CÂN BẰNG ĐỘNG các CHI TIẾT QUAY của máy

CÂN BẰNG ĐỘNG CÁC CHI TIẾT QUAY CỦA MÁY.
Click tham khảo Máy cân bằng động và phân tích rung động 3 kênh Adash
A4300 - VA33
1. Giới thiệu
Mất cân bằng không chỉ là nguồn gây rung động thường gặp nhất trong các
máy có chuyển động quay mà cịn gây ra nhiều hư hại cho máy. Nó được xem
như là KHUYẾT TẬT cần khắc phục trước tất cả các vấn đề khác. Mất cân
bằng ở các máy quay ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng trong việc
phát triển các thiết bị hiện đại đặc biệt đối với các thiết bị đòi hỏi tốc độ
/hoặc độ tin cậy cao. Sự mất cân bằng máy nói chung là một hiện tượng có
hại do đó cần phải xác định và khi cần thiết phải giảm thiểu hoặc trừ khử
hồn tồn. Việc làm đó gọi là cân bằng máy hoặc cân bằng động, theo cách
nói thơng thường. Điều này cũng đồng nghĩa với việc tránh hư hỏng do mỏi
trong các kết cấu liên quan, giảm tiếng ồn và rung động, làm tăng tuổi thọ
và chất lượng của máy khi vận hành.


Lực ly tâm và mất cân bằng:
Một rotor cân bằng thì khơng rung động, quay êm. Trái lại, rotor mất cân
bằng khi quay tạo ra nhiều rung động, tiếng ồn, không êm. Sự khác biệt này
cơ bản là do các lực ly tâm tác động lên rotor có được bù trừ hay khơng, cịn
gọi là khử mất cân bằng.
2. Lực ly tâm
Một chi tiết khi quay đều tạo ra một lực có xu hướng đẩy nó ra xa trục quay
theo hướng bán kính. Lực này chính là "lực ly tâm".
a. Rotor cân bằng


Một rotor cân bằng hồn hảo là rotor có khối lượng được phân bố đều xung
quanh trục của nó quay, khơng dao động khi quay. Thực tế là khi đó tất cả
các lực lượng ly tâm đều được bù trừ tức bị khử. Hình dưới chỉ ra một rotor

cân bằng trong đó, với một khối lượng m đặt tại một khoảng cách bất kỳ từ
trục quay, tồn tại một khối lượng m*, có khối lượng bằng với m, nhưng đặt tại
vị trí đối diện. Tương tự như vậy , bất kỳ lực ly tâm F tạo ra bởi chuyển động
quay của m thì ngay lập tức được bù đắp bởi lực ly tâm một đối diện F*, được
tạo ra bằng chuyển động quay của m*. Hai lực ly tâm này triệt tiêu nhau:
rotor không dao động.

b. Rotor mất cân bằng
Một rotor "mất cân bằng" bởi sự hiện diện của một khối lượng m nằm trên
rotor. Ở đây, không giống như rotor cân bằng đề cập ở trên, lực ly tâm F tạo
ra bởi "đốm nặng" của rotor không được bù đắp bởi một lực tương đương
theo hướng ngược lại.
Lực ly tâm F này không được bù sẽ quay với khối lượng m và cố kéo văng
rotor theo hướng tác động ly tâm của nó. Rung động sinh ra được truyền đến
ổ đỡ (bạc đạn) của rotor và tất cả các điểm của ỗ đỡ sẽ phải tiếp nhận rung
động này một lần mỗi vịng quay. Điều này giải thích lý do tại sao thành phần
mất cân bằng luôn xuất hiện trong phổ của các dao động tại tần số quay của
trục.


