شرح السرعة الحرجة في ديناميكيات الدوار

التعريف: ما هي السرعة الحرجة؟

A السرعة الحرجة هي سرعة دوران تُطابق التردد الطبيعي لاهتزاز الدوار. عندما تعمل الآلة عند إحدى سرعاتها الحرجة أو بالقرب منها، تحدث ظاهرة صدى يحدث هذا. يُسبب هذا تضخيمًا هائلًا وخطيرًا في اهتزاز الدوار، إذ يُمكن حتى لقدر ضئيل من عدم التوازن المتبقي أن يُولّد قوى طرد مركزي هائلة. لكل نظام دوار سرعات حرجة متعددة، تتوافق مع أنماط اهتزازه المختلفة (مثلًا، نمط الانحناء الأول، نمط الانحناء الثاني، إلخ).

لماذا تعتبر السرعة الحرجة مهمة جدًا؟

يُعد فهم وإدارة السرعات الحرجة أحد أهم جوانب تصميم وتحليل الآلات الدوارة. قد يكون تشغيل آلة بسرعة حرجة، حتى لفترة قصيرة، كارثيًا. وتشمل العواقب ما يلي:

• الاهتزاز المفرط: يمكن أن تزيد السعات بعامل 10 أو 20 أو حتى أكثر، اعتمادًا على التخميد الخاص بالنظام.
• فشل المكونات: يمكن أن يؤدي الاهتزاز العالي وانحراف العمود إلى فشل المحمل وتلف الختم والاحتكاك بين الأجزاء الدوارة والثابتة.
• فشل العمود الكارثي: في الحالات الشديدة، يمكن أن تتجاوز إجهادات الانحناء حد تعب المادة، مما يتسبب في تشقق العمود أو كسره.
• مخاطر السلامة: يشكل تعطل الماكينة بسرعة عالية خطرًا كبيرًا على الأفراد والمعدات المحيطة.

ولهذه الأسباب، يتم تصميم الآلات دائمًا للعمل بهامش فصل، مما يعني أن سرعتها التشغيلية الطبيعية يتم الحفاظ عليها عمدًا على مسافة آمنة بعيدًا عن أي سرعات حرجة.

الدوارات الصلبة مقابل الدوارات المرنة

مفهوم السرعة الحرجة هو ما يميز الدوار "الصلب" عن الدوار "المرن":

• الدوار الصلب: دوار يعمل بسرعة أقل من سرعته الحرجة الأولى. لا يتعرض عموده لانحناء كبير أثناء التشغيل. عادةً ما تكون هذه الدوارات أبطأ وأكثر صلابة.
• دوار مرن: دوار مصمم للعمل بسرعات حرجة أعلى من سرعته الأولى (وأحيانًا الثانية أو الثالثة). ينثني عموده وينحني عند مروره بالسرعات الحرجة أثناء بدء التشغيل وإيقافه. الدوارات الرفيعة وعالية السرعة، مثل تلك الموجودة في التوربينات والضواغط، هي دوارات مرنة.

إدارة السرعات الحرجة في تشغيل الآلات

نظرًا لأنه غالبًا ما يكون من غير العملي تصميم آلة عالية السرعة تظل أقل من سرعتها الحرجة الأولى، يستخدم المهندسون عدة استراتيجيات لإدارتها:

1. هامش الفصل

الاستراتيجية الأكثر شيوعًا هي ضمان ألا تكون سرعة التشغيل المستمر للآلة قريبة جدًا من أي سرعة حرجة. هامش الفصل النموذجي هو ±20-30%. على سبيل المثال، إذا كانت السرعة الحرجة 3000 دورة في الدقيقة، فلا ينبغي تشغيل الآلة بشكل مستمر بين 2400 و3600 دورة في الدقيقة.

2. التسارع/التباطؤ السريع

بالنسبة للدوارات المرنة التي يجب أن تتجاوز سرعات حرجة، صُممت إجراءات بدء التشغيل والإيقاف لتتجاوز نطاقات السرعات الحرجة بأسرع ما يمكن. يؤدي الثبات عند سرعة حرجة إلى تزايد سعة الاهتزازات إلى مستويات خطيرة. يُقلل المرور السريع من وقت حدوث هذا التضخيم.

3. التخميد

التخميد هو تبديد طاقة الاهتزاز، وهو ما يحد من سعة الذروة عند الرنين. تُعد المحامل، وخاصةً المحامل ذات الغشاء السائل، مصدرًا رئيسيًا للتخميد في أنظمة الدوار. ومن خلال تحسين تصميم المحامل، يمكن للمهندسين التحكم في ذروة الاهتزاز عند السرعة الحرجة إلى مستوى آمن وقابل للإدارة.

4. موازنة الدقة

الاهتزاز عند السرعة الحرجة هو استجابة مُضخّمة لعدم التوازن. كلما كان الدوار متوازنًا بشكل أفضل، انخفضت دالة القوة، وبالتالي انخفض اهتزاز الذروة عند تجاوزه السرعة الحرجة. بالنسبة للدوارات المرنة، يلزم استخدام تقنيات موازنة خاصة متعددة المستويات.

كيف يتم تحديد السرعات الحرجة؟

يتم تحديد السرعات الحرجة باستخدام عدة طرق:

• تحليل ديناميكيات الدوار (RDA): يتم إنشاء النماذج الحاسوبية (غالبًا باستخدام تحليل العناصر المحدودة) أثناء مرحلة التصميم للتنبؤ بالسرعات الحرجة وأشكال الأوضاع للدوار.
• اختبارات الاستعداد/الاستعداد: الطريقة التجريبية الأكثر شيوعًا. تُرسم سعة الاهتزاز وطوره مقابل السرعة عند تشغيل الآلة أو إيقافها. تُحدد السرعة الحرجة بذروة مميزة في السعة مصحوبة بانزياح طور مميز بزاوية 180 درجة. تُنتج هذه الاختبارات مخططات تشخيصية مثل قطعة أرض بود and قطعة أرض الشلال.
• اختبار التأثير (اختبار الصدمة): إن ضرب الدوار بمطرقة آلية عندما يكون في حالة سكون قد يؤدي إلى إثارة تردداته الطبيعية، والتي تتوافق مع السرعات الحرجة.

← العودة إلى الفهرس الرئيسي