بررسی بالانس روتور و رفع نابالانسی در روتورها

بالانس روتور برای دستیابی به اهداف تولید و سود بسیار مهم هستند. عدم تعادل باعث ایجاد ارتعاش زیاد می شود که منجر به خطاهای دیگری می شود که منجر به کاهش عمر دستگاه، اتلاف انرژی و کاهش راندمان می شود. برای تولید محصولاتی که مشخصات مشتری را برآورده می‌کنند، به ماشین‌های صاف کار نیاز دارند.

روتور نامتعادل چیست؟

عدم تعادل و نابالانسی در روتور زمانی وجود دارد که محور مرکز جرم با محور مرکز در حال حرکت آن متفاوت باشد. عملاً تمام قطعات تازه ماشینکاری شده به دلیل سوراخ‌های دمشی در قطعات ریخته‌گری، تعداد و موقعیت نامناسب سوراخ‌های پیچ، قطعاتی که خارج از مرکز نصب شده‌اند، قطرهای خارج از مرکز ماشینکاری شده نسبت به محل یاتاقان‌ها و غیره متقارن نیستند.

مقاله بالانس روتور را برای دریافت اطلاعات بیشتر بخوانید

بالانس روتور

اما هدف از بالانس روتور کاهش عدم تعادل تا حدی است که عمر ماشین تحت تأثیر عدم تعادل باقیمانده قرار نگیرد.

یک روتور نامتعادل، هنگام چرخش، می خواهد حول محور مرکز جرم خود بچرخد. از آنجا که یاتاقان ها این حرکت را محدود می کنند، نیروی گریز از مرکز به دلیل عدم تعادل، باعث ارتعاش روتور می شود. این ارتعاش باعث ساییدگی یاتاقان ها، ایجاد صدای غیرضروری می شود و در موارد شدید از هم پاشیدگی خود روتور را می توان تجربه کرد. بنابراین لازم است عدم تعادل را تا حد قابل قبول کاهش دهیم.

تکنسین بالانس تلاش می کند تا مرکز جرم و مرکز هندسی را به یک نقطه یا به اندازه کافی نزدیک کند تا استاندارد تعادل از پیش تعیین شده را برآورده کند و همچنین همیشه مقداری عدم تعادل باقیمانده وجود خواهد داشت.

همچنین نابالانسی یکی از مبادی ارتعاشات در سیستم های چرخنده است. در طراحی ماشین های دقیق، علی الخصوص در مواردی که قابلیت اطمینان بیشتری لازم باشد این مساله حائز اهمیت بیشتری است. بالانس روتورها از اضافه بار و شکست یاتاقانها در اثر خستگی جلوگیری کرده و عمر مفید ماشین آلات را افزایش می دهد.

لذا چون جرم نابالانس حول محور روتور در حال چرخش است، نیروی گریز از مرکز نیز چرخیده و سعی دارد روتور را حول محور چرخشش جابجا کند که منجر به نیروی عکس العمل و ارتعاش در یاتاقانها می شود.

بنابراین ارتعاشات حاصل به بیرینگها منتقل شده و هر نقطه روی بیرینگ این نیرو را یکبار در هر چرخش تحمل می کند. برای از بین بردن عکس العملهای ناشی از نابالانسی و به دست آوردن یک رانش آرام و مناسب باید روتور را بالانس کرد.

بالانس باعث بهبود توزیع یکنواخت جرم روتور می شود بطوری که بیرینگهای آن تحت تاثیر هیچ نیروی حاصل از نامیزانی نباشد. این عمل با اضافه کردن یا برداشتن جرم جبران کننده از طریق سوراخکاری و غیره در محل های خاصی از روتور، امکان پذیر می شود.

در صنایع، بالانس کردن دستگاه ها در محل نصبشان مقرون به صرفه است. بالانس میدانی پروسه ای است که طی آن روتور در محل کار و سرجایش بالانس می شود. یعنی بجای اینکه روتور مورد نظر از ماشین جدا شده و در دستگاه بالانس قرار گیرد، از روش دستگاه بالانس در محل استفاده می کنند.

واحدهای عدم تعادل در روتورها چگونه است؟

واحدهای عدم تعادل، شعاع جرم ضربدری هستند، برای مثال: وزنه ای که به یک موقعیت معین روی قطعه ای که در حال تعادل است اضافه شود، محور جرم را به محور در حال حرکت منتقل می کند و بنابراین در تعادل خواهد بود. وزن تصحیح ضرب در شعاع اعمال شده یک واحد عدم تعادل به دست می دهد. برای اندازه‌گیری متریک، واحدها گرم میلی‌متر (gmm) یا برای روتورهای بزرگ، گرم سانتی‌متر خواهند بود. معادل امپراتوری گرم اینچ یا اونس اینچ خواهد بود. این وزن (جرم) در یک شعاع از مرکز دویدن در موقعیت نور اعمال می شود.

