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 так званий трипрохідний 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

Установка балансувального верстата ротора з комп'ютерною системою моніторингу для вимірювання статичних та динамічних сил з метою виявлення дисбалансу в обертових компонентах електродвигуна.

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.

Технічна схема апарату для випробування ротора електродвигуна з мідними обмотками, встановленими на прецизійних підшипниках, підключеного до електронного моніторингового обладнання для вимірювання динаміки обертання.

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.

Спроба збалансувати гнучкий ротор за методикою для жорстких роторів (у двох площинах) часто призводить до невдачі. Встановлення коригувальних вантажів може компенсувати вібрацію при низькій, субрезонансній швидкості, але при досягненні робочої швидкості, коли ротор згинається, ці ж вантажі можуть посилити вібрацію, збуджуючи одну з мод згинальних коливань. Це одна з ключових причин, чому балансування «не працює», хоча всі дії з приладом виконуються правильно. Перед початком роботи вкрай важливо класифікувати ротор, співвіднісши його робочу швидкість з відомими (або розрахованими) критичними частотами.

Якщо обійти резонанс неможливо (наприклад, якщо машина має фіксовану швидкість, що збігається з резонансною), рекомендується під час балансування тимчасово змінити умови кріплення агрегату (наприклад, послабити жорсткість опор або встановити тимчасово еластичні прокладки), щоб змістити резонанс. Після усунення дисбалансу ротора та повернення нормальної вібрації машину можна повернути до стандартних умов кріплення.

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. Надмірні вимоги до якості балансування є невигідними, тому стандарти допомагають визначити, наскільки доцільно зменшити незбалансованість. Крім того, вони можуть використовуватися в договірних відносинах між виробниками та замовниками для визначення критеріїв приймання.

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

Програмне забезпечення для портативного балансира та віброаналізатора Балансет-1А. Калькулятор допуску балансу (ISO 1940)

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:
   е_за = (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:
   У_за = е_за × М
   де M – маса ротора, кг. Одиниця вимірювання для U_за дорівнює г·мм.

Наприклад, для ротора електродвигуна масою 5 кг, що працює зі швидкістю 3000 об/хв та має клас якості G2.5, розрахунок буде таким:

е_за = (2,5 × 9549) / 3000 ≈ 7,96 мкм (або г·мм/кг).

У_за = 7,96 × 5 = 39,8 г·мм.

Це означає, що після балансування залишковий дисбаланс не повинен перевищувати 39,8 г·мм.

Використання стандарту перетворює суб'єктивну оцінку «вібрація все ще занадто висока» на об'єктивний, вимірюваний критерій. Якщо остаточний звіт про балансування, згенерований програмним забезпеченням приладу, показує, що залишковий дисбаланс знаходиться в межах допуску ISO, робота вважається виконаною якісно, що захищає виконавця в спірних ситуаціях.

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, які неможливо змоделювати на балансувальній машині.

Недоліки та обмеження: У стандарті також зазначено суттєві недоліки, які необхідно враховувати під час планування робіт.

• Обмежений доступ: Часто доступ до коригувальних площин на зібраній машині ускладнений, що обмежує можливості встановлення вантажу.
• Необхідність пробних запусків: Процес балансування вимагає кількох циклів "пуск-зупинка" машини, що може бути неприйнятним з точки зору виробничого процесу та економічної ефективності.
• 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.

Інші відповідні стандарти

Для повноти картини слід згадати інші стандарти, такі як серія ISO 21940 (що замінює ISO 1940), ISO 8821 (що регулює врахування ключового впливу) та ISO 11342 (для гнучких роторів).

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

Перед підключенням приладу необхідно провести повну діагностику та підготовку механізму.

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 "Вимірювач вібрації" (кнопка F5), де можна виміряти загальну вібрацію та окремо компонент на частоті обертання (1×) перед встановленням будь-яких вантажів. Така діагностика допомагає зрозуміти природу вібрації: якщо амплітуда основної обертальної гармоніки близька до загальної вібрації, то домінуючим джерелом вібрації, найімовірніше, є дисбаланс ротора, і балансування ефективне. Також показники фази та вібрації від вимірювання до вимірювання повинні бути стабільними та не змінюватися більш ніж на 5-10%.

Використовуйте прилад у режимі віброметра або спектрального аналізатора (FFT) для попередньої оцінки стану машини.

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 об/хв) або на некратних частотах, це вказує на наявність інших проблем, які необхідно усунути перед балансуванням. Наприклад, пік на 2x об/хв часто вказує на перекіс вала.

