Tipuri de dezechilibru: static, de cuplu și dinamic — Care este diferența?

Dezechilibrul static (pe un singur plan)

Fizica fenomenului

Dezechilibrul static apare atunci când axa centrală principală de inerție a rotorului este deplasată paralel cu axa de rotație. Mai simplu spus, există un singur „punct greu" pe rotor care deplasează centrul de masă.

Fig. 1. Dezechilibrul static: punctul greu se rostogolește întotdeauna în partea de jos sub acțiunea gravitației. În repaus, rotorul se stabilizează într-o poziție determinată.

Cum se manifestă

Particularitatea dezechilibrului static este că este vizibil chiar și în repaus. Dacă un astfel de rotor este așezat pe cuțite de reazem orizontale sau suspendat pe o axă cu frecare minimă, gravitația îl va roti întotdeauna astfel încât să se oprească cu „punctul greu" în partea de jos.

Acesta este exact principiul din spatele echilibrării statice simple „pe cuțite de reazem" — o metodă cunoscută încă din secolul al XIX-lea.

Pentru ce rotori este tipic

Dezechilibrul static predomină la rotorii înguști, în formă de disc, unde raportul lungime/diametru (L/D) este mic — sub 0,25-0,5. Exemple:

• Discuri abrazive
• Fulii subțiri
• Rotoare de ventilator înguste
• Fierăstraie circulare
• Volanți subțiri

Metoda de corecție

Se corectează prin montarea unei singure mase de corecție într-un singur plan de corecție, diametral opus „punctului greu" (la 180°).

Se poate face chiar și fără rotirea rotorului — prin echilibrare statică pe cuțite de reazem. Pentru un rezultat precis, însă, se recomandă echilibrarea dinamică cu măsurarea vibrațiilor la turația de lucru.

Dezechilibrul de cuplu (de moment)

Fizica fenomenului

Dezechilibrul de cuplu apare atunci când axa principală de inerție a rotorului intersectează axa de rotație în centrul de masă, dar este înclinată față de aceasta. Din punct de vedere fizic, aceasta corespunde la două mase dezechilibrate egale, plasate în planuri diferite de-a lungul rotorului și dispuse la 180° una față de cealaltă pe circumferință.

Fig. 2. Dezechilibrul de cuplu: cele două mase M1 și M2 creează un cuplu de forțe centrifuge F1 și F2 care fac rotorul să „se balanseze" sau „să oscileze"

Cum se manifestă

În repaus (fără rotație), un astfel de rotor este echilibrat — nu va încerca să se stabilizeze într-o poziție anume pe cuțitele de reazem. Prin urmare, echilibrarea statică nu reușește să evidențieze această problemă.

În timpul rotației, însă, perechea de mase creează un moment de răsturnare care tinde să încline rotorul perpendicular pe axa de rotație. Aceasta provoacă vibrații puternice la reazeme, iar vibrația la cele două reazeme este în antifază (un decalaj de fază de ~180°).

Pentru ce rotori este tipic

Dezechilibrul de cuplu este tipic pentru rotorii lungi și zvelți, precum:

• Arbori lungi fără disc la mijloc
• Arbori cardanici (de transmisie)
• Rotoare lungi de ventilatoare axiale

Metoda de corecție

Pentru a compensa dezechilibrul de cuplu, masele de corecție trebuie montate în cel puțin două planuri de corecție, creând un moment compensator.

Dezechilibrul dinamic (combinat)

Fizica fenomenului

Acesta este cazul cel mai general și cel mai frecvent întâlnit în practică. Dezechilibrul dinamic este o combinație a dezechilibrului static și a celui de cuplu.

În termeni mecanici: axa centrală principală de inerție a rotorului nu este nici paralelă cu axa de rotație, nici nu o intersectează în centrul de masă — în schimb o traversează oblic (înclinat) în spațiu.

Cum se manifestă

Dezechilibrul dinamic se manifestă numai în timpul rotației. În repaus poate fi observat un dezechilibru parțial (dacă există o componentă statică), dar imaginea completă este vizibilă doar atunci când rotorul funcționează.

Pentru ce rotori este tipic

Dezechilibrul dinamic apare la majoritatea rotorilor industriali:

• Rotoare de ventilatoare centrifugale
• Rotoare de motoare electrice și generatoare
• Rotoare de pompe
• Rotoare de concasoare și mori
• Tamburi de treierat ai combinelor
• Orice rotor cu L/D > 0,5

Metoda de corecție

Corectarea dezechilibrului dinamic necesită întotdeauna echilibrare în cel puțin două planuri de corecție. Aceasta face posibilă compensarea simultană atât a componentei de forță (statică), cât și a componentei de moment (de cuplu) a dezechilibrului.