3. Sự mất cân bằng
a. Định nghĩa
Sự mất cân bằng, như được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế ISO
1925:2001, Mechanical vibration - Balancing - Vocabular (Dao động cơ học Cân bằng - Từ vựng) là trạng thái mà trong đó một rotor, do kết quả của các
lực ly tâm, có phát sinh một lực hay rung động truyền đến các ổ đỡ vịng bi
của nó.
b. Lượng mất cân bằng
Đo lường định lượng của sự mất cân bằng của một rotor thu được xác định
bằng tích số của khối lượng mất cân bằng m với khoảng cách r tính từ trục
quay (bán kính). Giá trị tính đó chính là lượng mất cân bằng U = m·r. Đơn vị

của lượng mất cân bằng là g·mm.
Một lượng mất cân bằng 200 g·mm chỉ ra rằng " đốm nặng" của rotor tương
đương sẽ là, ví dụ, một khối lượng 10 gram ở bán kính 20 mm hoặc một khối
lượng của 20 gram ở bán kính 10 mm như thể hiện ở hình dưới. Tương tự như
vậy , giá trị lượng mất cân bằng tạo bởi một khối lượng nhất cho trước sẽ
thay đổi tùy theo khoảng cách từ khối lượng này đến trục quay.


4. Nguyên nhân gây mất cân bằng
Yếu tố hoặc thậm chí là một sự kết hợp của nhiều yếu tố, có thể giải thích sự
hiện diện của một sự mất cân bằng trong các rotor của máy có chuyển động
quay. Các nguyên nhân phổ biến nhất là sự không đồng nhất của vật liệu,
dung sai chế tạo và lắp ráp cũng như thay đổi vật lý của rotor khi hoạt động.
a, Vật liệu khơng đồng nhất!
Đơi khi có những lỗ hổng trong các rotor bằng gang như cánh máy bơm và
pu-li cỡ lớn như thể hiện trong hình dưới đây. Những lỗ hổng hay bọt khí được
hình thành trong q trình đúc. Một khiếm khuyết như vậy khơng thể được
phát hiện bằng mắt thường. Tuy nhiên, nó là một nguồn tiềm năng của sự
mất cân bằng.

b. Dung sai chế tạo và lắp ráp


Một trong các nguồn gây mất cân bằng thường gặp là sự tích lũy độ rơ cho
phép khi lắp đặt máy. Ví dụ ở hình dưới đây là điển hình về việc dung sai cho
các chi tiết khác nhau tích lũy tạo ra một sự mất cân bằng. Các lỗ của pu-li
nhất thiết phải lớn hơn đường kính của trục và khi gắn then hay dùng vít
khóa chặn sẽ dẫn đến làm lệch tâm pu-li về một bên của trục quay gây mất
cân bằng.

c. Sự thay đổi rotor khi hoạt động
Thậm chí nếu một chi tiết đã được cân bằng tốt ngay khi sản xuất thì vấn đề
biến dạng nhiệt, sự ăn mòn và xuống cấp hoặc bám bẩn của rotor vẫn có thể
làm thay đổi sự cân bằng ban đầu của nó.
Biến dạng nhiệt
Ta gọi "biến dạng nhiệt" là biến dạng của rotor sinh ra do có sự thay đổi nhiệt
độ. Kim loại giãn nở khi bị nóng lên. Tuy nhiên, do những sai lệch nhỏ về
phân bố vật liệu, kích thước và sự tăng nhiệt khơng đồng đều nên rotor sẽ
giãn nở cũng không đều. Điều này dẫn đến sự phân bố khối lượng của rotor
không đồng đều gây mất cân bằng. Hiện tượng này thường xảy ra đối với
motor điện, máy nén và các máy turbo là các loại máy hoạt động ở nhiệt độ
cao.
Vấn đề biến dạng nhiệt đòi hỏi rotor nên được cân bằng ở nhiệt độ làm việc
của nó dù rằng nó đã được cân bằng tốt ở nhiệt độ thường.
Sự ăn mòn và xuống cấp
Các loại rotor sử dụng trong vận chuyển sản phẩm (con lăn, ru-lơ băng tải,...)
thường bị ăn mịn, bong tróc. Sự mất cân bằng diễn ra khi sự ăn mịn, bong
tróc khơng đều trên tồn bộ bề mặt rotor.


