Динамічне балансування поля

Частина I: Теоретичні та регуляторні основи динамічного балансування

Field dynamic balancing is one of the key operations in vibration commissioning and condition-based maintenance, aimed at extending the service life of industrial equipment and preventing emergency situations. The use of portable instruments such as Balanset-1A allows these operations to be performed directly at the operating site, minimizing downtime and costs associated with dismantling. However, successful balancing requires not only the ability to work with the instrument, but also a deep understanding of the physical processes underlying vibration, as well as knowledge of the regulatory framework governing the quality of work.

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): In this type of unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the axis of rotation - the center of mass is offset radially from the rotation axis. In a static state, such a rotor, installed on horizontal knife-edges (parallel ways), will always turn with the heavy side downward. Static unbalance is dominant for thin, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5, for example, grinding wheels or narrow fan impellers. Static unbalance elimination is possible by installing one corrective weight in one correction plane, diametrically opposite to the heavy point - a single-plane approach that is valid at moderate speeds (roughly under 1000 rpm); high-speed narrow discs still require two-plane balancing.

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 21940-11 (раніше ISO 1940-1): Вимоги до якості балансування жорстких роторів

This standard is the fundamental document for determining permissible residual unbalance. It introduces the concept of balance quality grade (G), which is chosen by machine type only. The speed enters later, when the grade is converted into a permissible specific unbalance: e_за = (G × 9549) / n.

Клас якості G: Each type of equipment corresponds to a specific quality grade that remains constant regardless of rotation speed. For example, grade G6.3 is recommended for fans, pumps and general-purpose electric motors, G16 for crushers and agricultural machinery, and G2.5 for turbines and turbo-compressors.

Розрахунок допустимого залишкового дисбалансу (U_за): The standard allows calculation of a specific permissible unbalance value that serves as a target indicator during balancing. The calculation is performed in three stages:

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.
3. Allocation of U_за between the two correction planes. For a symmetric rotor, split it 50/50 (in the example below: 19.9 g·mm per plane). For an asymmetric between-bearing rotor: U_{ліворуч} = U_за × (b/L), U_{праворуч} = U_за × (a/L), where a and b are the distances from the center of mass to the left and right bearings and L = a + b. Overhung rotors require a moment-based recalculation with a tighter tolerance on the overhung plane. Balanset-1A performs this allocation automatically and shows the per-plane residual unbalance (D1, D2) next to the balancing tolerance on the Result tab.

ISO 20806:2009: Критерії та заходи безпеки для балансування середніх і великих роторів 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 площин корекції на зібраній машині ускладнений, що обмежує можливості встановлення вантажів.
• Необхідність пробних запусків: Процес балансування вимагає кількох циклів "старт-стоп" машини.
• Труднощі за значного дисбалансу: У випадках дуже великого початкового дисбалансу обмеження щодо вибору площин і маси коригувального вантажу можуть не дозволити досягти потрібної якості балансування.

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

The success of balancing depends overwhelmingly on the thoroughness of preparatory work. Most failures are related not to instrument malfunction, but to ignoring factors affecting measurement repeatability. The main preparation principle is to exclude all other possible sources of vibration so that the instrument measures only the effect of unbalance.

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: Thoroughly clean all rotor surfaces from dirt, rust and built-up deposits (caked product). Even a small amount of dirt at a large radius creates significant unbalance. Check for absence of broken or missing elements.
• Підшипники: Перевірте підшипникові вузли на наявність надмірного люфту, сторонніх шумів та перегріву. Зношені підшипники не дозволять отримувати стабільні показники.
• Фундамент і каркас: Ensure that the unit is installed on a rigid foundation. Check the torque of the anchor bolts and the absence of cracks in the frame.
• 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):

• Connect sensor cables to corresponding instrument connectors (e.g., X1 and X2 for Balanset-1A; on newer revisions the connectors are labeled Ch-1 and Ch-2).
• 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):

• Connect the sensor to the special input (X3 for Balanset-1A; labeled Tacho on newer revisions).
• 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)

• Launch the software and connect the USB interface module (administrator rights are not required).
• Go to the balancing module (F7 - Balancing). Create a new record for the unit being balanced.
• Select balancing type: 1-plane (static, the F2 - Single-plane tab) for narrow rotors or 2-plane (dynamic, the F3 - Two-plane tab) for most other cases.
• 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: Пробний вантаж у площині 1

• Зупиніть машину.
• Вибір пробного вантажу: The trial weight mass should be sufficient to cause noticeable change in vibration parameters (amplitude change of at least 20-30% OR phase change of at least 20-30 degrees). You do not have to guess the starting mass: after Run 0 the software's First Trial Weight Estimator recommends both the trial weight mass and its installation angle from the tachometer mark, and the program warns if the installed weight turns out to be too small.
• Встановлення пробного вантажу: 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 remove the trial weight. If removing it is impractical, you can leave it installed - check the "Leave on rotor" box in the software so the calculation accounts for it.

Виконання 2: Пробний вантаж у площині 2 (для двоплощинного балансування)

• Точно повторіть процедуру з кроку 2, але встановіть пробну вагу в площині 2.
• Початок, вимірювання, зупинка та remove the trial weight (or leave it with the "Leave on rotor" box checked, as in Run 1).

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.

Run T (Trim): Verification measurement and fine balancing

• 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.

