Какво е вибрационно ... Какво е вибрационно ...

Какво е вибрация на вала? Обяснение на тежката нестабилност на ротора

Публикувано от admin на

Разбиране на вибрациите на вала във въртящи се машини

Определение: Какво е камшик от вала?

Камшик на вала (наричано още маслен камшик, когато се появява в хидродинамични лагери) е тежка форма на нестабилност на ротора характеризира се с насилие самовъзбуждаща се вибрация това се случва, когато ротор, работещ в лагери с флуиден филм, надвиши критична прагова скорост, обикновено около два пъти първата критична скорост. След като се появи вибрация, честотата на вибрациите се “фиксира” върху първия ротор. естествена честота и остава там, независимо от по-нататъшното увеличаване на скоростта, като амплитудата е ограничена само от хлабините на лагерите или катастрофалната повреда.

Вибрацията на вала е едно от най-опасните състояния във високоскоростните въртящи се машини, защото се развива внезапно, достига разрушителни амплитуди за секунди и не може да бъде коригирана с... балансиране или други конвенционални методи. Това изисква незабавно спиране и модификации на лагерната система, за да се предотврати повторна поява.

Прогресията: от маслен вихър до камшик на вала

Етап 1: Стабилна работа

  • Роторът работи под прага на нестабилност
  • Само нормални принудителни вибрации от дисбаланс настояще
  • Масленият филм на лагера осигурява стабилна опора

Етап 2: Начало на маслен вихър

С увеличаване на скоростта над приблизително 2 пъти първата критична скорост:

  • Маслен вихър развива се—субсинхронна вибрация при ~0,43-0,48× скорост на вала
  • Амплитудата първоначално е умерена и зависима от скоростта
  • Честотата се увеличава пропорционално на скоростта на вала
  • Може да бъде периодично или непрекъснато
  • Може да съществува едновременно с нормална 1X вибрация от дисбаланс

Етап 3: Преход с камшик

Когато честотата на маслените вихрушки се увеличи, за да съответства на първата естествена честота:

  • Заключване на честотата: Честотата на вибрациите се заключва на собствената си честота
  • Резонансно усилване: Амплитудата нараства драстично поради резонанс
  • Внезапно начало: Преходът от вихрушка към камшик може да бъде мигновен
  • Независимост от скоростта: По-нататъшното увеличаване на скоростта не променя честотата, а само амплитудата

Етап 4: Камшик на вала (критично състояние)

  • Вибрация с постоянна честота (първа собствена честота, обикновено 40-60 Hz)
  • Амплитуда 5-20 пъти по-висока от нормалната вибрация на дисбаланс
  • Валът може да докосва границите на хлабината на лагера
  • Бързо нагряване на лагери и масло
  • Потенциал за катастрофална повреда в рамките на минути, ако не се изключи

Физически механизъм

Как се развива масленият камшик

Механизмът включва флуидна динамика в масления филм на лагера:

  1. Образуване на нефтен клин: Докато валът се върти, той увлича масло около лагера, създавайки клин под налягане.
  2. Тангенциална сила: Масленият клин упражнява сила, перпендикулярна на радиалната посока (тангенциална)
  3. Орбитално движение: Тангенциалната сила кара центъра на вала да се върти в орбита с приблизително половината от скоростта на вала
  4. Извличане на енергия: Системата извлича енергия от въртенето на вала, за да поддържа орбитално движение
  5. Резонансно заключване: Когато честотата на орбитата съвпада с естествената честота, резонансът усилва вибрациите
  6. Граничен цикъл: Вибрацията се увеличава, докато не бъде ограничена от хлабината на лагера или повредата му.

Диагностична идентификация

Вибрационен подпис

Шлабът на вала създава характерни модели в данните за вибрациите:

  • Спектър: Голям пик при субсинхронна честота (първа собствена честота), постоянен независимо от промените в скоростта
  • Парцел с водопад: Субсинхронният компонент се появява като вертикална линия (постоянна честота), а не като диагонална (пропорционална на скоростта)
  • Анализ на поръчката: Дробно число, което намалява с увеличаване на скоростта (напр. променя се от 0,5× до 0,4× до 0,35×)
  • Орбита: Голяма кръгова или елиптична орбита с естествена честота

Начална скорост

  • Типичен праг: 2,0-2,5× първа критична скорост
  • Зависим от лагера: Специфичният праг варира в зависимост от конструкцията на лагера, предварителното натоварване и вискозитета на маслото.
  • Внезапно начало: Малкото увеличение на скоростта може да предизвика бърз преход от стабилно към нестабилно състояние

