Thuộc chuyên trang Thiết kế & chế tạo máy của cokhi.net. Mất cân bằng (unbalance) — khối lượng phân bố không đối xứng quanh trục quay — là nguồn kích thích rung động phổ biến nhất trên các chi tiết quay (rotor, bánh đà, trục mang bánh răng/puly). Bài này trình bày nguyên lý và dung sai thiết kế theo ISO 1940-1; quy trình ĐO và cân bằng thực hành trên máy đang vận hành thuộc chuyên trang Vận hành & bảo trì.
Mất cân bằng TĨNH vs ĐỘNG (couple)
- Mất cân bằng tĩnh (static unbalance): trọng tâm của rotor lệch khỏi trục quay — biểu hiện RÕ NGAY CẢ KHI ĐỨNG YÊN (rotor đặt trên 2 dao gá sẽ tự xoay để phần nặng nằm dưới). Sửa bằng cách thêm/bớt khối lượng tại 1 MẶT PHẲNG duy nhất là đủ.
- Mất cân bằng động/couple (dynamic/couple unbalance): hai khối lượng lệch tâm nằm đối xứng nhau qua trục quay (ở 2 vị trí dọc trục khác nhau) — trọng tâm TỔNG THỂ vẫn nằm trên trục quay (nên KHÔNG lộ ra khi đứng yên/tĩnh), nhưng tạo ra một cặp mô-men (couple) chỉ xuất hiện KHI QUAY. Phải sửa tại ÍT NHẤT 2 MẶT PHẲNG khác nhau mới triệt được.
Rotor dạng đĩa mỏng, tốc độ thấp thường chỉ cần cân bằng tĩnh (1 mặt phẳng) là đủ; rotor dài (tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn) hoặc tốc độ cao cần cân bằng động đầy đủ (2 mặt phẳng) để triệt cả 2 dạng mất cân bằng.
Cấp chất lượng cân bằng G theo ISO 1940-1
ISO 1940-1 định nghĩa cấp chất lượng cân bằng G — con số G biểu thị tích số giữa độ lệch tâm riêng cho phép (e_per, mm) và vận tốc góc tối đa khi vận hành (ω, rad/s):
G = e_per × ω (đơn vị mm/s)
G càng NHỎ, yêu cầu cân bằng càng CHẶT (rotor tốc độ cao/chính xác cao cần G nhỏ). Dải cấp G tiêu chuẩn: G0,4 · G1 · G2,5 · G6,3 · G16 · G40 · G100 · G250 · G630 · G1600 · G4000 — mỗi cấp cách nhau hệ số 2,5, phủ từ con quay hồi chuyển siêu chính xác (G0,4) tới động cơ diesel tàu thủy cỡ lớn (G4000).
| Cấp G | Ví dụ ứng dụng điển hình |
|---|---|
| G2,5 | Tua-bin, máy nén tua-bin, bơm ly tâm quan trọng (tham chiếu API 610) |
| G6,3 | Đa số quạt, bơm, động cơ điện thông dụng |
| G16 | Thiết bị nông nghiệp, máy nghiền |
Bảng trên là ví dụ đại diện tổng hợp — khi tra cứu chính thức, luôn đối chiếu bảng đầy đủ trong văn bản ISO 1940-1 gốc (hoặc bản thay thế ISO 21940-11:2016, giá trị G giữ nguyên không đổi) vì mỗi cấp G có danh mục ứng dụng chi tiết hơn nhiều so với 3 dòng minh họa ở đây.
Công thức tính độ mất cân bằng dư cho phép (Uper)
Từ cấp G đã chọn, tính ra khối lượng lệch tâm cho phép tối đa (Uper, đơn vị g·mm) theo công thức thực hành:
Uper = 9549 × G × M / n
Trong đó M là khối lượng rotor (kg), n là tốc độ vận hành (vòng/phút), G là cấp chất lượng đã chọn. Công thức này tương đương về bản chất với dạng Uper = e_per × Ω × m (dùng vận tốc góc rad/s và khối lượng, chia hệ số quy đổi đơn vị) — cả hai chỉ là 2 cách viết khác nhau của cùng 1 quan hệ vật lý, không phải 2 công thức độc lập.
ISO 1940-1:2003 đã được thay thế bởi ISO 21940-11:2016
Tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003 (Balance quality requirements for rotors in a constant rigid state) nay đã được thay thế bởi ISO 21940-11:2016 trong bộ tiêu chuẩn ISO 21940 (Mechanical vibration — Rotor balancing) — các trị số cấp G giữ nguyên không đổi giữa 2 phiên bản, chỉ đổi số hiệu/cấu trúc bộ tiêu chuẩn. Tài liệu kỹ thuật cũ dẫn "ISO 1940-1" và tài liệu mới dẫn "ISO 21940-11" đều đang nói về cùng 1 hệ thống cấp G.
Khi nào cân bằng tĩnh là đủ, khi nào cần cân bằng động
- Cân bằng tĩnh đủ: rotor dạng đĩa mỏng (tỷ lệ chiều dài/đường kính nhỏ), tốc độ vận hành thấp — mất cân bằng động (couple) nếu có cũng rất nhỏ do khoảng cách giữa 2 "mặt phẳng lệch tâm" giả định gần như bằng 0.
- Cần cân bằng động (2 mặt phẳng): rotor dài (trục dài mang nhiều chi tiết dọc trục), tốc độ vận hành cao — mất cân bằng couple dù nhỏ vẫn tạo mô-men đáng kể ở tốc độ cao, không thể bỏ qua.
Liên hệ với tốc độ tới hạn
Mức mất cân bằng dư trên rotor là nguồn kích thích chính gây rung động khi trục vận hành gần/tại tốc độ tới hạn — cân bằng càng tốt (cấp G càng chặt) thì biên độ rung tại vùng cộng hưởng càng nhỏ, dù không loại bỏ hoàn toàn hiện tượng cộng hưởng. Quy trình đo/máy cân bằng/field balancing thực hành xem tại chuyên trang Vận hành & bảo trì.
Thuật ngữ
- Cấp chất lượng cân bằng G (balance quality grade): chỉ số ISO 1940-1/ISO 21940-11 biểu thị mức mất cân bằng dư cho phép tối đa, tính bằng tích độ lệch tâm riêng và vận tốc góc (mm/s) — số càng nhỏ, yêu cầu càng chặt.
- Mặt phẳng cân bằng (balance plane): vị trí dọc trục nơi thêm/bớt khối lượng hiệu chỉnh để triệt mất cân bằng — cân bằng tĩnh cần 1 mặt phẳng, cân bằng động cần ít nhất 2.
Tài liệu tham khảo
- ISO, ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: https://www.iso.org/standard/61101.html
- Vibromera, Permissible Residual Unbalance Calculator (ISO 21940-11): https://vibromera.eu/calculators/residual-unbalance-iso1940/