ep042010, AUTA NAPRAWA, TURBOSPRĘŻARKA, wyważanie turbiny
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Metodyka badania niewyważenia elementów wirujących
Problem walki z hałasem
oraz eliminacja niepożądanych
drgań pochodzących od różnego
rodzaju elementów wirujących
obecnie nabierają szczególnego
znaczenia. Wejście Polski do
Unii Europejskiej wymusiło
na producentach urządzeń
mechanicznych eliminację tego
zjawiska w swoich urządzeniach.
Nowoczesna metodyka badania
niewyważenia elementów
wirujących
Nie zawsze sobie zdajemy sprawę z tego,
że w naszym otoczeniu pracuje bardzo duża
ilość urządzeń mechanicznych, których ele-
menty składowe wymagają wyważania. Jako
przykłady można wymienić: silniki, wenty-
latory, koła samochodowe, tarcze ścierne,
bębny pralek czy chociażby talerze twardych
dysków w komputerach. Postaram się przy-
bliżyć zjawisko niewyważenia oraz metody
walki z nim w oparciu o autorski system po-
miarowy VibroDAQ 2.
stawić czoła przeciwnikowi, najpierw musi-
my go dobrze poznać.
Zacznijmy od zdeiniowania
środka
masy obiektu
. Środkiem masy obiektu na-
zywamy taki jego punkt, którego podparcie
pozwala na utrzymanie go w stanie równo-
wagi. Odnosząc to do części maszyn: tak
podparty detal nie wychyli się w żadnym
kierunku określonym w dowolnym położe-
niu kątowym względem tego punktu. Naj-
prostszym przykładem może być okrągły ta-
lerzyk o symetrycznej budowie, stanowiący
geometryczną bryłę obrotową. W talerzyku
znajdujemy środek symetrii będący środ-
kiem okręgu wyznaczonym przez brzegi tale-
rzyka. W tym przypadku wyznaczony środek
okręgu będzie stanowił jednocześnie środek
masy przedmiotu. Jeżeli teraz podeprzemy
talerzyk w środku jego masy, to znajdzie się
on w stanie równowagi, czyli jego odchyle-
nie w każdą ze stron będzie takie same. Aby
tak się stało muszą być spełnione pewne wa-
runki. Najważniejszy z nich dotyczy jedno-
rodności materiału, z którego wykonany jest
przedmiot. Jeżeli ciężar właściwy materiału
będzie różny w różnych częściach przedmio-
tu, to detal mimo podparcia w jego geome-
trycznym środku nie pozostanie w równowa-
dze, czyli będzie niewyważony.
Po tym krótkim wstępie możemy przejść
do wprowadzenia pojęcia niewyważenia.
Niewyważenie
jest to usytuowanie środka
masy przedmiotu w innym miejscu, prze-
suniętym w stosunku do osi jego obrotu.
Zarys teorii wyważania
Na początek niezbędna jest porcja teorii
związana z wyważaniem, bez której trudno
jest poznać istotę rzeczy i skutecznie wal-
czyć z problemem, bowiem aby skutecznie
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2010
151
AutomAtykA i mechAtronikA
VibroDAQ 2
AutomAtykA i mechAtronikA
żenia)
m
n
, której odległość od osi obrotu wy-
nosi
r
. Po wprawieniu detalu w ruch obroto-
wy z prędkością ω na wycinek zaczyna dzia-
łać siła odśrodkowa
F
o
, której wielkość jest
proporcjonalna do wielkości niewyważenia.
Tego typu siła ośrodkowa powstaje wła-
śnie w wirniku na skutek przesunięcia środ-
ka masy obrotu względem jego osi obrotu
i jest konsekwencją niewyważenia.
Miejsce ciężkie i lekkie znajdują się na tym
samym promieniu wirnika, ale są położone
po przeciwnych jego stronach.
Warto tu zwrócić uwagę na fakt, iż wiel-
kość dopuszczalnego niewyważenia dla
poszczególnych klas urządzeń jest zdeinio-
wana w normach. Należy przy tym zazna-
czyć, że idealne wyważenie detalu możli-
we jest tylko w teorii. W praktyce zawsze
decyduje o tym dokładność pomiaru oraz
właściwy dobór masy korekcyjnej. Każda
z klas ustala dopuszczalne resztkowe nie-
wyważenie, czyli dopuszczalną wielkość
niewyważenia jaka może pozostać w przy-
padku urządzenia o określonej w normie
konstrukcji i przeznaczeniu. W przypadku
tarczy szliierskiej przyczyną powstawania
drgań może być niejednorodność materiału
ściernego wynikająca ze specyicznych cech
tego materiału. Dodatkowo w wyniku nie-
dokładnego pasowania tarczy na wale szli-
ierki może dojść do przesunięcia centrum
masy względem środka obrotu.