Стратегии за превенция

Модификации на дизайна на лагерите

1. Накланящи се лагери

  • Най-ефективното решение за предотвратяване на камшик от вала
  • Накладките се завъртат независимо, елиминирайки дестабилизиращите сили на кръстосано свързване
  • Присъщо стабилен в широк диапазон на скоростта
  • Индустриален стандарт за високоскоростни турбомашини

2. Лагери на напорни язовирни стени

  • Модифициран цилиндричен лагер с канали или язовири
  • Увеличава ефективното омекотяване и твърдост
  • По-евтин от накланящата се подложка, но по-малко ефективен

3. Предварително натоварване на лагера

  • Прилагането на радиално предварително натоварване към лагерите увеличава твърдостта
  • Повишава прага на скоростта при нестабилност
  • Може да се постигне чрез конструкции с отместени отвори

4. Амортисьори с филмово покритие

  • Външен демпферен елемент, обграждащ лагера
  • Осигурява допълнително демпфиране без промяна на дизайна на лагера
  • Ефективен за приложения за преоборудване

Оперативни мерки

  • Ограничение на скоростта: Ограничете максималната работна скорост под прага (обикновено < 1,8× първа критична)
  • Управление на натоварването: Работете с по-високи натоварвания на лагерите, когато е възможно (увеличава демпфирането)
  • Контрол на температурата на маслото: По-ниската температура на маслото увеличава вискозитета и демпфирането
  • Мониторинг: Непрекъснато наблюдение на вибрациите с аларми, зададени за субсинхронни компоненти

Последици и щети

Незабавни ефекти

  • Силна вибрация: Амплитудите могат да достигнат няколко милиметра (стотици мил)
  • Шум: Силен, отличителен звук, различен от нормалната работа
  • Бързо нагряване на лагери: Температурата на лагерите може да се повиши с 20-50°C за минути
  • Разграждане на маслото: Високите температури и срязването разграждат смазката

Потенциални повреди

  • Избърсване на лагера: Материалът на лагерния бабит се топи и се избърсва
  • Повреда на вала: Одраскване, ожулване или трайно огъване
  • Повреда на уплътнението: Прекомерното движение на вала разрушава уплътненията
  • Счупване на вала: Високоциклична умора от силни трептения
  • Повреда на съединителя: Предаваните сили повреждат съединителите

Свързани явления

Маслен вихър

Маслен вихър е предшественик на камшика:

  • Същият механизъм, но честотата не е фиксирана към естествената честота
  • По-малка амплитуда
  • Честота, пропорционална на скоростта (~0,43-0,48×)
  • Може да е поносимо в някои приложения

Парен вихър

Подобна нестабилност в парните турбини, причинена от аеродинамични сили в лабиринтните уплътнения, а не от маслени филми в лагерите. Показва подобни субсинхронни вибрации, заключващи се към собствената честота.

Сух триещ камшик

Може да възникне в местата на уплътненията или от контакт между ротора и статора:

  • Силите на триене осигуряват дестабилизиращ механизъм
  • По-рядко срещан от масления камшик, но също толкова опасен
  • Изисква различен коригиращ подход (елиминиране на контакт, подобряване на дизайна на уплътнението)

Казус: Камшик на вала на компресора

Сценарий: Високоскоростен центробежен компресор с обикновени цилиндрични лагери

  • Нормална работа: 12 000 об/мин с вибрация от 2,5 мм/сек
  • Увеличаване на скоростта: Увеличени обороти на оператора до 13 500 об/мин за по-висок капацитет
  • Начало: При 13 200 оборота в минута се появи внезапна силна вибрация
  • Симптоми: Вибрация 25 mm/s при 45 Hz (постоянна), температурата на лагера се повиши от 70°C до 95°C за 3 минути
  • Спешни действия: Незабавното изключване предотврати повреда на лагера
  • Основна причина: Първата критична скорост беше 2700 об/мин (45 Hz); прагът на въртене при 2× критична = 5400 об/мин беше превишен
  • Решение: Плъзгащите лагери са заменени с накланящи се лагери, което позволява безопасна работа до 15 000 оборота в минута.

Стандарти и индустриална практика

  • API 684: Изисква анализ на стабилността на високоскоростни турбомашини
  • API 617: Определя типовете лагери и изискванията за стабилност на компресори
  • ISO 10814: Предоставя насоки за избор на лагер за стабилност
  • Практика в индустрията: Стандартни лагери с накланящи се накладки за оборудване, работещо над 2× първата критична скорост

Вибрационното трептене на вала представлява катастрофален режим на повреда, който трябва да се предотврати чрез правилен избор и проектиране на лагери. Разпознаването на неговата отличителна субсинхронна, честотно блокирана вибрационна сигнатура позволява бърза диагностика и подходяща аварийна реакция, предотвратявайки скъпи повреди на критично високоскоростно въртящо се оборудване.

← Обратно към основния индекс

Категории:
WhatsApp