Rootori dünaamika kriitiline kiirus on selgitatud

Definitsioon: Mis on kriitiline kiirus?

A kriitiline kiirus on pöörlemiskiirus, mis vastab rootori loomulikule vibratsioonisagedusele. Kui masin töötab ühel oma kriitilisel kiirusel või selle lähedal, siis ilmneb nähtus resonants toimub. See põhjustab rootori vibratsiooni dramaatilise ja sageli ohtliku võimendumise, kuna isegi väike kogus jääktasakaalustamatust võib tekitada tohutuid tsentrifugaaljõude. Igal rootorisüsteemil on mitu kriitilist kiirust, mis vastavad selle erinevatele vibratsioonirežiimidele (nt esimene painutusrežiim, teine painutusrežiim jne).

Miks on kriitiline kiirus nii oluline?

Kriitiliste kiiruste mõistmine ja haldamine on pöörlevate masinate projekteerimise ja analüüsi üks olulisemaid aspekte. Masina töötamine kriitilisel kiirusel isegi lühikest aega võib olla katastroofiline. Tagajärjed on järgmised:

• Liigne vibratsioon: Amplituudid võivad süsteemi summutusest olenevalt suureneda 10, 20 või isegi rohkem korda.
• Komponendi rike: Suur vibratsioon ja võlli läbipaine võivad põhjustada laagrite rikkeid, tihendite kahjustusi ja hõõrdumist pöörlevate ja paigalseisvate osade vahel.
• Katastroofiline võlli rike: Rasketel juhtudel võivad paindepinged ületada materjali väsimuspiiri, põhjustades võlli pragunemist või purunemist.
• Ohutusriskid: Masina rike suurel kiirusel kujutab endast märkimisväärset ohtu personalile ja ümbritsevatele seadmetele.

Nendel põhjustel on masinad alati projekteeritud töötama nn eraldusmarginaaliga, mis tähendab, et nende tavapärast töökiirust hoitakse tahtlikult ohutus kauguses kriitilistest kiirustest.

Jäigad vs. painduvad rootorid

Kriitilise kiiruse mõiste eristab "jäika" rootorit "painduvast" rootorist:

• Jäik rootor: Rootor, mis töötab *alla* oma esimese kriitilise kiiruse. Selle võll ei paindu töötamise ajal märkimisväärselt. Need on tavaliselt aeglasemad ja jämedamad rootorid.
• Paindlik rootor: Rootor, mis on konstrueeritud töötama *üle* oma esimese (ja mõnikord ka teise või kolmanda) kriitilise kiiruse. Selle võll paindub ja paindub kriitiliste kiiruste ületamisel käivitamise ja seiskamise ajal. Kiired ja peenikesed rootorid, nagu näiteks turbiinides ja kompressorites, on painduvad rootorid.

Kriitiliste kiiruste haldamine masina töötamisel

Kuna kiire masina projekteerimine, mis jääb alla oma esimese kriitilise kiiruse, pole sageli otstarbekas, kasutavad insenerid nende haldamiseks mitmeid strateegiaid:

1. Eraldusmarginaal

Kõige levinum strateegia on tagada, et masina pidev töökiirus ei oleks liiga lähedal kriitilisele kiirusele. Tüüpiline eraldusmarginaal on ±20-30%. Näiteks kui kriitiline kiirus on 3000 p/min, ei tohiks masinat pidevalt töötada kiirusevahemikus 2400–3600 p/min.

2. Kiire kiirendus/aeglustus

Paindlike rootorite puhul, mis peavad läbima kriitilisi kiirusi, on käivitamis- ja seiskamisprotseduurid kavandatud nii, et kriitiline kiirusvahemik läbitaks võimalikult kiiresti. Kriitilisel kiirusel püsimine võimaldab vibratsiooni amplituudidel kasvada ohtliku tasemeni. Kiire läbimine minimeerib selle võimenduse tekkimise aega.

3. Summutus

Summutus on vibratsioonienergia hajumine ja see piirab resonantsi tipp-amplituudi. Laagrid, eriti kilelaagrid, on rootorisüsteemides peamine summutuse allikas. Laagri konstruktsiooni optimeerimise abil saavad insenerid kriitilise kiiruse vibratsioonitipu ohutule ja hallatavale tasemele viia.

4. Täppistasakaalustamine

Kriitilisel kiirusel tekkiv vibratsioon on võimendatud reaktsioon tasakaalustamatusele. Mida paremini on rootor tasakaalustatud, seda väiksem on sundfunktsioon ja seetõttu on kriitilise kiiruse läbimisel vibratsiooni tippväärtus madalam. Paindlike rootorite puhul on vaja spetsiaalseid mitmetasandilisi tasakaalustamistehnikaid.

Kuidas kriitilisi kiirusi tuvastatakse?

Kriitiliste kiiruste määramine toimub mitmel viisil:

• Rootori dünaamiline analüüs (RDA): Rootori kriitiliste kiiruste ja moodikujude ennustamiseks luuakse projekteerimisfaasis arvutimudelid (sageli lõplike elementide analüüsi abil).
• Käivitus-/mahajooksukatsed: Kõige levinum eksperimentaalne meetod. Vibratsiooni amplituud ja faas joonistatakse kiiruse suhtes masina käivitamisel või seiskumisel. Kriitiline kiirus määratakse amplituudi selge tipphetke järgi, millega kaasneb iseloomulik 180-kraadine faasinihe. Need testid genereerivad diagnostilisi graafikuid, näiteks Bode'i graafik ja Juga krunt.
• Löögitestimine (löögitest): Rootori löömine instrumenteeritud haamriga puhkeolekus võib ergastada selle loomulikke sagedusi, mis vastavad kriitilistele kiirustele.

← Tagasi põhiindeksi juurde