Балансировка ротора на месте: как проводится и когда нужна

Балансировка ротора на месте — это устранение дисбаланса в собственных опорах машины, без демонтажа ротора. Виброанализатор измеряет амплитуду и фазу вибрации на частоте вращения (1x) относительно метки на валу, которую считывает тахометр. Затем ставят пробный груз известной массы, по изменению вектора вибрации рассчитывают массу и угол корректирующего груза и проверяют результат контрольным пуском.

Когда балансировка нужна

Дисбаланс — состояние ротора, при котором центр масс не совпадает с осью вращения. Его признаки в вибрации:

• преобладающий пик на частоте вращения 1x, гармоник мало или нет;
• синусоидальный временной сигнал, одно событие за оборот;
• вибрация на 1x примерно одинакова в горизонтальном и вертикальном направлениях;
• мало осевой вибрации, кроме консольных роторов;
• амплитуда 1x растёт с ростом частоты вращения.

Типичные причины: налипание отложений, износ, сломанные или потерянные детали, неточная сборка или конструкция, тепловые деформации. На вентиляторах и дымососах это прежде всего налипание на лопатках; отраслевые особенности разобраны в статье «Полевая балансировка вентиляторов и дымососов металлургии и ТЭЦ».

Когда дисбаланс не причина

Прежде чем ставить грузы, исключите другие источники вибрации на 1x. Балансировка исправляет только дисбаланс, но не расцентровку и не другие дефекты.

Признак	Что это может быть
В спектре много гармоник 1x	Вероятно, не дисбаланс: ослабление, расцентровка
Высокий 2x, повышенная осевая вибрация	Расцентровка
Нестабильная фаза, дробные гармоники	Механическое ослабление
1x не реагирует на пробный груз	Изгиб вала, мягкая лапа, трещина ротора, неисправность муфты, резонанс
Вибрация резко меняется при небольшом изменении скорости	Резонанс вблизи рабочей частоты

Резонанс проверяют ударным тестом, записью выбега или, при наличии частотного привода, изменением скорости. Как отличать дефекты по спектру, описано в статье «Как читать спектр FFT».

Что нужно для балансировки на месте

• Один или два датчика вибрации (по числу опор, на которых меряют).
• Тахометр с опорной меткой на валу, например лазерный датчик с отражающей лентой: он даёт фазовую привязку 1x.
• Анализатор с программой балансировки, которая считает векторы и корректирующие массы.
• Весы, набор грузов и способ их крепления (болты, сварка, клей — по согласованию с владельцем машины).

Как проводится балансировка: метод пробного груза

1. Подготовка. Остановите и заблокируйте машину, осмотрите ротор, очистите рабочее колесо от отложений, проверьте затяжку крепежа и состояние подшипников.
2. Установка датчиков и метки. Закрепите датчик вибрации на корпусе подшипника, наклейте отражающую метку на вал и установите тахометр. Выберите одно направление вращения для отсчёта углов и отметьте нулевую точку на роторе.
3. Исходный пуск. На рабочей скорости запишите амплитуду и фазу 1x на каждой опоре, в одном и том же направлении и от одной и той же метки.
4. Пробный груз. Остановите машину, установите груз известной массы под известным углом. Пробный груз должен изменить вибрацию 1x хотя бы на 30 % по амплитуде или на 30° по фазе (правило 30/30). Начинайте с небольшого груза и удваивайте его, пока изменение не станет достаточным, но не используйте груз, способный повредить машину.
5. Пробный пуск. На той же скорости снова запишите амплитуду и фазу 1x.
6. Расчёт. Эффект пробного груза — это разность векторов «пробный пуск минус исходный». Масса корректирующего груза = масса пробного × исходная амплитуда / амплитуда эффекта; угол находят поворотом, который совмещает эффект с вектором, противоположным исходному. Программа анализатора делает это автоматически.
7. Корректирующий груз. Снимите пробный груз (или оставьте, если программа учла его в расчёте) и установите постоянный груз.
8. Контрольный пуск. Проверьте остаточную вибрацию. При необходимости выполните подстроечную (trim) коррекцию по тому же коэффициенту влияния.
9. Протокол. Запишите скорость, плоскости, массы и углы грузов, вибрацию до и после.

Пример ACOEM: исходная вибрация 7 единиц, после пробного груза 100 г — 5 единиц, эффект пробного груза по векторной диаграмме — 9 единиц. Масса корректирующего груза: 100 × 7 / 9 ≈ 78 г.

