Teoria i praktyka wyważania dynamicznego: Kompleksowy przewodnik

Opublikowano 22 lipca 2025 | Kategoria: Wiedza ekspercka

1. Co to jest wirnik i dlaczego powstają wibracje?

Wirnik to ciało obracające się wokół osi, podtrzymywane w podporach przez swoje powierzchnie nośne. Te powierzchnie (często nazywane czopami) przenoszą obciążenia na łożyska.

W idealnie wyważonym wirniku jego masa jest rozłożona symetrycznie wokół osi obrotu. Podczas obrotu na każdy element działa siła odśrodkowa skierowana na zewnątrz. W wyważonym wirniku siły odśrodkowe symetrycznych elementów wzajemnie się znoszą, a całkowita siła na łożyska wynosi zero.

Jeśli jednak ta symetria jest zaburzona (np. przez nierównomierną masę), powstaje niewyważona siła odśrodkowa. Siła ta zmienia swój kierunek przy każdym obrocie i generuje dynamiczne obciążenie łożysk, co prowadzi do ich przyspieszonego zużycia i wibracji.

Wyważanie to proces eliminacji tego niewyważenia poprzez celowe dodawanie mas kompensacyjnych w celu przywrócenia symetrii wirnika.

2. Wirniki sztywne a giętkie

W zależności od wytrzymałości materiału i wielkości sił odśrodkowych wyróżnia się dwa rodzaje wirników:

• Wirniki sztywne (Rigid Rotors): Pod wpływem sił odśrodkowych przy prędkości roboczej odkształcają się tylko w niewielkim stopniu. Większość wirników w ogólnej inżynierii mechanicznej należy do tej kategorii, a opisane tu metody mają do nich zastosowanie.
• Wirniki giętkie (Flexible Rotors): Ich odkształcenia nie można pominąć i wymagają one bardziej złożonych metod wyważania. Wirnik może zachowywać się jak sztywny przy niskich prędkościach obrotowych i jak giętki przy wysokich.

3. Rodzaje niewyważenia: Statyczne i dynamiczne

Tę ważną różnicę omówiliśmy już w osobnym artykule, ale oto sedno sprawy:

• Niewyważenie statyczne istnieje nawet w spoczynku. "Ciężki punkt" obraca się w dół pod wpływem grawitacji. Jest typowe dla wąskich, tarczowych wirników.
• Niewyważenie dynamiczne (lub momentowe) występuje tylko podczas obrotu. Powstaje w wyniku dwóch niewyważonych mas w różnych płaszczyznach, które tworzą moment przechylający. Ten rodzaj niewyważenia jest typowy dla długich wirników i nie można go skorygować statycznie.

Teoretycznie udowodniono, że do całkowitego wyeliminowania niewyważenia sztywnego wirnika wystarczą **dwa ciężarki korekcyjne** w dwóch różnych płaszczyznach. Kompensują one zarówno niewyważenie statyczne, jak i dynamiczne.

4. Prawdziwe przyczyny wibracji

Ważne jest, aby zrozumieć, że niewyważenie nie jest jedyną przyczyną wibracji. Wyważanie może wyeliminować tylko te wibracje, które są spowodowane niesymetrycznym rozkładem masy.

Dlatego kluczowe jest: Uszkodzony mechanizm należy najpierw naprawić, a dopiero potem wyważyć. Wyważanie nie zastąpi naprawy!

5. Problem rezonansu

Każdy system mechaniczny ma swoją częstotliwość własną. Kiedy prędkość robocza wirnika zbliża się do tej częstotliwości, amplituda wibracji dramatycznie wzrasta – powstaje rezonans mechaniczny. W tym stanie normalne wyważanie jest niemożliwe, ponieważ najmniejsze zmiany prędkości obrotowej prowadzą do ogromnych zmian wibracji.

Prawidłowo zaprojektowany mechanizm powinien być tak skonstruowany, aby jego prędkość robocza była daleka od częstotliwości rezonansowej. Wyważarki, które pracują poniżej swojej częstotliwości rezonansowej, są uważane za "sztywno-łożyskowe" (doresonant), podczas gdy te, które pracują powyżej, są "miękko-łożyskowe" (soft-bearing).