Крок 2: Комплексна механічна перевірка (контрольний список)

Ротор: Ретельно очистіть усі поверхні ротора (лопаті вентилятора, молотки дробарки тощо) від бруду, іржі, налиплого продукту. Навіть невелика кількість бруду на великому радіусі створює значний дисбаланс. Перевірте відсутність зламаних або відсутніх елементів (лопатей, молотків), нещільно закріплених деталей.

Підшипники: Перевірте підшипникові вузли на наявність надмірного люфту, сторонніх шумів та перегріву. Зношені підшипники з великим зазором не дозволять отримати стабільні показники та унеможливлять балансування. Необхідно перевірити посадку шийок ротора до вкладишів підшипників та зазори.

Фундамент і каркас: Переконайтеся, що установка встановлена на жорсткому фундаменті. Перевірте затягування анкерних болтів, відсутність тріщин у рамі. Наявність «м’якої опори» (коли одна опора не підходить до фундаменту) або недостатня жорсткість опорної конструкції призведе до поглинання енергії вібрації та нестабільних, непередбачуваних показників.

Привід: Для ремінних приводів перевірте натяг та стан ременя. Для муфтових з'єднань – вирівнювання валів. Перекіс може створювати вібрацію на частоті, що перевищує 2 об/хв, що спотворюватиме вимірювання на частоті обертання.

Безпека: Переконайтеся в наявності та справності всіх захисних пристроїв. Робоча зона повинна бути вільною від сторонніх предметів та людей.

Розділ 2.2: Налаштування та конфігурація приладу

Правильне встановлення датчика є ключем до отримання точних та достовірних даних.

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: Щоб отримати максимальний сигнал (найвищу чутливість), датчики слід встановлювати в напрямку, де вібрація максимальна. Для більшості горизонтально розташованих машин це горизонтальний напрямок, оскільки жорсткість фундаменту в цій площині зазвичай нижча. Використовуйте потужну магнітну основу або різьбове кріплення для забезпечення жорсткого контакту. Погано закріплений датчик є однією з основних причин отримання невірних даних.

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. Стрічка має бути чистою та забезпечувати хороший контраст.
• Встановіть тахометр на магнітну підставку так, щоб лазерний промінь стабільно потрапляв на позначку протягом усього оберту. Переконайтеся, що прилад показує стабільне значення обертів за хвилину (RPM).

Якщо датчик «промахується» по мітці або навпаки дає зайві імпульси, потрібно скоригувати або ширину/колір мітки, або чутливість/кут датчика. Наприклад, якщо на роторі є блискучі елементи, їх можна закрити матовою стрічкою, щоб вони не відбивали лазер. Під час роботи на вулиці або в яскраво освітлених приміщеннях, якщо можливо, захищайте датчик від прямого світла, оскільки яскраве освітлення може створювати перешкоди для фазового датчика.

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 агрегату, ввівши його назву, масу та інші доступні дані.
• Виберіть тип балансування: 1-площинне (статичне) для вузьких роторів або 2-площинне (динамічне) для більшості інших випадків.
• Визначити площини корекції: вибрати місця на роторі, де можна безпечно та надійно встановити коригувальні вантажі (наприклад, задній диск крильчатки вентилятора, спеціальні пази на валу).

Розділ 2.3: Процедура балансування: покрокове керівництво

Процедура базується на методі коефіцієнта впливу, де прилад «навчається», як ротор реагує на встановлення відомої маси. Прилади Balanset-1A автоматизують цей процес.

Такий підхід реалізує так званий трипрохідний метод двоплощинного балансування: початкове вимірювання та два прогони з пробними вантажами (по одному в кожній площині).

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 зафіксує початкові значення амплітуди та фази коливань (так званий початковий вектор "O").

Промисловий випробувальний апарат для двигунів з мідним ротором, встановленим на прецизійних підшипниках, оснащений системою моніторингу з комп'ютерним керуванням для аналізу та діагностики електричних характеристик.

Двоплощинний програмний інтерфейс динамічного балансування, що відображає дані вібраційного аналізу з формами сигналів у часовій області та діаграмами частотного спектру для діагностики обертових машин.

