ep042010.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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: