عدم تعادل جرمی ماشین آلات

با درود فراوان

هدف از این پست، ارائه مقدماتی در زمینه عدم تعادل جرمی ماشین آلات دوار در صنایع مختلف است. با تشکر از آقای مهندس صیدکرمی، از مخاطبین محترم این وبلاگ، بدلیل ارسال این مطلب.

به عدم توزیع یکنواخت جرم روتور حول محور گردش ان غالبا عدم تعادل یا Unbalance می گویند.

نابالانسی (عدم تعادل) جرمی

علیرغم هر تعریفی که شما برای عدم تعادل بکار ببرید،عدم تعادل بیش از حد باعث ارتعاشات روتور و برینگ های آن می شود. عدم تعادل میتواند نیرو هایی را بوجودآورد که برای طول عمر ماشین و قطعات مختلف ان، روتور و برینگ ها و سازه های مربوطه مضر است.

علل وجود عدم تعادل

1. اشکالات ریخته گری

روتور های ریخته شده، مانند پروانه های پمپ و پولی های بزرگ، بعضا دارای حفره ها یا Sand Trap های ناشی از پروسه ریخته گری هستند. این حفره ها درون توده فلزی بوده و قابل رویت نیستند. اما، می توانند نابالانسی زیادی ایجاد کنند.

نمایی از فرآیند ریخته گری

2. خارج از مرکز بودن(eccentricity)

خارج از مرکز بودن وقتی به وجود می آید که مرکز هندسی قطعه با مرکز دوران ان یکی نیست. روتور ممکن است خود کاملا round  باشد ولی مرکز دوران off-center باشد.

خروج از مرکز

3.  تغییر شکل (distortion )

ممکن است قطعه ای در زمان ساخت بخوبی بالانس باشد ولی در حین کار به دلایل مختلف شکل آن به هم بخورد. دلایل متداول چنین تغییر شکلهایی تنش زدایی  (stress relief) و تغییر شکل گرمایی Thermal distortion است.

تغییر شکل

4. تلرانس ها ( Clearance )

یکی از متداولترین عوامل ایجاد  نابالانسی جمع شدن تلرانس ها  در زمان مونتاژ  ماشین است.

در این مورد مثلا قطر پولی از قطر شفت بزرگتر است و وقتی جای خار با استفاده از  setscrew برای محکم کردن ان روی شافت استفاده می شود مرکز وزنی پولی به یک طرف مرکز شافت منتقل خواهد شد. طبیعتا این ایجاد عدم تعادل وزنی خواهد کرد.

تلرانس کلرانس

5.  خار و جای خار

متاسفانه استاندارد مشخص و یکنواختی مربوط به استفاده از کلید در زمان تست قطعات و بالانس وجود ندارد. سازنده ای ممکن است محصول خود را با کلید کامل، نیمه کلید و یا حتی شاید بدون کلید بالانس کند، بنابراین اگر یک سازنده پولی، پولی را بدون کلید بالانس کند، و یا سازنده موتور، موتور خود را بدون کلید بالانس کند، بعد از اتصال دو قسمت، عدم تعادل بوجود خواهد آمد.

خار و جای خار

6. خوردگی و سایش

بسیاری از روتورها در محیطهایی کار میکنند که باعث خوردگی یا سایش انها می شود. وقتی خوردگی یا سایش یکنواخت نباشد، عدم تعادل ایجاد می شود.

Erosional Corrosion

7. تشکیل رسوبات

تشکیل غیر یکنواخت رسوبات روی قسمتهای مختلف روتور ایجاد عدم تعادل میکند. اگر چه معمولا رسوب گذاری به مرور زمان انجام می شود ولی کنده شدن یک تکه رسوب میتواند ایجاد عدم تعادل ناگهانی کند.

