Частина I: Теоретичні та регуляторні основи динамічного балансування

Динамічне балансування в польових умовах є однією з ключових операцій у технології регулювання вібрації, спрямованої на продовження терміну служби промислового обладнання та запобігання аварійним ситуаціям. Використання портативних приладів, таких як «Балансет-1А», дозволяє виконувати ці операції безпосередньо на місці експлуатації, мінімізуючи час простою та витрати, пов'язані з демонтажем. Однак для успішного балансування потрібне не лише вміння працювати з приладом, але й глибоке розуміння фізичних процесів, що лежать в основі вібрації, а також знання нормативної бази, що регулює якість роботи.

Принцип методології базується на встановленні пробних вантажів та розрахунку коефіцієнтів впливу дисбалансу. Простіше кажучи, прилад вимірює вібрацію (амплітуду та фазу) обертового ротора, після чого користувач послідовно додає невеликі пробні вантажі в певних площинах, щоб «калібрувати» вплив додаткової маси на вібрацію. На основі змін амплітуди та фази вібрації прилад автоматично розраховує необхідну масу та кут встановлення коригувальних вантажів для усунення дисбалансу.

Цей підхід реалізує т.зв. триразовий метод для двоплощинного балансування: початкове вимірювання та два прогони з пробними вантажами (по одному в кожній площині). Для одноплощинного балансування зазвичай достатньо двох прогонів - без вантажу та з одним пробним вантажем. У сучасних приладах усі необхідні розрахунки виконуються автоматично, що значно спрощує процес та знижує вимоги до кваліфікації оператора.

Розділ 1.1: Фізика дисбалансу: поглиблений аналіз

В основі будь-якої вібрації в обертовому обладнанні лежить дисбаланс, або незбалансованість. Дисбаланс – це стан, коли маса ротора нерівномірно розподілена відносно його осі обертання. Цей нерівномірний розподіл призводить до виникнення відцентрових сил, які, в свою чергу, викликають вібрацію опор і всієї конструкції машини. Наслідки неусунутого дисбалансу можуть бути катастрофічними: від передчасного зносу та руйнування підшипників до пошкодження фундаменту та самої машини. Для ефективної діагностики та усунення дисбалансу необхідно чітко розрізняти його види.

Типи дисбалансу

Статичний дисбаланс (одна площина): Цей тип дисбалансу характеризується зміщенням центру мас ротора паралельно осі обертання. У статичному стані такий ротор, встановлений на горизонтальних призмах, завжди обертатиметься важкою стороною вниз. Статичний дисбаланс є домінуючим для тонких дископодібних роторів, у яких співвідношення довжини до діаметра (L/D) менше 0,25, наприклад, шліфувальні круги або вузькі крильчатки вентиляторів. Усунення статичного дисбалансу можливе шляхом встановлення одного коригувального вантажу в одній коригувальній площині, діаметрально протилежній важкій точці.

Парний (моментний) дисбаланс: Цей тип виникає, коли головна вісь інерції ротора перетинає вісь обертання в центрі мас, але не паралельна їй. Парний дисбаланс можна представити як дві рівні за величиною, але протилежно спрямовані незбалансовані маси, розташовані в різних площинах. У статичному стані такий ротор знаходиться в рівновазі, і дисбаланс проявляється лише під час обертання у вигляді «гойдування» або «хитання». Для його компенсації потрібна установка щонайменше двох коригувальних вантажів у двох різних площинах, що створюють компенсуючий момент.

Динамічний дисбаланс: Це найпоширеніший тип дисбалансу в реальних умовах, що являє собою поєднання статичного та парного дисбалансів. У цьому випадку головна центральна вісь інерції ротора не збігається з віссю обертання та не перетинає її в центрі мас. Для усунення динамічного дисбалансу необхідна корекція маси щонайменше у двох площинах. Двоканальні прилади, такі як «Балансет-1А», розроблені спеціально для вирішення цієї проблеми.

Квазістатичний дисбаланс: Це окремий випадок динамічного дисбалансу, коли головна вісь інерції перетинається з віссю обертання, але не в центрі мас ротора. Це тонка, але важлива відмінність для діагностики складних роторних систем.

