

• Механичка лабавост: Ово је најчешћи узрок. Проверите затегнутост вијака за монтажу кућишта лежаја, вијака за анкер рама. Проверите да ли има пукотина у темељу или раму.
• Дефекти лежаја: Прекомерни унутрашњи зазор у котрљајућим лежајевима или хабање кућишта лежаја омогућава осовини да се хаотично креће унутар носача.
• Нестабилност повезана са процесом:
  • Аеродинамички (вентилатори): Турбулентни проток ваздуха, одвајање протока од лопатица може изазвати случајне ефекте силе.
  • Хидраулика (пумпе): Кавитација ствара снажне, случајне хидрауличне ударе који маскирају периодични сигнал од неравнотеже.
  • Унутрашње кретање масе (дробилице, млинови): Материјал се може прерасподелити унутар ротора, делујући као "мобилни дисбаланс".
• Резонанција: Ако је радна брзина веома близу природној фреквенцији структуре, чак и мале варијације брзине узрокују огромне промене у амплитуди и фази вибрација.
• Термички ефекти: Како се машина загрева, термичко ширење може проузроковати савијање вратила или промене поравнања.

Одељак 3.2: Када балансирање не помаже: Идентификација коренских недостатака

Симптом: Поступак балансирања је извршен, очитавања су стабилна, али коначна вибрација остаје висока.

Using the vibration spectrum for differential diagnosis (in the Balanset software: F8 - Charts, "F5-Spectrum (Hz)" tab):

• Неусклађеност осовине: Главни знак - висок врх вибрација на фреквенцији од 2x RPM. Карактеристична је висока аксијална вибрација.
• Дефекти котрљајућих лежајева: Manifest as high-frequency vibration at characteristic "bearing" frequencies (BPFO, BPFI, BSF, FTF). Note that detailed rolling-bearing diagnostics is beyond the scope of Balanset-1A: the instrument measures vibration velocity in the 5-1000 Hz band, the sensor response rolls off above roughly 550 Hz, and there is no envelope (demodulation) analysis - use a dedicated bearing analyzer for that task.
• Савијање осовине: Manifests as high peak at 1x RPM but often accompanied by noticeable component at 2x RPM. When the rotor is balanced on a mandrel, the software offers built-in runout compensation: the F7 - Run Ecc measurement (taken with the rotor turned 180 degrees on the mandrel) together with the "Subtract mandrel runout from measurements" option, so eccentricity is not mistaken for unbalance.
• Електрични проблеми (електромотори): Асиметрија магнетног поља може изазвати вибрације на двоструко већој фреквенцији напајања (100 Hz за мрежу од 50 Hz).

Уобичајене грешке при балансирању и савети за превенцију

• Балансирање неисправног или прљавог ротора: Увек проверите стање механизма пре балансирања.
• Пробна тежина је премала: Циљајте на правило промене вибрација 20-30%.
• Inconsistent operating speed between runs: Увек одржавајте стабилну и идентичну брзину ротације током свих мерења.
• Грешке у фази и маркирању: Пажљиво пратите одређивање угла. Угао корективног тега се обично мери од положаја пробног тега у смеру ротације.
• Неправилно причвршћивање или губитак тегова: Strictly follow the methodology - remove the trial weight after the run, or, if it stays on the rotor, make sure the "Leave on rotor" box is checked so the calculation accounts for it.

Уравнотежење стандарда квалитета

Note: the grade number is the product e_по·ω in mm/s. The permissible specific unbalance itself is speed-dependent: e_по = (G × 9549) / n [μm]. Example: G6.3 at 1500 rpm gives e_по = 40.1 μm; at 3000 rpm it gives 20.1 μm.

Део IV: Често постављана питања и напомене о примени

Одељак 4.1: Општа често постављана питања (ЧПП)

Када треба да користим балансирање у једној равни, а када у две?
Use 1-plane (static) balancing for narrow, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5 and the speed is moderate (roughly under 1000 rpm), such as grinding wheels or narrow fan impellers. Use 2-plane (dynamic) balancing for elongated rotors, for any L/D above approximately 0.5, and for high-speed narrow discs. Two-plane balancing corrects both static unbalance and couple (moment) unbalance.

Шта треба да урадим ако пробни тег изазове опасно повећање вибрација?
Одмах зауставите машину. Ово указује да је пробни тег постављен близу постојеће тешке тачке, што је погоршало неравнотежу. Решење је померити пробни тег за 180 степени из његовог првобитног положаја и поновити мерење. Ово осигурава да пробни тег створи супротан ефекат, а не да допринесе постојећој неравнотежи.

Могу ли да користим сачуване коефицијенте утицаја за другу машину?
Да, али само ако су машине апсолутно идентичне - исти модел, исти ротор, иста основа, исти лежајеви. Било каква промена у структурној крутости промениће коефицијенте утицаја и учинити их неважећим. Најбоља пракса је да се увек спроводе нова пробна вожња за сваку нову машину како би се осигурали тачни прорачуни корекције.