Виконання 1: Пробна вага в площині 1

• Зупиніть машину.
• Вибір пробної ваги: Це найважливіший крок, який залежить від оператора. Маса пробного вантажу має бути достатньою, щоб викликати помітну зміну параметрів вібрації (зміна амплітуди щонайменше на 20-30% АБО зміна фази щонайменше на 20-30 градусів). Якщо зміна занадто мала, точність розрахунку буде низькою. Це відбувається тому, що слабкий корисний сигнал від пробного вантажу «тоне» в системному шумі (люфт підшипника, турбулентність потоку), що призводить до неправильного розрахунку коефіцієнта впливу.
• Встановлення пробної ваги: Надійно закріпіть зважену пробну гирю (м_t) на відомому радіусі (r) у площині 1. Кріплення повинно витримувати відцентрову силу. Зафіксуйте кутове положення вантажу відносно фазової позначки.
• Запустіть машину на тій самій стабільній швидкості.
• Виконайте друге вимірювання. Прилад зафіксує новий вектор вібрації ("O+T").
• Зупиніть машину та ЗНІМІТЬ пробну вагу (якщо програма не вказує інше).

3D-рендеринг установки для випробування ротора електродвигуна з мідними обмотками, встановленими на прецизійному балансувальному обладнанні, підключеними до діагностичних датчиків та ноутбука для аналізу продуктивності.

Програмний інтерфейс для двоплощинного динамічного балансування, що показує аналіз вібрації з формами сигналів у часовій області та частотним спектром для балансування обертових машин зі швидкістю ~2960 об/хв.

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

• Точно повторіть процедуру з кроку 2, але цього разу встановіть пробну вагу в площині 2.
• Запустіть, виміряйте, зупиніть та ЗНІМІТЬ пробну вагу.

Промисловий апарат для випробування двигунів з мідними обмотками, встановленими на опорних стійках, з діагностичними засобами, керованими ноутбуком, для аналізу продуктивності та ефективності електродвигуна.

Інтерфейс двоплощинного динамічного балансувального верстата, що відображає результати аналізу вібрації та розрахунки корекції маси для обертового обладнання, з показниками залишкового дисбалансу.

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. Під час використання болтів слід враховувати їх масу.

3D-візуалізована модель великої електромагнітної котушки або статора двигуна, встановленого на випробувальному апараті, з мідними обмотками та моніторинговим обладнанням для електричного аналізу та оцінки продуктивності.

Програмний інтерфейс динамічного балансувального верстата, що відображає результати балансування у двох площинах з коригувальними масами 0,290 г та 0,270 г під певними кутами для усунення вібрації.

Двоплощинний динамічний балансувальний аналіз, що показує полярні графіки для корекції ротора. Інтерфейс відображає вимоги до додавання маси (0,290 г при 206° для площини 1, 0,270 г при 9° для площини 2) для мінімізації вібрації та досягнення механічного балансу в обертових механізмах.

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, використовуючи вже відомі коефіцієнти впливу, розрахує невелику «точну» (підлаштування) корекцію. Встановіть цю додаткову вагу та перевірте ще раз. Зазвичай достатньо одного або двох циклів точного балансування.
• Після завершення збережіть звіт та коефіцієнти впливу для можливого використання в майбутньому на аналогічних машинах.

3D-рендеринг роторного вузла електродвигуна на випробувальному обладнанні з мідними обмотками, зеленими діагностичними індикаторами та підключеними вимірювальними приладами для аналізу контролю якості.

Інтерфейс програмного забезпечення для динамічного балансування у двох площинах, що відображає результати вимірювання вібрації та розрахунки корекції для обертових машин, відображаючи пробні маси, кути та значення залишкового дисбалансу.

Частина III: Розширене вирішення проблем та усунення несправностей

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

Динамічне балансування передбачає обертання масивних деталей, тому дотримання правил безпеки є критично важливим. Нижче наведено основні заходи безпеки під час балансування роторів на місці:

Заходи безпеки

Запобігання випадковому запуску (блокування/маркування): Перед початком робіт необхідно знеструмити та відключити привід ротора. На пускових пристроях вішають попереджувальні знаки, щоб ніхто помилково не запустив машину. Основний ризик – раптовий пуск ротора під час встановлення ваги або датчика. Тому перед встановленням пробних або коригувальних вантажів вал повинен бути надійно зупинений, а його пуск має бути неможливим без вашого відома. Наприклад, відключіть автоматичний вимикач двигуна та повісьте замок з биркою, або зніміть запобіжники. Тільки переконавшись, що ротор не запуститься мимовільно, можна виконувати встановлення ваги.

