Rodzaje niewyważenia: statyczne, momentowe i dynamiczne — czym się różnią?

Niewyważenie statyczne (jednopłaszczyznowe)

Fizyka

Niewyważenie statyczne powstaje, gdy główna centralna oś bezwładności wirnika jest przesunięta równolegle do osi obrotu. Mówiąc prościej: na wirniku istnieje jedno „ciężkie miejsce", które przesuwa środek masy.

Rys. 1. Niewyważenie statyczne: ciężkie miejsce zawsze opada na dół pod działaniem grawitacji. W spoczynku wirnik zatrzymuje się w określonej pozycji.

Jak się objawia

Niepowtarzalna cecha niewyważenia statycznego polega na tym, że jest widoczne już w spoczynku. Jeśli taki wirnik ułożyć na poziomych nożach lub zawiesić na osi z minimalnym tarciem, grawitacja zawsze obróci go tak, że „ciężkie miejsce" znajdzie się na dole.

To właśnie zasada prostego wyważania statycznego „na nożach" — metody znane od XIX wieku.

Jakich wirników dotyczy

Niewyważenie statyczne dominuje w wąskich, tarczowych wirnikach, gdzie stosunek długości do średnicy (L/D) jest mały — poniżej 0,25–0,5. Przykłady:

• Ściernice
• Cienkie koła pasowe
• Wąskie wirniki wentylatorów
• Piły tarczowe
• Cienkie koła zamachowe

Metoda korekcji

Korekcji dokonuje się przez zamontowanie jednego ciężarka korekcyjnego w jednej płaszczyźnie korekcji, diametralnie naprzeciwko „ciężkiego miejsca" (o 180°).

Można to zrobić nawet bez obracania wirnika — przez statyczne wyważanie na nożach. Dla uzyskania dokładnego wyniku zaleca się jednak dynamiczne wyważanie z pomiarem drgań przy prędkości roboczej.

Niewyważenie momentowe (para sił)

Fizyka

Niewyważenie momentowe powstaje, gdy główna oś bezwładności wirnika przecina oś obrotu w środku masy, lecz jest do niej nachylona pod kątem. Fizycznie odpowiada to dwóm równym masom niewyważonym umieszczonym w różnych płaszczyznach wzdłuż wirnika, przesuniętym o 180° po obwodzie.

Rys. 2. Niewyważenie momentowe: dwie masy M1 i M2 tworzą parę sił odśrodkowych F1 i F2, które powodują „kiwanie" lub „bujanie" wirnika

Jak się objawia

W spoczynku (bez obrotu) taki wirnik jest wyważony — nie będzie dążył do zajęcia żadnej określonej pozycji na nożach. Wyważanie statyczne nie wykrywa więc tego problemu.

Podczas obrotu jednak para mas wytwarza moment przechylający, który usiłuje przechylić wirnik prostopadle do osi obrotu. Powoduje to silne drgania na podporach, przy czym drgania na obu podporach są w przeciwfazie (przesunięcie fazowe ~180°).

Jakich wirników dotyczy

Niewyważenie momentowe jest typowe dla długich, smukłych wirników, takich jak:

• Długie wały bez tarczy pośrodku
• Wały kardanowe (przegubowe)
• Długie wirniki wentylatorów osiowych

Metoda korekcji

Kompensacja niewyważenia momentowego wymaga zamontowania ciężarków korekcyjnych w co najmniej dwóch płaszczyznach korekcji, tworzących moment kompensujący.

Niewyważenie dynamiczne (złożone)

Fizyka

To najbardziej ogólny i najczęstszy przypadek w praktyce. Niewyważenie dynamiczne jest kombinacją niewyważenia statycznego i momentowego.

W ujęciu mechanicznym: główna centralna oś bezwładności wirnika nie jest ani równoległa do osi obrotu, ani nie przecina jej w środku masy — zamiast tego przecina ją skośnie w przestrzeni.

Jak się objawia

Niewyważenie dynamiczne ujawnia się wyłącznie podczas obrotu. W spoczynku można zaobserwować częściowe niewyważenie (jeśli istnieje składowa statyczna), lecz pełny obraz widoczny jest dopiero przy pracy wirnika.

Jakich wirników dotyczy

Niewyważenie dynamiczne występuje w większości wirników przemysłowych:

• Wirniki wentylatorów odśrodkowych
• Wirniki silników elektrycznych i prądnic
• Wirniki pomp
• Wirniki kruszarek i młynów
• Bębny omłotowe kombajnów
• Każdy wirnik z L/D > 0,5

Metoda korekcji

Korekcja niewyważenia dynamicznego zawsze wymaga wyważania w co najmniej dwóch płaszczyznach korekcji. Umożliwia to jednoczesną kompensację zarówno składowej siłowej (statycznej), jak i momentowej niewyważenia.