Fig. 3. Schema echilibrării dinamice: pentru a corecta dezechilibrul dinamic, masele de corecție sunt montate în două planuri, iar senzorii de vibrații sunt montați pe ambele reazeme

Referință rapidă: identificarea tipului de dezechilibru

Utilizați acest tabel pentru a identifica rapid tipul probabil de dezechilibru și numărul de planuri de corecție necesare:

Recomandări practice

Rotori rigizi și flexibili

O completare importantă a clasificării este distincția dintre rotorii rigizi și cei flexibili:

• Rotor rigid: turația de lucru se află mult sub prima turație critică. Rotorul se deformează foarte puțin sub acțiunea forțelor centrifuge. Pentru astfel de rotori, echilibrarea pe două planuri este suficientă. Majoritatea rotorilor industriali sunt rigizi.
• Rotor flexibil: funcționează la o turație apropiată de turația critică sau peste aceasta. Încovoierea elastică a arborelui devine comparabilă cu deplasarea centrului de masă. Echilibrarea rotorilor flexibili necesită metode speciale și poate necesita mai mult de două planuri de corecție.

Când este necesară o verificare mecanică preliminară

Înainte de echilibrare, este recomandabil să verificați:

1. Bătaia radială: rotorul nu trebuie să prezinte bătaie
2. Bătaia axială: discurile trebuie să fie perpendiculare pe axă
3. Montajul pe ax: fără dezaliniere la montare

Dacă se constată defecte geometrice, acestea trebuie corectate mai întâi, altfel echilibrarea va fi ineficientă.

Rotori rigizi și flexibili: o distincție esențială

Unul dintre conceptele fundamentale în echilibrare este împărțirea rotorilor în rigizi și flexibili. Această împărțire determină atât posibilitatea de a echilibra cu succes, cât și metodologia de utilizat.

Rotorul rigid

Definiție: un rotor este considerat rigid dacă turația sa de lucru se află mult sub prima turație critică și nu suferă o deformare elastică (încovoiere) semnificativă sub acțiunea forțelor centrifuge.

Caracteristici:

• Turația de lucru este de obicei sub 70% din prima turație critică
• Încovoierea arborelui sub acțiunea forțelor centrifuge este neglijabilă
• Echilibrarea pe două planuri de corecție este de obicei suficientă
• Instrumente precum Balanset-1A sunt concepute exact pentru lucrul cu rotori rigizi

Rotorul flexibil

Definiție: un rotor este considerat flexibil dacă funcționează la o turație apropiată de una dintre turațiile sale critice sau peste aceasta. În acest caz, încovoierea elastică a arborelui devine comparabilă cu deplasarea centrului de masă și contribuie ea însăși semnificativ la vibrația generală.

Problema: încercarea de a echilibra un rotor flexibil cu metodologia pentru rotori rigizi (pe două planuri) se termină adesea cu eșec. Montarea maselor de corecție poate compensa vibrația la turație joasă, sub-rezonantă, dar pe măsură ce se atinge turația de lucru și rotorul se încovoaie, aceleași mase pot amplifica vibrația prin excitarea uneia dintre formele proprii de încovoiere.

Cum se identifică tipul de rotor

O metodă practică:

1. Aflați turația de lucru a rotorului (rpm)
2. Efectuați un test de oprire prin inerție (măsurarea vibrației în timp ce rotorul încetinește după oprire)
3. Dacă pe graficul vibrației de la oprirea prin inerție sunt vizibile vârfuri distincte, acestea sunt rezonanțe (turații critice)
4. Dacă turația de lucru este apropiată de un vârf de rezonanță (±20%), rotorul funcționează într-o zonă periculoasă

Ce se face la funcționarea în apropierea rezonanței:

• Dacă rezonanța nu poate fi evitată (de exemplu, mașina funcționează la o turație fixă care coincide cu rezonanța), este recomandabil să se modifice temporar condițiile de montare ale utilajului în timpul echilibrării
• De exemplu, reduceți rigiditatea reazemelor sau montați suporturi elastice temporare pentru a deplasa rezonanța
• După ce dezechilibrul rotorului a fost corectat și vibrația a fost normalizată, mașina poate fi readusă la condițiile sale standard de montare