Засоби індивідуального захисту: Під час роботи з обертовими деталями використовуйте відповідні ЗІЗ. Захисні окуляри або захисний щиток для обличчя обов'язкові для захисту від можливого викидання дрібних деталей або вантажів. Рукавички – за потреби (вони захистять руки під час встановлення вантажу, але під час вимірювань краще працювати без вільного одягу та рукавичок, які можуть зачепитися за обертові деталі). Одяг має бути щільно прилягаючим, без вільних країв. Довге волосся слід заправляти під головний убір. Використання берушів або навушників – під час роботи з гучними машинами (наприклад, балансування великих вентиляторів може супроводжуватися сильним шумом). Якщо для кріплення вантажу використовується зварювання – додатково одягайте зварювальну маску, зварювальні рукавички, зніміть легкозаймисті матеріали.

Небезпечна зона навколо машини: Обмежте доступ сторонніх осіб до зони балансування. Під час випробувальних запусків навколо агрегату встановлюються бар'єри або хоча б попереджувальні стрічки. Радіус небезпечної зони становить не менше 3-5 метрів, а для великих роторів навіть більше. Ніхто не повинен знаходитися на лінії обертових деталей або поблизу площини обертання ротора під час його розгону. Будьте готові до аварійних ситуацій: оператор повинен мати напоготові кнопку аварійної зупинки або бути поруч із вимикачем живлення, щоб негайно знеструмити агрегат у разі виникнення стороннього шуму, вібрації вище допустимих рівнів або викиду вантажу.

Надійне кріплення ваги: Під час кріплення пробних або постійних коригувальних гир зверніть особливу увагу на їх фіксацію. Тимчасові пробні гирі часто кріпляться болтом до існуючого отвору або приклеюються міцною стрічкою/двостороннім скотчем (для малих гир та низьких швидкостей), або зварюються прихватками в кількох точках (якщо це безпечно та дозволяє матеріал). Постійні коригувальні гирі слід кріпити надійно та на тривалий термін: як правило, їх зварюють, прикручують болтами/шурупами або виконують свердління металу (видалення маси) в необхідних місцях. Категорично забороняється залишати погано закріплену гирю на роторі (наприклад, з магнітом без підпірки або слабким клеєм) під час обертання – викинута гиря стає небезпечним снарядом. Завжди розраховуйте відцентрову силу: навіть 10-грамовий болт при 3000 об/хв створює велику силу викиду, тому кріплення повинно витримувати перевантаження з великим запасом. Після кожної зупинки перевіряйте, чи не ослабло кріплення пробної гирі, перш ніж знову запускати ротор.

Електробезпека обладнання: Прилад Balanset-1A зазвичай живиться від USB-порту ноутбука, що є безпечним. Але якщо ноутбук підключено до мережі 220 В через адаптер, слід дотримуватися загальних заходів електробезпеки – використовувати справну заземлену розетку, не прокладати кабелі через вологі або гарячі зони, захищати обладнання від вологи. Забороняється розбирати або ремонтувати прилад Balanset або його блок живлення, коли він підключений до мережі. Усі підключення датчиків виконуються лише при знеструмленому приладі (відключено USB або вилучено живлення ноутбука). Якщо на робочому місці є нестабільна напруга або сильні електричні перешкоди, бажано живити ноутбук від автономного джерела (ДБЖ, акумулятор), щоб уникнути перешкод у сигналах або вимкнення приладу.

Врахування характеристик ротора: Деякі ротори можуть потребувати додаткових запобіжних заходів. Наприклад, під час балансування високошвидкісних роторів переконайтеся, що вони не перевищують допустиму швидкість (не "роз'їжджають"). Для цього можна використовувати тахометричні обмеження або заздалегідь перевірити частоту обертання. Гнучкі довгі ротори під час обертання можуть проходити критичні швидкості - будьте готові швидко зменшити оберти при надмірних вібраціях. Якщо балансування виконується на агрегаті з робочою рідиною (наприклад, насос, гідравлічна система) - переконайтеся, що під час балансування не буде подачі рідини або інших змін навантаження.

Документація та комунікація: Згідно з правилами охорони праці, бажано мати інструкції з безпечного проведення балансувальних робіт саме для вашого підприємства. У них повинні бути прописані всі перелічені заходи та, можливо, додаткові (наприклад, вимоги до присутності другого спостерігача, огляд інструменту перед роботою тощо). Ознайомте всю бригаду, задіяну в роботі, з цими інструкціями. Перед початком експериментів проведіть короткий інструктаж: хто що робить, коли подавати сигнал зупинки, які умовні знаки подавати. Це особливо важливо, якщо одна людина знаходиться біля пульта керування, а інша — біля вимірювального обладнання.

