Pochopení prohnutí hřídele v rotačních strojích

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

$2,358.31

Díly

Snímač vibrací

$107.47

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

$148.07

Zařízení

Balanset-4

$8,123.32

Díly

Magnetický stojan Insize-60-kgf

$54.93

Díly

Reflexní páska

$11.94

Zařízení

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definice: Co je to šachtový luk?

Dřík luku (také nazývané ohýbání hřídele, prohnutí rotoru nebo jednoduše “prohnutí”) je stav, kdy rotor hřídel vyvinula trvalé nebo polotrvalé zakřivení, které způsobuje její odchylku od přímé středové osy. Na rozdíl od dočasného doběh které by mohlo být způsobeno uvolněnou součástí nebo excentrickým uchycením, prohnutí hřídele představuje skutečnou deformaci samotného materiálu hřídele.

Hřídelový luk vytváří vibrace příznaky, které se povrchně podobají nevyváženost, ale nelze to opravit konvenčními prostředky vyvažování postupy. Díky tomu je správná diagnóza zásadní, aby se zabránilo ztrátě času při pokusu o vyvážení ohnuté hřídele.

Typy luků s šachtou

Prohnutí hřídele lze rozdělit podle příčiny a trvání:

1. Trvalý mechanický luk

Jedná se o plastickou (trvalou) deformaci materiálu hřídele způsobenou:

• Mechanické přetížení nebo náraz
• Nesprávné zvedání nebo manipulace během údržby
• Spadnutí rotoru
• Nadměrné ohybové namáhání během provozu
• Výrobní vady nebo nesprávné tepelné zpracování

Jakmile se hřídel trvale deformuje, luk zůstává v klidu i po odstranění veškerého zatížení.

2. Tepelný oblouk (přechodný)

Také se nazývá tepelná mašle nebo horký luk, jedná se o dočasný stav způsobený nerovnoměrným ohřevem hřídele. Zahřátá strana se roztahuje více než studená strana, čímž vzniká dočasné zakřivení. Mezi příčiny patří:

• Asymetrické zdroje tepla (horká procesní kapalina na jedné straně, chladicí vzduch na druhé straně)
• Třecí ohřev ložiska na jedné straně hřídele
• Rotor se tře a vytváří lokální zahřívání
• Solární ohřev venkovního zařízení
• Nesprávné postupy zahřívání velkých turbín

Tepelné prohnutí obvykle mizí, když hřídel rovnoměrně vychladne nebo když je dosaženo tepelné rovnováhy. Opakované cykly tepelného prohnutí však mohou nakonec způsobit trvalé ztuhnutí.

3. Zbytkový pnutíový luk

Vnitřní zbytková napětí ze svařování, tepelného zpracování nebo výrobních procesů mohou způsobit pomalé prohýbání hřídele v průběhu času, zejména pokud je vystavena provozním teplotám nebo mechanickému zatížení, které způsobuje uvolnění napětí.

Příčiny úklonu hřídele

Pochopení základních příčin pomáhá předcházet prohýbání hřídele a nasměrovat nápravná opatření:

Mechanické příčiny

• Přetížení: Provoz při zatížení přesahujícím konstrukční limity
• Nesprávné skladování: Skladování hřídelí ve vodorovné poloze bez řádné opory, což časem způsobuje jejich prohýbání
• Nesprávné zacházení: Zvedání za hřídel místo určených zvedacích bodů
• Nehoda nebo náraz: Pád, náraz nebo poškození cizím předmětem
• Zadření ložiska: Zadřené ložisko může způsobit ohnutí hřídele vlivem hnacího momentu

Tepelné příčiny

• Nerovnoměrné vytápění: Nerovnoměrné rozložení teploty po obvodu hřídele
• Rychlé změny teploty: Tepelný šok během spouštění nebo vypínání
• Žhavá místa: Lokalizované zahřívání v důsledku tření, odření nebo procesních podmínek
• Nedostatečné zahřátí: Příliš rychlé spouštění studených turbín nebo velkých strojů
• Postupy vypnutí: Zastavení otáčení horkého hřídele před ochlazením (tepelný pokles)