Жорсткі та гнучкі ротори: критична відмінність

Одним з фундаментальних понять балансування є розмежування жорстких та гнучких роторів. Це розмежування визначає саму можливість та методологію успішного балансування.

Жорсткий ротор: Ротор вважається жорстким, якщо його робоча частота обертання значно нижча за першу критичну частоту, і він не зазнає значних пружних деформацій (прогинів) під дією відцентрових сил. Балансування такого ротора зазвичай успішно виконується у двох корекційних площинах. Прилади «Балансет-1А» в першу чергу призначені для роботи з жорсткими роторами.

Гнучкий ротор: Ротор вважається гнучким, якщо він працює на частоті обертання, близькій до однієї зі своїх критичних частот або перевищує її. У цьому випадку пружне прогинання вала стає порівнянним зі зміщенням центру мас і саме по собі робить значний внесок у загальну вібрацію.

Перед початком роботи вкрай важливо класифікувати ротор, співвіднісши його робочу швидкість з відомими (або розрахованими) критичними частотами. Якщо неможливо уникнути резонансу, рекомендується тимчасово змінити умови кріплення агрегату під час балансування, щоб змістити резонанс.

Розділ 1.2: Нормативно-правова база: стандарти ISO

Стандарти в галузі балансування виконують кілька ключових функцій: вони встановлюють єдину технічну термінологію, визначають вимоги до якості та, що важливо, слугують основою для компромісу між технічною необхідністю та економічною доцільністю.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Вимоги до якості балансування жорстких роторів

Цей стандарт є фундаментальним документом для визначення допустимого залишкового дисбалансу. Він вводить поняття класу якості балансування (G), який залежить від типу машини та її робочої частоти обертання.

Клас якості G: Кожен тип обладнання відповідає певному класу якості, який залишається незмінним незалежно від швидкості обертання. Наприклад, клас G6.3 рекомендується для дробарок, а G2.5 для якорів електродвигунів та турбін.

Розрахунок допустимого залишкового дисбалансу (U_за): Стандарт дозволяє розрахувати конкретне допустиме значення дисбалансу, яке служить цільовим показником під час балансування. Розрахунок виконується у два етапи:

1. Визначення допустимого питомого дисбалансу (e_за) за формулою:
   e на = (G × 9549) / n
   де G – клас якості балансування (наприклад, 2,5), n – робоча частота обертання, об/хв. Одиниця вимірювання для e_за г·мм/кг або мкм.
2. Визначення допустимого залишкового дисбалансу (U_за) для всього ротора:
   U на = e на × M
   де M – маса ротора, кг. Одиниця вимірювання для U_за дорівнює г·мм.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Балансування на місці

Цей стандарт безпосередньо регулює процес балансування полів.

Переваги: Головною перевагою балансування на місці є те, що ротор збалансований у реальних робочих умовах, на своїх опорах та під робочим навантаженням. Це автоматично враховує динамічні властивості опорної системи та вплив з'єднаних компонентів валового механізму.

Недоліки та обмеження:

• Обмежений доступ: Часто доступ до коригувальних площин на зібраній машині ускладнений, що обмежує можливості встановлення вантажу.
• Необхідність пробних запусків: Процес балансування вимагає кількох циклів "старт-стоп" машини.
• Труднощі з сильним порушенням рівноваги: У випадках дуже великого початкового дисбалансу обмеження на вибір площини та масу коригувальної ваги можуть не дозволити досягти необхідної якості балансування.

Частина II: Практичний посібник з балансування за допомогою приладів Balanset-1A

Успіх балансування залежить від ретельності підготовчої роботи 80%. Більшість несправностей пов'язані не з несправністю приладу, а з ігноруванням факторів, що впливають на повторюваність вимірювань. Основний принцип підготовки полягає у виключенні всіх інших можливих джерел вібрації, щоб прилад вимірював лише вплив дисбалансу.

Розділ 2.1: Основа успіху: діагностика перед балансуванням та підготовка машини

Крок 1: Первинна діагностика вібрації (чи справді це дисбаланс?)