Дотримання перелічених заходів мінімізує ризики під час балансування. Пам'ятайте, що безпека вища за швидкість балансування. Краще витратити більше часу на підготовку та контроль, ніж допустити нещасного випадку. У практиці балансування відомі випадки, коли ігнорування правил (наприклад, слабке кріплення вантажу) призводило до нещасних випадків та травм. Тому підходьте до процесу відповідально: балансування — це не лише технічна, а й потенційно небезпечна операція, що вимагає дисципліни та уважності.

Розділ 3.1: Діагностика та подолання нестабільності вимірювань («плаваючі» показники)

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

Першопричина: Прилад не є несправним. Він точно повідомляє, що вібраційна реакція системи нестабільна та непередбачувана. Завдання спеціаліста — знайти та усунути джерело цієї нестабільності.

Систематичний діагностичний алгоритм:

• Механічна нещільність: Це найпоширеніша причина. Перевірте затягування болтів кріплення корпусу підшипника, анкерних болтів рами. Перевірте наявність тріщин у фундаменті або рамі. Усуньте "м'яку ніжку".
• Дефекти підшипників: Надмірний внутрішній зазор у підшипниках кочення або знос вкладишів підшипника дозволяє валу хаотично рухатися всередині опори, що призводить до нестабільних показників.
• Нестабільність, пов'язана з процесом:
  • Аеродинамічні (вентилятори): Турбулентний повітряний потік, відрив потоку від лопатей можуть спричиняти випадкові силові впливи на робоче колесо.
  • Гідравліка (насоси): Кавітація — утворення та руйнування бульбашок пари в рідині — створює потужні, випадкові гідравлічні удари. Ці удари повністю маскують періодичний сигнал від дисбалансу та роблять балансування неможливим.
  • Внутрішній рух маси (дробарки, млини): Під час роботи матеріал може рухатися та перерозподілятися всередині ротора, діючи як «рухомий дисбаланс».
• Резонанс: Якщо робоча швидкість дуже близька до власної частоти конструкції, навіть незначні коливання швидкості (50-100 об/хв) викликають величезні зміни амплітуди та фази коливань. Балансування в резонансній зоні неможливе. Необхідно провести випробування на вибіг (під час зупинки машини), щоб визначити резонансні піки та вибрати швидкість для балансування, віддалену від них.
• Теплові ефекти: Під час прогрівання машини теплове розширення може спричинити вигин вала або зміни вирівнювання, що призведе до «дрейфу» показань. Необхідно дочекатися, поки машина досягне стабільного теплового режиму, і проводити всі вимірювання за цієї температури.
• Вплив сусіднього обладнання: Сильна вібрація від сусідніх працюючих машин може передаватися через підлогу та спотворювати вимірювання. Якщо можливо, ізолюйте балансуваний агрегат або усуніть джерело перешкод.

Розділ 3.2: Коли балансування не допомагає: виявлення кореневих дефектів

Симптом: Процедуру балансування виконано, показники стабільні, але кінцева вібрація залишається високою. Або балансування в одній площині погіршує вібрацію в іншій.

Першопричина: Підвищена вібрація спричинена не простим дисбалансом. Оператор намагається вирішити проблему геометрії або відмови компонента за допомогою методу корекції маси. Невдала спроба балансування в цьому випадку є успішним діагностичним тестом, який доводить, що проблема не в дисбалансі.

Використання аналізатора спектру для диференціальної діагностики:

• Неспіввісність валів: Основна ознака – високий пік вібрації на частоті 2x RPM, часто супроводжується значним піком на 1x RPM. Також характерна висока осьова вібрація. Спроби «збалансувати» перекіс приречені на невдачу. Рішення – виконати якісне вирівнювання валів.
• Дефекти підшипників кочення: Проявляються як високочастотні коливання в спектрі на характерних "несучих" частотах (BPFO, BPFI, BSF, FTF), які не є кратними частоті обертання. Функція FFT у приладах Balanset допомагає виявляти ці піки.
• Дуга вала: Проявляється як високий пік при 1x об/хв (подібно до дисбалансу), але часто супроводжується помітною складовою при 2x об/хв та високою осьовою вібрацією, що робить картину схожою на поєднання дисбалансу та перекосу.
• Електричні проблеми (електродвигуни): Асиметрія магнітного поля (наприклад, через дефекти роторного стрижня або ексцентриситет повітряного зазору) може спричиняти вібрацію на частоті, вдвічі більшій, ніж частота живлення (100 Гц для мережі 50 Гц). Ця вібрація не усувається механічним балансуванням.

