Linjära och icke-linjära vibrationer. Balansera icke-linjära objekt

Linjära och icke-linjära vibrationer, deras egenskaper och balanseringsmetoder

Roterande mekanismer omger oss överallt – från miniatyrfläktar i datorer till gigantiska turbiner i kraftverk. Deras tillförlitliga och effektiva drift beror direkt på balansering – processen att eliminera massobalanser som leder till oönskade vibrationer. Vibrationer i sin tur minskar inte bara utrustningens prestanda och livslängd utan kan också orsaka allvarliga olyckor och skador. Därför är balansering en avgörande procedur vid produktion, drift och underhåll av roterande utrustning.

Framgångsrik balansering kräver att man förstår hur ett föremål reagerar på tillsats eller borttagning av massa. I detta sammanhang spelar begreppen linjära och olinjära objekt en nyckelroll. Att förstå om ett objekt är linjärt eller icke-linjärt tillåter valet av rätt balanseringsstrategi och hjälper till att uppnå önskat resultat.

Linjära objekt har en speciell plats i detta område på grund av deras förutsägbarhet och stabilitet. De möjliggör användning av enkla och pålitliga diagnostiska och balanserande metoder, vilket gör deras studie till ett viktigt steg i vibrationsdiagnostik.

Vad är linjära objekt?

Ett linjärt objekt är ett system där vibration är direkt proportionell mot storleken på obalansen.

Ett linjärt objekt, i samband med balansering, är en idealiserad modell som kännetecknas av ett direkt proportionellt förhållande mellan storleken på obalansen (obalanserad massa) och vibrationsamplituden. Det betyder att om obalansen fördubblas kommer även vibrationsamplituden att fördubblas, förutsatt att rotorns rotationshastighet förblir konstant. Omvänt kommer en minskning av obalansen att minska vibrationerna proportionellt.

Till skillnad från olinjära system, där ett objekts beteende kan variera beroende på många faktorer, tillåter linjära objekt en hög precision med minimal ansträngning.

Dessutom fungerar de som grunden för träning och övning för balanserare. Att förstå principerna för linjära objekt hjälper till att utveckla färdigheter som senare kan tillämpas på mer komplexa system.

Grafisk representation av linjäritet

Föreställ dig en graf där den horisontella axeln representerar storleken på den obalanserade massan (obalans), och den vertikala axeln representerar vibrationsamplituden. För ett linjärt objekt kommer denna graf att vara en rät linje som går genom origo (den punkt där både obalansstorleken och vibrationsamplituden är noll). Lutningen på denna linje kännetecknar objektets känslighet för obalans: ju brantare lutning, desto större vibrationer för samma obalans.

Diagram 1: Förhållandet mellan vibrationsamplitud (µm) och obalanserad massa (g)

Diagram 1 illustrerar förhållandet mellan vibrationsamplituden (µm) hos ett linjärt balanserande föremål och rotorns obalanserade massa (g). Proportionalitetskoefficienten är 0,5 µm/g. Att helt enkelt dividera 300 med 600 ger 0,5 µm/g. För en obalanserad massa på 800 g (UM=800 g) blir vibrationen 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Observera att detta gäller vid konstant rotorhastighet. Vid en annan rotationshastighet blir koefficienten annorlunda.

Denna proportionalitetskoefficient kallas påverkanskoefficienten (känslighetskoefficienten) och har dimensionen µm/g eller, i fall med obalans, µm/(g*mm), där (g*mm) är enheten för obalans. Genom att känna till påverkanskoefficienten (IC) är det också möjligt att lösa det omvända problemet, nämligen att bestämma den obalanserade massan (UM) baserat på vibrationsstorleken. För att göra detta, dividera vibrationsamplituden med IC.

Till exempel, om den uppmätta vibrationen är 300 µm och den kända koefficienten är IC=0,5 µm/g, dividera 300 med 0,5 för att få 600 g (UM=600 g).

Inflytandekoefficient (IC): Nyckelparameter för linjära objekt

En kritisk egenskap hos ett linjärt objekt är påverkanskoefficienten (IC). Den är numeriskt lika med tangenten för lutningsvinkeln för linjen på grafen för vibration kontra obalans och anger hur mycket vibrationsamplituden (i mikron, µm) ändras när en massenhet (i gram, g) läggs till i en specifikt korrigeringsplan vid en specifik rotorhastighet. Med andra ord är IC ett mått på objektets känslighet för obalans. Dess måttenhet är µm/g, eller, när obalans uttrycks som produkten av massa och radie, µm/(g*mm).

