Разбиране на вихрушката на ротора и нестабилността на камшика
Вихър и камшик — най-често срещано като маслен вихър и маслената камшица — са две сродни и изключително опасни форми на самовъзбуждащи се, субсинхронен вибрация които възникват във високоскоростни въртящи се машини, работещи в условията на течна смазка (списание) лагери. Те не са принудителни вибрации причинени от проблеми като дисбаланс или несъответствие; а всъщност те са нестабилност на ротора при което движението на самия ротор генерира именно силите, които поддържат и усилват вибрацията. И в двата случая валът „завърта“ — той прецесира напред по широка орбита в рамките на лагерния си зазор, описвайки траектория, която е напълно различна от собственото му въртене.
1. Определение: Какво представляват „Whirl“ и „Whip“?
Струва си да се разграничат две понятия, които ежедневният термин „въртене“ смесва. Spin роторът се върти около собствената си геометрична ос. Вихър (или прецесия) е въртенето на цялата тази ос по-голяма окръжност вътре в лагера — представете си въртяща се монета, чийто център също се движи по кръг около масата. Всички ротори се въртят леко; проблемът възниква, когато това въртене престане да бъде безобидна реакция на остатъчен дисбаланс и става самовъзбуждащ се, като черпи енергията си от самото въртене, а не от външно въздействие. „Масленият вихър“ е самовъзбуждаща се прецесия, задвижвана от масления филм в лагера; „масленият бич“ е бурният резонанс, в който тя може да прерасне. Тъй като източникът на енергия е самото въртене, тези нестабилности не могат да бъдат неутрализирани — което представлява съществена разлика в сравнение със синхронните проблеми.
2. Механизмът: как се случва това?
При лагера с маслена пленка въртящият се вал се поддържа не чрез контакт между метални повърхности, а чрез маслен клин под високо налягане. Валът не се намира в центъра на лагера; той се измества настрани, изтласкван от носеното от него натоварване. Тъй като повърхността на валчето изтласква маслото по пръстеновидната междина, смазката циркулира при средна скорост, малко по-малка от половината от повърхностната скорост на вала — течността, която е в контакт с вала, се движи със скоростта на вала, течността, която е в контакт със стената на неподвижния лагер, е почти неподвижна, а средната стойност за цялата течност е малко под 0,5×.
Масленото въртене възниква, когато този циркулиращ филм започне да „изтласква“ леко натоварения вал пред себе си, като го увлича в голяма орбита напред около лагера. Честотата на въртенето се определя от средната скорост на масления филм, която обикновено варира между 42% и 48% от скоростта на бягане (0,42× до 0,48×). Тази характерна субсинхронна характеристика — близка до половината, но никога точно половината от работна скорост — това е характерният белег, който анализаторите търсят. (Цифрата „малко по-малко от половината“ е и причината, поради която масленият вихър понякога се нарича неточно „вихър с половин скорост“, въпреки че истинската стойност никога не достига точно 0,5×.)
3. Маслената вихрушка: Предшественикът
Масленият вихър обикновено е началната фаза на нестабилността — предупреждение, а не катастрофа. Характеристиките му са:
- Честота: се проявява като ясно изразен връх в Бързо преобразуване (FFT) спектър между 0,42× и 0,48× от оборотите в минута.
- Поведение: честотата на въртене увеличава когато машината ускорява, тя винаги поддържа съотношение от около 45 % от работната скорост. При ускоряване тя се издига като субсинхронна сянка под линията 1×.
- Тежест: това може да предизвика силни, но понякога и стабилни вибрации, които могат да се появяват или изчезват при промяна на натоварването, скоростта или температурата на маслото. Нежелателно, разбира се — но не винаги води до незабавни повреди.
- Чувствителност: Обикновено виновни за това са леко натоварените, прекомерно големи или износени лагери, тъй като ниското специфично натоварване позволява на масления клин да определя положението на вала.
