Разбиране на възловите точки при вибрациите на ротора
A възлова точка - наричан още възел или възлова линия, когато движението се разглежда в три измерения - е определено място по протежение на вибрираща ротор където изместване остава нула, докато роторът вибрира с определена собствена честота. Дори когато останалата част от вала се огъва и премества, възловата точка остава неподвижна спрямо неутралното положение на вала. Възловите точки са основни характеристики на модални форми, и да се знае къде се намират те, е от решаващо значение за динамика на ротора анализ, за балансиране и за определяне на мястото за монтиране на сензорите за вибрации. Ако ги прецените погрешно, работата по балансирането ще се провали или системата за мониторинг ще остане сляпа за реалните вибрации; ако ги разберете, и двете ще станат ясни.
1. Възлови точки при различни режими на вибрации
Всеки режим на вала има свой собствен модел от възли и антивъзли, който става все по-сложен с нарастването на броя на режимите.
Първи режим на огъване
Първият (основен) режим на огъване обикновено има:
- нула вътрешни възли - няма точка на нулево отклонение по протежение на обхвата на вала;
- местоположението на лагерите като приблизителни възли - при простоносеща схема лагерите действат като близки до възловите точки;
- максимална деформация близо до средата на разстоянието между лагерите; и
- проста форма на дъга - валът се огъва в една плавна крива.
Втори режим на огъване
Вторият режим има по-сложен модел:
- един вътрешен възел - единична точка, обикновено близо до средата на разпъна, където деформацията е нула;
- форма на S-образна крива - валът се огъва в противоположни посоки от двете страни на възела;
- два антинода - максимална деформация от всяка страна на възела; и
- по-висока честота - собствената му честота е значително по-висока от първата мода.
Трети режим и по-висок
- трети режим: две вътрешни възлови точки и три антивъзли;
- четвърти режим: три възлови точки и четири антивъзли;
- общо правило: режим N има (N - 1) вътрешни възлови точки; и
- нарастваща сложност: по-високите режими показват все по-сложни модели на вълни.
2. Физическо значение на възловите точки
Нулева деформация - но максимално напрежение
В дадена възлова точка по време на вибрации с естествената честота на този режим:
- страничното преместване е равно на нула и валът преминава през неутралната си ос;
- но напрежението на огъване обикновено е максимално, тъй като наклонът на кривата на деформация е най-стръмен там; и
- силите на срязване също са най-големи във възела.
Тази контраинтуитивна двойка - най-малко движение, най-много натоварване - е причината, поради която един възел може да бъде отлично място за опора, но не е подходящо място за оценка на състоянието на ротора само по движението.
Нулева чувствителност
Силата или масата, приложена във възлова точка, има минимално въздействие върху този конкретен режим:
- добавяне на корекционни тежести в даден възел не допринася за балансирането на този режим;
- сензори, разположени във възел, откриват минимални вибрации за този режим; и
- опора или ограничение във възел почти не измества собствената честота на този мод.
3. Практически последици за балансирането
Избор на равнина за корекция
Знанието за местоположението на възлите определя целия подход за балансиране, който се различава значително при твърдите и гъвкавите ротори.
За твърди ротори
- те работят под първата критична скорост;
- първият режим не се възбужда значително;
- стандарт балансиране в две равнини в близост до краищата на ротора е ефективна; и
- възловите точки не са от първостепенно значение.
За гъвкави ротори
- те работят при критични скорости или над тях;
- трябва да се вземат предвид формите на режимите и възловите точки;
- ефективен корекционни равнини се намират във или близо до антинодите - точките на максимално отклонение;
- неефективни места са равнини за корекция в даден възел или в близост до него, които почти не влияят на този режим; и
- модално балансиране Изрично отчита местоположението на възловите точки при разпределяне на корекционни тегла
Пример: Балансиране във втори режим
Разгледайте дълъг гъвкав вал, който работи над първата си критична скорост, като възбужда втория мод:
- вторият режим има една възлова точка близо до средата на разпъването;
- поставянето на цялата корекционна тежест близо до средата на разстоянието - във възела - би било неефективно;
- оптималната стратегия е да се поставят корекции в двата антинода, по един от всяка страна на възела; и
- моделът на разпределение на теглото трябва да съответства на формата на втория режим, за да работи балансирането.
4. Съображения за разположението на сензора
Стратегия за измерване на вибрациите
Възловите точки имат решаващ ефект върху мониторинг на вибрациите.
Избягвайте нодални местоположения
- сензор в даден възел открива минимални вибрации за този режим;
- може да пропусне сериозен проблем с вибрациите, ако е единствената точка на измерване; и
- Може да създаде погрешно впечатление за приемливи нива на вибрации
Целеви местоположения на антинодите
- антинодите показват максималната амплитуда на вибрациите;
- те са най-чувствителни към развиващия се проблем;
- за първия режим на ротор, опрян просто в краищата, антивъзелът е близо до средата на разстоянието между лагерите (лагерите са близо до възли); на практика мониторингът на машините все пак обикновено измерва върху лагерните корпуси, защото това са достъпните стандартни места за монтаж; и
- за по-високи режими може да са необходими междинни точки на измерване.