Перед балансуванням корисно виконати попереднє вимірювання вібрації в режимі віброметра. Програмне забезпечення Balanset-1A має режим "Віброметр" (клавіша F5), де можна виміряти загальну вібрацію та окремо компонента на частоті обертання (1×) перед встановленням будь-яких вантажів.

Класична ознака дисбалансу: У спектрі вібрацій повинен домінувати пік на частоті обертання ротора (пік на частоті 1x RPM). Амплітуда цієї складової в горизонтальному та вертикальному напрямках повинна бути порівнянною, а амплітуди інших гармонік повинні бути значно нижчими.

Ознаки інших дефектів: Якщо спектр містить значні піки на інших частотах (наприклад, 2x, 3x RPM) або на некратних частотах, це вказує на наявність інших проблем, які необхідно усунути перед балансуванням.

Крок 2: Комплексна механічна перевірка (контрольний список)

• Ротор: Ретельно очистіть усі поверхні ротора від бруду, іржі, налиплих залишків. Навіть невелика кількість бруду на великому радіусі створює значний дисбаланс. Перевірте відсутність зламаних або відсутніх елементів.
• Підшипники: Перевірте підшипникові вузли на наявність надмірного люфту, сторонніх шумів та перегріву. Зношені підшипники не дозволять отримувати стабільні показники.
• Фундамент і каркас: Переконайтеся, що агрегат встановлено на жорсткому фундаменті. Перевірте затягування анкерних болтів, відсутність тріщин у рамі.
• Привід: Для ремінних передач перевірте натяг та стан ременя. Для муфтових з'єднань - вирівнювання валів.
• Безпека: Переконайтеся в наявності та справності всіх захисних огороджень.

Розділ 2.2: Налаштування та конфігурація приладу

Встановлення обладнання

Датчики вібрації (акселерометри):

• Підключіть кабелі датчика до відповідних роз'ємів приладу (наприклад, X1 та X2 для Balanset-1A).
• Встановіть датчики на корпусах підшипників якомога ближче до ротора.
• Ключова практика: Для отримання максимального сигналу датчики слід встановлювати в напрямку, де вібрація максимальна. Використовуйте потужну магнітну основу або різьбове кріплення для забезпечення жорсткого контакту.

Фазовий датчик (лазерний тахометр):

• Підключіть датчик до спеціального входу (X3 для Balanset-1A).
• Прикріпіть невеликий шматочок світловідбиваючої стрічки до вала або іншої обертової частини ротора.
• Встановіть тахометр так, щоб лазерний промінь стабільно потрапляв на позначку протягом усього обороту.

Конфігурація програмного забезпечення (Balanset-1A)

• Запустіть програмне забезпечення (від імені адміністратора) та підключіть модуль USB-інтерфейсу.
• Перейдіть до модуля балансування. Створіть новий запис для балансуваного блоку.
• Виберіть тип балансування: 1-площинне (статичне) для вузьких роторів або 2-площинне (динамічне) для більшості інших випадків.
• Визначте площини корекції: виберіть місця на роторі, де можна безпечно встановити коригувальні вантажі.

Розділ 2.3: Процедура балансування: покрокове керівництво

Виконання 0: Початкове вимірювання

• Запустіть машину та доведіть її до стабільної робочої швидкості. Вкрай важливо, щоб швидкість обертання була однаковою в усіх наступних запусках.
• У програмі розпочніть вимірювання. Прилад запише початкові значення амплітуди та фази коливань.

Виконання 1: Пробна вага в площині 1

• Зупиніть машину.
• Вибір пробної ваги: Маса пробного вантажу повинна бути достатньою, щоб викликати помітну зміну параметрів вібрації (зміна амплітуди щонайменше на 20-30% АБО зміна фази щонайменше на 20-30 градусів).
• Встановлення пробної ваги: Надійно закріпіть зважену пробну гирю на відомому радіусі в площині 1. Запишіть кутове положення.
• Запустіть машину на тій самій стабільній швидкості.
• Виконайте друге вимірювання.
• Зупиніть машину і ЗНІМІТЬ пробну вагу.

