Zjawisko niewyważenia może w teorii wystąpić w każdym obracającym się urządzeniu. Koło samochodu, bęben pralki, twardy dysk komputera, a nawet wiertło dentystyczne to przykłady z codziennego otoczenia. Jednak wirnik jest też integralnym elementem wielu maszyn przemysłowych – występuje np. w sprężarkach, maszynach elektrycznych, generatorach, wentylatorach, prądnicach, turbinach i pompach. Nierównomierne rozłożenie masy wirującej względem osi obrotu wywołuje duże siły odśrodkowe, które są przyczyną wibracji i hałasu podczas wirowania. Efekty te są szczególnie odczuwalne i dokuczliwe przy dużych prędkościach obrotowych wirników, a przecież maszyny z prędkościami rzędu kilkudziesięciu tysięcy obr./min nie należą już do rzadkości.

Poważne skutki

Warto mieć świadomość, że większy hałas i drgania nie są jedynymi skutkami niewyważonego wirnika. Dlatego nie należy lekceważyć charakterystycznego stukania czy wibracji silnika nawet wtedy, gdy objawy są ledwo zauważalne. W dłuższej perspektywie zwiększony hałas i dodatkowe drgania będą niekorzystnie wpływać na komfort pracy operatora maszyny, przyspieszać jego zmęczenie, a w skrajnych wypadkach mogą nawet doprowadzić do problemów zdrowotnych.

Siły odśrodkowe działające w niewyważonych elementach mogą znacząco zwiększać obciążenie łożysk, fundamentów, obudów i zawieszeń układu, przyczyniając się do skrócenia ich żywotności. Z kolei wibracje, oddziałując długotrwale na poszczególne połączenia, będą powodować osłabienie ich zacisku i luzowanie się śrub mocujących, a także uszkodzenie innych elementów współpracujących zespołów. Najczęstszym następstwem długotrwałej pracy niewyważonego wirnika jest przyspieszone zużycie łożysk, a w ekstremalnych wypadkach, przy dużym stopniu niewyważenia – także uszkodzenie wału wirnika.

Według specjalistów obróbka przy użyciu niewyważonych narzędzi skraca żywotność wrzeciona nawet trzykrotnie, co ma olbrzymie przełożenie na ekonomikę produkcji. Przedsiębiorstwa są wówczas zmuszone ponosić większe nakłady na wymianę lub regenerację uszkodzonych elementów i narażone na kosztowne przestoje. Silnie wibrujące narzędzia ponadto nie wykonują swoich zadań z wystarczającą dokładnością, co może skutkować wytwarzaniem produktu o gorszej jakości i krótszej trwałości.

Naturalne zużycie

Niestety zjawiska niewyważenia nie da się całkowicie wyeliminować. W praktyce bowiem wszystkie nowo obrabiane części są w jakimś stopniu niesymetryczne ze względu na nierównomiernie rozłożone otwory w odlewie, nierówną ich liczbę czy też niecentrycznie ulokowane elementy. Im większa jest prędkość obrotowa wirnika, w tym większym stopniu nawet najmniejsza asymetria będzie prowadzić do niewyważenia całego mechanizmu i wystąpienia drgań. Źródłem powstawania tego zjawiska mogą być zarówno wady materiałowe, jak i konstrukcyjne, ale również te powstające podczas montażu poszczególnych komponentów większego mechanizmu.

W praktyce występują trzy główne rodzaje niewyważenia: statyczne, momentowe i dynamiczne. W statycznym centralna główna oś bezwładności wirnika jest przesunięta równolegle do osi wirowania. Jeśli taki wirnik zostanie wsparty na dwóch krawędziach, będzie się kołysał do czasu, aż „ciężki punkt” zostanie odwrócony do dołu. Oznacza to, że takie niewyważenie działa bez wirowania i powoduje przesunięcie środka bezwładności z geometrycznego środka. O niewyważeniu momentowym mówimy wówczas, gdy centralna główna oś bezwładności przecina osi obrotu wirnika. Obracający się wówczas wirnik wykonuje ruch drgający w pobliżu swojej pionowej osi, ponieważ dwa niewyważenia wytwarzają odpowiedni moment. Niewyważenie dynamiczne natomiast to przypadek najogólniejszy, gdy centralna główna oś bezwładności wirnika jest zwichrowana względem osi wirowania. Wirnik może mieć teoretycznie nieskończoną liczbę niewyważeń rozmieszczonych w sposób przypadkowy wzdłuż osi rotacji. Ten rodzaj niewyważenia można zdiagnozować jedynie w trakcie rotacji.

Korekcja niewyważenia

Proces wyważania z reguły może się odbywać na dwa sposoby. Po sprawdzeniu rodzaju drgań wirnika z ustalonych „ciężkich” punktów usuwa się nadmiar materiału, np. metodą frezowania, szlifowania lub wiercenia, a w punktach „lekkich” dodaje się masę korekcyjną, np. poprzez przyspawanie, zgrzewanie lub doklejenie obciążeń. Uzyskany w ten sposób stan równowagi masy wirnika osiągany jest z reguły tylko do pewnych wartości, gdyż najczęściej i tak pozostaje tzw. niewyważenie resztkowe, które jest regulowane zgodnie z odpowiednimi normami. Przewidują one, że takie komponenty jak np. koła samochodów są wyważane do stopnia 40, a mniejsze urządzenia elektryczne – do stopnia 2,5.

W przypadku niewyważenia statycznego do jego usunięcia najczęściej stosuje się pionowe wyważarki, natomiast przy niewyważeniu momentowym najodpowiedniejsze są wyważarki poziome. Aby całkowicie poprawić niewyważenie dynamiczne, wymagane są dwie płaszczyzny korekty, dlatego używa się tu zarówno wyważarek pionowych, jak i poziomych. Operacja wyważania wirnika powinna być przeprowadzana i po jego zakupie, i w trakcie regularnego serwisowania lub kapitalnego remontu silnika.

Coraz dokładniejsze wyważarki

Oferta rynkowa obejmuje wiele rodzajów wyważarek – manualne, półautomatyczne i w pełni automatyczne – przeznaczonych do korekty niewyważenia różnych elementów silnika. Na rynku znajdziemy maszyny do wyważania zarówno kilkugramowych silniczków o rozmiarze kilku milimetrów, jak i olbrzymich maszyn o wadze nawet kilkuset ton. Współczesne wyważarki pracują z coraz większą dokładnością i są w stanie wykryć odchylenia nawet o 0,001 mm od osi przebiegu. Coraz częściej są to większe centra obróbcze z układem sterowania, które nie tylko automatycznie ustalają stopień niewyważenia, ale też laserowo znakują miejsce korekty i za pomocą frezarki bądź wiertarki dokonują niezbędnych poprawek. Co ważne – najnowsze, w pełni zautomatyzowane wyważarki są nie tylko ergonomiczne w użyciu, ale i łatwe w obsłudze. Wprawdzie inwestycja w optymalnie dobraną wyważarkę może się zwrócić już po 2–3 latach od jej zakupu (w dużej mierze okres ten zależy od liczby wykorzystywanych obrabiarek), to jednak wcale przedsiębiorstwa produkcyjne nie mają obowiązku zakupu tego typu sprzętu. Wiele firm oferuje profesjonale usługi wyważania na własnym parku maszynowym – zarówno bezpośrednio w siedzibie klienta przy użyciu przenośnego sprzętu, jak i we własnych punktach na stacjonarnych maszynach do wyważania.