Często spotyka się w praktyce, że szli-
ierze umieszczają tarczę na metalowym
wałku, a następnie całość toczą po rolkach.
Jeżeli detal zatrzymuje się permanentnie
w tym samym miejscu, uznają najniższy
punkt tarczy za „miejsce ciężkie”. Następ-
nie przesuwają kamienie zabieraka szliier-
ski w taki sposób, aby po stronie przeciwnej
do tego miejsca wytworzyć właściwą prze-
ciwwagę.
Jest to bardzo zgrubna metoda wywa-
żania, obarczona dużym błędem pochodzą-
cym z dwóch źródeł. Pierwsze z nich to siła
tarcia wału o rolki, a druga to fakt, iż tarcza
szliierska po zakończeniu badania niewy-
ważenia zakładana jest na całkowicie inne
wrzeciono szliierki.
Z tego względu, tarcze szliierskie po
otrzymaniu od producenta, powinny być
wyważane na szliierce tzn. w miejscy ich
pracy. Wyważanie tarczy na szliierce daje
możliwość wyważenie całego układu wi-
rującego szliierki, a więc ściernicy wraz
z wrzecionem.
Korekcja niewyważenia tarczy szliier-
skiej powinna być dokonywana regularnie
w miarę jej zużywania, w skrajnym przy-
padku niewykonywanie tej czynności może
doprowadzić nawet do rozerwania ściernicy
lub/i uszkodzenia łożysk.
Każdy element wirujący ma swoja spe-
cyikę i przyczyny powstawania niewywa-
żenia mogą być różne. Dlatego służby zaj-
mujące się utrzymaniem ruchu lub osoby
odpowiedzialne za nadzór nad konstrukcją
różnych detali wirujących powinny być
wyposażone w przyrządy pomiarowe od-
powiednie do tego celu, pozwalające na
szybkie usunięcie niebezpiecznych drgań,
niedopuszczenie do powstania awarii oraz
dalszych konsekwencji będących jej następ-
stwem.
Kilka podstawowych wzorów z izyki:
– siła odśrodkowa działająca na obiekt
wirujący
Następstwa zjawiska
niewyważenia
Zjawisko niewyważenia prowadzi do
powstania drgań, które mogą mieć następu-
jące następstwa:
– doprowadzić do uszkodzenia lub szyb-
kiego zużycia łożysk wirnika,
– doprowadzić do uszkodzenia innych
elementów maszyny, jak również ele-
mentów budynku, jeśli rozmiary wirnika
oraz jego masa są wystarczająco duże,
– wzrost poziomu hałasu w otoczeniu ele-
mentów wirujących,
– spowodować nieprawidłowe działanie
maszyny (przykładem może być tarcza
szliierska, której „bicie” będące skut-
kiem niewyważenia sprawi, iż stopień
chropowatości powierzchni szlifowane-
go obiektu nie będzie spełniał wymaga-
nych parametrów),
– obniżenie parametrów użytkowych
urządzenia,
Nie wolno lekceważyć żadnego z wyżej
wymienionych zjawisk, ponieważ w konse-
kwencji mogą ono doprowadzić do wypad-
ku, który może mieć tragiczne następstwa.
– prędkość kątowa obiektu wirującego
gdzie:
T
– okres obrotu,
m
n
– masa niewyważenia
W wyniku prostych podstawień otrzymujemy wzór na siłę
odśrodkową:
gdzie
m
n
– masa niewyważenia,
r
– odległość masy
niewyważenia od osi obrotu
rys. 1. Siła odśrodkowa działająca na
wirujący obiekt
W chwili obracania się przedmiotu (wirnika)
przemieszczenie to powoduje powstawanie
siły odśrodkowej, pod wpływem której ge-
nerowane są drgania i dochodzi do pewnych
wychyleń wirnika w stosunku do osi obro-
tu. Fizyczny odstęp (r) pomiędzy środkiem
masy detalu a centrum jego obrotu deiniuje
wielkość niewyważenia, która w ogólnym
wypadku stanowi wektor o konkretnej długo-
ści oraz kącie względem punktu odniesienia
znajdującego się na wirniku.