Materiál a výrobní příčiny

• Špatná kvalita materiálu: Vměstky, dutiny nebo nehomogenity materiálu
• Nesprávné tepelné zpracování: Zbytková napětí z kalení nebo popouštění
• Deformace při svařování: Asymetrické svařování vytvářející zbytková napětí
• Obráběcí napětí: Napětí vyvolané během výroby

Jak hřídelový oblouk způsobuje vibrace

Zakřivená hřídel vytváří vibrace prostřednictvím dvou mechanismů:

1. Geometrická nerovnováha

Když se zakřivená hřídel otáčí, její zakřivená středová linie vytváří kužel nebo jinou nekruhovou dráhu. I když je rozložení hmotnosti rotoru dokonale vyvážené, zakřivená geometrie vytváří excentrickou rotující hmotu, která generuje odstředivé síly a produkuje vibrace o síle 1X (vibrace na frekvenci otáčení hřídele).

2. Momentové zatížení ložisek

Zakřivení vytváří ohybové momenty, které se přenášejí na ložiska, což způsobuje kolísání zatížení ložisek a vibrace.

Detekce luku hřídele

Rozlišování prohnutí hřídele od skutečné nevyváženosti hmoty je klíčové pro efektivní řešení problémů:

Porovnání symptomů: úklona vs. nevyváženost

Charakteristický	Nevyváženost	Dřík luku
Frekvence vibrací	1x rychlost běhu	1x rychlost běhu
Fázový vztah	Konzistentní, stále stejný	Může se během zahřívání změnit
Pomalé vibrace při rolování	Přítomný (úměrný rychlosti²)	Přítomný a často významný i při velmi nízké rychlosti
Reakce na vyvažování	Vibrace snížené správným vyvážením	Minimální nebo žádné zlepšení; může se zhoršit
Tepelná citlivost	Relativně stabilní s teplotou	Významné změny během zahřívání/ochlazování
Měření házení	Nízká hodnota, když je rotor v klidu	Vysoká házivost i v klidu (permanentní prohnutí)

Diagnostické testy

1. Měření pomalého valení

Otáčejte hřídelí velmi pomalu (obvykle 5-10% provozních otáček) a změřte doběh s bezdotykovou sondou nebo úchylkoměrem. Vysoké házení při pomalém odvalování indikuje prohnutí hřídele nebo mechanické házení, nikoli nevyváženost (která vytváří sílu úměrnou druhé mocnině rychlosti).

2. Fázový posun při vypnutí

Vibrace monitoru fázový úhel jakmile se stroj vypne. Skutečná nevyváženost si udržuje konstantní fázi bez ohledu na rychlost. U prohnutého hřídele se mohou fázové změny projevovat, zejména při ochlazování.

3. Zkouška tepelného oblouku

V případě podezření na tepelné zkřivení sledujte vibrace během spouštění a zahřívání. Tepelné zkřivení obvykle vykazuje rostoucí vibrace s tím, jak se stroj zahřívá, a poté se může stabilizovat nebo snižovat, jakmile je dosaženo tepelné rovnováhy.

4. Kontrola házení mimo stroj

Demontujte rotor, podepřete jej V-bloky nebo soustruh a pomalu jím otáčejte, zatímco měříte radiální házení pomocí úchylkoměru. Významné házení (obvykle > 0,001″ nebo 25 µm) potvrzuje trvalé prohnutí.

5. Vizuální kontrola

U velkých šachet může vizuální pozorování po celé délce šachty nebo použití optických metod (laserové zarovnání) odhalit zjevné prohnutí.