Using the vibration spectrum for differential diagnosis (in the Balanset software: F8 - Charts, "F5-Spectrum (Hz)" tab):

• Неспіввісність валів: Основна ознака - високий пік вібрації на частоті 2x RPM. Характерна висока осьова вібрація.
• Дефекти підшипників кочення: Manifest as high-frequency vibration at characteristic "bearing" frequencies (BPFO, BPFI, BSF, FTF). Note that detailed rolling-bearing diagnostics is beyond the scope of Balanset-1A: the instrument measures vibration velocity in the 5-1000 Hz band, the sensor response rolls off above roughly 550 Hz, and there is no envelope (demodulation) analysis - use a dedicated bearing analyzer for that task.
• Дуга вала: Manifests as high peak at 1x RPM but often accompanied by noticeable component at 2x RPM. When the rotor is balanced on a mandrel, the software offers built-in runout compensation: the F7 - Run Ecc measurement (taken with the rotor turned 180 degrees on the mandrel) together with the "Subtract mandrel runout from measurements" option, so eccentricity is not mistaken for unbalance.
• 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%.
• Inconsistent operating speed between runs: 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: Strictly follow the methodology - remove the trial weight after the run, or, if it stays on the rotor, make sure the "Leave on rotor" box is checked so the calculation accounts for it.

Стандарти якості балансування

Note: the grade number is the product e_за·ω in mm/s. The permissible specific unbalance itself is speed-dependent: e_за = (G × 9549) / n [μm]. Example: G6.3 at 1500 rpm gives e_за = 40.1 μm; at 3000 rpm it gives 20.1 μm.

Частина IV: Часті запитання та примітки щодо застосування

Розділ 4.1: Загальні поширені запитання (FAQ)

Коли слід використовувати балансування в 1 площині чи в 2 площинах?
Use 1-plane (static) balancing for narrow, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5 and the speed is moderate (roughly under 1000 rpm), such as grinding wheels or narrow fan impellers. Use 2-plane (dynamic) balancing for elongated rotors, for any L/D above approximately 0.5, and for high-speed narrow discs. Two-plane balancing corrects both static unbalance and couple (moment) unbalance.

Що робити, якщо пробна гиря спричиняє небезпечне посилення вібрації?
Негайно зупиніть машину. Це вказує на те, що пробний вантаж було встановлено близько до існуючої важкої точки, що посилило дисбаланс. Рішенням є переміщення пробного вантажу на 180 градусів від його початкового положення та повторення вимірювання. Це гарантує, що пробний вантаж створить протилежний ефект, а не посилить існуючий дисбаланс.

Чи можу я використовувати збережені коефіцієнти впливу для іншої машини?
Так, але лише якщо машини абсолютно ідентичні — однакова модель, той самий ротор, той самий фундамент, ті самі підшипники. Будь-яка зміна жорсткості конструкції змінить коефіцієнти впливу та зробить їх недійсними. Найкраща практика — завжди проводити нові пробні запуски для кожної нової машини, щоб забезпечити точні розрахунки корекції.

Яка різниця між статичним та динамічним дисбалансом?
In static unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the rotation axis - the center of mass is offset radially from the axis - and it can be detected without spinning by placing the rotor on knife-edge supports. Dynamic unbalance is a combination of static and couple unbalance where the principal axis of inertia doesn't coincide with the rotation axis - it only manifests during rotation and requires two-plane correction.

Чому мої показники балансування нестабільні (плавають)?
Нестабільні показники вказують на те, що вібраційна реакція системи непередбачувана. До поширених причин належать: механічна нещільність (ослаблені болти, тріщини), зношені підшипники з надмірним люфтом, нестабільність процесу (кавітація в насосах, турбулентність у вентиляторах), резонанс (робоча швидкість близька до власної частоти), теплові ефекти під час прогріву або вібрація від сусіднього обладнання. Вирішіть ці проблеми, перш ніж намагатися збалансувати.

Що таке трипрохідний метод у двоплощинному балансуванні?
Трипрогінний метод включає: Прогін 0 – початкове вимірювання без будь-яких пробних вантажів для встановлення базової вібрації; Прогін 1 – вимірювання з пробним вантажем, встановленим у площині 1 для визначення його впливу; Прогін 2 – вимірювання з пробним вантажем, переміщеним у площину 2. На основі цих трьох точок даних прилад розраховує точні коригувальні вантажі, необхідні для обох площин, використовуючи метод коефіцієнта впливу.

Як розрахувати допустимий залишковий дисбаланс згідно з ISO 1940-1?
First calculate permissible specific unbalance: e_за = (G × 9549) / n, where G is the quality grade (e.g., 2.5 for turbines, 6.3 for fans) and n is RPM. Then calculate permissible residual unbalance: U_за = е_за × M, where M is rotor mass in kg. For example, a 5 kg rotor at 3000 RPM with G2.5: e_за = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm, U_за = 7,96 × 5 = 39,8 г·мм.

Який мінімальний вплив пробної ваги необхідний для точного балансування?
Пробна гиря повинна викликати зміну амплітуди коливань щонайменше на 20-30% АБО зміну фазового кута на 20-30 градусів. Якщо ефект занадто малий, корисний сигнал тоне в шумі вимірювання, що призводить до неточних розрахунків корекції. Якщо нічого не змінюється, збільшуйте масу пробної гирі (у безпечних межах), доки не досягнете достатнього ефекту.

How do I account for keyways? (ISO 8821, now ISO 21940-32:2012)
Standard practice is to use a "half-key" in the shaft keyway when balancing without the mating part, as specified in ISO 21940-32:2012 (which superseded ISO 8821). This compensates for the mass of that part of the key that fills the groove on the shaft.

Розділ 4.2: Посібник з балансування для певних типів обладнання

Industrial fans and induced-draft (ID) fans:

• 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: Use the vibration spectrum (F8 - Charts) to check for vibration at twice the supply frequency. Its presence indicates electrical malfunction, not unbalance.

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.