Soorten onbalans: statisch, koppel- en dynamisch — wat is het verschil?

Statische onbalans (éénvlaks)

De fysica

Statische onbalans treedt op wanneer de hoofdcentraleas van traagheid van de rotor evenwijdig aan de rotatieas is verschoven. Eenvoudiger gezegd: er is één "zwaar punt" op de rotor dat het zwaartepunt verplaatst.

Fig. 1. Statische onbalans: het zware punt rolt altijd naar beneden onder invloed van de zwaartekracht. In rust neemt de rotor een vaste positie in.

Hoe het zich manifesteert

Het bijzondere van statische onbalans is dat het zelfs in stilstand zichtbaar is. Legt u zo'n rotor op horizontale messen of hangt u hem op aan een as met minimale wrijving, dan draait de zwaartekracht hem altijd zo dat het "zware punt" onderaan komt.

Dit is precies het principe achter eenvoudig statisch balanceren "op messen" — een methode die al sinds de 19e eeuw bekend is.

Voor welke rotoren het typisch is

Statische onbalans overheerst bij smalle, schijfvormige rotoren waarbij de lengte-diameterverhouding (L/D) klein is — kleiner dan 0,25-0,5. Voorbeelden:

• Slijpschijven
• Smalle riemschijven
• Smalle ventilatorschoepen
• Cirkelzagen
• Smalle vliegwielen

De correctiemethode

Correctie vindt plaats door het aanbrengen van één correctiegewicht in één correctievlak, diametraal tegenover het "zware punt" (180° verwijderd).

Dit kan zelfs zonder de rotor te laten draaien — door statisch balanceren op messen. Voor een nauwkeurig resultaat wordt echter dynamisch balanceren met trillingmeting op bedrijfssnelheid aanbevolen.

Koppel-onbalans (moment)

De fysica

Koppel-onbalans ontstaat wanneer de hoofdas van traagheid van de rotor de rotatieas snijdt in het zwaartepunt, maar er een hoek mee maakt. Fysisch komt dit overeen met twee gelijke ongebalanceerde massa's die in verschillende vlakken langs de rotor zijn geplaatst en 180° ten opzichte van elkaar staan.

Fig. 2. Koppel-onbalans: de twee massa's M1 en M2 creëren een koppel van centrifugaalkrachten F1 en F2 waardoor de rotor "wiebelt" of "slingert"

Hoe het zich manifesteert

In rust (zonder rotatie) is zo'n rotor gebalanceerd — hij zal niet proberen een vaste positie op de messen in te nemen. Statisch balanceren brengt dit probleem dan ook niet aan het licht.

Bij rotatie echter creëert het paar massa's een kantelmoment dat de rotor loodrecht op de rotatieas probeert te kantelen. Dit veroorzaakt sterke trillingen in de steunpunten, waarbij de trillingen bij de twee steunpunten in tegenfase zijn (faseverschuiving van ~180°).

Voor welke rotoren het typisch is

Koppel-onbalans is typisch voor lange, slanke rotoren, zoals:

• Lange assen zonder schijf in het midden
• Cardanas (aandrijfassen)
• Lange axiaalventilatorrotoren

De correctiemethode

Om koppel-onbalans te compenseren moeten correctiegewichten worden aangebracht in minimaal twee correctievlakken, zodat een compenserend moment ontstaat.

Dynamische onbalans (gecombineerd)

De fysica

Dit is het meest algemene en meest voorkomende geval in de praktijk. Dynamische onbalans is een combinatie van statische en koppel-onbalans.

Mechanisch gezien: de hoofdcentraleas van traagheid van de rotor loopt noch evenwijdig aan de rotatieas, noch snijdt hij die in het zwaartepunt — in plaats daarvan kruist hij hem schuin (scheef) in de ruimte.

Hoe het zich manifesteert

Dynamische onbalans is alleen tijdens rotatie waarneembaar. In rust kan een gedeeltelijke onbalans worden waargenomen (als er een statische component is), maar het volledige beeld is pas zichtbaar wanneer de rotor draait.

Voor welke rotoren het typisch is

Dynamische onbalans treedt op bij de meeste industriële rotoren:

• Centrifugaalventilatorschoepen
• Elektromotor- en generatorrotoren
• Pompschoepen
• Breker- en molenwalsrotoren
• Maaidorser-dorstrommels
• Elke rotor met L/D > 0,5

De correctiemethode

Het corrigeren van dynamische onbalans vereist altijd balanceren in minimaal twee correctievlakken. Daarmee kunnen zowel de kracht- (statische) als de moment- (koppel-) component van de onbalans tegelijk worden gecompenseerd.

