Wirnik jest jednym z najważniejszych elementów maszyny lub mechanizmu, który w trakcie pracy kręci się wokół własnej osi. Najczęściej stosuje się go w pompach, sprężarkach, dmuchawach, wentylatorach, maszynach elektrycznych, silnikach, prądnicach i turbinach. Ze względu na rolę, jaką odgrywa, wymaga on szczególnej uwagi. Jego pracę może utrudnić niewyważenie, które jest jedną z częstszych wad fabrycznie nowych wirników. Właśnie dlatego kontrola i wyważenie powinny być pierwszymi zabiegami konserwacyjnymi
podejmowanymi po zakupie silnika.

Rozróżnia się dwa podstawowe typu wirników: sztywne i giętkie. – Wirniki sztywne to takie, które nie odkształcają się podczas pracy obrotowej. Ich niewyważenie nie zmienia się znacząco dla pełnego zakresu roboczych prędkości obrotowych – mówi Rafał Trojanowski, inżynier ds. rozwoju w firmie CIMAT i dodaje: – Wirniki giętkie natomiast odkształcają się podczas wirowania, co wpływa na zmianę niewyważenia. W pewnych przypadkach wymagają one innych metod wyważania, jak np. sprawdzenia niewyważenia dla różnych prędkości obrotowych.

Wyważony jak wirnik
Wyważanie jest niezwykle istotnym etapem produkcji wirników, szczególnie tych, które kręcą się z dużymi prędkościami roboczymi.

– Niewyważonemu wirnikowi towarzyszą drgania, które powodują np. w przypadku obrabiarek niedokładną obróbkę, szybsze zużycie narzędzia oraz uszkodzenie wrzeciona, a w przypadku wentylatorów czy silników – szybsze zużycie łożysk i hałas. Generalnie wyważanie przedłuża żywotność wirnika, poprawia jego funkcjonalność, wydajność i trwałość, a często też komfort pracy urządzeń, w których są zainstalowane, np. okapów kuchennych, nadmuchów w samochodach, centrali klimatyzacyjnych itp. – podkreśla Krzysztof Zemanek, dyrektor techniczno-handlowy w Schenck RoTec Polska.

Rafał Trojanowski z firmy CIMAT wskazuje natomiast, że niewyważone wirniki wpływają na ekonomię (zwiększone ryzyko awarii, przyspieszone zużycie), bezpieczeństwo (np. drgania kół pogarszają kierowalność i hamowanie), poprawność pracy (np. niedokładne działanie żyroskopu) i komfort (wibracje, hałas). – Producenci wirników nie mogą pozwolić sobie na pogorszenie któregoś z tych czynników, dlatego też wyważanie jest stałym elementem wielu procesów produkcyjnych – podkreśla Rafał Trojanowski.

Proces wyważania wirnika polega na przeprowadzeniu pomiaru niewyważenia, korekcji i ponownym pomiarze. W pierwszym kroku sprawdzane są drgania, jakie generuje wirnik. – Dzięki temu wiadomo, gdzie znajduje się „lekki” bądź „ciężki” punkt wirnika. Następnie dokonywana jest korekcja poprzez dodawanie lub ujmowanie masy. Ostatnim etapem jest ponowny pomiar niewyważenia, który ma na celu potwierdzenie poprawności korekcji – opowiada Rafał Trojanowski z CIMAT. – Korekcji niewyważenia dokonuje się dwoma podstawowymi metodami: poprzez dodawanie masy oraz ujmowanie masy. Dodawanie może odbywać się poprzez spawanie, zgrzewanie, naklejanie bądź nabijanie odważników, wkręcanie śrub. Ujmowanie masy można przeprowadzić poprzez frezowanie, wiercenie, szlifowanie – opisuje Rafał Trojanowski.

– O niewyważeniu wirnika mówimy wtedy, gdy rozłożenie masy wirnika jest nierównomiernie względem jego osi wirowania, i taka sytuacja ma miejsce zawsze, gdyż nie ma wirników wyważonych idealnie. Proces wyważania ma za zadanie zredukowanie sił odśrodkowych, które temu towarzyszą, poprzez zbliżenie osi środka wirującej masy do osi wirowania – zaznacza Krzysztof Zemanek z Schenck RoTec Polska. Jak dodaje, trzeba także wziąć pod uwagę rodzaj niewyważenia.

Zidentyfikować niewyważenie
– Można wskazać wiele rodzajów niewyważenia. Najczęściej spotykane – jak wylicza Rafał Trojanowski z firmy CIMAT – to niewyważenie statyczne, momentowe i dynamiczne.

W statycznym centralna główna oś bezwładności wirnika jest przesunięta równolegle do osi wirowania (niewyważenie momentowe równe zero). Tutaj dwa niewyważenia mogą mieć taki sam rozmiar i pozycję kątową i mogą być w takiej samej odległości od środka ciężkości.

– Takie same warunki wynikają z indywidualnego niewyważenia, które działa w środku ciężkości, tj. w tej sytuacji w środku wirnika – mówi Krzysztof Zemanek z Schenck RoTec Polska. – Jeśli taki wirnik jest wsparty na dwóch krawędziach pomiarowych, będzie się kołysał do czasu, aż „ciężki punkt” będzie odwrócony do dołu. Oznacza to, że takie niewyważenie działa bez wirowania, stąd też nazywane jest niewyważeniem statycznym. Powoduje ono przesunięcie środka bezwładności z geometrycznego środka.