انواع روتورها

روتورها به دو گروه تقسیم می شوند. یکی جایی است که روتور سفت است و تا سرعت کار منحرف نمی شود. گروه دیگر شامل روتورهای منعطف است که تا سرعت عملیات “تعظیم” می کنند. اولین انحراف مشاهده شده “اثر طناب پرش” است که به این معنی است که مرکز روتور با سرعت از محور چرخشی خود خارج می شود و باعث عدم تعادل “استاتیکی” زیاد می شود.

استاندارد بالانس روتور

چندین سازمان استاندارد استانداردهای متعادل کننده را برای استفاده در ماشین های مختلف ایجاد کرده اند. ISO و API چند نمونه هستند. برخی از شرکت ها استانداردهای خود را توسعه می دهند. از کدام استاندارد باید استفاده کرد؟

استانداردهایی را انتخاب کنید که به شما امکان می دهد به عمر ماشین مورد نیاز دست یابید و عملکرد تجهیزات را تا سطوح مورد نیاز فرآیندهای خود حفظ کنید.

ممکن است این یک پاسخ سیاسی به نظر برسد، اما در واقعیت، استانداردها ممکن است بسته به نیاز کارخانه شما متفاوت باشد. اگر از یک فرآیند مدیریت دارایی فیزیکی به خوبی تعریف شده استفاده می کنید، الزامات قبلاً مشخص خواهد شد.

عدم تعادل با واحد اونس/اینچ یا گرم/میلی متر اندازه گیری می شود. با این حال، هنگامی که در میدان تعادل برقرار می کنید، معمولاً بر اساس استاندارد ارتعاش تعادل برقرار می کنید زیرا تعیین سطوح ارتعاش ماشین راحت تر از تعیین عدم تعادل باقی مانده است.

ارتعاش ناشی از عدم تعادل از جهت جهت با مقدار عدم تعادل متناسب است. اگر سطوح ارتعاش ناشی از عدم تعادل به حد قابل قبولی کاهش یابد، میزان عدم تعادل نیز در حد استاندارد قابل قبولی قرار می گیرد.

روشهای مدرن بالانس روتور

انواع بالانس از نظر دقت بالانس به چهار گروه مختلف تقسیم می شود که عبارتند از:

١- میکرو بالانس : برای اندازه گیریهای دقیق مانند نشستن گرد و خاک و قطرات آب روی روتور کاربرد دارد. دقت کار در این روش تا یک میلیونیم گرمgr 0.000001 است.

۲- شبه میکروبالانس : این نوع بالانس معمولا در امور تحقیقاتی کاربرد دارد و دقت آن در حدود یک ده هزارم گرم (gr 0.0001 ) است.

٣- بالانس دقیق : این نوع بالانس در موارد معمولی استفاده می شود. دقت کار در این نوع بالانس از یک هزارم گرم (gr 0.001) تا یک گرم (gr 1) است.

۴- بالانس اسکیل : این نوع بالانس بیشتر در بازار کار و کارنجات استفاده می شود و دقت آن معمولا زیر یک گرم است. در صورتی که دقت بالاتر لازم باشد از روش نیروی جبرانی الكترومغناطیسی استفاده می شود. استفاده از این روش به یک تئوری ساده فیزیکی وابسته است که از قانون دست راست الكترومغناطیس استفاده می کند.

بر اساس این قانون اگر جریانی از یک سیم بگذرد که بین دو قطب مغناطیسی قرار داشته باشد یک نیروی الکترومغناطیس جبرانی در آن ایجاد می شود که از آن برای مواردی که دقت بالائی برای بالانس احتیاج است استفاده می شود.

نابالانس بودن روتورها نه تنها باعث ارتعاش آنها می شود بلکه نیروهای منتجه به فوندانسیون ماشین منتقل شده و باعث صدمه دیدن اجزاء ماشین نیز می شود. اگر نیروهای منتقله به اندازه کافی بزرگ باشند ممکن است روی ساختمان و ماشین آلات اطراف نیز اثر بگذارد. نابالانسی از حاصلضرب جرم نامیزانی در شعاع نامیزانی بدست می آید.

تعاریف مربوط به انواع نابالانسی در روتورها

در بسیاری از موارد بالانس روتور با شناخت نوع نابالانسی آسانتر انجام می شود. اساسا چهار نوع نابالانسی در روتورها وجود دارد که عبارتند از، استاتیکی ، کوپل، شبه استاتیکی و دینامیکی. هر یک از نابالانسی های ذکر شده به نحوه جدائی بین محور هندسی شفت و محور اصلی یا محوری که حول آن جرم شفت بطور یکنواخت پخش شده باشد بستگی دارد.