Jeśli całkowitą nierównomierność masy
wirnika
D
sprowadzimy do masy niewyważe-
nia
m
n
, wtedy iloczyn
D = m
n
•r
będzie stano-
wił niewyważenie detalu. Zauważmy, że od-
suwając masę niewyważenia od środka obrotu
niewyważanie
D
będzie wzrastać, a przysuwa-
jąc ją w kierunku środka – maleć. Zatem nie-
wyważenie można utrzymać na takim samym
poziomie poprzez dobranie odpowiednich
wartości
m
n
i
r
. Jest to istotne, gdyż w praktyce
umieszczenie masy kompensacyjnej w dowol-
nym miejscu wirnika nie zawsze jest możliwe.
Kompensacji można zatem dokonać na dowol-
nym promieniu, jedynie zachowując odpo-
wiednią, właściwą wartość tego iloczynu.
Rozważmy cienki detal prostopadły do
osi wału. Ze względu na niedoskonałość wy-
konania wału w wycinku będzie znajdować
się niezrównoważona masa (masa niewywa-
Niewyważenie w praktyce
Celem wyważania jest eliminacja wy-
mienionych, niekorzystnych zjawisk.
W praktyce wyważanie sprowadza się do
ustalenie wielkości i położenia masy korek-
cyjnej, kompensującej wielkość występują-
cego niewyważenia.
Często używa się pojęcia „
ciężkiego”
lub
„
lekkiego miejsca”
. Miejsce ciężkie to punkt
detalu, w którym musimy dodać masę ko-
rekcyjną w celu kompensacji istniejącego
niewyważenia. Miejsce lekkie określa nam
ciężar detalu, który musi być z niego usu-
nięty w celu dokonania niezbędnej korekcji.
rys. 2. Przykład wirników spełniających warunek wyważania jednopłaszczyznowego
152
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2010
Metodyka badania niewyważenia elementów wirujących
rys. 3. Wirniki wyważane dwupłaszczyznowo
Rodzaje niewyważania
Wyróżnia się następujące rodzaje niewy-
ważania:
–
niewyważenie statyczne
, kiedy centralna
główna oś bezwładności przesunięta jest
równolegle do osi wału,
–
niewyważenie quasi-statyczne
, kiedy
centralna główna oś bezwładności prze-
cina oś wału w punkcie innym niż śro-
dek ciężkości,
–
niewyważenie momentowe
, kiedy cen-
tralna główna oś bezwładności przecina
oś wału w punkcie ciężkości,
– niewyważenie dynamiczne, kiedy central-
na główna oś bezwładności jest przesunięta
nierównolegle do osi wału i nie przecina jej.
w dwóch, dowolnych płaszczyznach. Każdy
wirnik sztywny można wyważyć w dwóch,
dowolnie przyjętych płaszczyznach korekcji.
Wartość i kąt niewyważenia w każdej z płasz-
czyzn
I
i
II
może być różny, powodując nie
tylko przesunięcie ale i skręcenie centralnej,
głównej osi bezwładności względem osi wir-
nika. Obserwuje się wtedy wpływ niewywa-
żenia z jednej płaszczyzny na niewyważenie
drugiej. Stan niewyważenia wirnika sztyw-
nego przedstawia
rys. 4
, kolorem zielonym
oznaczono centralną główną oś bezwładności
przesuniętą i skręconą względem osi wału.
rys. 4. Stan niewyważenia wirnika sztyw-
nego
przy prędkości znamionowej i może być uży-
wany do precyzyjnego wyważanie wirnika
wstępnie wyważonego przy pomocy wcze-
śniej opisywanej metody. Metoda ta eliminuje
niewyważenie technologiczne, które może
powstać na etapie montażu wirnika. Wadą
tego sposobu jest bardziej skomplikowany
cykl pomiarowy. Z uwagi na sposób dokony-
wania pomiarów metoda wyważania w miej-
scu zainstalowania może nie sprawdzić się
w przypadku urządzeń, w których wiele wir-
ników obraca się z taką samą prędkością.
Warto zwrócić uwagę na fakt, iż wyważa-
nie w łożyskach własnych różnych obiektów
niejednokrotnie wymaga od wyważającego
dysponowania czujnikami o różnej czuło-
ści. Jest to spowodowane tym, że możemy
się spotkać z różnymi wielkościami przy-
śpieszeń i czujnik, którym dysponujemy
może pracować poniżej lub powyżej swoje-
go zakresu pomiarowego. Należy tu zwłasz-
cza wziąć pod uwagę zakres mierzonych
przyśpieszeń, prędkości lub przemieszczeń
drgań, jak również zakres częstotliwości pra-
cy danego czujnika.