Која је разлика између статичке и динамичке неравнотеже?
In static unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the rotation axis - the center of mass is offset radially from the axis - and it can be detected without spinning by placing the rotor on knife-edge supports. Dynamic unbalance is a combination of static and couple unbalance where the principal axis of inertia doesn't coincide with the rotation axis - it only manifests during rotation and requires two-plane correction.

Зашто су моја очитавања балансирања нестабилна (плутајућа)?
Нестабилна очитавања указују на то да је вибрациони одзив система непредвидив. Уобичајени узроци укључују: механичку лабавост (лабави вијци, пукотине), истрошене лежајеве са прекомерним зазором, нестабилност процеса (кавитација у пумпама, турбуленција у вентилаторима), резонанцију (радна брзина близу природне фреквенције), термалне ефекте током загревања или вибрације од суседне опреме. Решите ове проблеме пре него што покушате да балансирате.

Шта је трострука метода у балансирању у две равни?
Метода са три пролаза укључује: Пробни пролаз 0 - почетно мерење без икаквих пробних тегова за утврђивање основне вибрације; Пробни пролаз 1 - мерење са пробним тегом инсталираним у равни 1 ради одређивања његовог утицаја; Пробни пролаз 2 - мерење са пробним тегом помереним у равни 2. На основу ове три тачке података, инструмент израчунава тачне корективне тегове потребне за обе равни користећи методу коефицијента утицаја.

Како да израчунам дозвољену преосталу неуравнотеженост према ISO 1940-1?
First calculate permissible specific unbalance: e_по = (G × 9549) / n, where G is the quality grade (e.g., 2.5 for turbines, 6.3 for fans) and n is RPM. Then calculate permissible residual unbalance: U_по = е_по × M, where M is rotor mass in kg. For example, a 5 kg rotor at 3000 RPM with G2.5: e_по = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm, U_по = 7,96 × 5 = 39,8 г·мм.

Који је минимални ефекат пробне тежине потребан за прецизно балансирање?
Пробни тег треба да изазове промену амплитуде вибрација од најмање 20-30% ИЛИ промену фазног угла од 20-30 степени. Ако је ефекат премали, корисни сигнал се гуши у шуму мерења, што доводи до нетачних прорачуна корекције. Ако се ништа не промени, повећавајте масу пробног тега (унутар безбедних граница) док не постигнете довољан ефекат.

How do I account for keyways? (ISO 8821, now ISO 21940-32:2012)
Standard practice is to use a "half-key" in the shaft keyway when balancing without the mating part, as specified in ISO 21940-32:2012 (which superseded ISO 8821). This compensates for the mass of that part of the key that fills the groove on the shaft.

Одељак 4.2: Водич за балансирање за одређене типове опреме

Industrial fans and induced-draft (ID) fans:

• Проблем: Најосетљивији на неравнотежу због накупљања производа на сечивима или абразивног хабања.
• Поступак: Увек темељно очистите импелер пре почетка рада. Обратите пажњу на аеродинамичке силе које могу изазвати нестабилност.

Пумпе:

• Проблем: Главни непријатељ - кавитација.
• Поступак: Пре балансирања, обезбедите довољну маргину кавитације на улазу (NPSHa). Проверите да усисни цевовод није зачепљен.

Дробилице, млевење и малчери:

• Проблем: Екстремно хабање, могућност великих промена неравнотеже услед лома или хабања чекића.
• Поступак: Проверите интегритет и причвршћивање радних елемената. Можда ће бити потребно додатно учвршћивање оквира машине.

Арматуре електромотора:

• Проблем: Може имати и механичке и електричне изворе вибрација.
• Поступак: Use the vibration spectrum (F8 - Charts) to check for vibration at twice the supply frequency. Its presence indicates electrical malfunction, not unbalance.

Закључак

Динамичко балансирање ротора на месту помоћу преносних инструмената као што је Balanset-1A је моћан алат за повећање поузданости и ефикасности рада индустријске опреме. Међутим, успех овог поступка не зависи толико од самог инструмента колико од квалификација стручњака и способности примене систематског приступа.

Кључни принципи:

• Припрема одређује резултат: Темељно чишћење ротора, провера стања лежајева и темеља и прелиминарна дијагностика вибрација су обавезни услови за успешно балансирање.
• Усклађеност са стандардима је основа квалитета: Примена ISO 1940-1 трансформише субјективну процену у објективан, мерљив и правно значајан резултат.
• Инструмент није само балансер већ и дијагностички алат: Немогућност одржавања равнотеже или нестабилност читања су важни дијагностички знаци који указују на озбиљније проблеме.
• Разумевање физике процеса је кључно за решавање нестандардних задатака: Познавање разлика између крутих и флексибилних ротора, разумевање утицаја резонанције омогућава стручњацима да доносе исправне одлуке.

Праћење препорука наведених у овом водичу омогућиће техничким стручњацима не само да успешно обављају типичне задатке, већ и да ефикасно дијагностикују и реше сложене, нетривијалне проблеме вибрација ротирајуће опреме.