Rotor dengelemesi: statik ve dinamik dengesizlik, rezonans ve pratik prosedür
Bu kılavuz şunları açıklamaktadır rotor dengeleme için rijit rotorlar: what “unbalance” ne anlama geldiğini, statik ve dinamik dengesizliğin nasıl farklılaştığını, rezonans ve doğrusal olmamanın neden kaliteli bir sonucu engelleyebileceğini ve dengelemenin genellikle bir veya iki düzeltme düzleminde nasıl yapıldığını.
İçindekiler
- Rotor nedir ve balans ayarı neyi düzeltir?
- Rotor tipleri ve dengesizlik tipleri
- Mekanizmaların titreşimi: dengeleme neleri ortadan kaldırabilir ve neleri kaldıramaz?
- Rezonans: Dengelemeyi engelleyen bir faktör
- Doğrusal ve doğrusal olmayan modeller: hesaplamalar ne zaman işe yaramaz hale gelir?
- Balans cihazları ve balans makineleri
- Rijit rotorların dengelenmesi (pratik notlar)
- Dinamik dengelemenin nasıl gerçekleştirildiği (üç turlu yöntem)
- Dengeleme kalitesini değerlendirme kriterleri
- Standartlar ve referanslar
- SSS
Rotor nedir ve balans ayarı neyi düzeltir?
Rotor, bir eksen etrafında dönen ve yatak yüzeyleri tarafından desteklerde tutulan bir gövdedir. Rotorun yatak yüzeyleri, yuvarlanmalı veya kaymalı yataklar aracılığıyla yükleri desteklere iletir. Yatak yüzeyleri, muyluların yüzeyleri veya bunların yerini alan yüzeylerdir.
Mükemmel dengelenmiş bir rotorda kütle, dönme ekseni etrafında simetrik olarak dağılmıştır; yani rotorun herhangi bir elemanı, dönme ekseni etrafında simetrik olarak yer alan başka bir elemanla eşleştirilebilir. Dengelenmiş bir rotorda, herhangi bir rotor elemanına etki eden merkezkaç kuvveti, simetrik elemana etki eden merkezkaç kuvvetiyle dengelenir. Örneğin, büyüklükleri eşit ve yönleri zıt olan F1 ve F2 merkezkaç kuvvetleri, 1 ve 2 numaralı elemanlara (Şekil 1'de yeşil renkle işaretlenmiştir) etki eder. Bu, tüm simetrik rotor elemanları için geçerlidir; dolayısıyla rotora etki eden toplam merkezkaç kuvveti 0'dır ve rotor dengededir.
Ancak rotorun simetrisi bozulursa (asimetrik eleman Şek. 1'de kırmızı renkle işaretlenmiştir), dengesiz santrifüj kuvveti F3 rotora etki eder. Dönme sırasında bu kuvvet rotorun dönüşüyle yön değiştirir. Bu kuvvetten kaynaklanan dinamik yük rulmanlara iletilir ve bunun sonucunda aşınma hızlanır.
Ayrıca, bu değişken yönlü kuvvetin etkisi altında, rotorun sabitlendiği destekler ve temelde döngüsel bir deformasyon oluşur, yani titreşim meydana gelir. Rotor dengesizliğini ve buna eşlik eden titreşimi ortadan kaldırmak için, rotora simetrisini geri kazandıracak dengeleme kütleleri takılmalıdır.
Rotor dengelemesi, dengeleme kütleleri ekleyerek dengesizliği düzeltme işlemidir. Başka bir deyişle, dengelemenin amacı, rotorun asıl merkezi eylemsizlik eksenini dönüş eksenine mümkün olduğunca yaklaştırmaktır, böylece kalan dengesizlik belirtilen sınırlar içinde kalır.
Dengeleme görevi, bir veya daha fazla dengeleme kütlesinin boyutunu ve yerini (açısını) bulmaktır.
Rotor tipleri ve dengesizlik tipleri
Rotor malzemesinin dayanıklılığı ve üzerine etki eden merkezkaç kuvvetlerinin büyüklüğü dikkate alındığında, rotorlar iki türe ayrılabilir: rijit rotorlar ve esnek rotorlar.
Rijit rotorlar, çalışma modlarında merkezkaç kuvvetinin etkisi altında önemsiz bir şekilde deforme olur ve bu deformasyonun hesaplamalardaki etkisi ihmal edilebilir.
Esnek rotorların deformasyonu artık göz ardı edilemez. Esnek rotorların deformasyonu, dengeleme probleminin çözümünü zorlaştırır ve rijit rotorların dengelenmesi problemine kıyasla farklı matematiksel modellerin uygulanmasını gerektirir. Aynı rotorun düşük hızlarda rijit, yüksek hızlarda ise esnek davranabileceği unutulmamalıdır. Pratik kriter, çalışma hızının rotorun birinci kritik (eğilme) hızına oranıdır: ISO 21940-11'in "rijit davranış" (rigid behaviour) olarak tanımladığı gibi, bir rotor bu hızın önemli ölçüde altında, pratikte birinci kritik hızın yaklaşık –70'inin altında çalıştığında rijit kabul edilir. Bunun üzerinde rotor, hızla değişen bir mod şekline bükülür: esnektir ve modal veya çok düzlemli yöntemlerle (ISO 21940-12) dengelenmelidir. Aşağıda yalnızca rijit rotorların dengelenmesini ele alacağız.
Dengesiz kütlelerin rotor boyunca nasıl dağıldığına bağlı olarak, ISO 21940-2 birkaç dengesizlik durumunu ayırt eder:
- statik dengesizlik — asıl eylemsizlik ekseni şaft eksenine paralel olarak kaymıştır; dönüş olmadan da tespit edilebilir, çünkü rotor yerçekimi etkisiyle ağır noktası alta gelene kadar döner. Tek bir düzlemdeki tek bir düzeltme kütlesi bunu ortadan kaldırır;
- couple (moment) unbalance — asıl eylemsizlik ekseni şaft eksenini kütle merkezinde keser; iki eşit dengesizlik farklı düzlemlerde ve 180° aralıklıdır. Yalnızca dönüş sırasında ortaya çıkar ve iki düzlemde iki düzeltme kütlesi gerektirir;
- dinamik dengesizlik — genel, gerçek dünya durumu: statik ve çift dengesizliğinin bir kombinasyonu. Asıl eylemsizlik ekseni ne şaft eksenine paraleldir ne de onu keser. Rijit bir rotor için iki düzeltme düzlemi gerekli ve yeterlidir.
Eski terim "moment dengesizliği", çift dengesizliğinin eş anlamlısıdır; statik ve çift bileşenlerin toplamı olan dinamik dengesizlikle karıştırılmamalıdır. Statik dengesizliğe sahip bir rotor örneği Şekil 2'de gösterilmiştir.
Moment dengesizliği yalnızca rotor dönerken ortaya çıkar.
Çift dengesizliğine sahip bir rotor örneği Şekil 3'te gösterilmiştir.
Bu durumda, dengesiz eşit M1 ve M2 kütleleri farklı düzlemlerde — rotor boyunca farklı yerlerde — bulunur. Statik konumda, yani rotor dönmediğinde, rotor üzerinde yalnızca yerçekimi etkilidir ve kütleler birbirini dengeler. Dinamikte, rotor döndüğünde, M1 ve M2 kütleleri üzerinde Fc1 ve Fc2 merkezkaç kuvvetleri etkimeye başlar. Bu kuvvetler büyüklük olarak eşit, yön olarak zıttır. Ancak mil boyunca farklı noktalarda uygulandıkları ve aynı doğru üzerinde olmadıkları için, bu kuvvetler birbirini telafi etmez. Fc1 ve Fc2 kuvvetleri rotora uygulanan bir moment oluşturur — çift dengesizliğinin moment dengesizliği olarak da adlandırılmasının nedeni budur. Buna bağlı olarak, telafi edilmemiş merkezkaç kuvvetleri yatak konumlarına etki eder ve bu, hesaplanan değerleri büyük ölçüde aşarak yatakların kullanım ömrünü kısaltabilir.
Bu tür dengesizlik yalnızca rotorun dönüşü sırasında ortaya çıktığından, statik koşullarda "bıçaklar üzerinde" dengeleme veya benzeri yöntemlerle düzeltilemez. Çift dengesizliğini gidermek için, M1 ve M2 kütlelerinden kaynaklanan momente büyüklük olarak eşit ve yön olarak zıt bir moment üreten iki telafi edici ağırlığın takılması gerekir. Telafi edici kütlelerin M1 ve M2 kütlelerinin tam karşısına ve onlarla büyüklük olarak eşit şekilde yerleştirilmesi zorunlu değildir. Önemli olan, dengesizlik momentini tamamen telafi eden bir moment üretmeleridir.
Genel olarak M1 ve M2 kütleleri birbirine eşit olmayabilir, bu durumda statik ve çift dengesizliğin bir bileşimi ortaya çıkar — ISO 21940-2'nin dinamik dengesizlik olarak adlandırdığı genel durum tam olarak budur. Rijit bir rotor için, dengesizliğini gidermek üzere rotor boyunca birbirinden ayrılmış iki ağırlığın gerekli ve yeterli olduğu teorik olarak kanıtlanmıştır. Bu ağırlıklar hem çift dengesizliğinden kaynaklanan momenti hem de kütlenin rotor eksenine göre asimetrisinden kaynaklanan merkezkaç kuvvetini (statik dengesizlik) telafi eder. Genellikle çift dengesizliği miller gibi uzun rotorların, statik dengesizlik ise dar rotorların karakteristiğidir. Ancak dar rotor eksene göre eğikse veya deforme olmuşsa ("sekiz şekli"), bu durumda çift dengesizliğini gidermek zor olacaktır (bkz. Şekil 4), çünkü bu durumda gerekli telafi edici momenti oluşturacak düzeltme ağırlıklarını yerleştirmek zordur.
F1 ve F2 kuvvetleri aynı doğru üzerinde yer almaz ve birbirlerini dengelemezler.
Dar rotor nedeniyle telafi edici momenti oluşturmak için mevcut kolun küçük olması nedeniyle büyük düzeltme ağırlıkları gerekebilir. Ancak bu, düzeltme ağırlıklarının merkezkaç kuvvetleri tarafından dar rotorun deforme edilmesi nedeniyle "indüklenmiş dengesizliğe" de yol açar. (örneğin bkz. Rijit rotorların dengelenmesi için metodolojik talimatlar GOST 22061-76'ya — modern uluslararası karşılığı ISO 21940-11'dir, eski adıyla ISO 1940-1 — Bölüm 10, «Rotor–destek sistemi»).