IC är i huvudsak "passet" som kännetecknar ett linjärt objekt, vilket möjliggör förutsägelser om dess beteende när massa läggs till eller tas bort. Att känna till IC gör det möjligt att lösa både det direkta problemet – att bestämma vibrationsstorleken för en given obalans – och det omvända problemet – att beräkna obalansstorleken från uppmätta vibrationer.

Direkt problem:

• Vibrationsamplitud (µm) = IC (µm/g) * Obalanserad massa (g)

Omvänt problem:

• Obalanserad massa (g) = Vibrationsamplitud (µm) / IC (µm/g)

Vibrationsfas i linjära objekt

Förutom amplitud kännetecknas vibration också av dess fas, som indikerar rotorns position i ögonblicket för maximal avvikelse från dess jämviktsposition. För ett linjärt föremål är vibrationsfasen också förutsägbar. Det är summan av två vinklar:

1. Vinkeln som bestämmer positionen för rotorns totala obalanserade massa. Denna vinkel indikerar i vilken riktning den primära obalansen är koncentrerad.
2. Argumentet för påverkanskoefficienten. Detta är en konstant vinkel som kännetecknar objektets dynamiska egenskaper och är inte beroende av storleken eller vinkeln på den obalanserade massinstallationen.

Genom att känna till IC-argumentet och mäta vibrationsfasen är det alltså möjligt att bestämma vinkeln för den obalanserade massainstallationen. Detta möjliggör inte bara beräkningen av den korrigerande massans storlek utan också dess exakta placering på rotorn för att uppnå optimal balans.

Balansera linjära objekt

Det är viktigt att notera att för ett linjärt objekt beror inflytandekoefficienten (IC) som bestäms på detta sätt inte på storleken eller vinkeln på provmassainstallationen, inte heller på den initiala vibrationen. Detta är en nyckelegenskap för linjäritet. Om IC:n förblir oförändrad när provmassaparametrarna eller initial vibration ändras, kan det med säkerhet hävdas att objektet beter sig linjärt inom det övervägda intervallet av obalanser.

Steg för att balansera ett linjärt objekt

1. Mätning av initial vibration:
   Det första steget är att mäta vibrationen i dess initiala tillstånd. Amplituden och vibrationsvinkeln, som anger obalansriktningen, bestäms.
2. Installera en provmassa:
   En massa med känd vikt är installerad på rotorn. Detta hjälper till att förstå hur objektet reagerar på ytterligare belastningar och gör att vibrationsparametrarna kan beräknas.
3. Ommätning av vibration:
   Efter installation av provmassan mäts nya vibrationsparametrar. Genom att jämföra dem med initialvärdena är det möjligt att avgöra hur massan påverkar systemet.
4. Beräkna den korrigerande massan:
   Baserat på mätdata bestäms massan och installationsvinkeln för den korrigerande vikten. Denna vikt placeras på rotorn för att eliminera obalansen.
5. Slutlig verifiering:
   Efter installation av korrigeringsvikten bör vibrationen reduceras avsevärt. Om restvibrationen fortfarande överstiger den acceptabla nivån kan proceduren upprepas.

Linjära objekt fungerar som idealiska modeller för att studera och praktiskt tillämpa balanseringsmetoder. Deras egenskaper tillåter ingenjörer och diagnostiker att fokusera på att utveckla grundläggande färdigheter och förstå de grundläggande principerna för att arbeta med rotorsystem. Även om deras tillämpning i praktiken är begränsad, är studiet av linjära objekt fortfarande ett viktigt steg för att utveckla vibrationsdiagnostik och balansering.

Dessa objekt ligger till grund för att utveckla metoder och verktyg som senare anpassas för att arbeta med mer komplexa system, inklusive icke-linjära objekt. I slutändan hjälper en förståelse för hur linjära objekt fungerar att säkerställa stabil och pålitlig utrustningsprestanda, minimera vibrationer och förlänga dess livslängd.

Anordningar

Bärbar balanserare & vibrationsanalysator Balanset-1A

€1,751.00

Delar

Vibrationssensor

€90.00

Delar

Optisk sensor (laservarvtalsmätare)

€124.00

Anordningar

Balanset-4

€6,803.00

Delar

Magnetiskt stativ i storlek 60 kgf

€46.00

Delar

Reflekterande tejp

€10.00

Anordningar

Dynamisk balanserare "Balanset-1A" OEM

€1,561.00

Icke-linjära objekt: När teori avviker från praktiken

Vad är ett icke-linjärt objekt?

