Обяснение на критичната скорост в динамиката на ротора

Определение: Какво е критична скорост?

A критична скорост е скорост на въртене, която съответства на естествената честота на вибрациите на ротора. Когато машината работи на или близо до една от критичните си скорости, се наблюдава феноменът резонанс възниква. Това причинява драматично и често опасно усилване на вибрациите на ротора, тъй като дори малко количество остатъчен дисбаланс може да генерира огромни центробежни сили. Всяка роторна система има множество критични скорости, съответстващи на различните ѝ режими на вибрация (напр. първи режим на огъване, втори режим на огъване и др.).

Защо критичната скорост е толкова важна?

Разбирането и управлението на критичните скорости е един от най-фундаменталните аспекти на проектирането и анализа на въртящи се машини. Работата на машина с критична скорост, дори за кратък период, може да бъде катастрофална. Последиците включват:

• Прекомерна вибрация: Амплитудите могат да се увеличат с коефициент 10, 20 или дори повече, в зависимост от затихването на системата.
• Повреда на компонента: Високата вибрация и отклонението на вала могат да доведат до повреда на лагерите, повреда на уплътненията и триене между въртящите се и неподвижните части.
• Катастрофална повреда на вала: В тежки случаи, напреженията на огъване могат да надвишат границата на умора на материала, което води до напукване или счупване на вала.
• Опасности за безопасността: Повреда на машината при висока скорост представлява значителен риск за персонала и околното оборудване.

Поради тези причини машините винаги са проектирани да работят с „запас на разделяне“, което означава, че нормалната им скорост на работа умишлено се поддържа на безопасно разстояние от всякакви критични скорости.

Твърди срещу гъвкави ротори

Концепцията за критична скорост е това, което отличава „твърд“ ротор от „гъвкав“:

• Твърд ротор: Ротор, който работи *под* първата си критична скорост. Валът му не се огъва значително по време на работа. Това обикновено са по-бавни, по-дебели ротори.
• Гъвкав ротор: Ротор, проектиран да работи *над* първата (а понякога и втората или третата си) критична скорост. Валът му ще се огъва и извива, докато преминава през критичните скорости по време на стартиране и спиране. Високоскоростните, тънки ротори, като тези в турбините и компресорите, са гъвкави ротори.

Управление на критичните скорости при работа на машината

Тъй като често не е практично да се проектира високоскоростна машина, която остава под първата си критична скорост, инженерите използват няколко стратегии за управлението им:

1. Марж на разделяне

Най-често срещаната стратегия е да се гарантира, че постоянната работна скорост на машината не е твърде близо до никоя критична скорост. Типичният марж на разделяне е ±20-30%. Например, ако критичната скорост е 3000 об/мин, машината не трябва да работи непрекъснато между 2400 об/мин и 3600 об/мин.

2. Бързо ускорение/забавяне

За гъвкави ротори, които трябва да преминат през критични скорости, процедурите за стартиране и спиране са проектирани така, че да преминат през критичните диапазони на скоростта възможно най-бързо. Задържането на критична скорост позволява амплитудите на вибрациите да се увеличат до опасни нива. Бързото преминаване минимизира времето за настъпване на това усилване.

3. Затихване

Демпфирането е разсейване на вибрационната енергия и то ограничава амплитудата на пика при резонанс. Лагерите, особено флуидно-филмовите лагери, са основен източник на демпфиране в роторните системи. Чрез оптимизиране на дизайна на лагерите, инженерите могат да контролират пика на вибрациите при критичната скорост до безопасно и управляемо ниво.

4. Прецизно балансиране

Вибрацията при критична скорост е усилен отговор на дисбаланс. Колкото по-добре е балансиран един ротор, толкова по-малка ще бъде форсиращата функция и следователно толкова по-ниска ще бъде пиковата вибрация, когато преминава през критичната скорост. За гъвкави ротори са необходими специални техники за многоплоскостно балансиране.

Как се определят критичните скорости?

Критичните скорости се определят с помощта на няколко метода:

• Динамичен анализ на ротора (RDA): Компютърни модели (често използващи анализ на крайни елементи) се създават по време на фазата на проектиране, за да се предскажат критичните скорости и формите на режима на ротора.
• Тестове за разгръщане/ускорение: Най-разпространеният експериментален метод. Амплитудата и фазата на вибрациите се изобразяват графично спрямо скоростта, когато машината се стартира или изключва. Критичната скорост се идентифицира чрез отчетлив пик в амплитудата, придружен от характерно фазово изместване от 180 градуса. Тези тестове генерират диагностични графики като Диаграма на Боде и Парцел с водопад.
• Тестване на удар (тест за удар): Удрянето по ротора с инструментален чук, когато той е в покой, може да възбуди неговите собствени честоти, които съответстват на критичните скорости.

← Обратно към основния индекс