تئوری روش بالانس روتور

از شفتهای چرخنده ماشینهای صنعتی، توربین های بخار، توربین های گاز، توربوژنراتور ماشینهای احتراق داخلی، کمپرسورهای گریز از مرکز و غیره برای انتقال قدرت استفاده می شود افزایش سرعت و قدرت انتقال نیرو، مطالعه ارتعاشات یکی از پارامترهای اساسی طراحی به شما می رود.

شفتهای این نوع ماشینها تحت اثر ارتعاشات پیچشی و خمشی قرار گرفته و در برخی موارد به حالت ناپایدار نیز می رسند. اگر چه ارتعاشات در محورهای دوار از منابع مختلفی ناشی می شود لیکن یکی از موارد عمده آن نابالانسی است. هدف اصلی در این بخش، ارائه تئوریهای بالانس و روشهای حذف نابالانسی می باشد.

ایجاد تغییرات در منبع ارتعاشی ممکن است منجر به کاهش ارتعاشات در ماشین گردد لیکن این روش همواره عملی نیست.

مثلا ارتعاشات ناشی از زمین لرزه، توربولانس اتمسفر، ناهمواری راه و عدم یکنواختی احتراق موتور به راحتی قابل کنترل نیستند در حالیکه منابع ارتعاشی خاصی مانند نابالانسی ماشین آلات چرخنده و رفت و برگشتی برای کاهش ارتعاشات قابل کنترل است.

این مورد معمولا با استفاده از بالانس داخلی یا افزایش دقت تولید قطعات امکان پذیر است. استفاده از تلرانس دقیقتر و سطوح صافتر در ماشین ها باعث کاهش حساسیت آنها نسبت به ارتعاش می شود.

از میان منابع ایجاد ارتعاش، محدودیت های اقتصادی و تولیدی نیز در درجه بالانس کردن موثر هستند. در این بخش ماشین آلات چرخنده نا بالانس مورد بررسی قرار می گیرند.

وجود یک جرم خارج از مرکز در یک دیسک چرخان باعث ایجاد ارتعاش می شود که ممکن است این ارتعاش تا حدی قابل قبول باشد. اگر ارتعاش موجود دستگاه قابل قبول نباشد می توان با برداشتن یا افزودن جرم تصحیح در موقعیت مناسب روتور، اثرهای نابالانسی را حذف کرد.

برای استفاده از این روش باید مقدار و محل جرم خارج از مرکز را با آزمایش پیدا کرد. نابالانسی در ماشین آلات ممکن است عملا منجر به بی نظمی هایی شبیه به خطای ماشین کاری، تغییر در اندازه پیچ و مهره پرچ و جوش و غیره شود.

لذا برای تصحیح نابالانسی در ماشین ها به دو نوع بالانس اشاره می کنیم که عبارتند از بالانس استاتیکی (بالانس تک صفحه ای) و بالانس دینامیکی (بالانس دو صفحه ای).

ارتعاش یک دیسک چرخان ممکن است به علت وجود نابالانسی یا اضافه شدن جرمی باشد که باعث یک نیروی نامیزانی و خارج از مرکز در آن شود. میزان این ارتعاش برای دستگاهها و ماشین آلات تا حدی قابل قبول است ارتعاش قابل قبول را می توان از طریق منحنی های شدت ارتعاشات و با استانداردهای مختلف معین کرد.

محاسبات تست بالانس روتورها

نیروهای گریز از مرکزی که در اثر نابالانسی ایجاد می شوند بار اضافی در بیرینگها بوجود می آوردند که به پوسته یاتاقانها و قسمتهای دیگر ماشین منتقل می شود. چنین وضعیتی ممکن است هنگامی که روتور در بالانس استاتیکی کامل باشد نیز بوجود آید که به آن نابالانسی دینامیکی می گویند.

نابالانسی دینامیکی را می توان با افزودن یک یا دو جرم تصحیح در صفحه هائی که حول همان محور در چرخش باشند بدست آورد. یک نابالانسی واحد را می توان با یک وزنه جبرانی که با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه نسبت به نقطه سنگین و در همان صفحه نصب شود برطرف کرد، بطوری که حاصلضرب جرم نابالانسی در شعاعش حول محور چرخش برابر با حاصلضرب جرم جبرانی در شعاعش حول همان محور باشد.