Bu, dar fan çarklarında fark edilir; burada kütle dengesizliğine ek olarak bir aerodynamic unbalance de mevcuttur: eşit olmayan kanat geometrisi, eşit olmayan bir kanat yüklenmesine ve dolayısıyla net bir radyal kuvvete yol açar. Bir düzeltme ağırlığının merkezkaç kuvveti gibi, bu kuvvet de hızın karesiyle ölçeklenir, ancak aynı zamanda çalışma noktasına — hava yoğunluğu, damper konumu, kanal direnci — bağlıdır, bu yüzden bir çalışma noktasında dengelenmiş bir düzeltme ağırlığı başka bir noktada en uygun kalmaz. Bu nedenle aerodinamik bileşen, kütle eklenerek değil, kanat geometrisi yeniden kurularak düzeltilmelidir.
Elektromanyetik kuvvetler elektrikli bir makinede (dış merkezli hava boşluğundan kaynaklanan dengesiz manyetik çekim, kırık çubuklar, kısa devre lamine sac paketleri) ise farklı davranır: bunlar dönüş hızından değil hava boşluğu akısından yönetilir ve makineyi çoğunlukla 1×'te değil, şebeke frekansının iki katında ve kutup geçiş yan bantlarında uyarır. Dönüş frekansından farklı frekanslarda etki ettikleri için, dengeleme onları hiçbir şekilde telafi edemez. Kısacası, dengeleme yalnızca kütleyle ilgili 1× uyarımını giderir — bir makinedeki tüm titreşim kaynaklarını ortadan kaldıramaz.
Mekanizmaların titreşimi
Titreşim, mekanizma tasarımının döngüsel bir uyarıcı kuvvetin etkilerine verdiği tepkidir. Bu kuvvet farklı nitelikte olabilir.
Dengesiz rotorun neden olduğu merkezkaç kuvveti, "ağır nokta" üzerinde etki eden telafi edilmemiş bir kuvvettir. Rotorun dengelenmesiyle bu kuvvet ve bunun neden olduğu titreşim ortadan kaldırılabilir.
Birbirine geçen parçaların imalat ve montaj hatalarından kaynaklanan "geometrik" nitelikteki etkileşim kuvvetleri. Bu kuvvetler, örneğin, şaft boyunlarının yuvarlak olmaması, dişlilerdeki diş profillerindeki hatalar, yatak yuvalarının dalgalanması, birbirine geçen şaftların yanlış hizalanması vb. nedenlerle ortaya çıkabilir. Şaft boyunlarının dairesel olmaması durumunda, şaft ekseni şaftın dönüş açısına bağlı olarak yer değiştirecektir. Bu titreşim rotor hızında da meydana gelse de, dengeleme ile ortadan kaldırılması neredeyse imkansızdır.
Fanların pervanelerinin ve diğer kanat mekanizmalarının dönüşünden kaynaklanan aerodinamik kuvvetler. Hidrolik pompaların, türbinlerin vb. çarklarının dönüşünden kaynaklanan hidrodinamik kuvvetler.
Elektrik makinelerinin çalışmasından kaynaklanan elektromanyetik kuvvetler, örneğin asimetrik rotor sargıları, kısa devre sargıları vb.
Titreşimin büyüklüğü (örneğin genliği Av), yalnızca mekanizmaya ω dairesel frekansıyla etki eden Fv uyarıcı kuvvetine değil, aynı zamanda mekanizmanın k sertliğine, m kütlesine ve C sönüm katsayısına da bağlıdır; bu, aşağıdaki formül (1)'de gösterilmiştir.
Titreşim ve denge mekanizmalarını ölçmek için çeşitli sensör türleri kullanılabilir:
- Titreşim ivmesini (ivmeölçerler) ve titreşim hızı sensörlerini ölçmek için tasarlanmış mutlak titreşim sensörleri;
- bağıl titreşim sensörleri - girdap akımlı veya kapasitif, titreşim yer değiştirmesini ölçmek üzere tasarlanmıştır;
- Bazı durumlarda (mekanizmanın tasarımı izin verdiğinde), kuvvet sensörleri titreşim yükünü değerlendirmek için de kullanılabilir; özellikle, sert yataklı dengeleme makinesi desteklerinin titreşim yükünü ölçmek için yaygın olarak kullanılırlar.
Dolayısıyla titreşim, bir makinenin dış kuvvetlerin etkisine verdiği tepkidir. Titreşimin büyüklüğü sadece mekanizmaya etki eden kuvvetin büyüklüğüne değil, aynı zamanda mekanizma tasarımının sertliğine de bağlıdır. Tek ve aynı kuvvet farklı titreşimlere yol açabilir. Sert yataklı bir makinede, titreşim küçük olsa bile, yataklar önemli dinamik yüklere maruz kalabilir. Bu nedenle sert yataklı makinelerin dengelenmesinde titreşim sensörleri (titreşim ivmeölçerler) yerine kuvvet sensörleri kullanılır.
