Talaşlı işleme yöntemleri sürekli gelişiyor, buna bağlı olarak tasarımcıların ve üreticilerin deneyimi de artıyor. Dönen tertibat bileşenlerinin montaj yöntemleri öncüllerin deneyimine dayandığına göre, dengesizlik ve rotor titreşiminin en aza indirilmesi sorunu neden ortadan kalkmadı?
Diğer nedenlerin yanı sıra, çünkü:
a) ISO 21940-11 süreçleri ve toleransları, rijit davranışlı rotorlar için (PN 93/N-01359 rijit rotorların balanslanması; izin verilen artık dengesizliğin belirlenmesi) farklı kullanım amaçlarına sahip rotorların izin verilen artık dengesizlik değerlerini tanımlar
b) Mekanikle ilgili ürünler pazarındaki rekabetin artmasına paralel olarak, bileşenlerin ve alt bileşenlerinin kalitesine, artık dengesizlik değeri de dahil olmak üzere, yönelik gereksinimler artmaktadır
c) Rotorların yüksek devirde dönmesine yönelik genel eğilim sürmektedir; bu da dengesizliklerinin en aza indirilmesinin önemini vurgulamaktadır
Çalışmada, balanslama ihtiyacının nedeninin rotorların yapıldığı kütlenin belirli bir özelliği olduğunu göstermek istiyoruz. Ayrıca "gerçek dönme ekseni" olarak adlandırılan kavramın önemini de ortaya koymak istiyoruz.
Atalet kuvveti ve merkezkaç kuvvetleri
Genel olarak, herhangi bir kütleye sahip bir cismin hareket değişimiyle ilgili herhangi bir fiziksel olguyu analiz ederken, kütlenin (ivmeye maruz kaldığında) güçlü bir direnç gösterdiği söylenebilir. Bu dirence atalet kuvveti denir.
Bir rotoru oluşturan her kütle elemanı, dönen gerçek eksenden uzaktaysa dönüş sırasında ivmelenir. Dönme hareketi sabit hızlıysa ivmenin merkezcil yönde bir bileşeni bulunur. Bu ivme nedeniyle merkezkaç atalet kuvvetleri oluşur. Bu kuvvetler dengelenmezse rotor boyunca tek tek bileşke kuvvetler salınım yapar. Dengelenmemiş atalet kuvvetleri, dengelenmemiş dönen kütleyi izleyerek rotorla birlikte döner. Rotor destek yapılarının belirli bir rijitliği olduğundan, bu noktalarda titreşim için gerekli koşullar oluşur. Dönen makine işini titreşimler aracılığıyla yapmak üzere tasarlanmamışsa bu titreşimler bir rahatsızlık kaynağıdır ve diğer etkilerinin yanı sıra makinenin servis ömrünü kısaltır. Bu nedenle teknisyenler titreşimi dengelenmemiş kütle dağılımıyla ilişkilendirmiş ve dengesizliği tanımlamıştır. Ascential Technologies, bu dengesizliği ölçmek ve en aza indirmek için makineler üretir.
Asal, merkezi atalet ekseni
Başlangıçta şu soru sorulmalıdır: kütle (yani herhangi bir şekle sahip bir rotor), uzayda yalnızca saf bir tork ile ve destek olmadan (yani serbest hareket adı verilen durumda) döndürülebilseydi, hangi eksen etrafında dönmek isterdi?
Cevap, serbest hareketin asal ve merkezi atalet ekseni etrafında gerçekleşeceğidir. Bu eksen rotorun kütle merkezinden geçer ve birim kütleler bu eksene dik tüm düzlemlerde dengede olacak şekilde yönlenir. Yani bu doğrultuda rotorun kütle dağılımı tüm uzunluğu boyunca dairesel simetriktir. Uygulamada böyle bir duruma, alçak ve yüksek devirli rotorların etkin biçimde balanslanmasının sonunda yaklaşırız. Rotor rijitse sorun bileşke kuvvetlere indirgenir. Bu, dairesel simetriyi sağlamak için, rotorun tüm uzunluğu boyunca simetri eksikliğini gidermek üzere düzeltme kütlelerinin uygulanması gereken yalnızca iki düzlemin bulunduğu düşük devirli balanslamanın yeterli olduğu anlamına gelir.
Bir örnek: top mermisi
Bu durum, bir top mermisinin uçuşuyla doğru biçimde örneklenebilir. Uçuş iki aşamaya ayrılabilir: birincisi merminin namludan çıktığı anda sona erer, ikincisi bir engele çarptığı anda. İlk aşamada namlunun iç yüzeyi mermi için bir bağ görevi görür ve mermiyi dönüş sırasında geometrik eksene göre hizalanmaya zorlar. Kütlesi tüm uzunluğu boyunca eş eksenli olmayan bir biçimde dağılmışsa bu bağlar, merminin asal ve merkezi atalet ekseni etrafında dönmesini engeller. Bu yüzden dönen mermi, merkezkaç kuvvetleriyle namluya çarpar. Namludan çıktıktan sonra (ve kendi titreşimleri yörüngesine dik bir eksen etrafında sönümlendikten sonra) mermi, asal ve merkezi atalet ekseni etrafında uçmaya devam eder. Ön konisi uzayda sarmal bir çizgi çizer. İki eksenin (gerçek olan geometrik eksen ile asal/merkezi eksenin) birbirine göre bağıl eğimi hesaplanabilir.