دو یا چند وزنه نابالانس واقع در یک صفحه را نیز می توان با یک جرم در همان صفحه و یا دو وزنه در صفحه های جداگانه که حول همان محور می چرخند بالانس کرد. بطور مشابه اگر دو یا چند جرم در صفحات جداگانه و حول یک محور در چرخش باشند می توانند با دو جرم که در صفحه های مختلف و حول همان محور می چرخند بالانس شوند.

جرمهای نابالانس در صفحه های مختلف ممکن است در بالانس استاتیکی کامل باشند، لیکن بالانس دینامیک نباشند. اگر سیستمی بطور دینامیکی بالانس باشد، در همه سرعتها بجز سرعت بحرانی در حالت بالانس باقی می ماند.

مزایای خدمات بالانس روتور چیست؟

زمانی که دسترسی به روتور امکان پذیر است و خطری وجود ندارد، استفاده از این سرویس راه خوبی برای رفع عدم تعادل است. تعادل روتور منجر به دستیابی به اهداف تولید و سود می شود. مهمترین مزایای این سرویس را می توان به شرح زیر تقسیم کرد:

• کاهش سر و صدا
• کاهش هزینه های پیشرفت کار
• نیروهای وارد شده به بلبرینگ ها را کاهش دهید
• عمر دستگاه را افزایش دهید

چه چیزی باعث اشتباه در بالانس روتور می شود؟

مهمترین دلایل عدم دستیابی به استاندارد مورد نیاز هنگام  بالانس و تعادل روتور عبارتند از:

• اشتباه در جمع آوری/تحلیل‌کننده داده
• عدم حذف وزن آزمایشی
• مشکلی که عدم تعادل نیست (معمولا شلی)
• وارد کردن اشتباه محل وزن آزمایشی در دستگاه بالانس
• بار آویزان که به بالانس دو صفحه نیاز دارد
• قرار دادن وزنه در جهت مناسب نسبت به جهت روتور نیست
• وضعیت رزونانسی موجود

مهارت در بالانس روتور مستلزم داشتن ابزار خوب و دانش در استفاده از آنها است. دانش اساسی از تئوری تعادل و رویه های تعادل نیز برای موفقیت بسیار مهم است. داشتن درک خوب از تجزیه و تحلیل ارتعاش کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که تکنسین تعادل را تنها زمانی انجام می دهد که مشکل نامتعادل باشد.

به دلیل بسیاری از متغیرها، کمی هنر برای ایجاد تعادل وجود دارد. با ابزارهای بهتر و دانش بهبود یافته، تعادل پایه کمتر به یک هنر و بیشتر به یک علم کاربردی تبدیل شده است.

چرا تعادل روتور ضروری است؟

سطوح بالای ارتعاش ناشی از عدم تعادل می تواند باعث شود تجهیزات با اطمینان کمتری کار کنند، که منجر به افزایش مصرف انرژی، کاهش راندمان عملیاتی و کاهش طول عمر تجهیزات می شود. نیروی وارد شده توسط بار دینامیکی از یک روتور نامتعادل باعث ساییدگی خود روتور، یاتاقان‌ها و پایه‌هایی می‌شود که آن را در جای خود نگه می‌دارند و تکیه‌گاه ساختاری دستگاه. اگر چه شدت بار دینامیکی بسته به درجه عدم تعادل و سرعت چرخش متفاوت است، هر گونه عدم تعادل می تواند مشکلاتی را ایجاد کند.

لرزش یک روتور نامتعادل باعث ایجاد نویز و رزونانس بیش از حد می شود که در نهایت یکپارچگی ساختاری تجهیزاتی را که از مجموعه روتور پشتیبانی می کنند به خطر می اندازد. آسیب ناشی از عدم تعادل به ویژه در یاتاقان ها، تجهیزات تعلیق، محفظه پشتیبانی و پایه تجهیزات مشهود است. این اجزا معمولاً در معرض بالاترین سطح تنش ناشی از بار دینامیکی بیش از حد ناشی از عدم تعادل قرار دارند. با قرار گرفتن در معرض مداوم، احتمال سایش زودرس این قطعات بیشتر خواهد بود.

علاوه بر این، ارتعاش زیاد ناشی از عدم تعادل می تواند اتصال دهنده هایی مانند پیچ، مهره و پیچ و مهره را شل کند و ساختار را پایدارتر کند. لوله‌ها، کابل‌های برق، سیم‌کشی، اتصالات الکتریکی و سوئیچ‌ها نیز می‌توانند تأثیر منفی بگذارند. با قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض سطوح بالای ارتعاش، حتی تجهیزات و سازه‌های مجاور نیز می‌توانند آسیب ببینند و احتمال آسیب و آسیب بیشتر را ایجاد کنند.