Прикладом складного причинно-наслідкового зв'язку є кавітація в насосі. Низький тиск на вході призводить до кипіння рідини та утворення бульбашок пари. Їх подальше руйнування на робочому колесі викликає два наслідки: 1) ерозійний знос лопатей, який з часом фактично змінює баланс ротора; 2) потужні випадкові гідравлічні удари, що створюють широкосмуговий вібраційний «шум», повністю маскуючи корисний сигнал від дисбалансу та роблячи показання нестабільними. Рішенням є не балансування, а усунення гідравлічної причини: перевірка та очищення всмоктувальної лінії, забезпечення достатнього запасу кавітації (NPSH).

Поширені помилки балансування та поради щодо їх запобігання

Під час балансування ротора, особливо в польових умовах, новачки часто стикаються з типовими помилками. Нижче наведено поширені помилки та рекомендації щодо їх уникнення:

Балансування несправного або брудного ротора: Одна з найпоширеніших помилок – спроба збалансувати ротор, який має інші проблеми: зношені підшипники, люфт, тріщини, налиплий бруд тощо. В результаті дисбаланс може бути не основною причиною вібрації, і після тривалих спроб вібрація залишається високою. Порада: завжди перевіряйте стан механізму перед балансуванням.

Пробна вага занадто мала: Поширеною помилкою є встановлення пробного вантажу недостатньої маси. В результаті його вплив тоне в шумі вимірювання: фаза ледь зміщується, амплітуда змінюється лише на кілька відсотків, а розрахунок коригувальної ваги стає неточним. Порада: прагніть до правила зміни вібрації 20-30%. Іноді краще зробити кілька спроб з різними пробними вантажами (зберігаючи найвдаліший варіант) – прилад це дозволяє, ви просто перезапишете результат першого запуску. Також зверніть увагу: брати занадто великий пробний вантаж також небажано, оскільки це може перевантажити опори. Виберіть пробний вантаж такої маси, щоб при встановленні амплітуда вібрації 1× змінилася щонайменше на чверть відносно початкової. Якщо після першого пробного запуску ви побачите, що зміни невеликі – сміливо збільшуйте масу пробного вантажу та повторіть вимірювання.

Недотримання сталості режиму та резонансні ефекти: Якщо під час балансування між різними прогонами ротор обертався з суттєво різними швидкостями, або під час вимірювання швидкість "плавала", результати будуть невірними. Також, якщо швидкість близька до резонансної частоти системи, вібраційна реакція може бути непередбачуваною (великі фазові зсуви, розкид амплітуди). Помилка полягає в ігноруванні цих факторів. Порада: завжди підтримуйте стабільну та однакову швидкість обертання під час усіх вимірювань. Якщо привід має регулятор, встановлюйте фіксовані оберти (наприклад, рівно 1500 об/хв для всіх вимірювань). Уникайте проходження критичних швидкостей конструкції. Якщо ви помітили, що від прогону до прогону фаза "стрибає", а амплітуда не повторюється за однакових умов - підозрюйте резонанс. У такому випадку спробуйте зменшити або збільшити швидкість на 10-15% та повторити вимірювання, або змініть жорсткість установки машини, щоб послабити резонанс. Завдання полягає в тому, щоб вивести режим вимірювання із зони резонансу, інакше балансування втрачає сенс.

Помилки фази та мітки: Іноді користувач плутається з кутовими вимірюваннями. Наприклад, неправильно вказує, звідки відраховувати кут встановлення вантажу. В результаті вантаж встановлюється не там, де розрахував прилад. Порада: уважно стежте за визначенням кута. У Balanset-1A кут коригувальної вантажу зазвичай вимірюється від положення пробного вантажу у напрямку обертання. Тобто, якщо прилад показував, скажімо, "Площина 1: 45°", це означає - від точки, де був пробний вантаж, відміряйте 45° у напрямку обертання. Наприклад, стрілки годинника йдуть "за годинниковою стрілкою", а ротор обертається "за годинниковою стрілкою", тому 90 градусів буде там, де на циферблаті буде 3 години. Деякі прилади (або програми) можуть вимірювати фазу від позначки або в іншому напрямку - завжди читайте інструкцію до конкретного приладу. Щоб уникнути плутанини, можна зробити позначку безпосередньо на роторі: позначте положення пробного вантажу як 0°, потім вкажіть напрямок обертання стрілкою та, використовуючи транспортир або паперовий шаблон, виміряйте кут для постійного вантажу.