Titreşim sensörleri, dengesiz merkezkaç kuvvetlerinin etkisi desteklerde gözle görülür bir deformasyona ve titreşime yol açtığında, nispeten esnek desteklere sahip mekanizmalarda kullanılır. Kuvvet sensörleri, dengesizlikten kaynaklanan önemli kuvvetler bile önemli titreşime yol açmadığında sert destekler için kullanılır.
Rezonans, dengelemeyi engelleyen bir faktördür
Daha önce rotorların rijit ve esnek olarak ikiye ayrıldığından bahsetmiştik. Rotorun sertliği veya esnekliği, rotorun üzerine monte edildiği desteklerin (temel) sertliği veya hareketliliği ile karıştırılmamalıdır. Bir rotor, merkezkaç kuvvetlerinin etkisi altındaki deformasyonu (bükülme) ihmal edilebildiğinde rijit olarak kabul edilir. Esnek rotorun deformasyonu nispeten büyüktür ve ihmal edilemez.
Bu makalede, sadece rijit rotorların dengelenmesini ele alıyoruz. Rijit (deforme olmayan) bir rotor, rijit veya hareketli (bükülebilir) destekler üzerine monte edilebilir. Desteklerin bu sertliğinin/askıya alınabilirliğinin de rotor hızına ve ortaya çıkan merkezkaç kuvvetlerinin büyüklüğüne bağlı olarak göreceli olduğu açıktır. Koşullu bir sınır, rotor desteklerinin doğal titreşimlerinin frekansıdır.
Mekanik sistemler için, doğal titreşimlerin şekli ve frekansı, mekanik sistemin elemanlarının kütlesi ve esnekliği tarafından belirlenir. Yani doğal titreşim frekansı, mekanik sistemin iç bir özelliğidir ve dış kuvvetlere bağlı değildir. Denge durumundan saptırıldığında, destekler esneklikleri nedeniyle denge konumuna geri dönme eğilimindedir. Ancak ağır rotorun ataleti nedeniyle bu süreç sönümlü salınımlar niteliğindedir. Bu titreşimler, rotor-destek sisteminin doğal titreşimleridir. Frekansları, aşağıdaki formül (2)'nin gösterdiği gibi, rotorun kütlesinin desteklerin esnekliğine oranına bağlıdır.
Rotor dönmeye başladığında ve dönme frekansı doğal titreşim frekansına yaklaştığında, titreşim genliği keskin bir şekilde artar ve bu da yapının tahrip olmasına yol açabilir.
Mekanik rezonans olgusu ortaya çıkar. Rezonansa yakınken tepki, makine yapıları için tipik olarak 3–17 olan kalite faktörü Q = 1/(2ζ) ile büyütülür ve pik dar olabilir: birkaç yüzdelik bir hız değişimi, titreşim seviyesini kat kat değiştirebilir. Rezonans boyunca faz gecikmesi, pikte 90°'den geçerek 180° salınır.
Mekanizmanın tasarımı başarısızsa ve rotorun çalışma frekansı doğal titreşim frekansına yakınsa, izin verilmeyen yüksek titreşim nedeniyle mekanizmanın çalışması imkânsız hale gelir. Bu durumda olağan yöntemlerle dengeleme mümkün değildir, çünkü hızdaki küçük bir değişiklik bile titreşim parametrelerini büyük ölçüde değiştirir. Rezonans bölgesinde dengeleme için, bu makalede ele alınmayan özel yöntemler kullanılır.
Mekanizmanın doğal titreşim frekansını, rotor dönüşünü durdurarak (serbest yavaşlama) veya şok yöntemiyle belirlemek ve ardından sistemin şoka verdiği tepkiyi spektral olarak analiz etmek mümkündür.
Dönüş çalışma frekansı rezonans frekansının üzerinde olan, yani süperkritik (rezonans sonrası) rejimde çalışan mekanizmalar için destekler hareketli kabul edilir ve ölçüm için titreşim sensörleri, esas olarak yapısal elemanların ivmesini ölçen titreşim ivmeölçerleri kullanılır. Rezonans öncesi modda çalışan mekanizmalar için destekler rijit kabul edilir. Bu durumda kuvvet sensörleri kullanılır.
Mekanik bir sistemin doğrusal ve doğrusal olmayan modelleri. Doğrusal olmama, dengelemeyi engelleyen bir faktördür
Rijit rotorlar dengelenirken, dengeleme hesaplamaları için doğrusal model adı verilen matematiksel modeller kullanılır. Doğrusal model, böyle bir modelde bir büyüklüğün diğeriyle orantılı (doğrusal) olduğu anlamına gelir. Örneğin, rotor üzerindeki dengelenmemiş kütle iki katına çıkarılırsa, titreşim değeri de iki katına çıkacaktır. Rijit rotorlar için, deforme olmadıkları için doğrusal bir model kullanılabilir.
Esnek rotorlar için doğrusal model artık kullanılamaz. Esnek bir rotor için, ağır noktanın kütlesi dönme sırasında artarsa, ek deformasyon meydana gelecek ve kütleye ek olarak, ağır noktanın bulunduğu yerin yarıçapı da artacaktır. Bu nedenle, esnek bir rotor için titreşim iki kattan fazla artacak ve olağan hesaplama yöntemleri işe yaramayacaktır.