Na koniec można przytoczyć przykład
z życia codziennego, który zna każdy kierow-
ca: wyważanie kół samochodowych. Koła wy-
ważane są na specjalnych stanowiskach, a na-
stępnie montowane w samochodzie. Jak już
wcześniej zostało wspomniane, w takim wy-
padku wystąpi błąd związany z różnicą paso-
wania koła na stanowisku pomiarowym oraz
na osiach samochodu. Dokładne usunięcie
niewyważenia z kół samochodowych powin-
no być przeprowadzone w miejscu ich użyt-
kowania, czyli na samochodzie. Należałoby
najpierw ustawić samochód na odpowiednim
stanowisku, wprowadzić koło w ruch jedno-
stajny i dokonać stosownego pomiaru. Ta me-
toda usunęłaby niewyważenia z całego zespo-
łu napędowego, co znacząco wpłynęłoby na
obniżenie poziomu drgań.
robert kacprzycki
rk-SyStem
www.rk-system.com.pl
Wyważanie wielopłaszczyznowe
Wyważanie wielopłaszczyznowe dotyczy
wałów giętkich, gdzie siły odśrodkowe po-
wodują dodatkowo ugięcie wału. Ilość płasz-
czyzn korekcji jest w tym przypadku większa
niż dwie. W szczególnych przypadkach wały
sprzęgnięte, osadzone oddzielnie w swoich ło-
żyskach, mogą być wyważane niezależnie jako
sztywne pod warunkiem, że masa sprzęgła nie
jest istotna w odniesieniu do masy wałów.
Wyważanie jednopłaszczyznowe
Wyważanie jednopłaszczyznowe sto-
suje się do wirników o kształcie tarczo-
wym (
rys.
2
), w których odległość między
łożyskami jest dostatecznie duża oraz bi-
cie osiowe jest dostatecznie małe. Norma
(
PN-93/N-01359, ISO 1940/1-1986
) określa,
że wyważanie tego typu może być stoso-
wane, gdy odległość b między płaszczy-
znami korekcji
1
I
i
II
jest mniejsza od jednej
trzeciej odległości l pomiędzy łożyskami
Wyważanie na stanowisku oraz
w łożyskach własnych
W praktyce wyważenie wirnika przepro-
wadza się na dwa sposoby:
– używając specjalizowanego stanowiska
zwanego popularnie wyważarką, na któ-
rym mocuje się wirnik po wymontowa-
niu z urządzenia,
– wyważając w miejscu zainstalowania
wirnika zamontowanego w łożyskach
własnych.
Wyważanie w specjalizowanym stanowi-
sku stosowane jest najczęściej na etapie pro-
dukcji detalu, kiedy kontroli poddawana jest
duża seria jednakowych elementów oraz wtedy,
gdy dostęp do wirnika jest utrudniony lub nie-
możliwy (w takim przypadku można znacznie
uprościć i przyspieszyć proces wyważania). Tę
metodę można również stosować do wstępne-
go, niskoobrotowego wyważanie wirnika, np.
po przeprowadzeniu prac remontowych, kiedy
istnieje obawa o silne niewyważenie mogące
zniszczyć urządzenie po wprowadzeniu wirni-
ka w obrót z prędkością znamionową.
Drugi ze sposobów wyważania tj. w miej-
scu jego zainstalowania, uznaje się za najbar-
dziej dokładny. Pozwala on na wyważanie
W takim przypadku stosuje się jedną płasz-
czyznę korekcji (
III
).
Wyważanie jednopłaszczyznowe może
zostać także przeprowadzone bez potrzeby
wprowadzania wirnika w ruch obrotowy.
Należy wtedy tak ulokować masę korekcyjną,
aby była zachowana równowaga statyczna
w jego dowolnej pozycji kątowej. W wielu
przypadkach taki sposób wyważania może
okazać się niewystarczająco dokładny i nie
zmniejszyć niewyważenia resztkowego do ak-
ceptowalnego poziomu.
Wyważanie dwupłaszczyznowe
Wyważanie dwupłaszczyznowe stosuje
się do wirników niespełniających podanego
wcześniej kryterium (
rys. 3
). Do wyważania
dwupłaszczyznowego jest konieczne wpro-
wadzenie wirnika w ruch obrotowy. Stan
niewyważenia dowolnego wirnika sztywnego
może zostać określony przy pomocy dwóch
wektorów niewyważenia, działających
1) Płaszczyzna korekcji – prostopadła do osi wału wirnika płaszczyzna, w której dokonuje się korekty niewyważenia
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2010
153
[ Pobierz całość w formacie PDF ]