استاندارد بالانس دینامیکی

مقدمه

در صنایع مختلف، قطعات و اجزای دوار مانند روتور، فن، پروانه، میل‌لنگ و توربین، نقش بسیار مهمی در عملکرد ماشین‌آلات دارند. یکی از چالش‌های بزرگ در استفاده از این قطعات، نابالانسی یا عدم تعادل جرمی است که منجر به لرزش، نویز، و آسیب به اجزای مکانیکی می‌شود.

فرآیند بالانس دینامیکی یکی از اقدامات اساسی برای کاهش یا حذف این نابالانسی‌هاست. این فرآیند مطابق با استانداردهای بین‌المللی انجام می‌شود تا دستگاه‌ها با حداقل ارتعاش و بیشترین طول عمر کار کنند. در این مقاله، مفاهیم بالانس دینامیکی، استانداردهای بین‌المللی مرتبط، روش‌های انجام کار، محاسبات، مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای صنعتی آن را به‌طور کامل بررسی می‌کنیم.

---

بخش اول: مفاهیم پایه

نابالانسی چیست؟

نابالانسی زمانی رخ می‌دهد که توزیع جرم در اطراف محور چرخش یکنواخت نباشد و مرکز جرم از محور دوران فاصله بگیرد. این حالت باعث ایجاد نیروهای گریز از مرکز در هنگام چرخش می‌شود. این نیروها به یاتاقان‌ها و بدنه ماشین منتقل شده و موجب لرزش، افزایش صدا، خستگی مواد و در نهایت خرابی قطعات می‌شوند.

انواع نابالانسی

1. نابالانسی استاتیک (Static Unbalance):
   در این حالت، مرکز جرم قطعه در صفحه‌ای عمود بر محور دوران از مرکز محور فاصله دارد. حتی در حالت سکون نیز قطعه تمایل دارد با قسمت سنگین‌تر در پایین قرار بگیرد.

2. نابالانسی کوپل یا زوجی (Couple Unbalance):
   زمانی اتفاق می‌افتد که دو جرم برابر در دو صفحه مختلف ولی در جهت مخالف از محور دوران قرار گرفته باشند. در این حالت مرکز جرم کلی روی محور دوران قرار دارد، اما یک ممان گریز از مرکز ایجاد می‌شود.

برای رسیدن به تعادل کامل، باید هر دو نوع نابالانسی اصلاح شود که به آن بالانس دینامیکی گفته می‌شود.

تفاوت بالانس استاتیک و دینامیکی

• بالانس استاتیک فقط مرکز جرم را با محور دوران هم‌راستا می‌کند و برای اجزای با سرعت پایین مناسب است.

• بالانس دینامیکی علاوه بر حذف نابالانسی استاتیک، ممان‌های ناشی از کوپل را نیز از بین می‌برد و برای قطعات با سرعت بالا الزامی است.

در صنایع با سرعت بالا مانند توربین‌ها، فن‌های صنعتی، ژنراتورها و موتورهای الکتریکی، تنها بالانس دینامیکی می‌تواند لرزش‌ها را به سطح قابل قبول کاهش دهد.

SPMmixers laboratory-stirrers

---

بخش دوم: استانداردهای بالانس دینامیکی

برای اطمینان از کیفیت و قابل مقایسه بودن نتایج بالانس در صنایع مختلف، استانداردهای بین‌المللی تدوین شده‌اند. مهم‌ترین آن‌ها استاندارد ISO 1940 و نسخه‌های جدیدتر ISO 21940 هستند.

استاندارد ISO 1940 / ISO 21940

این استاندارد به تعریف الزامات و سطوح مجاز نابالانسی در روتورهای صلب می‌پردازد. بخش اول آن، کیفیت بالانس را بر اساس عددی به نام درجه بالانس (G-Grade) تعیین می‌کند.

هرچه مقدار G کوچک‌تر باشد، دقت بالانس بالاتر و نابالانسی مجاز کمتر است.

فرمول کلی برای محاسبه نابالانسی مجاز به صورت زیر است:

Uper=9.54×G×mnU_{\text{per}} = \frac{9.54 \times G \times m}{n}Uper​=n9.54×G×m​

که در آن:

• UperU_{\text{per}}Uper​: نابالانسی مجاز (گرم-میلی‌متر)

• $G$: عدد درجه بالانس

• $m$: جرم روتور (کیلوگرم)

• $n$: سرعت چرخش (دور بر دقیقه)

همچنین نابالانسی مخصوص برابر است با:

eper=Uperme_{\text{per}} = \frac{U_{\text{per}}}{m}eper​=mUper​​

مقادیر متداول G در صنایع مختلف

استاندارد ISO همچنین روش اندازه‌گیری، تصحیح نابالانسی و تلرانس‌های مجاز را تعیین می‌کند.

