Pochopení vibrací hřídele v rotačních strojích

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

Kompletní sada pro vibrační diagnostiku a vyvažování od společnosti Vibromera, včetně čtyř vibračních senzorů s kabely, modulu signálního rozhraní, laserového otáčkoměru s magnetickým stojanem, digitální váhy, USB kabelu a přepravního kufříku. Systém je určen pro vyvažování rotorů a monitorování stavu průmyslových zařízení.

Zařízení

Magnetický stojan Insize-60-kgf

Díly

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

Definice: Co je to Shaft Whip?

Bič hřídele (také nazývané olejový šleh, pokud se vyskytuje v hydrodynamických ložiskách) je závažnou formou nestabilita rotoru charakterizováno násilným samobuzené vibrace k čemuž dochází, když rotor pracující v kluzných ložiskách překročí kritickou prahovou rychlost, obvykle přibližně dvojnásobek první rychlosti kritická rychlost. Jakmile dojde k vibraci, vibrační frekvence se “zablokuje” na prvním místě rotoru. přirozená frekvence a zůstává tam bez ohledu na další zvyšování rychlosti, s amplitudou omezenou pouze vůlemi ložisek nebo katastrofickou poruchou.

Vibrační kmitání hřídele je jedním z nejnebezpečnějších stavů u vysokorychlostních rotačních strojů, protože se objevuje náhle, během několika sekund narůstá do destruktivních amplitud a nelze jej napravit... vyvažování nebo jinými konvenčními metodami. Vyžaduje okamžité odstavení a úpravy ložiskového systému, aby se zabránilo opakování.

Postup: Olejový vír k shaftovému bičíku

Fáze 1: Stabilní provoz

Rotor pracuje pod prahem nestability
Pouze normální vynucené vibrace z nevyváženost současnost
Ložiskový olejový film poskytuje stabilní oporu

Fáze 2: Začátek olejového víru

Jakmile se rychlost zvýší přibližně na dvojnásobek první kritické rychlosti:

Olejový vír vyvíjí se – subsynchronní vibrace při ~0,43–0,48× otáčky hřídele
Amplituda je zpočátku střední a závislá na rychlosti
Frekvence se úměrně zvyšuje s otáčkami hřídele
Může být přerušované nebo nepřetržité
Může koexistovat s normálními vibracemi 1X z nevyváženosti

Fáze 3: Přechod bičem

Když se frekvence olejového víru zvýší na úroveň odpovídající první vlastní frekvenci:

Uzamčení frekvence: Frekvence vibrací se uzamkne na vlastní frekvenci
Rezonanční zesílení: Amplituda dramaticky roste kvůli rezonance
Náhlý nástup: Přechod z víru na bič může být okamžitý
Nezávislost na rychlosti: Další zvýšení rychlosti nemění frekvenci, pouze amplitudu

Fáze 4: Poškození hřídele (kritický stav)

Vibrace s konstantní frekvencí (první vlastní frekvence, typicky 40–60 Hz)
Amplituda 5–20krát vyšší než normální vibrace nevyváženosti
Hřídel se může dotýkat mezí vůle ložiska
Rychlé ohřev ložisek a oleje
Potenciál katastrofického selhání během několika minut, pokud nebude zařízení vypnuto

Fyzikální mechanismus

Jak se vyvíjí olejový bič

Mechanismus zahrnuje dynamiku tekutin v olejovém filmu ložiska:

Tvorba ropného klínu: Při otáčení hřídele se olej táhne kolem ložiska a vytváří se tak tlakový klín.
Tangenciální síla: Olejový klín působí silou kolmou k radiálnímu směru (tangenciální)
Pohyb po oběžné dráze: Tangenciální síla způsobuje, že střed hřídele se otáčí přibližně poloviční rychlostí hřídele.
Získávání energie: Systém odebírá energii z rotace hřídele pro udržení orbitálního pohybu
Rezonanční zámek: Když se frekvence oběžné dráhy shoduje s vlastní frekvencí, rezonance zesiluje vibrace
Mezní cyklus: Vibrace se zvyšují, dokud nejsou omezeny vůlí ložiska nebo selháním.

Diagnostická identifikace

Vibrační podpis

Vibrační švih hřídele vytváří charakteristické vzorce v datech o vibracích:

Spektrum: Velký vrchol na subsynchronní frekvenci (první vlastní frekvence), konstantní bez ohledu na změny rychlosti
Vodopádový pozemek: Subsynchronní složka se jeví jako svislá čára (konstantní frekvence) spíše než diagonální (úměrná rychlosti)
Analýza objednávky: Zlomkový řád, který se snižuje se zvyšující se rychlostí (např. se mění z 0,5× na 0,4× až 0,35×)
Obíhat: Velká kruhová nebo eliptická dráha s vlastní frekvencí

Rychlost nástupu

Typická prahová hodnota: 2,0–2,5× první kritická rychlost
Závislé na ložisku: Konkrétní prahová hodnota se liší v závislosti na konstrukci ložiska, předpětí a viskozitě oleje.
Náhlý nástup: Malé zvýšení rychlosti může vyvolat rychlý přechod ze stabilního stavu do nestabilního stavu

