Розуміння дисбалансу в обертових машинах
Дисбаланс (вживається як синонім до дисбаланс) — це стан у ротор коли центр маси не лежить на осі обертання. Це зміщення — ексцентричність — означає, що маса розподілена по валу нерівномірно. Коли ротор обертається, зміщена від центру маса відкидається назовні під дією відцентрова сила, створюючи обертове навантаження, яке спричиняє вібрацію підшипників і всієї машини. Дисбаланс є, без перебільшення, найпоширенішим джерелом вібрація у обертовому обладнанні, і саме ця несправність балансування існує для того, щоб виправити.
1. Визначення та фізичні основи
У кількісному вираженні — дисбаланс U — це добуток маси та відстані від осі до цієї точки — осередок концентрації маси m розташована на радіусі r дає U = m·r, що виражається у вигляді грам-міліметри (г·мм) або грам-дюйми. Це можна також записати як добуток загальної маси ротора на ексцентриситет його центру ваги (U = M·e). З механічної точки зору важливе значення має сила, що при цьому виникає. Відцентрова сила зростає пропорційно квадрату кутової швидкості:
F = m · r · ω² — подвійте швидкість, і сила збурення збільшиться збільшує вчетверо.
Саме ця квадратична залежність пояснює, чому ротор, який плавно обертається вручну, може сильно трястися на робочій швидкості, і чому швидкохідні машини треба балансувати набагато точніше, ніж повільні. Сила обертається разом із валом, тому вона збуджує конструкцію один раз за оберт — звідси й характерна ознака дисбалансу.
2. Класична вібраційна характеристика
Дисбаланс — це одна з найпростіших у діагностиці несправностей, оскільки її характерні ознаки завжди однакові:
- Частота: вібрація з’являється саме в 1× швидкість обертання (the робоча швидкість). Змінюйте швидкість, і пік точно слідуватиме за нею — це визначальна ознака, що відрізняє дисбаланс від багатьох інших несправностей.
- Напрямок: енергія переважно радіальному (по горизонталі та вертикалі), з невеликим осьовий (осьової) складової.
- Амплітуда: вона пропорційна квадрату швидкості — подвоєння частоти обертання приблизно вчетверо збільшує швидкість реакції, як і передбачають наведені вище фізичні закони.
- Фаза: 1× фаза показники є стабільними та відтворюваними, що й дозволяє виявити та усунути зону підвищеного навантаження.
Ця стабільна пара амплітуди та фази є вихідним матеріалом для корекції: знаючи величину відгуку 1× та де його фазу, аналітик може обчислити розмір і кут потрібної противаги. Чистий пік 1× з низькою осьовою вібрацією вказує на дисбаланс; натомість сильна складова 2× свідчить про неспіввісність або розхитування.
3. Три типи дисбалансу
Статичний дисбаланс
Це явище, яке також називають «дисбалансом сил», є найпростішим випадком: маса зміщена в одній площині, як, наприклад, одна важка точка на тонкому диску. Воно називається статичний оскільки він проявляється, коли ротор нерухомий — встановлений на безтертєвих ножових опорах, ротор перекочується, доки важка точка не опиниться внизу. Це коригується одним вантажем, розміщеним на 180° навпроти важкої точки, тобто сферою балансування в одній площині.
Моментний дисбаланс
Тут на протилежних кінцях ротора, на відстані 180°, розташовані дві однакові масивні точки. Вони компенсують одна одну, утворюючи сумарну силу, але при цьому утворюють пара — момент перекидання, який намагається розгойдувати ротор від кінця до кінця. Ротор із чистим моментним дисбалансом статично збалансований (він не перекочуватиметься на ножових опорах), але після розкручування сильно вібрує. Для корекції потрібні два вантажі у двох окремих площинах, щоб протидіяти цьому моменту.
Динамічний дисбаланс
Динамічний дисбаланс, який спостерігається майже у всіх реальних машинах, є поєднанням статичної та моментно-силової складових. Для його усунення необхідні зміни маси щонайменше у двох площинах вздовж ротора — процес динамічне (двоплощинне) балансування. Схожий випадок, коли статичний ефект і ефект пари мають однакове кутове положення, називається квазістатичний дисбаланс.
4. Найпоширеніші причини дисбалансу
Дисбаланс може бути присутнім з моменту виготовлення або виникнути під час експлуатації. До типових джерел належать:
- Виробничі дефекти: Пористість у виливках, нерівномірна щільність матеріалу та допуски на обробку.
- Помилки при складанні: неправильно встановлені деталі, нерівномірно затягнуті болти або неправильно вирівняні шпонки, що порушують розподіл маси.
- Зношеність: нерівномірна ерозія, корозія або зношування на лопатях вентилятора та насосі робочі колеса.
- Нагромадження матеріалу: накопичення бруду, пилу або залишків продукту на роторах вентиляторів, повітродувок та центрифуг.
- Вихід з ладу компонента: втрата балансувального вантажу або зламана лопать миттєво створює сильний дисбаланс.
5. Чому усунення дисбалансу має вирішальне значення
Експлуатація машини зі значним дисбалансом поступово призводить до її пошкодження, оскільки обертальна сила піддає конструкцію циклічним навантаженням під час кожного оберту:
- Передчасний вихід підшипника з ладу: підшипники витримують великі динамічні навантаження і швидко зношуються.
- Зношування та утворення тріщин: накопичується циклічне навантаження втома пошкодження вала, фундаменту та конструкції.
- Зниження ефективності: енергія витрачається у вигляді вібрації та тепла, а не перетворюється на корисну роботу.
- Ризики для безпеки: Серйозний дисбаланс може призвести до катастрофічної аварії.
6. Вимірювання, усунення та допуски дисбалансу
Дисбаланс усувається за допомогою систематичної процедури балансування — одного з найбільш економічно вигідних способів підвищення надійності обладнання. На вже зібраній машині це робиться безпосередньо на місці, а не на балансувальна машина. Портативний двоканальний аналізатор, такий як Balanset-1A вимірює амплітуду та фазу 1×, обчислює дисбаланс ротора коефіцієнти впливу від пробний вантаж, і повідомляє інженеру величину та кут необхідної корекції для одно- або двоплощинної балансування на місці. Оскільки він працює у власних підшипниках машини на робочій швидкості, він фіксує реальний робочий стан.
У процесі балансування головне не досягти нульового значення, а знизити рівень дисбалансу нижче встановленого порогу. Цей поріг визначається клас якості балансу (G-клас) система ISO 21940-11 (який замінив давно відомий стандарт ISO 1940-1). Клас та експлуатаційна швидкість визначають допустиму залишковий дисбаланс в г-мм; вільний Калькулятор залишкового дисбалансу (ISO 21940-11) перетворює вибраний клас та RPM безпосередньо на допустиме значення для кожної площини.
