Pochopení trhlin v hřídeli rotujících strojů

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 trhlina v hřídeli?

A prasklina v hřídeli je zlomenina nebo diskontinuita v rotujícím hřídeli, která vzniká v důsledku únavy materiálu, koncentrace napětí nebo materiálových vad. Trhliny obvykle vznikají na povrchu a šíří se dovnitř kolmo ke směru maximálního tahového napětí. U rotačních strojů jsou trhliny na hřídeli extrémně nebezpečné, protože se mohou z malé, nedetekovatelné vady vyvinout v úplné zlomení hřídele během několika hodin nebo dnů, což může způsobit katastrofické selhání zařízení.

Trhliny v hřídeli vytvářejí charakteristické vibrace podpisy, zejména charakteristická složka 2× (dvakrát za otáčku), která se objevuje s vývojem trhliny. Včasná detekce prostřednictvím analýza vibrací je zásadní pro zabránění úplnému selhání hřídele a souvisejícím bezpečnostním rizikům.

Časté příčiny prasklin v hřídeli

1. Únava z cyklického namáhání

Nejčastější příčina, zejména u rotačních strojů:

• Únava z ohybu: Rotující hřídel s nerovnoměrnou tuhostí nebo zatížením vytváří cyklické ohybové napětí
• Torzní únava: Oscilační točivý moment v hřídelích pro přenos výkonu
• Vysokocyklová únava: Během let provozu se nahromadí miliony cyklů zatížení
• Koncentrace stresu: Drážky, otvory, zaoblení a geometrické nespojitosti koncentrují napětí

2. Provozní podmínky

• Nadměrný Nevyváženost: Vysoké odstředivé síly vytvářejí ohybové napětí
• Nesprávné zarovnání: Ohybové momenty z nesouososti urychlují únavu
• Rezonanční operace: Působí na nebo v blízkosti kritické rychlosti vytváří vysoké průhyby
• Přetížení: Provoz za hranicemi konstrukčních limitů
• Tepelné namáhání: Rychlé cykly ohřevu/ochlazování nebo teplotní gradienty

3. Materiálové a výrobní vady

• Obsah materiálu: Struska, dutiny nebo cizí materiál v materiálu hřídele
• Nesprávné tepelné zpracování: Nedostatečné kalení nebo popouštění
• Vady obrábění: Stopy po nástrojích, rýhy nebo škrábance vytvářející stoupající napětí
• Korozní bodová rýha: Povrchová koroze vytvářející místa vzniku trhlin
• Trápení: Na rozhraních pro lisování nebo drážkách pro pera

4. Provozní události

• Události překročení rychlosti: Nouzové nebo náhodné překročení rychlosti způsobující vysoké namáhání
• Silné odřeniny: Kontakt generující teplo a lokální koncentrace napětí
• Rázové zatížení: Náhlé zatížení v důsledku procesních poruch nebo mechanických otřesů
• Předchozí opravy: Svařování nebo obrábění způsobující zbytková napětí

Vibrační příznaky prasklého hřídele

Charakteristická složka 2×

Charakteristickým vibračním projevem prasklé hřídele je výrazný 2× (druhá harmonická) komponent:

Proč se vyvíjí 2× vibrace

• Trhlina se při otáčení hřídele dvakrát otevírá a zavírá za otáčku
• Když je trhlina v tlaku (spodní část rotace), tuhost je vyšší
• Když je trhlina v tahu (vrchol rotace), trhlina se otevírá, tuhost je nižší
• Tato změna tuhosti dvakrát za otáčku vytváří dvojnásobné působení síly.
• 2× amplituda se zvyšuje s šířením trhliny a rostoucí asymetrií tuhosti

Další indikátory vibrací

• 1× Změny: Postupné zvyšování vibrací o 1× v důsledku změněné tuhosti a zbytkového prohnutí
• Vyšší harmonické: 3×, 4× se může objevit s rostoucí závažností trhliny
• Fázové posuny: Fázový úhel se mění během rozjezdu/dojezdu nebo při různých rychlostech
• Chování závislé na rychlosti: Vibrace se mohou měnit nelineárně s rychlostí
• Teplotní citlivost: Vibrace mohou korelovat s tepelnou roztažností při otevírání/zavírání trhliny

