Επεξήγηση της κρίσιμης ταχύτητας στη δυναμική του ρότορα

Ορισμός: Τι είναι η κρίσιμη ταχύτητα;

A κρίσιμη ταχύτητα είναι μια ταχύτητα περιστροφής που ταιριάζει με τη φυσική συχνότητα δόνησης ενός ρότορα. Όταν μια μηχανή λειτουργεί σε ή κοντά σε μία από τις κρίσιμες ταχύτητές της, το φαινόμενο αντήχηση Αυτό προκαλεί μια δραματική και συχνά επικίνδυνη ενίσχυση της δόνησης του ρότορα, καθώς ακόμη και μια ελάχιστη ποσότητα υπολειμματικής ανισορροπίας μπορεί να δημιουργήσει τεράστιες φυγοκεντρικές δυνάμεις. Κάθε σύστημα ρότορα έχει πολλαπλές κρίσιμες ταχύτητες, που αντιστοιχούν στους διαφορετικούς τρόπους δόνησης (π.χ., πρώτος τρόπος κάμψης, δεύτερος τρόπος κάμψης, κ.λπ.).

Γιατί είναι τόσο σημαντική η κρίσιμη ταχύτητα;

Η κατανόηση και η διαχείριση κρίσιμων ταχυτήτων είναι μία από τις πιο θεμελιώδεις πτυχές του σχεδιασμού και της ανάλυσης περιστρεφόμενων μηχανημάτων. Η λειτουργία μιας μηχανής σε κρίσιμη ταχύτητα, ακόμη και για μικρό χρονικό διάστημα, μπορεί να είναι καταστροφική. Οι συνέπειες περιλαμβάνουν:

• Υπερβολική δόνηση: Τα πλάτη μπορούν να αυξηθούν κατά 10, 20 ή και περισσότερο, ανάλογα με την απόσβεση του συστήματος.
• Βλάβη εξαρτήματος: Οι υψηλοί κραδασμοί και η παραμόρφωση του άξονα μπορούν να οδηγήσουν σε αστοχία ρουλεμάν, ζημιά στη στεγανοποίηση και τριβές μεταξύ περιστρεφόμενων και ακίνητων μερών.
• Καταστροφική αστοχία άξονα: Σε σοβαρές περιπτώσεις, οι τάσεις κάμψης μπορούν να υπερβούν το όριο κόπωσης του υλικού, προκαλώντας ρωγμή ή σπάσιμο του άξονα.
• Κίνδυνοι ασφαλείας: Μια βλάβη του μηχανήματος σε υψηλή ταχύτητα αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για το προσωπικό και τον περιβάλλοντα εξοπλισμό.

Για αυτούς τους λόγους, τα μηχανήματα σχεδιάζονται πάντα να λειτουργούν με ένα «περιθώριο διαχωρισμού», που σημαίνει ότι η κανονική ταχύτητα λειτουργίας τους διατηρείται σκόπιμα σε ασφαλή απόσταση από τυχόν κρίσιμες ταχύτητες.

Άκαμπτοι έναντι εύκαμπτων ρότορων

Η έννοια της κρίσιμης ταχύτητας είναι αυτό που διακρίνει έναν «άκαμπτο» ρότορα από έναν «εύκαμπτο»:

• Άκαμπτος ρότορας: Ένας ρότορας που λειτουργεί *κάτω* από την πρώτη κρίσιμη ταχύτητά του. Ο άξονάς του δεν υφίσταται σημαντική κάμψη κατά τη λειτουργία. Αυτοί είναι συνήθως πιο αργοί, πιο στιβαροί ρότορες.
• Εύκαμπτος ρότορας: Ένας ρότορας που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί *πάνω* από την πρώτη (και μερικές φορές τη δεύτερη ή τρίτη) κρίσιμη ταχύτητά του. Ο άξονάς του θα κάμπτεται και θα λυγίζει καθώς διέρχεται από τις κρίσιμες ταχύτητες κατά την εκκίνηση και την απενεργοποίηση. Οι λεπτοί ρότορες υψηλής ταχύτητας, όπως αυτοί στις τουρμπίνες και τους συμπιεστές, είναι εύκαμπτοι ρότορες.