Preventivní strategie

Úpravy konstrukce ložisek

1. Ložiska s naklápěcími destičkami

Nejúčinnější řešení pro prevenci šlehání hřídele
Destičky se otáčejí nezávisle, čímž se eliminují destabilizující křížové spřažení
Inherentně stabilní v širokém rozsahu rychlostí
Průmyslový standard pro vysokorychlostní turbínové stroje

2. Ložiska tlakové hráze

Modifikované válcové ložisko s drážkami nebo přepážkami
Zvyšuje efektivní tlumení a tuhost
Levnější než naklápěcí podložka, ale méně účinná

3. Předpětí ložiska

Aplikace radiálního předpětí na ložiska zvyšuje tuhost
Zvyšuje prahovou rychlost pro případ nestability
Lze dosáhnout provedením s odsazenými otvory

4. Tlumiče z fólie

Vnější tlumicí prvek obklopující ložisko
Poskytuje dodatečné tlumení bez změny konstrukce ložiska
Účinné pro dodatečné instalace

Provozní opatření

Omezení rychlosti: Omezte maximální provozní rychlost pod prahovou hodnotu (obvykle < 1,8× první kritická)
Řízení zátěže: Pokud je to možné, pracujte s vyšším zatížením ložisek (zvyšuje se tlumení)
Regulace teploty oleje: Nižší teplota oleje zvyšuje viskozitu a tlumení
Monitorování: Nepřetržité monitorování vibrací s nastavením alarmů pro subsynchronní komponenty

Důsledky a škody

Okamžité účinky

Prudké vibrace: Amplitudy mohou dosáhnout několika milimetrů (stovek mil)
Hluk: Hlasitý, charakteristický zvuk odlišný od běžného provozu
Rychlé ohřev ložiska: Teplota ložisek může během několika minut vzrůst o 20–50 °C
Degradace oleje: Vysoké teploty a střihové namáhání degradují mazivo

Potenciální selhání

Utírání ložiska: Materiál ložiska se roztaví a setře se
Poškození hřídele: Odřeniny, zadření nebo trvalé ohnutí
Selhání těsnění: Nadměrný pohyb hřídele ničí těsnění
Zlomení hřídele: Vysokocyklová únava z prudkého kmitání
Poškození spojky: Přenášené síly poškozují spojky

Související jevy

Olejový vír

Olejový vír je předchůdcem bičování:

Stejný mechanismus, ale frekvence se nefixovala na přirozenou frekvenci
Méně závažná amplituda
Frekvence úměrná rychlosti (~0,43–0,48×)
V některých aplikacích může být tolerovatelné

Parní vír

Podobná nestabilita v parních turbínách způsobená aerodynamickými silami v labyrintových těsněních spíše než olejovými filmy ložisek. Vykazuje podobné subsynchronní vibrace uzamčené na vlastní frekvenci.

Suchý třecí bič

Může se vyskytnout v místech těsnění nebo v důsledku kontaktu rotoru a statoru:

Třecí síly zajišťují destabilizační mechanismus
Méně časté než olejový bič, ale stejně nebezpečné
Vyžaduje odlišný nápravný přístup (eliminace kontaktu, zlepšení konstrukce těsnění)

Případová studie: Vibrační vlna hřídele kompresoru

Scénář: Vysokorychlostní odstředivý kompresor s kluznými válcovými ložisky

Normální provoz: 12 000 ot./min s vibracemi 2,5 mm/s
Zvýšení rychlosti: Otáčky operátora se zvýšily na 13 500 ot./min pro vyšší kapacitu
Počátek: Při 13 200 otáčkách za minutu se objevily náhlé silné vibrace
Příznaky: Vibrace 25 mm/s při 45 Hz (konstantní), teplota ložiska vzrostla ze 70 °C na 95 °C za 3 minuty
Nouzové opatření: Okamžité vypnutí zabránilo selhání ložiska
Hlavní příčina: První kritické otáčky byly 2700 ot./min (45 Hz); prahová hodnota tření při 2× kritických otáčkách = 5400 ot./min byla překročena
Řešení: Kluzná ložiska nahrazena ložisky s naklápěcími destičkami, což umožňuje bezpečný provoz až do 15 000 otáček za minutu

Standardy a praxe v oboru

API 684: Vyžaduje analýzu stability pro vysokorychlostní turbínové stroje
API 617: Specifikuje typy ložisek a požadavky na stabilitu kompresorů
Norma ISO 10814: Poskytuje pokyny k výběru ložiska pro stabilitu
Praxe v oboru: Standardní ložiska s naklápěcími destičkami pro zařízení pracující při rychlosti nad 2× první kritické otáčky

Vibrační kmitání hřídele představuje katastrofální poruchu, které je třeba předcházet správným výběrem a konstrukcí ložiska. Rozpoznání jeho charakteristického subsynchronního, frekvenčně vázaného vibračního podpisu umožňuje rychlou diagnostiku a vhodnou reakci na nouzové situace, čímž se zabrání nákladnému poškození kritického vysokorychlostního rotačního zařízení.

← Zpět na hlavní index

Co je to vibrační chvění hřídele? Vysvětlení závažné nestability rotoru

Publikováno uživatelem admin dne Říjen 31, 2025 Říjen 31, 2025