Увага: під час балансування тахометр не можна переміщувати. Він завжди повинен бути спрямований в одну й ту саму точку на колу. Якщо фазова мітка була зміщена або фазовий датчик був перевстановлений - вся фазова картина буде порушена.

Неправильне кріплення або втрата вантажів: Буває, що поспіхом вантаж погано прикрутили, і при наступному запуску він зірвався або змістився. Тоді всі вимірювання цього пробігу марні, а головне – небезпечні. Або ще одна помилка – забути зняти пробний вантаж, коли методика вимагає його зняття, і в результаті прилад думає, що його немає, але він залишився на роторі (або навпаки – програма очікувала залишити його, але ви його зняли). Порада: суворо дотримуйтесь обраної методики – якщо вона вимагає зняття пробного вантажу перед встановленням другого, зніміть його і не забудьте про нього. Використовуйте контрольний список: «пробний вантаж 1 знятий, пробний вантаж 2 знятий» – перед розрахунком переконайтеся, що на роторі немає зайвих мас. Під час кріплення вантажів завжди перевіряйте їхню надійність. Краще витратити зайві 5 хвилин на свердління або затягування болтів, ніж потім шукати викинуту деталь. Ніколи не стійте в площині можливого викиду вантажу під час обертання – це правило безпеки і на випадок помилки теж.

Невикористання можливостей інструменту: Деякі оператори несвідомо ігнорують корисні функції Balanset-1A. Наприклад, вони не зберігають коефіцієнти впливу для подібних роторів, не використовують графіки вибігу та режим спектру, якщо прилад їх надає. Порада: ознайомтеся з інструкцією до приладу та використовуйте всі його опції. Balanset-1A може будувати графіки змін вібрації під час вибігу (корисно для виявлення резонансу), проводити спектральний аналіз (допомагає переконатися, що гармоніка 1× переважає) і навіть вимірювати відносну вібрацію вала за допомогою безконтактних датчиків, якщо такі підключені. Ці функції можуть надати цінну інформацію. Крім того, збережені коефіцієнти впливу дозволять наступного разу збалансувати подібний ротор без пробних вантажів – одного запуску буде достатньо, що заощадить час.

Підсумовуючи, кожної помилки легше запобігти, ніж виправити. Ретельна підготовка, ретельне дотримання методики вимірювання, використання надійних засобів кріплення та застосування логіки приладів є ключами до успішного та швидкого балансування. Якщо щось піде не так – не соромтеся перервати процес, проаналізувати ситуацію (можливо, за допомогою вібродіагностики) і лише потім продовжувати. Балансування – це ітеративний процес, що вимагає терпіння та точності.

Приклад налаштування та калібрування на практиці:

Уявіть, що нам потрібно збалансувати ротори двох однакових вентиляційних установок. Налаштування приладу виконується для першого вентилятора: встановлюємо програмне забезпечення, підключаємо датчики (два на опорах, оптичний на підставці), готуємо вентилятор до запуску (знімаємо корпус, наносимо мітку). Виконуємо балансування першого вентилятора пробними вантажами, прилад розраховує та пропонує корекцію - ми встановлюємо її, досягаємо зниження вібрації до норм. Потім зберігаємо файл коефіцієнтів (через меню приладу). Тепер, переходячи до другого ідентичного вентилятора, можемо завантажити цей файл. Прилад попросить негайно виконати контрольний прогін (по суті, вимірювання Run 0 для другого вентилятора) та, використовуючи раніше завантажені коефіцієнти, негайно надати маси та кути коригувальних вантажів для другого вентилятора. Встановлюємо вантажі, запускаємо - і отримуємо значне зниження вібрації з першої спроби, зазвичай у межах допуску. Таким чином, налаштування приладу зі збереженням калібрувальних даних на першому верстаті дозволило різко скоротити час балансування для другого. Звичайно, якщо вібрація другого вентилятора не знизилася до норми, додаткові цикли з пробними вантажами можна виконувати окремо, але часто збережених даних виявляється достатньо.

Збалансування стандартів якості

Частина IV: Часті запитання та примітки щодо застосування

У цьому розділі узагальнено практичні поради та надано відповіді на запитання, які найчастіше виникають у фахівців у польових умовах.

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), де дисбаланс пари незначний. Використовуйте двоплощинне (динамічне) балансування практично для всіх інших роторів, особливо з L/D > 0,25 або працює на високих швидкостях.