Rys. 3. Schemat wyważania dynamicznego: do korekcji niewyważenia dynamicznego ciężarki korekcyjne montuje się w dwóch płaszczyznach, a czujniki drgań umieszcza na obu podporach

Tabela podręczna: identyfikacja rodzaju niewyważenia

Skorzystaj z tej tabeli, aby szybko określić prawdopodobny rodzaj niewyważenia i potrzebną liczbę płaszczyzn korekcji:

Zalecenia praktyczne

Wirniki sztywne i elastyczne

Ważnym uzupełnieniem klasyfikacji jest rozróżnienie między wirnikami sztywnymi i elastycznymi:

• Wirnik sztywny: robocza prędkość obrotowa jest znacznie poniżej pierwszej prędkości krytycznej. Wirnik praktycznie nie odkształca się pod działaniem sił odśrodkowych. Dla takich wirników wyważanie w dwóch płaszczyznach jest zazwyczaj wystarczające. Większość wirników przemysłowych to wirniki sztywne.
• Wirnik elastyczny: pracuje z prędkością zbliżoną do prędkości krytycznej lub ją przekraczającą. Sprężyste ugięcie wału staje się porównywalne z przemieszczeniem środka masy i samo w sobie istotnie przyczynia się do drgań ogólnych. Wyważanie wirników elastycznych wymaga specjalnych metod i może wymagać więcej niż dwóch płaszczyzn korekcji.

Kiedy wymagana jest wstępna kontrola mechaniczna

Przed wyważaniem zaleca się sprawdzenie:

1. Bicia promieniowego: wirnik nie może mieć bicia promieniowego
2. Bicia osiowego: tarcze muszą być prostopadłe do osi
3. Osadzenia na wale: brak mimośrodowości po osadzeniu

W przypadku wykrycia wad geometrycznych należy je najpierw usunąć, gdyż inaczej wyważanie będzie nieskuteczne.

Wirniki sztywne i elastyczne: kluczowe rozróżnienie

Jednym z podstawowych pojęć w wyważaniu jest podział wirników na sztywne i elastyczne. Podział ten determinuje zarówno samą możliwość skutecznego wyważania, jak i stosowaną metodologię.

Wirnik sztywny

Definicja: wirnik jest uznawany za sztywny, jeśli jego robocza prędkość obrotowa jest znacznie poniżej pierwszej prędkości krytycznej i nie ulega znaczącemu sprężystemu odkształceniu (ugięciu) pod działaniem sił odśrodkowych.

Cechy charakterystyczne:

• Prędkość robocza zazwyczaj mniejsza niż 70% pierwszej prędkości krytycznej
• Ugięcie wału pod działaniem sił odśrodkowych jest zaniedbywalnie małe
• Wyważanie w dwóch płaszczyznach korekcji jest zazwyczaj wystarczające
• Przyrządy takie jak Balanset-1A są zaprojektowane właśnie do pracy z wirnikami sztywnymi

Wirnik elastyczny

Definicja: wirnik jest uznawany za elastyczny, jeśli pracuje z prędkością obrotową zbliżoną do jednej z jego prędkości krytycznych lub ją przekraczającą. W takim przypadku sprężyste ugięcie wału staje się porównywalne z przemieszczeniem środka masy i samo w sobie istotnie przyczynia się do drgań ogólnych.

Problem: próba wyważenia wirnika elastycznego metodologią przeznaczoną dla sztywnych (w dwóch płaszczyznach) często kończy się niepowodzeniem. Zamontowanie ciężarków korekcyjnych może skompensować drgania przy małej, pod-rezonansowej prędkości, lecz gdy prędkość robocza zostanie osiągnięta i wirnik się ugnie, te same ciężarki mogą wzmocnić drgania poprzez pobudzenie jednej z form ugięcia.

Jak określić rodzaj wirnika

Metoda praktyczna:

1. Ustalić roboczą prędkość obrotową wirnika (obr./min)
2. Przeprowadzić test wybiegu (pomiar drgań podczas hamowania po wyłączeniu)
3. Jeśli na wykresie drgań podczas wybiegu widoczne są wyraźne piki, są to rezonanse (prędkości krytyczne)
4. Jeśli prędkość robocza jest bliska piku rezonansowemu (±20%), wirnik pracuje w strefie zagrożenia

Co robić przy pracy w pobliżu rezonansu:

• Jeśli rezonansu nie można uniknąć (np. maszyna pracuje ze stałą prędkością pokrywającą się z rezonansem), zaleca się tymczasową zmianę warunków montażu agregatu podczas wyważania
• Na przykład zmniejszyć sztywność podpór lub zamontować tymczasowe elastyczne podkładki, aby przesunąć rezonans
• Po skorygowaniu niewyważenia wirnika i normalizacji drgań maszynę można przywrócić do standardowych warunków montażu