Doğrusal olmamanın bir başka kaynağı, büyük sapmalarda destek sertliğindeki değişimdir: küçük sapmalarda bir grup yapısal eleman yükü taşır, büyük sapmalarda ise diğerleri devreye girer. Bu yüzden bir temele sabitlenmemiş, örneğin sadece zemine yerleştirilmiş mekanizmalar dengelenemez. Önemli titreşimlerde, dengesizlik kuvveti mekanizmayı zeminden kaldırabilir ve böylece sistemin sertlik özelliklerini önemli ölçüde değiştirebilir. Motor ayakları güvenle sabitlenmeli, cıvata bağlantıları sıkılmalı, rondela kalınlığı yeterli montaj sertliği sağlamalıdır vb. Yataklar hasarlıysa, önemli mil hizasızlığı ve darbeler mümkündür; bu da doğrusallığı bozar ve kaliteli bir dengeleme yapılmasını engeller.
Balans cihazları ve balans makineleri
Dengelemenin, asıl merkezi eylemsizlik eksenini rotorun dönüş ekseniyle hizalama süreci olduğunu hatırlayın.
Bu işlem iki yöntemle gerçekleştirilebilir.
İlk yöntem, muylu merkezlerinden geçen eksenin rotorun asıl merkezi eylemsizlik ekseniyle çakışacağı şekilde rotor muylularının işlenmesini içerir. Bu teknik uygulamada nadiren kullanılır ve bu makalede ayrıntılı olarak ele alınmayacaktır.
İkinci (en yaygın) yöntem, rotorun atalet eksenini mümkün olduğunca dönme eksenine yakın olacak şekilde yerleştirilen düzeltme ağırlıklarının rotor üzerinde hareket ettirilmesini, takılmasını veya çıkarılmasını içerir.
Dengeleme sırasında düzeltme ağırlıklarının taşınması, eklenmesi veya çıkarılması delme, frezeleme, yüzey işleme, kaynak, vidalama veya sökme, lazer veya elektron ışını yakma, elektroliz, elektromanyetik yüzey işleme vb. gibi çeşitli teknolojik işlemlerle gerçekleştirilebilir.
Dengeleme işlemi iki şekilde gerçekleştirilebilir:
- Field balancing (in situ) — monte edilmiş rotor, taşınabilir bir dengeleme kiti kullanılarak kendi yataklarında, kendi temelinde, kendi çalışma hızında dengelenir;
- Shop balancing — rotor sökülür ve özel bir dengeleme makinesinde dengelenir.
Rotorların kendi yataklarında dengelenmesi için genellikle, dengelenen rotorun dönüş frekansındaki titreşimini vektörel biçimde, yani hem genliği hem de fazı ölçmeye olanak tanıyan özel dengeleme cihazları (setleri) kullanılır. Günümüzde bu tür cihazlar mikroişlemci teknolojisine dayalı olarak üretilmekte ve titreşim ölçümü ile analizinin yanı sıra, rotora dengesizliğini telafi etmek için takılması gereken düzeltme ağırlıklarının parametrelerinin otomatik hesaplanmasını da sağlamaktadır.
Bu cihazlar şunları içerir:
- bir bilgisayara veya endüstriyel kontrolöre dayalı bir ölçüm ve hesaplama birimi;
- iki (veya daha fazla) titreşim sensörü;
- a phase angle sensor;
- Sensörleri sahaya monte etmek için aksesuarlar;
- Bir, iki veya daha fazla düzeltme düzleminde rotor titreşim parametreleri ölçümünün tam döngüsünü gerçekleştirmek için tasarlanmış özel yazılım.
Şu anda en yaygın olan iki tip balans makinesidir:
- Yumuşak yataklı makineler (esnek desteklere sahip);
- Sert yataklı makineler (rijit desteklere sahip).
Yumuşak yataklı (rezonans üstü) makineler örneğin düz yaylara dayalı, nispeten esnek desteklere sahiptir. Bu desteklerin doğal titreşim frekansı, genellikle üzerlerine monte edilen dengelenen rotorun dönüş frekansından 2-3 kat daha düşüktür, bu yüzden makine rezonansın üzerinde çalışır. Bu rezonans üstü makinelerin desteklerinin hareketini ölçmek için genellikle titreşim sensörleri (ivmeölçerler, titreşim hızı sensörleri vb.) kullanılır.
Sert yataklı (rezonans öncesi) makineler doğal titreşim frekansı, dengelenen rotorun dönüş frekansından 2-3 kat daha yüksek olması gereken, göreceli olarak rijit destekler kullanılır, böylece makine rezonansın altında çalışır. Ön-rezonans makinesinin destekleri üzerindeki dinamik yükü ölçmek için genellikle kuvvet dönüştürücüleri kullanılır.
Ön-rezonans (sert yataklı) dengeleme makinelerinin avantajı, üzerlerinde dengelemenin nispeten düşük rotor hızlarında (400 - 500 rpm'ye kadar) yapılabilmesidir; bu da makinenin ve temelinin tasarımını büyük ölçüde basitleştirir ve dengelemenin verimliliğini ve güvenliğini artırır.