Διαχείριση κρίσιμων ταχυτήτων στη λειτουργία του μηχανήματος

Δεδομένου ότι συχνά δεν είναι πρακτικό να σχεδιαστεί μια μηχανή υψηλής ταχύτητας που παραμένει κάτω από την πρώτη κρίσιμη ταχύτητά της, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν διάφορες στρατηγικές για να τις διαχειριστούν:

1. Περιθώριο Διαχωρισμού

Η πιο συνηθισμένη στρατηγική είναι να διασφαλιστεί ότι η συνεχής ταχύτητα λειτουργίας του μηχανήματος δεν είναι πολύ κοντά σε κάποια κρίσιμη ταχύτητα. Ένα τυπικό περιθώριο διαχωρισμού είναι ±20-30%. Για παράδειγμα, εάν μια κρίσιμη ταχύτητα είναι στις 3.000 σ.α.λ., το μηχάνημα δεν πρέπει να λειτουργεί συνεχώς μεταξύ 2.400 σ.α.λ. και 3.600 σ.α.λ.

2. Ταχεία επιτάχυνση/επιβράδυνση

Για τους εύκαμπτους ρότορες που πρέπει να περάσουν από κρίσιμες ταχύτητες, οι διαδικασίες εκκίνησης και τερματισμού λειτουργίας έχουν σχεδιαστεί για να περνούν από τα κρίσιμα εύρη ταχυτήτων το συντομότερο δυνατό. Η παραμονή σε κρίσιμη ταχύτητα επιτρέπει στα πλάτη των κραδασμών να αυξηθούν σε επικίνδυνα επίπεδα. Μια γρήγορη διέλευση ελαχιστοποιεί τον χρόνο που απαιτείται για να συμβεί αυτή η ενίσχυση.

3. Απόσβεση

Η απόσβεση είναι η διάχυση της ενέργειας των κραδασμών και είναι αυτή που περιορίζει το πλάτος της κορυφής στον συντονισμό. Τα ρουλεμάν, ειδικά τα ρουλεμάν με ρευστή μεμβράνη, αποτελούν κύρια πηγή απόσβεσης στα συστήματα ρότορα. Βελτιστοποιώντας τον σχεδιασμό των ρουλεμάν, οι μηχανικοί μπορούν να ελέγξουν την κορυφή των κραδασμών στην κρίσιμη ταχύτητα σε ένα ασφαλές και διαχειρίσιμο επίπεδο.

4. Ακριβής εξισορρόπηση

Η δόνηση σε κρίσιμη ταχύτητα είναι μια ενισχυμένη απόκριση στην ανισορροπία. Όσο καλύτερα είναι ισορροπημένος ένας ρότορας, τόσο μικρότερη θα είναι η συνάρτηση εξαναγκασμού και, επομένως, τόσο χαμηλότερη θα είναι η μέγιστη δόνηση καθώς διέρχεται από την κρίσιμη ταχύτητα. Για τους εύκαμπτους ρότορες, απαιτούνται ειδικές τεχνικές εξισορρόπησης πολλαπλών επιπέδων.

Πώς αναγνωρίζονται οι κρίσιμες ταχύτητες;

Οι κρίσιμες ταχύτητες προσδιορίζονται χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους:

• Δυναμική Ανάλυση Ρότορα (RDA): Τα υπολογιστικά μοντέλα (συχνά χρησιμοποιώντας Ανάλυση Πεπερασμένων Στοιχείων) δημιουργούνται κατά τη φάση σχεδιασμού για την πρόβλεψη των κρίσιμων ταχυτήτων και των σχημάτων λειτουργίας ενός ρότορα.
• Δοκιμές επιτάχυνσης/καθόδου με νεκρά: Η πιο συνηθισμένη πειραματική μέθοδος. Το πλάτος και η φάση της δόνησης απεικονίζονται γραφικά σε σχέση με την ταχύτητα καθώς μια μηχανή ξεκινά ή απενεργοποιείται. Μια κρίσιμη ταχύτητα αναγνωρίζεται από μια διακριτή κορυφή πλάτους που συνοδεύεται από μια χαρακτηριστική μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Αυτές οι δοκιμές δημιουργούν διαγνωστικά γραφήματα όπως το Οικόπεδο Μπόντε και Οικόπεδο καταρράκτη.
• Δοκιμή πρόσκρουσης (Δοκιμή πρόσκρουσης): Το χτύπημα του ρότορα με ένα σφυρί με όργανα όταν βρίσκεται σε ηρεμία μπορεί να διεγείρει τις φυσικές του συχνότητες, οι οποίες αντιστοιχούν στις κρίσιμες ταχύτητες.

← Επιστροφή στο Κύριο Ευρετήριο