Множество точки на измерване
- За гъвкави ротори, измервайте на няколко аксиални места
- Това гарантира, че няма да бъде пропуснат режим, защото даден сензор се е намирал на даден възел;
- позволява експериментално определяне на модалните форми; и
- критично оборудване често има сензори на всеки лагер и в средата на разстоянието.
5. Определяне на местоположението на възловите точки
Аналитично прогнозиране
- Анализ по метода на крайните елементи: изчислява формите на режимите и определя възлите.
- Теория на лъчите: за прости конфигурации решенията в затворена форма предсказват местоположението на възлите.
- Инструменти за проектиране: Софтуерът за ротординамика показва визуално формата на всеки режим с отбелязани възли.
Експериментална идентификация
1. Изпитване на удар (удар) — ударете вала на няколко места с инструментален чук и измерете отклика в много точки; място, което не показва отклик при дадена честота, е възлова точка за този мод. Техниката е описана подробно в раздел тестване на удар и изпитване на въздействието.
2. Измерване на работното отклонение и формата - по време на работа в близост до критична скорост, да се измерват вибрациите в много осеви точки, да се начертае амплитудата на отклонението спрямо позицията и да се отчетат нулевите пресечни точки като възлови места. Това е сърцевината на анализ на формата на работното отклонение.
3. Масиви с безконтактни сонди - да инсталирате няколко безконтактни сонди за близост по протежение на вала и да измерва деформацията директно по време на пускане или спиране по инерция; това е най-точният експериментален метод за намиране на възли.
6. Възлови точки срещу антивъзли
Възлите и антивъзлите са допълващи се половини на една и съща картина.
| Възлови точки | Антиноди |
|---|---|
| Нулево отклонение | Максимално отклонение |
| Максимален наклон на огъване и напрежение | Нулев наклон на огъване |
| Ниска ефективност при прилагане или измерване на сила | Максимална ефективност за корекционни тежести |
| Идеални за опорни места (минимизиране на предаваната сила) | Оптимални места за поставяне на сензори |
| — | Най-високо напрежение при комбинирано натоварване |
7. Практически приложения и казуси
Случай: Валяк на хартиена машина
- Ситуация: дълъг (6-метров) валяк, работещ с 1200 оборота в минута и с високи вибрации.
- Анализ: той работи над първата критична скорост, като възбужда втория режим с възел в средата на разстоянието.
- Първи опит: бяха добавени тежести в средата на разстоянието - удобната точка за достъп - с лоши резултати.
- Решение: след като е разпознато, че средата на разстоянието е възлова точка, тежестите са преразпределени към четвъртините (антинодите).
- Резултат: вибрациите намаляха с 85%, което представлява успешно модално балансиране.
Случай: Мониторинг на парна турбина
- Ситуация: нова система за наблюдение показа ниски вибрации въпреки известния дисбаланс.
- Проверка: сензорът по невнимание е бил поставен близо до възловата точка на доминиращия режим.
- Решение: допълнителните сензори на местата на антивъзлите разкриха истинските нива на вибрациите.
- Урок: при проектирането на система за наблюдение винаги да се вземат предвид формите на модите.
8. Съображения за напреднали
Преместване на възли
В някои системи възловите точки се променят в зависимост от условията на работа:
- зависимата от скоростта твърдост на лагера премества местата на възлите;
- температурата влияе върху коравината на вала;
- реакцията може да зависи от натоварването; и
- асиметричните системи могат да имат различни възли за хоризонтално и вертикално движение.
Приблизителни срещу истински възли
- Истински възли: точни точки на нулево отклонение в идеализирана система.
- Приблизителни възли: места с много ниско, но не точно нулево отклонение в реална система с затихване и други неидеални ефекти.
- Практически последици: реален възел е регион на ниско отклонение, а не точна математическа точка.
9. Приложение на практика
За твърдите ротори, от които се състоят повечето промишлени машини - помпи, вентилатори, двигатели и други подобни - правилото за работа е успокояващо просто: останете под първата критична скорост и проблемните възли на огъване никога няма да се появят, така че две равнини за корекция в близост до краищата на ротора вършат работа. Преносим двуканален анализатор, като например Balanset-1A изпълнява точно тази задача в една или две равнини балансиране на място в собствените лагери на машината, измерване на амплитудата и фаза за изчисляване на теглата. Когато роторът трябва да преминава през критична скорост или да работи над нея, същите данни за амплитуда и фаза, взети в няколко осеви точки, позволяват на анализатора да картографира модалната форма и да потвърди коя равнина е антивъзел, преди да се постави каквато и да е тежест — разликата между подобрение от 85% и пропилян опит. Накратко, разбирането на възловите точки е това, което превръща данните за вибрациите в правилно решение за балансиране.