Fig. 3. Schema van dynamisch balanceren: om dynamische onbalans te corrigeren worden correctiegewichten aangebracht in twee vlakken en worden trillingssensoren gemonteerd op beide steunpunten

Snelle referentie: het type onbalans bepalen

Gebruik deze tabel om snel het waarschijnlijke type onbalans en het benodigde aantal correctievlakken te bepalen:

Praktische aanbevelingen

Stijve en flexibele rotoren

Een belangrijke aanvulling op de classificatie is het onderscheid tussen stijve en flexibele rotoren:

• Stijve rotor: de bedrijfssnelheid ligt ruim onder de eerste kritische snelheid. De rotor vervormt nauwelijks onder centrifugaalkrachten. Voor zulke rotoren is balanceren in twee vlakken voldoende. De meeste industriële rotoren zijn stijf.
• Flexibele rotor: hij werkt op een snelheid die dicht bij of boven de kritische snelheid ligt. De elastische buiging van de as wordt vergelijkbaar met de verplaatsing van het zwaartepunt. Het balanceren van flexibele rotoren vereist speciale methoden en kan meer dan twee correctievlakken vereisen.

Wanneer een voorafgaande mechanische controle nodig is

Vóór het balanceren verdient het aanbeveling te controleren:

1. Radiale slagafwijking: de rotor mag niet uit het ronde lopen
2. Axiale slagafwijking: schijven moeten loodrecht op de as staan
3. De passing op de as: geen uitlijningsfout bij montage

Als er geometrische gebreken worden gevonden, moeten deze eerst worden gecorrigeerd, anders is balanceren niet effectief.

Stijve en flexibele rotoren: een cruciaal onderscheid

Een van de fundamentele begrippen bij balanceren is de onderverdeling van rotoren in stijf en flexibel. Deze onderverdeling bepaalt zowel de mogelijkheid van succesvol balanceren als de te gebruiken methodologie.

De stijve rotor

Definitie: een rotor wordt als stijf beschouwd als de bedrijfssnelheid ruim onder de eerste kritische snelheid ligt en hij geen significante elastische vervorming (buiging) ondergaat onder centrifugaalkrachten.

Kenmerken:

• De bedrijfssnelheid is gewoonlijk minder dan 70% van de eerste kritische snelheid
• Asbuiging onder centrifugaalkrachten is verwaarloosbaar
• Balanceren in twee correctievlakken is gewoonlijk voldoende
• Instrumenten zoals de Balanset-1A zijn specifiek ontworpen voor gebruik met stijve rotoren

De flexibele rotor

Definitie: een rotor wordt als flexibel beschouwd als hij werkt op een snelheid die dicht bij of boven een van zijn kritische snelheden ligt. In dat geval wordt de elastische buiging van de as vergelijkbaar met de verplaatsing van het zwaartepunt en draagt hij zelf significant bij aan de totale trilling.

Het probleem: proberen een flexibele rotor met de methodologie voor stijve rotoren (in twee vlakken) te balanceren mislukt vaak. Het aanbrengen van correctiegewichten kan trilling compenseren bij lage, subresonante snelheid, maar zodra de bedrijfssnelheid wordt bereikt en de rotor buigt, kunnen diezelfde gewichten de trilling versterken door een van de buigingsvormen te exciteren.

Hoe u het type rotor bepaalt

Een praktische methode:

1. Stel de bedrijfssnelheid van de rotor vast (toeren/min)
2. Voer een uitlooptest uit (meten van trillingen terwijl de rotor na uitschakeling afloopt)
3. Als er duidelijke pieken zichtbaar zijn op de uitloopgrafiek, zijn dit resonanties (kritische snelheden)
4. Als de bedrijfssnelheid dicht bij een resonantiepiek ligt (±20%), werkt de rotor in een gevaarzone

Wat te doen bij werken nabij resonantie:

• Als de resonantie niet kan worden vermeden (de machine werkt bijvoorbeeld op een vaste snelheid die samenvalt met de resonantie), verdient het aanbeveling de montagecondities van het aggregaat tijdelijk te wijzigen tijdens het balanceren
• Verlaag bijvoorbeeld de stijfheid van de steunpunten of breng tijdelijke elastische bevestigingen aan om de resonantie te verschuiven
• Zodra de rotoronbalans is gecorrigeerd en de trilling genormaliseerd, kan de machine worden teruggezet in de standaard montagecondities