سایر استانداردهای مرتبط

• ISO 10816: استاندارد اندازه‌گیری لرزش در ماشین‌های دوار

• API 617 و API 610: الزامات بالانس برای کمپرسورها و پمپ‌های صنعتی

• VDI 2060: استاندارد آلمانی مرتبط با کیفیت بالانس

---

بخش سوم: مراحل انجام بالانس دینامیکی

فرآیند بالانس دینامیکی معمولاً در چند مرحله انجام می‌شود:

۱. آماده‌سازی و اندازه‌گیری اولیه

روتور روی دستگاه بالانس نصب شده و با سرعت مشخصی می‌چرخد. سنسورهای لرزش‌سنج (شتاب‌سنج یا سرعت‌سنج) میزان ارتعاش را در جهت‌های مشخص ثبت می‌کنند. با تحلیل دامنه و فاز ارتعاش، موقعیت نابالانسی تعیین می‌شود.

۲. افزودن وزنه آزمایشی

برای شناسایی حساسیت سیستم نسبت به تغییر جرم، یک وزنه با مقدار مشخص در موقعیت معین نصب می‌شود. تغییر ارتعاش حاصل از این وزنه به محاسبه دقیق محل و مقدار وزنه اصلاحی کمک می‌کند.

۳. محاسبه وزنه اصلاحی

بر اساس داده‌های اولیه و پس از نصب وزنه آزمایشی، مقدار و زاویه مناسب وزنه اصلاحی تعیین می‌شود. در بالانس دو صفحه‌ای، دو وزنه در دو طرف روتور برای حذف نیرو و ممان نابالانسی نصب می‌شود.

۴. نصب وزنه اصلاحی

وزنه‌های اصلاحی در محل‌های تعیین‌شده به روتور متصل می‌شوند. روش نصب بسته به نوع قطعه می‌تواند پیچ، چسب، جوش یا مهره باشد.

۵. تأیید نهایی

پس از نصب وزنه‌ها، روتور مجدداً با همان سرعت آزمایش می‌شود. اگر ارتعاش باقیمانده در محدوده مجاز باشد، فرآیند با موفقیت انجام شده است.

بالانس در محل (On-Site Balancing)

در ماشین‌های بزرگ مانند توربین‌ها، فن‌های صنعتی و ژنراتورهای نیروگاهی، جابه‌جایی قطعه ممکن نیست. در این حالت بالانس دینامیکی در محل انجام می‌شود. سنسورها روی بدنه نصب شده و دستگاه در حالت کاری خود بالانس می‌گردد.

---

بخش چهارم: محاسبات نمونه

برای درک بهتر مفهوم نابالانسی مجاز، یک مثال عددی ساده ارائه می‌شود.

فرض کنید:

• جرم روتور: ۲۰ کیلوگرم

• سرعت دوران: ۳۰۰۰ دور در دقیقه

• کیفیت بالانس: G = 6.3

محاسبه نابالانسی مجاز:

Uper=9.54×6.3×203000=0.40 گرم-میلی‌مترU_{\text{per}} = \frac{9.54 \times 6.3 \times 20}{3000} = 0.40 \text{ گرم-میلی‌متر}Uper​=30009.54×6.3×20​=0.40 گرم-میلی‌متر

یعنی روتور مورد نظر می‌تواند حداکثر نابالانسی ۰٫۴ گرم‌میلی‌متر داشته باشد.

نابالانسی مخصوص نیز برابر است با:

eper=0.4020=0.02 میلی‌مترe_{\text{per}} = \frac{0.40}{20} = 0.02 \text{ میلی‌متر}eper​=200.40​=0.02 میلی‌متر

بنابراین در این مثال، مرکز جرم باید در فاصله‌ای کمتر از ۰٫۰۲ میلی‌متر از محور دوران قرار گیرد تا در محدوده مجاز استاندارد باشد.

---

بخش پنجم: مزایا و اهمیت رعایت استاندارد بالانس

1. کاهش ارتعاش و نویز
   کاهش نابالانسی سبب حذف لرزش‌های مکانیکی و صدای زائد دستگاه می‌شود.

2. افزایش طول عمر یاتاقان‌ها و شفت
   نیروهای اضافی به یاتاقان‌ها منتقل نمی‌شود، در نتیجه طول عمر سیستم افزایش می‌یابد.