Sự bám bẩn
Các rotor có thể dần mất cân bằng do sự bám bẩn không đồng đều trên cánh
của chúng (quạt cơng nghiệp, cánh bơm nước). Sự tích tụ dần dần của các
lớp bẩn làm tăng sự mất cân bằng và độ rung mà kết quả có thể nhanh
chóng trở nên nghiêm trọng . Đôi khi sự bám bẩn trên rotor là khá đồng
nhất . Vấn đề rung động sau đó phát sinh khi một phần của các lớp bám bẩn
này bị bong ra gây mất cân bằng.

d. Lực mất cân bằng
Để hiểu rõ cách khử lượng mất cân bằng, cần phải nắm khái niệm về các lực

tác động lên rotor ra sao. Bản chất của các lực này phụ thuộc chủ yếu vào
dạng mất cân bằng: mất cân bằng tĩnh, mất cân bằng ngẫu lực hoặc mất cân
bằng hỗn hợp. Hai loại sau cịn có thể gọi là mất cân bằng động theo cách
nói thơng thường.
Khơng thể nói về các lực mất cân bằng mà không đề cập các khái niệm về


trọng tâm (Cg), trục quán tính chính và vận tốc góc (w) . Thật vậy, ngay cả
định nghĩa về các dạng mất cân bằng khác nhau cũng đề cập đến vị trí của
CG và của trục quán tính chính đối với trục của rotor .
Bất kỳ vật thể nào đều có một điểm mà tại đó, nếu được treo lên theo bất kỳ
hướng nào, nó sẽ vẫn ở trạng thái cân bằng . Ta gọi điểm này là trọng tâm
(Cg) .
Trọng tâm của một chi tiết quay nằm trên một trục mà khối lượng của rotor
được phân bổ đều cho mỗi bên. Ta gọi trục này trục quán tính chính. Ở một
rotor cân bằng, trục quán tính chính trùng với trục quay của rotor.
Vận tốc góc (w) của bất kỳ chi tiết quay nào thu được bằng cách nhân tần số
f tính bằng Hz với 2p tương ứng với một vịng quay của rotor (360°). Ngồi ra
w = 2×p×f với đơn vị đo lường tính bằng radian trên giây (rad/s).
5. Mất cân bằng tĩnh
Đây là trường hợp đơn giản nhất của sự mất cân bằng. Áp dụng cho một đĩa
mỏng có độ dày đồng nhất và có khối lượng M (kg) hồn tồn cân bằng trên
đó ta gắn một khối lượng nhỏ m (g) ở một khoảng cách r (mm) từ trục quay
để tạo ra một lượng mất cân bằng U = mr (g×mm).
Tacó thể thấy trên hình dưới đây là sự mất cân bằng này có tác dụng chuyển
trọng tâm Cg đi một khoảng cách e đối với trục quay. Sự mất cân bằng tĩnh
chính là điều kiện trong đó rotor có trục qn tính chính được dịch chuyển
song song với trục quay rotor.
Khi đĩa quay ở tốc độ w, lực ly tâm F (N) được tạo ra bởi sự quay của khối
lượng mất cân bằng m được tính theo cơng thức

F = m×r×w2
. Lực ly tâm này tương đương với lực tạo bởi sự dịch chuyển e của trọng tâm
đĩa đối với trục quay tính như sau:
F = M×w2
. Từ hai cách tính này ta rút ra e = mr/M và vì U = mr, nên cuối cùng ta có
được biểu thức e = U/M trong đó sự dịch chuyển e của trọng tâm cũng là
lượng mất cân bằng đơn vị hoặc lượng mất cân bằng trên một đơn vị khối
lượng rotor (g·mm/kg hay µm).


Để khử mất cân bằng tĩnh, ta phải đưa trọng tâm về trục quay của rotor. Việc
này được thực hiện bằng cách đặt một khối lượng đối diện với khối lượng mất
cân bằng qua tâm và ở cùng khoảng cách bán kính.
Khi lượngmất cân bằng là đủ lớn, ta có thể khử sự mất cân bằng tĩnh mà
không cần phải quay rotor. Thật vậy, chỉ cần đặt đĩa lên 2 thanh dao đặt song
song nhau để "đốm nặng" của rotor tự rơi xuống như ở vị trí tương tự ở hình
dưới. Sử dụng khối V con lăn (B), con lắc treo (C) hay trụ cân bằng treo ngược
(D).