Korekční metody

Vhodná korekce závisí na závažnosti a typu úklony:

Pro permanentní mechanický luk

1. Rovnání hřídelí

Pro mírné až středně silné sklonění (obvykle < 0,005" nebo 125 µm), hřídel lze někdy za studena nebo za tepla narovnat pomocí hydraulických lisů. To vyžaduje specializované vybavení a zkušené techniky. Hřídel je podepřena a opatrně zatížena, aby se plasticky deformovala zpět do rovného stavu.

2. Odlehčení tepelného namáhání

Tepelné zpracování hřídele pro zmírnění zbytkového napětí, což může vést ke snížení nebo odstranění prohnutí způsobeného příčinami souvisejícími s napětím. To vyžaduje správné vybavení pece a řízení procesu.

3. Výměna hřídele

V případě silného prohnutí nebo v kritických aplikacích je výměna často nejspolehlivějším řešením. Náklady na novou hřídel je nutné zvážit oproti prostojům a riziku neúspěšných pokusů o narovnání.

4. “Vyvažování kolem přídě”

V některých případech, zejména u velkých turbín, lze vypočítat a instalovat korekční závaží, která působí proti účinku proužků. Tím se proužky neopraví, ale minimalizují se vibrace. Tento přístup má svá omezení a obvykle se jedná o dočasné řešení.

Pro termální luk

1. Změny provozních postupů

• Zavádějte pomalé zahřívací postupy
• Během odstavení udržujte nepřetržitý chod otáčení převodového ústrojí, aby se zabránilo tepelnému poklesu.
• Pečlivěji regulujte přívod páry nebo teplotu procesních kapalin
• Zajistěte symetrické vytápění/chlazení

2. Úpravy designu

• Přidejte izolaci pro snížení teplotních gradientů
• Nainstalujte topné pláště pro rovnoměrné zahřátí
• Vylepšete chladicí systém pro zajištění rovnoměrného rozložení teploty

3. Obsluha soustružení

U velkých turbín používejte během zahřívání a chlazení otočné zařízení (pomaloběžný rotační pohon), aby se otáčela hřídel a zabránilo se vzniku tepelné deformace.

Preventivní strategie

Zabránění prohnutí hřídele je mnohem snazší než jeho oprava:

Návrh a výroba

• Používejte správné postupy tepelného zpracování k minimalizaci zbytkového napětí
• Navrhněte odpovídající tuhost hřídele pro danou aplikaci
• Specifikujte vhodné materiály pro dané tepelné prostředí

Instalace a údržba

• Rotory vždy zvedejte za určené zvedací body, nikdy ne za hřídel
• Náhradní rotory skladujte s řádnou oporou, aby se neprověsily.
• Během manipulace se vyhněte mechanickým nárazům
• Pravidelně kontrolujte přímost hřídele (ročně nebo podle plánu výrobce)

Operace

• Dodržujte postupy zahřívání a vypínání od výrobce
• Vyhněte se náhlým změnám teplot
• Sledujte známky tepelného výkyvu během spouštění
• Prozkoumejte jakékoli nevysvětlitelné změny ve vibrační fázi

Dopad na vyrovnávací postupy

Pokus o vyvážení zakřivené šachty je obecně marný a může být kontraproduktivní:

• Neúčinné opravy: Vyvažovací závaží vypočítaná s ohledem na hmotnostní nevyváženost neopraví geometrický úklon.
• Maskování problému: Částečně úspěšné “vyvážení” prohnuté hřídele může dočasně snížit vibrace, ale základní problém zůstane neřešen.
• Ztracený čas: Vícenásobné iterace vyvažování bez úspěchu naznačují potřebu kontroly prohnutí
• Potenciální poškození: Přidání velkých korekčních závaží na prohnutou hřídel může zvýšit namáhání a způsobit další poškození.

Nejlepší postup: Před zahájením vyvažování vždy zkontrolujte, zda není hřídel prohnutá, zejména pokud se s rotorem v minulosti manipulovalo, docházelo k tepelným událostem nebo k nevysvětlitelným problémům s vibracemi.

---

← Zpět na hlavní index