Ett olinjärt objekt är ett system där vibrationsamplituden inte är proportionell mot storleken på obalansen. Till skillnad från linjära objekt, där förhållandet mellan vibration och obalansmassa representeras av en rät linje, kan detta förhållande i olinjära system följa komplexa banor.

I den verkliga världen beter sig inte alla objekt linjärt. Icke-linjära föremål uppvisar ett förhållande mellan obalans och vibration som inte är direkt proportionellt. Detta innebär att påverkanskoefficienten inte är konstant och kan variera beroende på flera faktorer, såsom:

• Obalansens storlek: Att öka obalansen kan förändra styvheten hos rotorns stöd, vilket leder till icke-linjära vibrationsförändringar.
• Rotationshastighet: Olika resonansfenomen kan exciteras vid varierande rotationshastigheter, vilket också resulterar i olinjärt beteende.
• Förekomst av spelrum och luckor: Spelrum och mellanrum i lager och andra anslutningar kan orsaka plötsliga vibrationsförändringar under vissa förhållanden.
• Temperatur: Temperaturförändringar kan påverka materialegenskaperna och följaktligen föremålets vibrationsegenskaper.
• Externa belastningar: Externa belastningar som verkar på rotorn kan förändra dess dynamiska egenskaper och leda till olinjärt beteende.

Varför är ickelinjära objekt utmanande?

Icke-linjäritet introducerar många variabler i balanseringsprocessen. Framgångsrikt arbete med olinjära objekt kräver fler mätningar och mer komplex analys. Till exempel ger standardmetoder som är tillämpliga på linjära objekt inte alltid exakta resultat för icke-linjära system. Detta kräver en djupare förståelse av processens fysik och användning av specialiserade diagnostiska metoder.

Tecken på icke-linjäritet

Ett icke-linjärt objekt kan identifieras med följande tecken:

• Icke-proportionella vibrationsförändringar: När obalansen ökar kan vibrationerna växa snabbare eller långsammare än förväntat för ett linjärt föremål.
• Fasförskjutning i vibration: Vibrationsfasen kan förändras oförutsägbart med variationer i obalans eller rotationshastighet.
• Närvaro av övertoner och undertoner: Vibrationsspektrumet kan uppvisa högre övertoner (multiplar av rotationsfrekvensen) och subövertoner (bråkdelar av rotationsfrekvensen), vilket indikerar icke-linjära effekter.
• Hysteres: Vibrationsamplituden kan bero inte bara på det aktuella värdet av obalans utan också på dess historia. Till exempel, när obalansen ökas och sedan minskas tillbaka till sitt initiala värde, kanske vibrationsamplituden inte återgår till sin ursprungliga nivå.

Icke-linjäritet introducerar många variabler i balanseringsprocessen. Fler mätningar och komplexa analyser krävs för framgångsrik drift. Till exempel ger standardmetoder som är tillämpliga på linjära objekt inte alltid korrekta resultat för icke-linjära system. Detta kräver en djupare förståelse av processfysiken och användningen av specialiserade diagnostiska metoder.

Grafisk representation av icke-linjäritet

På en graf över vibrationer kontra obalans är olinjäritet uppenbar i avvikelser från en rät linje. Grafen kan visa böjar, krökning, hysteresloopar och andra egenskaper som indikerar ett komplext samband mellan obalans och vibrationer.

Diagram 2. Icke-linjärt objekt

50 g; 40μm (gul),
100 g; 54,7μm (blå).

Detta objekt uppvisar två segment, två raka linjer. För obalanser mindre än 50 gram, reflekterar grafen egenskaperna hos ett linjärt föremål, och bibehåller proportionaliteten mellan obalansen i gram och vibrationsamplituden i mikron. För obalanser större än 50 gram saktar tillväxten av vibrationsamplituden ner.

Exempel på icke-linjära objekt

Exempel på icke-linjära objekt i samband med balansering inkluderar:

• Rotorer med sprickor: Sprickor i rotorn kan leda till olinjära förändringar i styvhet och som ett resultat ett olinjärt samband mellan vibrationer och obalans.
• Rotorer med lagerspel: Spelrum i lager kan orsaka plötsliga vibrationsförändringar under vissa förhållanden.
• Rotorer med olinjära elastiska element: Vissa elastiska element, såsom gummidämpare, kan uppvisa olinjära egenskaper, vilket påverkar rotorns dynamik.