Charakteristiky spouštění/dojezdu

• Složka 2× vykazuje neobvyklé chování během přechodových jevů
• Může vykazovat dva vrcholy Bodeho graf (při 1/2 každé kritické rychlosti)
• Fázové změny složky 1× se mohou lišit od normální odezvy na nevyváženost

Detekční metody

Monitorování vibrací

Analýza trendů

• Sledování poměru 2X/1X v průběhu času
• Postupné zvyšování amplitudy na 2× je varovným signálem
• Poměr 2X/1X > 0,5 vyžaduje vyšetření
• Náhlé změny vibračního vzoru jsou podezřelé

Spektrální analýza

• Pravidelný Rychlá převodní funkce (FFT) analýza ukazující harmonické
• Porovnejte současná spektra s historickými základními spektry
• Sledujte vznik nebo růst 2× vrcholu

Analýza přechodových jevů

• Vodopádové grafy během rozjezdu/dojezdu
• Bodeovy grafy znázorňující amplitudu a fázi v závislosti na rychlosti
• Neobvyklé chování při kritických rychlostních průjezdech

Nevibrační metody

1. Magnetická prášková kontrola (MPI)

• Detekuje povrchové a blízkopovrchové trhliny
• Vyžaduje přístupný povrch hřídele
• Vysoká spolehlivost pro detekci trhlin
• Součást běžných údržbářských prohlídek

2. Ultrazvukové testování (UT)

• Detekuje vnitřní a povrchové trhliny
• Dokáže najít praskliny dříve, než se projeví příznaky vibrací
• Vyžaduje specializované vybavení a vyškolený personál
• Doporučeno pro kritické hřídele

3. Kontrola penetrantem barviva

• Jednoduchá metoda pro detekci povrchových trhlin
• Vyžaduje čištění a přípravu povrchu
• Užitečné pro přístupné oblasti během výpadků

4. Testování vířivými proudy

• Bezkontaktní detekce povrchových trhlin
• Vhodné pro automatizovanou kontrolu
• Účinný na nemagnetických i magnetických materiálech

Reakce a nápravná opatření

Okamžité akce při detekci

1. Zvyšte frekvenci monitorování: Z měsíčního na týdenní nebo denní
2. Snížení provozní náročnosti: Pokud je to možné, snižte rychlost nebo zatížení
3. Ukončení plánu: Naplánujte opravu nebo výměnu při nejbližší bezpečné příležitosti
4. Proveďte NDE: Potvrďte přítomnost trhliny a zhodnoťte její závažnost
5. Posouzení rizik: Zjistěte, zda je pokračování v provozu bezpečné

Dlouhodobá řešení

• Výměna hřídele: Nejspolehlivější řešení pro potvrzené praskliny
• Oprava (omezený počet případů): Některé trhliny lze odstranit obráběním a navařením (vyžaduje odborné posouzení)
• Analýza hlavní příčiny: Identifikujte příčinu vzniku trhliny, abyste zabránili jejímu opětovnému výskytu.
• Úpravy designu: Řešení koncentrací napětí, zlepšení výběru materiálů, úprava provozních podmínek

Preventivní strategie

Fáze návrhu

• Eliminujte ostré rohy a koncentrace napětí
• Při změnách průměru použijte velké poloměry zaoblení
• Specifikujte vhodné materiály pro danou úroveň namáhání a prostředí
• Provést analýzu napětí metodou konečných prvků
• Aplikujte povrchové úpravy (kuličkování, nitridace) pro zlepšení odolnosti proti únavě

Provozní fáze

• Udržujte si dobré kvalita rovnováhy minimalizovat cyklické ohybové namáhání
• Zajistěte přesné zarovnání
• Vyhněte se provozu při kritických rychlostech
• Zabraňte překročení rychlosti
• Kontrolujte tepelné namáhání správným zahříváním/ochlazováním

Fáze údržby

• Pravidelné kontroly s využitím vhodných metod nedestruktivního testování (NDE)
• Programy na sledování vibrací pro detekci včasných příznaků
• Pravidelné vyvažování pro minimalizaci únavového napětí
• Prevence koroze a údržba nátěrů

Trhliny na hřídeli představují jednu z nejzávažnějších potenciálních poruch rotačních strojů. Kombinace monitorování vibrací (k detekci charakteristických 2× podpisů) a pravidelné nedestruktivní kontroly poskytuje nejlepší strategii pro včasnou detekci trhlin, což umožňuje plánovanou údržbu dříve, než dojde ke katastrofickému selhání.

---

← Zpět na hlavní index