3. بهبود راندمان عملکرد
   روتور بالانس‌شده با اصطکاک کمتر و کارایی بالاتر می‌چرخد.

4. کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
   ارتعاش کمتر به معنی کاهش احتمال خرابی و توقف ناگهانی خط تولید است.

5. رعایت الزامات پروژه و کیفیت ساخت
   در پروژه‌های صنعتی، رعایت درجه بالانس مشخص‌شده در قرارداد یا استاندارد از الزامات کنترل کیفیت است.

---

بخش ششم: محدودیت‌ها و چالش‌ها

1. هزینه تجهیزات بالانس دقیق
   دستگاه‌های بالانس دینامیکی پیشرفته قیمت بالایی دارند و نیاز به اپراتور متخصص دارند.

2. روتورهای انعطاف‌پذیر
   در سرعت‌های بالا، رفتار ارتعاشی روتور از حالت صلب خارج می‌شود و نیاز به روش‌های خاص بالانس انعطاف‌پذیر دارد.

3. تفاوت شرایط کاری و آزمایشگاهی
   ممکن است دما، فشار یا بار عملیاتی باعث تغییر در توزیع جرم شود و تعادل در زمان واقعی متفاوت باشد.

4. نصب نادرست وزنه اصلاحی
   اگر وزنه با زاویه یا در محل نادرست نصب شود، نه‌تنها تعادل حاصل نمی‌شود بلکه ارتعاش افزایش می‌یابد.

5. وجود عوامل دیگر لرزش
   گاهی منبع ارتعاش نابالانسی نیست بلکه خرابی یاتاقان، ناصافی محور یا ناهم‌راستایی قطعات است.

---

بخش هفتم: کاربردهای بالانس دینامیکی

1. فن‌ها و پروانه‌ها:
   جلوگیری از لرزش شدید و افزایش عمر بلبرینگ‌ها.

2. پمپ‌ها و کمپرسورها:
   در توربوماشین‌ها تعادل دقیق حیاتی است.

3. میل‌لنگ و موتور خودرو:
   بالانس دینامیکی میل‌لنگ باعث کاهش لرزش موتور و بهبود راندمان سوخت می‌شود.

4. توربین‌ها و ژنراتورها:
   در سرعت‌های بالا، حتی نابالانسی جزئی می‌تواند خسارت سنگینی ایجاد کند.

5. صنایع سنگین و نیروگاهی:
   بالانس در محل برای تجهیزات بزرگ مانند توربین‌های بخار، فن‌های خنک‌کننده و ژنراتورهای بزرگ انجام می‌شود.

6. صنعت هوافضا:
   پره‌ها و اجزای موتورهای جت با دقت بالای G 0.4 بالانس می‌شوند.

---

بخش هشتم: نکات اجرایی و نگهداری

1. انتخاب عدد G متناسب با نوع دستگاه
   هرچه سرعت و حساسیت تجهیز بیشتر باشد، باید عدد G پایین‌تر انتخاب شود.

2. انجام بالانس در شرایط مشابه با عملکرد واقعی
   در صورت امکان، دستگاه در دمای کاری و شرایط عملیاتی واقعی بالانس شود.

3. بازبینی دوره‌ای پس از کارکرد
   پس از مدتی کارکرد، رسوب یا سایش می‌تواند باعث ایجاد نابالانسی جدید شود، بنابراین بالانس دوره‌ای توصیه می‌شود.

4. دقت در نصب سنسورها و تجهیزات
   موقعیت دقیق سنسورها برای صحت نتایج بسیار مهم است.

5. مستندسازی کامل عملیات بالانس
   ثبت داده‌های قبل و بعد از بالانس برای کنترل کیفیت ضروری است.

---

جمع‌بندی

بالانس دینامیکی از مهم‌ترین فرآیندها در افزایش عمر، عملکرد و ایمنی ماشین‌آلات دوار است. با اجرای صحیح این فرآیند و رعایت استانداردهای بین‌المللی نظیر ISO 1940 و ISO 21940 می‌توان ارتعاشات را به حداقل رساند و از خسارت‌های ناشی از نابالانسی جلوگیری کرد.

رعایت استاندارد بالانس نه تنها کیفیت ساخت و مونتاژ را تضمین می‌کند، بلکه موجب صرفه‌جویی در هزینه‌های نگهداری و افزایش بهره‌وری سیستم‌های صنعتی می‌شود. انتخاب درست درجه بالانس (G)، انجام دقیق عملیات و کنترل دوره‌ای، سه رکن اصلی موفقیت در اجرای استاندارد بالانس دینامیکی هستند.