4. Маслената вълна: критичната опасност
Масленият вихър е много по-сериозно състояние, което възниква непосредствено вследствие на масления вихър. То се проявява, когато машината ускори до точката, в която честотата на масления вихър (при около 45 % от работната скорост) се повиши до нивото на ротора първи собствена честота - първия си критична скорост. В този момент вихърът „се нагласява“ към собствената честота и предизвиква пълноценно резонанс. Характеристиките му са:
- Честота: вибрацията се фиксира на първата собствена честота на ротора и не се покачва повече, дори когато машината продължава да ускорява — така че пикът при ниска честота „застива“, докато пикът при 1× продължава да нараства.
- Амплитуда: вибрацията става много силна, превръща се в бурна и нестабилна.
- Поведение: маслената вълна е изключително разрушителна и ще не това може да доведе до ускоряване на повредите. Това може да унищожи лагерите, уплътненията и самия ротор в рамките на много кратко време, понякога поради сериозни триене на ротора докато орбитата запълва пространството.
Скоростта, с която се образува камъкът, обикновено е малко над двойно по-висока от първата критична скорост на ротора — точката, в която линията на въртене с амплитуда ~0,5× пресича първата собствена честота. Машина, засегната от маслено биене, се нуждае от незабавно изключване; точно това е сценарият, който защита на машините системите са създадени, за да се препъват.
5. Как да разпознаем фигурите „въртене“ и „бич“
- Спектрален анализ: търсете ясен субсинхронен пик. По време на ускорение, ако честотата на този пик се повишава с нарастването на скоростта, това е „въртел“; ако тя остане „равномерна“ на фиксирана стойност, докато 1× пикът продължава да се покачва, това означава, че е настъпил преход към „бич“.
- Орбитален парцел: орбитата на оста представлява голяма окръжност или елипса с прецесия напред, като често компонентът 1× се наслагва върху нея, за да се получи характерната фигура „лупинг“.
- Парцел с водопад: водопад (или каскада) графиката на стартиращ двигател дава най-ясната възможна представа, като показва, че честотата на въртене нараства с увеличаване на скоростта, докато не се пресече с първата собствена честота и не се установи режим на вибрация. Определянето на тези точки на пресичане е точно това, което Диаграма на Кембъл е за.
Тъй като вихровите и бичовите състояния възникват при скорост под 1×, анализаторът трябва да достигне скорост, значително по-ниска от работната, и да определи фазата с висока точност. Преносим двуканален уред като Балансет-1а улавя синхронизираното амплитуда и фаза на компонента на скоростта на въртене по време на ускорение или забавяне, което позволява на инженера да потвърди на място, че упоритата нискочестотна пикова стойност се дължи на истинска нестабилност на лагера, а не на обикновен дисбаланс — и, което е също толкова полезно, да изключи проблем с балансирането, преди да се впусне в опит за отстраняване на неизлечима повреда.
6. Причини и решения
Тези нестабилности се определят от конструкцията на лагерите, геометрията на ротора, вискозитета на маслото, температурата и натоварването — сложен набор от взаимодействия, формално описан в динамика на ротора. Те не се дължат на дисбаланс и не могат да бъдат излекувани чрез балансиране; решенията се състоят в промени на ниво дизайн:
- Преминете към по-стабилна геометрия на лагера, като например лагер с накланящи се подложки.
- Променете вискозитета на маслото или работната температура, за да промените поведението на масления филм.
- Увеличете специфичното натоварване на лагера, така че валът да се фиксира здраво и масленият клин да не може повече да оказва влияние.
- Добавете канали, аксиални прегради или профили с „лимонови“ отвори, които прекъсват периферния маслен поток, захранващ вихровото движение.
Сродна нестабилност, парен вихър, се дължи по-скоро на аеродинамични сили, отколкото на силите на масления филм в турбините, но води до подобна картина на самовъзбуждащ се субсинхронен режим — което ни напомня, че „въртенето“ представлява група явления, обединени от една обща черта: роторът подава енергия към собствената си орбита.