Hơn nữa, sự mất cân bằng tĩnh có thể được đo đạc với độ chính xác cao hơn
nhiều bằng cách quay rotor ở tốc độ cao. Việc đo lượng mất cân bằng và điều
chỉnh (tức khử) nó đi sau đó được thực hiện bằng cách sử dụng máy cân
bằng động.

Nhiều rotor có mỏng như bánh đà, cánh bơm, quạt hướng trục,...thường có
đường kính lớn7-10 lần bề dày của chúng nên chỉ cần xem xét cân bằng
dạng tĩnh. Tuy nhiên, hầu hết các rotor có bề dầy đáng kể so với đường kính

trục thì cần phải tiến hành cân bằng dạng ngẫu, cân bằng dạng hỗn hợp gọi
chung là cân bằng động.
6. Mất cân bằng ngẫu lực
Rotor hình trụ thể hiện trong hình sau đây có một sự mất cân bằng gây ra bởi
hai khối m1 và m2
giá trị như nhau, đặt đối xứng chéo nhau qua trọng tâm. Rotor ở trạng thái
cân bằng tĩnh, tức là trọng tâm nằm trên trục quay của rotor.

Tuy nhiên , khi rotor quay, F1 và F2 tạo ra bởi hai khối m1 và m2 làm xoay
trục quán tính chính lệch khỏi trục quay rotor. Sự mất cân bằng ngẫu lực đặc
trưng cho tình trạng của một rotor có trục qn tính chính cắt trục quay rotor
tại trọng tâm rotor.
Sự mất cân bằng ngẫu lực tạo ra rung động mạnh trên cả hai mặt nơi các lực
tác động. Ta có thể khử kiểu mất cân bằng này bằng cách cân bằng động
(trên máy cân bằng động) và xử lý mất cân bằng tại cả hai mặt. Mất cân
bằng ngẫu chỉ được phát hiện khi cho rotor quay và bắt buộc phải xử lý nhờ
vào máy cân bằng động.

7. Mất cân bằng hỗn hợp


Mất cân bằng hỗn hợp (tổng quát gọi là mất cân bằng động) là điều kiện
trong đó rotor có trục qn tính chính khơng song song mà cũng khơng giao
nhau với trục quay rotor. Hình dưới đây cho thấy sự mất cân bằng hỗn hợp là
một sự kết hợp của mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng ngẫu lực; là loại mất
cân bằng phổ biến nhất của rotor.
Để khử mất cân bằng hỗn hợp hay mất cân bằng động ,ta đo độ rung khi
quay rotor và sau đó bù sự mất cân bằng này trên cả hai mặt. Mất cân bằng
dạng này chỉ có thể được phát hiện bằng máy cân bằng động.

8. Ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động
Khi vật quay mất cân bằng ngẫu lực hoặc hỗn hợp thì do tồn tại ngẫu lực
hay moment nên không thể dùng cân bằng tĩnh để khử. Chỉ khi ngẫu lực do
cặp lực này sinh ra nhỏ, tức là chiều dầy của vật quay nhỏ hơn khá nhiều so
với đường kính của nó, lúc đó vật có thể được xem là chỉ mất cân bằng tĩnh.
Vấn đề đặt ra là vật quay mỏng bao nhiêu thì được xem là chỉ mất cân bằng
tĩnh. Thực tế cân bằng cho thấy vật quay dầy nếu quay ở tốc độ thấp thì vẫn
có thể dùng phương pháp cân bằng tĩnh để cân bằng, ngược lại vật quay
mỏng nếu quay ở tốc độ cao thì địi hỏi phải cân bằng động. Rõ ràng ranh
giới giữa cân bằng tĩnh và động chưa rõ rệt và hiện nay ở mỗi nước có quy
ước riêng để phân loại.
Theo tài liệu “Sổ tay cân bằng động” (Mechanalysis, IRD-1977), thì ranh giới
giữa cân bằng động và cân bằng tĩnh được xác định theo giản đồ sau:


Ranh giới giữa mất cân bằng tĩnh và động
Miền I - vật quay buộc phải cân bằng động;
Miền II - vật quay có thể được cân bằng tĩnh hoặc động tùy vào độ chính xác
và yêu cầu làm việc;
Miền III - vật quay chỉ cần cân bằng tĩnh.
9. Một số phương pháp cân bằng vật quay
Cân bằng vật quay có thể được xem xét theo hai cách:
(i) Cân bằng trên máy cân bằng động: Khi vật quay được tháo ra khỏi
máy, việc cân bằng nó có thể được thực hiện trên băng thử đặc biệt được
thiết kế riêng cho việc cân bằng, gọi là máy cân bằng. Có hai loại máy cân
bằng:
•

Máy cân bằng gối đỡ cứng:

Việc cân bằng phải được thực hiện tại vận tốc quay thấp hơn nhiều vận tốc
tới hạn thứ nhất của cụm vật quay-ụ đỡ. Ta đo các phản lực động do vật quay
tác động lên các gối đỡ nhờ vào các cảm biến lực rung (sử dụng vật liệu áp
điện) riêng rẽ trên các gối đỡ. Đa số các loại máy cân bằng động hiện có trên
thị trường thuộc loại này. Ưu điểm nổi bật của chúng là sự ổn định trong vấn
đề truyền động, dễ hiệu chuẩn và có kết cấu nhìn chung rất cứng vững. Nhờ
vậy, hệ thống hai cảm biến đo lực rung động tích hợp trên máy có tuổi thọ
làm việc rất cao.


•

Máy cân bằng gối đỡ mềm:

Trong trường hợp này, người ta thực hiện việc cân bằng tại vận tốc quay vượt
quá các tốc độ tới hạn của cụm vật quay - ụ đỡ. Dao động của các gối đo
được nhờ vào các cảm biến chuyển vị, cảm biến vận tốc hay cảm biến gia
tốc.

( ii) Cân bằng tại chỗ: trong trường hợp này, vật quay được cân bằng ngay
trên các gối đỡ của chính máy chứa nó (có độ cứng đàn hồi nói chung là
khơng xác định) tại vận tốc quay làm việc của máy. Việc cân bằng tại chỗ rất
thuận tiện đối với các chi tiết có kích cỡ quá khổ mà việc tháo ráp khỏi máy,


việc chuyên chở trở thành vấn đề lớn. Cân bằng tại chỗ không áp dụng được
cho các loại chi tiết bị bao kín hồn tồn như mơtơ, máy bơm và máy nén.
Lúc đó việc sử dụng máy cân bằng là bắt buộc. Cũng cần lưu ý là việc cân
bằng tại chỗ thì cho độ chính xác cân bằng kém hơn so với cân bằng trên
máy. Thực tế những thiết bị cân bằng cho phép cân bằng các vật quay từ vài

tấn đến 20.000 tấn vẫn được chế tạo theo yêu cầu đặc biệt (các sản phẩm
của hãng TESTWELL, SCHENCK, IRD, CEMB,…).

10. Tiêu chuần cân bằng động
10.1 Dung sai cân bằng
Khi bàn về vấn đề cân bằng, chúng ta thường nhắc đi nhắc lại rằng chi
tiết phải “ được cân bằng với một mức độ chấp nhận được”. Nhưng thế nào là
một “mức độ chấp nhận được” cho mất cân bằng? Khơng thể có chuyện một
chi tiết được cân bằng hồn toàn, việc cố gắng đạt được một sự cân bằng
gần hồn hảo là khơng thực tế hoặc khơng khả thi về mặt kinh tế.
Đối với các rotor được cân bằng tại chỗ, mức chấp nhận được thông
thường được xác định bởi mức dao động của ổ đỡ và trục. Các cấp độ này
được thiết lập bởi nhà sản xuất máy hoặc bởi nhà sử dụng nhờ vào các kinh
nghiệm đã có được.