Geometrik eksen ile gerçek dönme ekseni
Muyluları dik düzlemlerle sonlanan, tamamen düz ve dairesel simetrik bir silindirde asal ve merkezi atalet eksenleri geometrik eksenle çakışır. Silindir balans makinesinin rulmanlı yataklarına oturtulsaydı gerçek dönme ekseni geometrik eksenle çakışırdı. Rotorun imalatı sırasında böyle bir milin uçlarına kama yuvası için kanallar frezelenir, ardından üzerine eksantriklik ve açısal hatalarla parçalar monte edilirse, tertibatın diğer bileşenleri (örneğin tertibatın asal ve merkezi atalet ekseni) geometrik ekseniyle çakışmaz. Bu tertibatın serbest dönme hareketi, başka bir merkezi ve asal atalet ekseni olan toplam eksen etrafında gerçekleşir. Bunun nedeni, bu eksenin dairesel simetrik ve düz bir milin ekseniyle çakışmamasıdır.
Kütle dönerken ancak destek bulunmadığında dengesizlik ortaya çıkmaz. Tüm tertibat için bağ görevi gören rulmanlı yataklar mil üzerine monte edildiğinde, tertibatın toplam kütlesinin dönme hareketi, rulmanlar tarafından gerçek eksen adı verilen farklı bir dönme ekseni etrafında zorlanır.
Artık dengesizliğin tanımlanması ve ölçülmesi için gerekli koşullar oluşmuştur.
Monte edilmiş sistemlerde dengesizlik
Döner hareket içinde birlikte çalışan mekanik sistemlerin, genellikle montajdan sonra simetri eksenleri de çakışacak şekilde tasarlandığını söylemek doğrudur. Şekil ve montaj hatalarının izleri nedeniyle sistemin gerçek ortak dönme ekseni çoğu zaman herhangi bir bileşen elemanının eksenine denk düşmez.
Bu nedenle dönen bir sistemin tüm bileşenlerinin ortak ağırlık merkezi gerçek dönme ekseni üzerinde yer almaz. Bazı bileşenler eğik de bağlanmış olabilir, yani açısal hata içerebilir. Bu durumda tüm rotorun asal kütle atalet ekseni, gerçek dönme eksenine göre eğik konumlanır. İki eksenin (asal merkezi atalet ekseni ile gerçek dönme ekseni) birbirine göre böyle hizalanması, rotorun destek noktalarında oluşan hareket zorlamasının ve ek kuvvetlerin kaynağıdır. Bu zorlama, kuvvetlerin genliklerinin rijit rotorun devri arttıkça büyümesi ve rotora göre yönünün sabit kalması bakımından kendine özgüdür.
Çözümlü örnek: motor mili ve debriyaj diski
Doğru üretilmiş bileşenlerin montajının dahi dengesizliğe yol açabileceğini göstermek için aşağıdaki pratik örneği inceleyelim.
Şekil 1, bir elektrik motoru milinin bir debriyaj diskine bağlantısını göstermektedir. Motor milinin ucunda radyal salgı W görülmektedir.
Debriyaj diski rotor üzerine rastgele, ancak kendi boşluğu sınırları içinde sabitlenebilir; boşluk ise dönme eksenine dik düzlemde herhangi bir rastgele açıda kalabilir. Kurallar gereği en kötü durumu varsayarız: milin salgısı ile delik imalatındaki azami sapma aynı yönde toplanır. Rulmanların monte edildiği düzlemlerde rotor, gerçek dönme ekseni 1 boyunca döner. Rotor milinin ucunun geometrik ekseni, eksen 3'tür. Kaplin diskinin ağırlık merkezi c2 ile birlikte asal ve merkezi atalet ekseni ise eksen 2'dir.
Girdi verileri:
d1=34.984 mm (rotor milinin çapı), D2=35H7 mm (debriyaj diskinde açılan deliğin çapı), W=24 μm (rotor milinde ölçülen radyal salgı).
Böyle bir montajda bile dengesizlik ortaya çıkabilir. Rotor, ölçümler sırasında yataklarında döner.
Özet
- Merkezkaç atalet kuvvetleri, rijit bir rotorun dönmesi sırasında her kütle parçacığına etki eder ve devirle birlikte artar. Rotorun dairesel simetrisi sayesinde bir taraftaki kuvvet, ters yönde etkiyen bir kuvvetle dengelenir. Her rotorda, tüm bu kuvvetlerin çiftler halinde dengelendiği böyle bir eksen belirlemek mümkündür. Bu, asal ve merkezi atalet eksenidir. Dönme bu eksen etrafında gerçekleşirse rotorun desteğinde hiçbir reaksiyon kuvveti oluşmaz.
- Dönen herhangi bir tertibatın miline örneğin rulmanlar takarak, rotorun dönme hareketini rulmanların tasarımına göre oluşacak eksen etrafında sabitleriz. Rulmanlar, rotor tasarımından bağımsız olarak dönme hareketini uzayda zorlar; hareketin tam biçimi ise rulman tasarımına bağlıdır. Böylece gerçek dönme ekseni olarak adlandırılan eksen oluşur.
- Rulman, rotor için bir bağdır. Gerçek dönme ekseni asal ve merkezi eksenlerle çakışmazsa bir dengesizlik oluşur. Bu dengesizliğin değeri ve yönü, gerçek dönme ekseni ile asal, merkezi atalet ekseninin uzayda birbirine göre konumuna bağlıdır.