Rijit rotorların dengelenmesi
Önemli!
- Balanslama yalnızca rotor kütlesinin dönme eksenine göre asimetrik dağılımından kaynaklanan titreşimi ortadan kaldırır. Diğer titreşim türleri balanslama ile ortadan kaldırılmaz!
- Tasarımı, dönme çalışma frekansında rezonansların olmamasını sağlayan, temele güvenilir bir şekilde sabitlenmiş, servis verilebilir yataklara monte edilmiş teknik mekanizmalar dengelemeye tabidir.
- Arızalı makineler balans ayarı yapılmadan önce onarılmalıdır. Aksi takdirde kaliteli balanslama mümkün değildir.
Balans, onarımın yerini tutmaz!
Balans almanın temel görevi, santrifüj kuvvetlerini dengeleyen telafi ağırlıklarının kütlesini ve konumunu bulmaktır.
Yukarıda belirtildiği gibi, rijit rotorlar için genellikle iki telafi edici ağırlık takmak gerekli ve yeterlidir. Bu, rotor dengesizliğinin hem statik hem de çift bileşenini ortadan kaldırır. Dengeleme sırasında titreşim ölçümünün genel şeması aşağıdaki gibidir.
Titreşim sensörleri, 1 ve 2 noktalarındaki yatak desteklerine monte edilir. Rotora genellikle yansıtıcı bantla bir devir işareti eklenir. Devir işareti, lazer takometre tarafından rotor hızını ve titreşim sinyalinin fazını belirlemek için kullanılır.
Dinamik dengelemenin nasıl gerçekleştirildiği (üç turlu yöntem)
Çoğu durumda dinamik dengeleme, üç çalıştırma yöntemiyle gerçekleştirilir. Yöntem, bilinen kütledeki deneme ağırlıklarının sırayla rotorun 1. ve 2. düzlemlerine yerleştirilmesine ve dengeleme ağırlıklarının kütle ve konumunun, titreşim parametrelerindeki değişim sonuçlarına dayanarak hesaplanmasına dayanır.
Düzeltme ağırlığının takıldığı düzleme şu ad verilir: düzeltme düzlemi. Correction planes are located on the rotor itself — genellikle rotor gövdesinin iki ucunda, fan veya çark disklerinde ya da özel dengeleme halkalarında. Tasarımın izin verdiği ölçüde şaft boyunca birbirinden mümkün olduğunca uzak seçilmelidirler, böylece orta düzeyde bir ağırlık yeterli bir düzeltme momenti üretir. Bu, measuring points, rulman yuvaları üzerinde bulunan (bkz. Şekil 6).
İlk çalıştırmada başlangıç titreşimi ölçülür (Balanset yazılımında bu Run 0'dır). Ardından bilinen kütlede bir deneme ağırlığı rotor üzerine, yataklardan birine daha yakın bir yere yerleştirilir. İkinci bir çalıştırma yapılır (Run 1) ve deneme ağırlığının takılmasından dolayı değişmesi gereken titreşim parametreleri ölçülür. Ardından birinci düzlemdeki deneme ağırlığı çıkarılır ve ikinci düzleme takılır. Üçüncü bir deneme koşusu gerçekleştirilir (Run 2) ve titreşim parametreleri ölçülür. Deneme ağırlığı çıkarılır ve yazılım, dengeleme ağırlıklarının kütlelerini ve montaj açılarını otomatik olarak hesaplar.
Hesaplanan düzeltme ağırlıkları daha sonra kendi düzlemlerine takılır ve bir kontrol koşusu yapılır — Balanset yazılımında bu Run T'dir (Trim). Kalan titreşim toleransla karşılaştırılır. Sonuç hâlâ hedefin üzerindeyse, yazılım zaten belirlenmiş etki katsayılarını yeniden kullanır, bu yüzden yeni deneme ağırlığı koşularına gerek yoktur — yalnızca küçük bir ek ince ayar düzeltmesi hesaplanır ve uygulanır.
Deneme ağırlıklarını takmanın amacı, sistemin dengesizlikteki değişimlere nasıl tepki verdiğini belirlemektir. Deneme ağırlıklarının kütleleri ve konumları bilindiğinden, yazılım bilinen bir dengesizliğin titreşim parametrelerini nasıl etkilediğini gösteren, sözde etki katsayılarını hesaplayabilir. Etki katsayıları, mekanik sistemin kendisinin özellikleridir ve desteklerin sertliğine ve rotor-destek sisteminin kütlesine (ataletine) bağlıdır.
Aynı tasarıma sahip aynı tip mekanizmalar için etki katsayıları yakın olacaktır. Bunları bilgisayar hafızasına kaydetmek ve aynı tip mekanizmaların test çalışmaları olmadan dengelenmesi için kullanmak mümkündür, bu da dengeleme verimliliğini önemli ölçüde artırır. Test ağırlıklarının kütlesinin, test ağırlıkları takıldığında titreşim parametreleri fark edilir şekilde değişecek şekilde seçilmesi gerektiğini unutmayın. Aksi takdirde, etki katsayılarının hesaplanmasındaki hata artar ve balanslama kalitesi bozulur.