Quay lại những năm 50 nhiều cơng trình đã được thực hiện ở Đức nhằm
thu thập các kinh nghiệm của các kỹ sư làm việc trong lãnh vực này.
VDI2060, đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế như theo đề nghị của ISO Tiêu
chuẩn 1940, “chất lượng cân bằng của các vật quay cứng”. Những đề
nghị này liên quan đến lượng mất cân bằng còn lại cho phép đối với tốc độ
làm việc tối đa của rotor, liên quan đến các nhóm rotor điển hình với các
phân hạng về cấp chất lượng.
Thực nghiệm chỉ ra rằng chất lượng cân bằng của một vật quay cứng có
thể được đánh giá thơng qua tốc độ vịng của khối tâm:

Thơng số này là cơ sở của sự phân loại các vật quay thông dụng. Trong tiêu
chuẩn ISO 1940-1973, đơn vị đánh giá chất lượng cân bằng được định nghĩa
như sau:
1G = 1mm/giây

Cấp độ chất lượng, G, (tương đương với tích eadm ´ w cho một rotor không)
cho phép thực hiện việc đổi chiều ứng xử của máy chạy ở các tốc độ khác
nhau mà ta quan sát được. Các giá trị G trong tiêu chuẩn tương đương với độ
lệch tâm e tính bằng µm cho một rotor quay ở 9500 vòng/phút. Cấp chất
lượng, hay độ mất cân bằng, của một rotor có thể đánh giá được nhờ sử dụng
một máy cân bằng đã được hiểu chuẩn (calibrated balancing machine).
10.2 Chỉ tiêu dao động
Đối với các máy móc đang vận hành, các dao động do mất cân bằng gây
ra chịu ảnh hưởng đáng kể các đặc tính vật lý của ổ đỡ và bệ máy. Thuận tiện
nhất là đánh giá chất lượng hoạt động của máy bằng việc sử dụng các mức
dao động như được đề nghị trong nhiều tiêu chuẩn như VDI2056, được chuẩn
hóa quốc tế thành ISO 2372, “Dao động Cơ học của Máy móc với Tốc
độ vận hành từ 10 đến 200 vòng/giây”. Các tiêu chuẩn này đưa ra các
chỉ dẫn khi việc vảo trì trên một máy đang hoạt động được đặt ra. Khi nguồn
dao động chính là mất câng bằng Tiêu chuẩn có thể được sử dụng như là một
cơ sở để chỉ định cấp độ dao động còn lại cho phép.
Các tiêu chuẩn hữu dụng khác liên quan đến thiết bị cân bằng gồm ISO
2953, “Máy cân bằng – Mô tả và đánh giá” và ISO 2371 ,“Thiết bị cân
bằng tại chỗ - Mô tả và đánh giá”.


Biểu đồ chỉ tiêu dao động (theo VDI 2056)
Trong mọi trường hợp, những tiêu chuẩn này lập thành các quyết định của
một ban gồm các nhóm kỹ sư để hướng dẫn các kỹ sư khác: thường phải tiến
hành thực nghiệm để chỉ ra làm cách nào các tiêu chuẩn này được vận dụng
tốt nhất cho bất cứ vấn đề cân bằng nào được đặt ra.
10.3 Tiêu chuẩn ISO 1940 về chất lượng cân bằng vật quay cứng
Bảng sau cung cấp các cấp độ cân bằng theo ISO 1940 (1973), áp dụng
cho các loại vật quay thơng dụng. Ta cũng có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị
lượng mất cân bằng còn lại cho phép (chuyển vị của khối tâm, đo bằng µm)

theo vận tốc quay, áp dụng cho nhiều cấp độ về chất lượng cân bằng căn cứ
theo Bảng sau.



11. Đồ gá
Trừ một số chi tiết đã có trục sẵn, các chi tiết cần cân bằng đòi hỏi phải được
lắp lên trục gá chuyên dùng. Nhìn chung trục gá này được chế tạo chính xác
với các chi tiết cơn, kẹp chữ C, bạc nối,..được xử lý nhiệt, mài cẩn thận. Có


như vậy, chúng khơng "góp" thêm vấn đề mất cân bằng vào chi tiết đang
cần được cân bằng.

Nguôn:Theo ông Lê Đình Tuân