Що робити, якщо пробна гиря спричинила небезпечне посилення вібрації?
Негайно зупиніть машину. Це означає, що пробний вантаж було встановлено близько до існуючої важкої точки, що посилило дисбаланс. Рішення просте: 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 змінить коефіцієнти впливу, зробивши їх недійсними. Найкращою практикою є завжди проводити нові випробувальні запуски для кожної нової машини.

Як враховувати шпонкові пази? (ISO 8821)
Стандартною практикою (якщо не зазначено інше в документації) є використання "напівшпонки" в шпонковій канавці вала під час балансування без сполучної частини. Це компенсує масу тієї частини шпонки, яка заповнює паз на валу. Використання повної шпонки або балансування без шпонки призведе до неправильного балансування вузла.

Які найважливіші заходи безпеки?

• Електробезпека: Використовуйте схему з'єднання з двома послідовними перемикачами, щоб запобігти випадковому "виходу" ротора з ладу. Під час встановлення вантажів застосовуйте процедури блокування та маркування (LOTO). Роботу слід проводити під наглядом, робоча зона має бути огороджена.
• Механічна безпека: Не працюйте у вільному одязі з елементами, що майорять. Перед початком роботи переконайтеся, що всі захисні пристрої встановлені. Ніколи не торкайтеся обертових частин і не намагайтеся гальмувати ротор вручну. Переконайтеся, що коригувальні вантажі надійно закріплені, щоб вони не вилетіли.
• Загальна культура виробництва: Підтримуйте чистоту на робочому місці, не захаращуйте проходи.

Розділ 4.2: Посібник з балансування для певних типів обладнання

Промислові вентилятори та димотяги:

• проблема: Найбільш схильні до дисбалансу через накопичення продукту на лопатях (збільшення маси) або абразивне зношування (втрата маси).
• Процедура: Завжди ретельно очищуйте робоче колесо перед початком роботи. Балансування може вимагати кількох етапів: спочатку саме робоче колесо, потім складання з валом. Зверніть 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 або фільтр. Якщо ви чуєте характерний "гравійний" шум і вібрація нестабільна, спочатку усуньте проблему з гідравлікою.

Дробарки, подрібнювачі та мульчери:

• проблема: Екстремальний знос, можливі значні та раптові зміни дисбалансу через поломку або знос молота/збивача. Ротори важкі та працюють під високими ударними навантаженнями.
• Процедура: Перевірте цілісність та кріплення робочих елементів. Через сильну вібрацію може знадобитися додаткове кріплення рами машини до підлоги для отримання стабільних показників.

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 (наприклад, 100 Гц). Її наявність вказує на електричну несправність, а не на дисбаланс. Для якорів двигунів постійного струму та асинхронних двигунів застосовується стандартна процедура динамічного балансування.

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, як показує аналіз, успіх цієї процедури залежить не стільки від самого приладу, скільки від кваліфікації спеціаліста та здатності застосовувати системний підхід.

Ключові висновки цього посібника можна звести до кількох фундаментальних принципів:

Підготовка визначає результат: Ретельне очищення ротора, перевірка стану підшипників та фундаменту, а також попередня вібродіагностика для виключення інших дефектів є обов'язковими умовами успішного балансування.

Дотримання стандартів є основою якості та правового захисту: Застосування ISO 1940-1 для визначення допусків залишкового дисбалансу перетворює суб'єктивну оцінку на об'єктивний, вимірюваний та юридично значущий результат.

Цей прилад є не лише балансиром, а й діагностичним інструментом: Неможливість збалансувати механізм або нестабільність показань не є несправностями приладу, а важливими діагностичними ознаками, що вказують на наявність серйозніших проблем, таких як перекіс, резонанс, дефекти підшипників або технологічні порушення.

Розуміння фізики процесів є ключем до вирішення нестандартних завдань: Знання відмінностей між жорсткими та гнучкими роторами, розуміння впливу резонансу, теплових деформацій та технологічних факторів (наприклад, кавітації) дозволяє фахівцям приймати правильні рішення в ситуаціях, коли стандартні покрокові інструкції не працюють.

Таким чином, ефективне балансування поля – це синтез точних вимірювань, що виконуються сучасними приладами, та глибокого аналітичного підходу, заснованого на знаннях теорії вібрацій, стандартів та практичного досвіду. Дотримання рекомендацій, викладених у цьому посібнику, дозволить технічним фахівцям не лише успішно справлятися з типовими завданнями, але й ефективно діагностувати та вирішувати складні, нетривіальні проблеми вібрації обертового обладнання.