Виконання 2: Пробна гиря в площині 2 (для балансування у 2 площинах)

• Точно повторіть процедуру з кроку 2, але встановіть пробну вагу в площині 2.
• Початок, вимірювання, зупинка та ЗНІМІТЬ пробну вагу.

Розрахунок та встановлення коригувальних ваг

• На основі змін вектора, зареєстрованих під час пробних запусків, програма автоматично розрахує масу та кут встановлення коригувальної ваги для кожної площини.
• Кут встановлення зазвичай вимірюється від місця розташування пробного вантажу в напрямку обертання ротора.
• Надійно закріпіть постійні коригувальні вантажі. Під час зварювання пам’ятайте, що сам зварний шов також має масу.

Виконання 3: Перевірочне вимірювання та точне балансування

• Знову запустіть машину.
• Виконайте контрольне вимірювання для оцінки рівня залишкової вібрації.
• Порівняйте отримане значення з допуском, розрахованим згідно з ISO 1940-1.
• Якщо вібрація все ще перевищує допуск, прилад розрахує невелику "точну" (підстроювальну) корекцію.
• Після завершення збережіть звіт та коефіцієнти впливу для можливого використання в майбутньому.

Частина III: Розширене вирішення проблем та усунення несправностей

Цей розділ присвячено найскладнішим аспектам балансування полів – ситуаціям, коли стандартна процедура не дає результатів.

Розділ 3.1: Діагностика та подолання нестабільності вимірювань

Симптом: Під час повторних вимірювань за однакових умов показники амплітуди та/або фази суттєво змінюються («плавають», «стрибають»). Це унеможливлює розрахунок корекції.

Першопричина: Прилад не має несправності. Він точно повідомляє, що вібраційна реакція системи нестабільна та непередбачувана.

Систематичний діагностичний алгоритм:

• Механічна нещільність: Це найпоширеніша причина. Перевірте затягування болтів кріплення корпусу підшипника, анкерних болтів рами. Перевірте наявність тріщин у фундаменті або рамі.
• Дефекти підшипників: Надмірний внутрішній зазор у підшипниках кочення або знос вкладишів підшипника дозволяє валу хаотично рухатися всередині опори.
• Нестабільність, пов'язана з процесом:
  • Аеродинамічні (вентилятори): Турбулентний повітряний потік, відрив потоку від лопатей можуть спричиняти випадкові силові ефекти.
  • Гідравліка (насоси): Кавітація створює потужні, випадкові гідравлічні удари, які маскують періодичний сигнал від дисбалансу.
  • Внутрішній рух маси (дробарки, млини): Матеріал може перерозподілятися всередині ротора, діючи як "рухомий дисбаланс".
• Резонанс: Якщо робоча швидкість дуже близька до власної частоти конструкції, навіть незначні коливання швидкості спричиняють величезні зміни амплітуди та фази коливань.
• Теплові ефекти: Під час нагрівання машини теплове розширення може призвести до вигину вала або зміни вирівнювання.

Розділ 3.2: Коли балансування не допомагає: виявлення кореневих дефектів

Симптом: Процедуру балансування виконано, показання стабільні, але кінцева вібрація залишається високою.

Використання аналізатора спектру для диференціальної діагностики:

• Неспіввісність валів: Основна ознака - високий пік вібрації на частоті 2x RPM. Характерна висока осьова вібрація.
• Дефекти підшипників кочення: Проявляється як високочастотна вібрація на характерних "несучих" частотах (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Дуга вала: Проявляється як високий пік при 1x об/хв, але часто супроводжується помітним компонентом при 2x об/хв.
• Електричні проблеми (електродвигуни): Асиметрія магнітного поля може спричиняти вібрацію на частоті, що вдвічі перевищує частоту живлення (100 Гц для мережі 50 Гц).

Поширені помилки балансування та поради щодо їх запобігання

• Балансування несправного або брудного ротора: Завжди перевіряйте стан механізму перед балансуванням.
• Пробна вага занадто мала: Прагніть до правила зміни вібрації 20-30%.
• Недотримання сталості режиму: Завжди підтримуйте стабільну та однакову швидкість обертання під час усіх вимірювань.
• Помилки фази та мітки: Уважно стежте за визначенням кута. Кут коригувальної ваги зазвичай вимірюється від положення пробної ваги у напрямку обертання.
• Неправильне кріплення або втрата вантажів: Чітко дотримуйтесь методики – якщо потрібно зняти пробну вагу, зніміть її.