تشکیل رسوبات

عیوب متداول ماشین آلات و شناسایی آنها از طریق منحنی های FFT:

یکی از متداولترین و شایع ترین علل ارتعاشات ماشین آلات ناشی از نابالانسی است که از انواع متداولی دارد و ذیلا به شرح آن پرداخته می شود:

1. نابالانسی جرمی

متداولترین نوع نابالانسی می باشد که معمولا به دلیل عدم توزیع یکنواخت جرم در اطراف محور دستگاه ها و ماشین آلات بوجود می آید و تفاوت آن با دیگر نابالانسی ها این است که با کم یا زیاد کردن جرم روی روتور قابل اصلاح است. این تیپ از نابالانسی خود به سه نوع زیر تقسیم بندی می شود:

الف)  نابالانسی استاتیکی  Static unbalance

اگر قسمت سنگین طوری قرار گرفته باشد که باعث جابجایی موازی محورهای مرکز جرم نسبت به مرکز دوران شود به آن نابالانسی استاتیکی گفته می شود. این نوع نابالانسی معمولا با اضافه نمودن جرم در یک صفحه قابل تصحیح است.  در این نوع نابالانسی زاویه فاز یاتاقان های دو طرف ، در یک جهت با هم یکی بوده و ارتعاشات هم فازند.

نابالانسی استاتیک

ب) نابالانسی کوپله coupled unbalance

در این نوع نابالانسی نقاط سنگین طوری که پراکنده شده اند که در دو صفحه کاملا مخالف اما در شعاعهای یکسان قرار دارند که در این حالت محور مرکز جرم روتور نسبت به محور دوران نا موازی بوده و ان را در مرکز روتور قطع می کند. این نوع نابالانسی با اضافه کردن جرم در دو صفحه جداگانه قابل تصحیح است.

در این نوع نا بالانسی زاویه فاز یاتاقان دو طرف، در یک جهت با هم  به اندازه 180 درجه اختلاف زاویه فاز دارند.

نابالانسی کوپله

ج) نابالانسی دینامیکی  dynamic unbalance

این نوع نابالانسی یک حالت عمومی است که به دلیل مشکلات ناشی از ساخت روی تمامی روتورها به صورت ترکیبی از دو نوع نابالانسی استاتیکی و کوپله وجود دارد که در این حالت هم مرکز جرم نسبت به محور دوران ناموازی است و هم این محور از مرکز جرم روتور عبور نمی کند.

زاویه فاز  دو طرف یاتاقانها  در این تیپ از نابالانسی با هم رابطه مستقیمی ندارند.

نابالانسی دینامیک

2. نابالانسی هیدرولیکی و ایرودینامیکی

3. نابالانسی الکتریکی

رفتار ارتعاشی یک دستگاه نابالانس :

1. فرکانس ارتعاشات ایجاد شده روی یک برابر دور ماشین اتفاق می افتد 

2. دامنه ارتعاشات متناسب با میزان نابالانسی است یعنی هرچه مقدار نابالانسی بیشتر باشد دامنه ارتعاشات نیز افزایش می یابد.

3. میزان ارتعاشات درجهت  شعاعی (به خصوص در جهت افقی) بیشتر از جهت محوری است.

4. زاویه فاز یک یاتاقان نسبت به زمان تغییر نمیکند.

5. با 90 درجه جابجا شدن پیک آپ، روی یک یاتاقان زاویه فاز هم 90 درجه در همان جهت تغییر می کند.

6. تغییر جرم روی روتور امکان کاهش لرزش وجود دارد.

نمونه ای از منحنی FFT

نابالانسی فازی

نابالانسی کوپله

نکته اینکه در روتورهای Over Hung ممکن است ارتعاشات در جهات محوری و شعاعی وجود داشته باشد که زاویه فاز ارتعاشات در جهت محوری ممکن است ثابت باشد ولی در جهت شعاعی تغییر می کند و نابالانسی آنها از نوع ترکیب استاتیکی و کوپله است که با تغییر جرم قابل اصلاح است.

البته به این نکته نیز باید توجه نمود که ارتعاشات در فرکانس یک برابر دور تنها به دلیل نابالانسی جرمی نیست و مسایلی از قبیل خرابی برینگهای ژورنال Misalignment ,Eccentricity ,Bend Shaft نیز ارتعاشاتی روی یک برابر دور ایجاد می کنند که برای تشخیص و تمییز دادن انها از یکدیگر باید از روشهای دیگر آنالیز ارتعاشات مثل آنالیز زاویه فاز بهره گرفت.