Jak dalej wyjaśnia, niewyważenie statyczne powinno być poprawiane w środku ciężkości płaszczyzny. Można to osiągnąć przez usuwanie materiału z „ciężkiego punktu” lub przez przymocowanie materiału po przeciwnej stronie. Korekta niewyważenia statycznego w jednej płaszczyźnie korekty występuje szczególnie często w wirnikach tarczowych. Dlatego właśnie pionowe wyważarki są najbardziej odpowiednie do wyważania tego typu wirników.

Kolejny rodzaj to niewyważenie momentowe, w którym centralna główna oś bezwładności przecina osi obrotu wirnika (niewyważenie statyczne równe zero). W tym przypadku dwa niewyważenia mogą mieć taką samą wielkość, ale ich pozycja kątowa jest zrównoważona o dokładnie 180° jedna do drugiej. – Takie rozłożenie niewyważenia nie może zostać wykryte przez kołysanie, ponieważ wirnik nie przyjmuje wyjątkowego położenia w stanie spoczynku. Wirujący wirnik wykonuje drgający ruch w pobliżu swojej pionowej osi (prostopadłej do osi wirowania), ponieważ dwa niewyważenia wytwarzają moment. Dlatego ten typ dystrybucji niewyważenia nazywa się podwójnym, momentowym – charakteryzuje Krzysztof Zemanek i zauważa, że szczególnie ważne jest, aby wziąć pod uwagę niewyważenie momentowe przy wydłużonych wirnikach cylindrycznych. Dlatego wyważarki poziome są szczególnie odpowiednie do poprawy tego typu niewyważenia.

Niewyważenie dynamiczne to najogólniejszy przypadek, w którym centralna główna oś bezwładności wirnika jest zwichrowana względem osi wirowania. – Prawdziwy wirnik ma nie tylko pojedyncze niewyważenie – teoretycznie ma nieskończoną liczbę rozmieszczonych w sposób przypadkowy wzdłuż osi rotacji. Te mogą zostać zastąpione dwoma niewyważeniami w dwóch przypadkowych płaszczyznach, które zazwyczaj mają różne rozmiary i pozycje kątowe – tłumaczy Krzysztof Zemanek. – Taki stan niewyważenia może zostać całkowicie określony jedynie w trakcie rotacji i dlatego nazywany jest niewyważeniem dynamicznym. Może zostać rozbity na niewyważenie statyczne i momentowe, dzięki czemu jedno lub drugie może zostać nadrzędnym niewyważeniem.

Aby całkowicie poprawić niewyważenie dynamiczne, wymagane są dwie płaszczyzny korekty. Niewyważenie dynamiczne występuje w praktycznie wszystkich wirnikach. Dlatego używa się zarówno wyważarek pionowych, jak i poziomych.

----------
Podczas targów ITM Polska, które odbyły się na początku czerwca w Poznaniu, firma RoTec Polska zaprezentowała pięć maszyn wyważających firmy Schenck, której jest dystrybutorem. Odwiedzający mogli zobaczyć m.in. wyważarkę do uchwytów narzędziowych, wyważarkę pionową do wentylatorów i wirników dyskowych, wyważarkę Pasio 05 do mikromałych elementów, a także najnowszą uniwersalną wyważarkę poziomą Pasio 50, która została pokazana po raz pierwszy na targach w Polsce i cieszyła się sporym zainteresowaniem wśród odwiedzających.

Pasio 50 umożliwia bardzo precyzyjne wyważanie szerokiego spektrum wirników: zarówno cylindrycznych z własnymi czopami, jak i wirników płaskich, dyskowych na wałkach roboczych. Na maszynie można wyważać wirniki do 50 kg, o długości do 1100 mm i średnicy maksymalnej 600 mm. Urządzenie to jest wyposażone w napęd pasowy i ekran dotykowy z trybem EasyMode zapewniający prostą obsługę. Do wyważenia za jego pomocą nie są potrzebne adaptery, a opcjonalnie można je doposażyć w system korekcji masy.

Układ pomiarowy z permanentną kalibracją i cyfrowym przetwarzaniem sygnału, układ pomiarowy CAB820 z przemysłowym wyświetlaczem LCD, kompaktowa budowa z podstawą wykonaną ze specjalnego odlewu mineralnego tłumiącego drgania, osłona bezpieczeństwa klasy C zgodna z ISO7475 – to tylko niektóre charakterystyczne cechy konstrukcji Pasio 50.

----------
Specjalizowana półautomatyczna wyważarka CMT - 0,5 H2PSW o poziomej osi wyważania, która umożliwia wyważanie dużych serii wirników silników, w których rozkład masy korygowany jest za pomocą wiercenia.

Maszyna wyposażona jest w układ pomiarowo-obliczeniowy ROTORTEST 9.5 DAQ, w którym zastosowano najnowsze światowe rozwiązania. Opisywana wyważarka koryguje masę niewyważenia automatycznie za pomocą wiercenia prostopadle do osi wirowania wirnika, ale w sprzedaży jest także wersja maszyny, która wyposażona jest w dwie głowice, które korygują masę niewyważenia automatycznie za pomocą wiercenia w osi wirowania wirnika. Maszyna gwarantuje dużą wydajność w sensie liczby wyważanych elementów przy wykorzystaniu automatycznego cyklu wyważania i dokumentowania jego wyników. Maszyna zapewnia dużą niezawodność, ze względu na wymaganą wydajność produkcyjną i pracę w potoku, poprzez zastosowanie w konstrukcji maszyny części renomowanych firm.