Збалансування стандартів якості

Частина IV: Часті запитання та примітки щодо застосування

Розділ 4.1: Загальні поширені запитання (FAQ)

Коли використовувати одноплощинне, а коли двоплощинне балансування?
Використовуйте одноплощинне (статичне) балансування для вузьких дископодібних роторів (співвідношення L/D < 0,25). Використовуйте 2-площинне (динамічне) балансування практично для всіх інших роторів, особливо з L/D > 0.25.

Що робити, якщо пробна гиря спричинила небезпечне посилення вібрації?
Негайно зупиніть машину. Це означає, що пробний вантаж було встановлено близько до існуючої важкої точки. Рішення: перемістіть пробний вантаж на 180 градусів від його початкового положення.

Чи можна використовувати збережені коефіцієнти впливу для іншої машини?
Так, але лише якщо інша машина абсолютно ідентична — та сама модель, той самий ротор, той самий фундамент, ті самі підшипники. Будь-яка зміна жорсткості конструкції зробить їх недійсними.

Як враховувати шпонкові пази? (ISO 8821)
Стандартною практикою є використання "півшпонки" в шпонковій канавці вала під час балансування без сполучної частини. Це компенсує масу тієї частини шпонки, яка заповнює паз на валу.

Розділ 4.2: Посібник з балансування для певних типів обладнання

Промислові вентилятори та димотяги:

• проблема: Найбільш схильні до дисбалансу через накопичення продукту на лезах або абразивне зношування.
• Процедура: Завжди ретельно очищуйте робоче колесо перед початком роботи. Звертайте увагу на аеродинамічні сили, які можуть спричинити нестабільність.

Насоси:

• проблема: Головний ворог - кавітація.
• Процедура: Перед балансуванням переконайтеся в достатньому запасі кавітації на вході (NPSHa). Перевірте, чи не засмічений всмоктувальний трубопровід.

Дробарки, подрібнювачі та мульчери:

• проблема: Екстремальний знос, можливі значні зміни дисбалансу через поломку або знос молотка.
• Процедура: Перевірте цілісність та кріплення робочих елементів. Може знадобитися додаткове кріплення рами машини.

Якорі електродвигунів:

• проблема: Може мати як механічні, так і електричні джерела вібрації.
• Процедура: Використовуйте аналізатор спектру для перевірки наявності вібрації на частоті, вдвічі більшій за частоту живлення. Її наявність вказує на електричну несправність, а не на дисбаланс.

Висновок

Динамічне балансування роторів на місці за допомогою портативних приладів, таких як «Балансет-1А», є потужним інструментом для підвищення надійності та ефективності роботи промислового обладнання. Однак успіх цієї процедури залежить не стільки від самого приладу, скільки від кваліфікації спеціаліста та здатності застосовувати системний підхід.

Ключові принципи:

• Підготовка визначає результат: Ретельне очищення ротора, перевірка стану підшипників та фундаменту, а також попередня вібродіагностика є обов'язковими умовами для успішного балансування.
• Дотримання стандартів є основою якості: Застосування ISO 1940-1 перетворює суб'єктивну оцінку на об'єктивний, вимірюваний та юридично значущий результат.
• Цей прилад є не лише балансиром, а й діагностичним інструментом: Нездатність підтримувати рівновагу або нестабільність читання є важливими діагностичними ознаками, що вказують на серйозніші проблеми.
• Розуміння фізики процесів є ключем до вирішення нестандартних завдань: Знання відмінностей між жорсткими та гнучкими роторами, розуміння впливу резонансу дозволяє фахівцям приймати правильні рішення.

Дотримання рекомендацій, викладених у цьому посібнику, дозволить технічним спеціалістам не лише успішно справлятися з типовими завданнями, але й ефективно діагностувати та вирішувати складні, нетривіальні проблеми вібрації обертового обладнання.