Эффект пробного груза должен быть в несколько раз больше разброса показаний от пуска к пуску, иначе расчёт будет неустойчивым.

Одна плоскость или две

Перед установкой пробного груза сравните фазы 1x на двух опорах в одном направлении:

Разность фаз между опорами	Вид дисбаланса	Сколько плоскостей
Около 0°	Статический: концы ротора движутся вместе	Одна, вблизи центра масс
Около 180°	Моментный: концы движутся в противофазе	Две
Промежуточная	Динамический (общий случай)	Две

Одной плоскости обычно хватает для узкого дискового ротора (колесо вентилятора, шкив). Если на длинном роторе коррекция в одной плоскости улучшает одну опору и ухудшает другую, остался моментный дисбаланс и нужна балансировка в двух плоскостях.

Допустимый дисбаланс по ISO 21940-11

Качество балансировки жёстких роторов задают классами точности G по ISO 21940-11 (стандарт заменил ISO 1940-1). Ряд классов: G 0.4, G 1, G 2.5, G 6.3, G 16, G 40, G 100, G 250, G 630; каждый следующий примерно в 2,5 раза грубее предыдущего. Число в обозначении класса — произведение допустимого удельного дисбаланса на угловую скорость в мм/с.

Допустимый остаточный дисбаланс считают так:

• угловая скорость ω = 2π × n / 60, рад/с (n — максимальная рабочая частота вращения, об/мин);
• допустимый удельный дисбаланс e_per = G × 1000 / ω, мкм (1 мкм соответствует 1 г·мм на 1 кг массы ротора);
• допустимый дисбаланс U_per = e_per × m, г·мм (m — масса ротора, кг);
• для плоскостей, расположенных примерно симметрично относительно центра масс, на каждую плоскость приходится половина U_per.

Пример: ротор 200 кг, 1480 об/мин, класс G 6.3.

Величина	Расчёт	Результат
ω	2π × 1480 / 60	155,0 рад/с
e_per	6,3 × 1000 / 155,0	40,6 мкм
U_per	40,6 × 200	≈ 8130 г·мм
На одну плоскость	8130 / 2	≈ 4065 г·мм
Груз на радиусе 400 мм	4065 / 400	≈ 10 г

Какой класс выбрать:

• для большинства промышленных машин указывают G 6.3;
• для высокоскоростных машин и отдельно работающих электродвигателей может требоваться G 2.5;
• стандарты на центробежные насосы ISO 5199 и ISO 9905 требуют балансировки основных вращающихся деталей по классу G 6.3;
• окончательно класс задаёт изготовитель машины: балансируйте по его рекомендациям.

Класс достижим, только если дисбаланс — единственный источник вибрации на 1x и машина работает не в резонансе.

Каким прибором балансировать

• Bently Nevada vb7 — по паспорту изготовителя двухканальный анализатор и балансировщик: синхронная запись двух каналов, балансировка в двух плоскостях двумя датчиками в диапазоне 30–60 000 об/мин, лазерный датчик оборотов с отражающей лентой (10 см – 2 м), режим Keyphasor, возможность оставить или снять пробные грузы, хранение балансировочных работ, корпус IP65. Тот же прибор служит маршрутным сборщиком и спектральным анализатором (до 6400 линий, Fmax до 40 кГц), поэтому до балансировки можно исключить расцентровку и ослабление.
• vb Balancer — специализированные балансировщики Bently Nevada: vbBalancer с двумя каналами и vbBalancer+ с четырьмя, балансировка в двух плоскостях, базовые спектры до 800 линий и 5 кГц для проверки результата.

KEG TRK поставляет приборы Bently Nevada в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Bently Nevada. vb7 Portable Data Collector, Analyzer and Balancer, datasheet 116M5255 Rev. F.
• Baker Hughes / Bently Nevada. vb Balancer Series Portable Instruments, datasheet 132M3167.
• Sensemore. ISO 21940 Balance Quality Calculator.
• Sensemore. Single Plane Balancing Calculator.
• ACOEM. Balancing How To #2: Selecting a Proper Trial Weight.
• ACOEM. Balancing How To #6: Balancing Tolerances.
• ACOEM. Finding Unbalance and Misalignment on a Spectrum.
• Emerson. Vibration Analysis for Machinery Health Diagnosis.
• Europump. Pump Vibration Standards Guidelines, 1st edition, July 2013 (ISO 5199, ISO 9905).