Şek. 1'den de görebileceğiniz gibi, santrifüj kuvveti radyal yönde, yani rotor eksenine dik olarak etki eder. Bu nedenle titreşim sensörleri de hassasiyet eksenleri radyal yönü gösterecek şekilde monte edilmelidir. Genellikle temelin yatay yöndeki rijitliği daha düşüktür, bu yüzden yatay yöndeki titreşim daha yüksektir. Bu nedenle hassasiyeti artırmak için sensörler, hassasiyet eksenleri yatay yöne bakacak şekilde monte edilmelidir. Bununla birlikte temel bir fark yoktur. Radyal yöndeki titreşime ek olarak, rotor dönme ekseni boyunca eksenel yöndeki titreşim de izlenmelidir. Bu titreşim genellikle dengesizlikten değil, esas olarak kaplin üzerinden bağlı millerin hizasızlığıyla ilişkili başka nedenlerden kaynaklanır.
Bu titreşim dengelemeyle giderilemez, bu durumda hizalama gereklidir. Pratikte, bu tür makinelerde genellikle hem rotor dengesizliği hem de mil hizasızlığı birlikte bulunur, bu da titreşimi giderme görevini çok daha zorlaştırır. Bu gibi durumlarda önce makineyi hizalamak, ardından dengelemek gerekir. (Güçlü tork dengesizliğinde, temel yapısının "burulması" nedeniyle eksenel yönde de titreşim oluşabilir.)
İlgili makaleler (denge standlarına örnekler)
Dengeleme mekanizmalarının kalitesinin değerlendirilmesine yönelik kriterler
Rotorların (mekanizmaların) dengeleme kalitesi iki şekilde değerlendirilebilir. İlk yöntem, dengeleme sürecinde belirlenen kalan dengesizlik miktarını kalan dengesizlik toleransıyla karşılaştırmayı içerir. Farklı rotor sınıfları için bu toleranslar ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1).
Toleransın nasıl hesaplandığı (ISO 21940-11). Standart, izin verilen özgül dengesizlik e'nin çarpımı olan bir denge kalite sınıfı G belirtirbaşına ve mm/s cinsinden ifade edilen çalışma açısal hızı ω:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], burada n rpm cinsinden çalışma hızıdır;
- ebaşına = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (sayısal olarak kütle merkezi kaymasının µm cinsinden değerine eşittir) — eşdeğer olarak ebaşına = 9549 · G / n;
- Ubaşına = ebaşına · m [g·mm], burada m kg cinsinden rotor kütlesidir.
Worked example. Rotor m = 50 kg, çalışma hızı n = 3000 rpm, sınıf G 6.3 (fanlar, pompalar, standart elektrik motorları): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; ebaşına = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (çapraz kontrol: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); Ubaşına = 20,1 · 50 ≈ 1000 g·mm, rotorun tamamı için.
Toleransın iki düzlem arasında paylaştırılması. Kütle merkezi düzeltme düzlemleri arasında bulunan bir rotor için toplam tolerans, kütle merkezinden her düzleme olan mesafeyle ters orantılı olarak paylaştırılır; simetrik bir rotor için bu, her düzleme yarı yarıya düşer — yukarıdaki örnekte düzlem başına yaklaşık 500 g·mm. Hiçbir düzleme Ubaşına.
Typical grades: G 0.4 — jiroskoplar, hassas taşlama makinelerinin milleri · G 1 — taşlama makinesi milleri, hassas armatürler · G 2.5 — türbinler, türbo-jeneratörler, takım tezgâhı tahrikleri · G 6.3 — genel mühendislik: fanlar, pompa pervaneleri, volanlar, standart elektrik motorları · G 16 — özel gereksinimli kardan milleri, tarım makineleri, kırıcılar · G 40 — otomobil tekerlekleri, tahrik milleri (kardan milleri) · G 100 — yüksek hızlı dizel motorların krank mili tahrikleri.
Bununla birlikte, belirtilen toleranslara uyulması, mekanizmanın minimum titreşim seviyesine ulaşılmasıyla ilişkili operasyonel güvenilirliğini tam olarak garanti edemez. Bu durum, mekanizmanın titreşim büyüklüğünün yalnızca rotorunun artık dengesizliği ile ilişkili kuvvetin büyüklüğü tarafından belirlenmediği, aynı zamanda mekanizma yapısal elemanlarının sertliği k, kütlesi m, sönümleme faktörü ve dönme frekansı gibi diğer bazı parametrelere de bağlı olduğu gerçeğiyle açıklanmaktadır. Bu nedenle, bir dizi durumda mekanizmanın dinamik niteliklerini (denge kalitesi dahil) tahmin etmek için, bir dizi standart tarafından düzenlenen mekanizmanın artık titreşim seviyesinin tahmin edilmesi önerilir.
Endüstriyel makinelerin izin verilen titreşim seviyeleri için en yaygın kullanılan standart ISO 20816-3'tür (eski adıyla ISO 10816-3). 15 kW üzerindeki, 120–15.000 rpm'de çalışan makineleri kapsar ve bunları iki boyutta sınıflandırır: güç grubuna göre (Grup 1 — 300 kW üzeri; Grup 2 — 15 ila 300 kW) ve destek tipine göre (rijit veya esnek). Her kombinasyonun mm/s RMS cinsinden kendi A/B, B/C ve C/D bölge sınırları vardır. Bu kapsamın dışındaki makineler, serinin ayrılmış bölümlerine (türbin setleri — ISO 20816-2, hidrolik makineler, pistonlu makineler, pompalar) veya endüstriyel fanlar için ISO 14694 gibi ürün standartlarına tabidir.
Dönmeyen parçalar üzerinde değerlendirilen genel makineler için, klasik ISO 10816-1 bölgeler (artık ISO 20816-1'in bir parçası) aşağıdaki titreşim hızı sınırlarını verir, mm/s RMS:
| Sınıf | A/B | B/C | CD |
|---|---|---|---|
| Class I (small machines, up to 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Class II (medium machines, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Sınıf III (büyük makineler, rijit temel) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Sınıf IV (büyük makineler, esnek temel) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Bölge A yeni makinelerin titreşimine karşılık gelir; bölge B sınırsız uzun süreli çalışma için kabul edilebilir; bölge C yalnızca sınırlı çalışmaya izin verir; bölge D, hasara yol açacak kadar şiddetli titreşimi gösterir.
Standartlar ve referanslar
- ISO 21940-11:2016 — Mekanik titreşim — Rotor dengelemesi — Bölüm 11: Rijit davranışlı rotorlar için prosedürler ve toleranslar. (Yürürlükten kaldırılan ISO 1940-1'in yerini alır.) G-grades and tolerance calculator →
- ISO 21940-2 — Mekanik titreşim — Rotor dengelemesi — Bölüm 2: Terimler ve tanımlar. (Statik, çift, yarı statik ve dinamik dengesizliğin tanımları.)
- ISO 20816-1:2016 — Mekanik titreşim — Makine titreşiminin ölçülmesi ve değerlendirilmesi — Bölüm 1: Genel esaslar. (ISO 10816-1 ve ISO 7919-1'in yerini alır.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — Mekanik titreşim — Makine titreşiminin ölçülmesi ve değerlendirilmesi — Bölüm 3: Nominal gücü 15 kW'ın üzerinde ve nominal hızı 120 d/dk ile 15 000 d/dk arasında olan endüstriyel makineler. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Endüstriyel fanlar — Denge kalitesi ve titreşim düzeyi şartnameleri.
SSS
Balans ayarı tüm titreşimleri ortadan kaldırır mı?
Hayır. Balanslama, rotor kütlesinin dönme eksenine göre asimetrik dağılımından kaynaklanan titreşimi ortadan kaldırır. Hizalama hatası, rulman arızaları, aerodinamik/hidrodinamik kuvvetler, elektromanyetik kuvvetler ve diğer nedenlerden kaynaklanan titreşimler ayrı teşhis ve düzeltici işlemler gerektirir.
Rezonans noktasına yakın yerlerde dengeleme neden başarısız olabilir?
Rezonansa yakın bölgelerde, küçük hız değişiklikleri titreşim genliğinde büyük değişikliklere ve 180° faz kaymasına neden olabilir. Bu gibi durumlarda ölçüm sonuçları kararsız hale gelir ve özel yöntemler kullanılmadıkça geleneksel dengeleme prosedürleri yakınsama sağlamayabilir.
Tek düzlemli dengelemeye mi yoksa çift düzlemli dengelemeye mi ne zaman ihtiyaç duyarsınız?
Tek düzlem disk şeklindeki rotorlar için yeterlidir; bu tür rotorlarda eksenel uzunluk çapa göre küçüktür — pratik kural olarak L/D < 0.5 — ve çalışma hızı ilk kritik hızın oldukça altındadır. Tipik örnekler: taşlama diski, tek diskli fan çarkı, kasnak, otomobil tekerleği. Böyle bir rotor neredeyse tamamen statik dengesizlik taşır.
İki düzlem uzun rotorlar için (L/D ≥ 0.5), şaft boyunca aralıklı iki veya daha fazla çarka/diske sahip herhangi bir rotor için ve iki yataktaki titreşim fazı belirgin şekilde farklı olduğunda — bir çift bileşeninin işareti — gereklidir. Rijit bir rotor asla ikiden fazla düzlem gerektirmez.
Şüphedeyseniz her iki yatağı da ölçün: tek düzlemli bir düzeltme bir yataktaki titreşimi azaltıp diğerinde artırıyorsa, rotorda bir çift bileşeni vardır ve iki düzlemli dengeleme gerekir.
Dengeleme işleminden önce neler yapılmalıdır?
Makinenin çalışır durumda olduğundan emin olun: temele güvenilir bir şekilde monte edilmiş, yatakları sağlam, ciddi gevşeklik yok ve belirgin doğrusal olmayanlık kaynakları bulunmuyor. Dengeleme, onarımın yerini tutmaz.
Önemli noktalar
- Balanslama, kütleyle ilgili (merkezkaç) uyarımı düzeltir; hizasızlığı, rulman hasarını veya elektromanyetik/aerodinamik kaynakları çözmez.
- Rezonans ve doğrusal olmayan etkiler, geleneksel dengeleme yöntemlerini etkisiz veya güvensiz hale getirebilir.
- Rijit rotorlar için, iki düzlemli dengeleme, dinamik dengesizlik (statik + çift kombinasyonu) için genel çözümdür.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