Typer av icke-linjäritet

1. Mjuk-styv olinjäritet

I sådana system observeras två segment: mjuka och styva. I det mjuka segmentet liknar beteendet linjäritet, där vibrationsamplituden ökar proportionellt mot obalansmassan. Men efter en viss tröskel (brytpunkt) övergår systemet till ett styvt läge, där amplitudtillväxten saktar ner.

2. Elastisk olinjäritet

Förändringar i styvheten hos stöd eller kontakter i systemet gör förhållandet mellan vibrationer och obalans komplicerat. Till exempel kan vibrationer plötsligt öka eller minska när specifika lasttrösklar passerar.

3. Friktionsinducerad olinjäritet

I system med betydande friktion (t.ex. i lager) kan vibrationsamplituden vara oförutsägbar. Friktion kan minska vibrationer i ett hastighetsområde och förstärka det i ett annat.

Balansera icke-linjära objekt: en komplex uppgift med okonventionella lösningar

Att balansera olinjära objekt är en utmanande uppgift som kräver specialiserade metoder och tillvägagångssätt. Standardmetoden för försöksmassa, utvecklad för linjära objekt, kan ge felaktiga resultat eller vara helt otillämplig.

Balanseringsmetoder för icke-linjära objekt

• Steg-för-steg balansering:
  Denna metod innebär att man gradvis minskar obalansen genom att installera korrigerande vikter i varje steg. Efter varje steg görs vibrationsmätningar och en ny korrigerande vikt bestäms utifrån objektets aktuella tillstånd. Detta tillvägagångssätt tar hänsyn till förändringar i påverkanskoefficienten under balanseringsprocessen.
• Balansering i flera hastigheter:
  Denna metod tar itu med effekterna av resonansfenomen vid olika rotationshastigheter. Balansering utförs med flera hastigheter nära resonans, vilket möjliggör mer enhetlig vibrationsreduktion över hela drifthastighetsområdet.
• Använda matematiska modeller:
  För komplexa olinjära objekt kan matematiska modeller som beskriver rotordynamiken samtidigt som de tar hänsyn till olinjära effekter användas. Dessa modeller hjälper till att förutsäga objektbeteende under olika förhållanden och bestämma optimala balanseringsparametrar.

En specialists erfarenhet och intuition spelar en avgörande roll för att balansera olinjära objekt. En erfaren balanserare kan känna igen tecken på olinjäritet, välja en lämplig metod och anpassa den till den specifika situationen. Att analysera vibrationsspektra, observera vibrationsförändringar när objektets driftsparametrar varierar och att beakta rotorns designfunktioner hjälper alla till att fatta rätt beslut och uppnå önskade resultat.

Hur man balanserar icke-linjära objekt med hjälp av ett verktyg avsett för linjära objekt

Det här är en bra fråga. Min personliga metod för att balansera sådana föremål börjar med att reparera mekanismen: byta lager, svetsa sprickor, dra åt bultar, kontrollera ankare eller vibrationsisolatorer och verifiera att rotorn inte skaver mot stationära konstruktionselement.

Därefter identifierar jag resonansfrekvenser, eftersom det är omöjligt att balansera en rotor vid hastigheter nära resonans. För att göra detta använder jag anslagsmetoden för resonansbestämning eller en rotorfrirullningsgraf.

Sedan bestämmer jag sensorns position på mekanismen: vertikalt, horisontellt eller i vinkel.

Efter provkörningar indikerar enheten vinkeln och vikten för de korrigerande lasterna. Jag halverar den korrigerande lastvikten men använder de vinklar som enheten föreslår för rotorplacering. Om restvibrationen efter korrigering fortfarande överstiger den acceptabla nivån, kör jag en ny rotorkörning. Naturligtvis tar detta längre tid, men resultaten är ibland inspirerande.

Konsten och vetenskapen att balansera roterande utrustning

Att balansera roterande utrustning är en komplex process som kombinerar element av vetenskap och konst. För linjära objekt innebär balansering relativt enkla beräkningar och standardmetoder. Att arbeta med olinjära objekt kräver dock en djup förståelse av rotordynamiken, förmågan att analysera vibrationssignaler och förmågan att välja de mest effektiva balanseringsstrategierna.

Erfarenhet, intuition och ständiga kompetensförbättringar är det som gör en balanserare till en sann mästare i sitt hantverk. När allt kommer omkring bestämmer kvaliteten på balanseringen inte bara effektiviteten och tillförlitligheten av utrustningens drift utan säkerställer också människors säkerhet.