Rootori dünaamika kriitiline kiirus on selgitatud
A kriitiline kiirus on pöörlemiskiirus, mille juures rootori töösagedus langeb kokku ühega tema omasagedused vibratsiooni. Kui masin töötab kriitilisel kiirusel või selle lähedal, resonants võtab võimust ja isegi mikroskoopiline kogus jääktasakaalustamatus suureneb suureks, potentsiaalselt ohtlikuks vibratsioon. Kuna igal rootoril on mitu omavõnkesagedust – üks iga võnkeviisi kohta, näiteks esimene paindeviis, teine paindeviis jne –, on tal ka mitu kriitilist pöörlemiskiirust. Nende kiiruste ennustamine, neist eemale hoidmine ja nende ohutu ületamine on üks kesksetest probleemidest rootori dünaamika.
1. Mõiste: mis on kriitiline kiirus?
Pöörlev rootor on sisuliselt massi ja jäikuse süsteem ning nagu igal sellisel süsteemil, on tal eelistatud sagedused, millel ta kõige meelsamini vibreerib. Töökiirus tekitab tasakaalustamatuse tõttu ühe sundsignaali ühe pöörde kohta. Kui töökiirus vastab omavõnkesagedusele, langeb see sundsignaal täpselt kokku rootori enda võnkumisega, energia koguneb tsükli järel tsüklile ja amplituud kasvab järsult. See kokkulangemispunkt on kriitiline kiirus.
Kuju, mille rootor võtab, kui see pöörleb kriitilisel kiirusel, on selle režiimi kuju, ning sellest tekkiv külgsuunaline pöörlev liikumine kuulub käitumisviiside rühma, mida kirjeldatakse allpool whirl and whip. Oluline on see, et kriitiline kiirus ei ole tasakaalustamatuse omadus – tasakaalustamatus on lihtsalt excites See. Kiirus sõltub rootori massist, geomeetriast ning rootori võlli ja tugede jäikusest.
2. Miks kriitiline kiirus on nii oluline
Masina kasutamine kriitilisel kiirusel, isegi lühiajaliselt, võib kaasa tuua katastroofilisi tagajärgi. Tagajärjed on järgmised:
- Liigne vibratsioon: amplituudid võivad suureneda 10-, 20- või isegi enamkordselt, sõltuvalt sellest, kui palju summutamine süsteemil on.
- Komponendi rike: kõrge vibratsioon ja võlli läbipaine põhjustavad laagri rikkeid, tihendi kahjustusi ja hõõrub pöörlevate ja paiksetes osade vahel.
- Šahti katastroofiline rike: rasketel juhtudel ületab vahelduv paindepinge materjali väsimuspiiri, mille tagajärjel tekivad võllile praod või see murdub.
- Ohud ohutusel: Rikke tekkimine suurel kiirusel ohustab personali ja lähedal asuvaid seadmeid.
Kõigi nende põhjuste tõttu on masinad projekteeritud teadlikult eraldusruum: tavaline pidev töökäik hoitakse ohutus kauguses igast kriitilisest kiirusest.
3. Jäigad ja paindlikud rootorid
Kriitiline kiirus on just see mõiste, mis jagab rootorid kahte rühma:
- Rigid rotor: operates allpool oma esimese kriitilise kiiruse. Selle võll ei painu töötamisel märkimisväärselt — tavaliselt aeglasemad, jämedamad masinad, mis on tasakaalustatud ISO 21940-11 tolerances.
- Flexible rotor: kujundatud töötama above oma esimese (ja mõnikord ka teise või kolmanda) kriitilise kiiruse. Selle võll paindub ja kõverdub, kui see käivitamisel ja seiskamisel läbib iga kriitilise kiiruse. Turbiinide ja kompressorite peenikesed, suure kiirusega rootorid on paindlikud rootorid ning need nõuavad mitme tasapinna tasakaalustamine käsitletud meetodid ISO 21940-12.
4. Kriitiliste kiiruste juhtimine töötamisel
Kuna on sageli ebapraktiline konstrueerida kiirmasinat, mis püsiks alla oma esimese kriitilise pöörlemiskiiruse, kasutavad insenerid mitmeid strateegiaid, et tagada nende ohutu kasutamine.
4.1 Eraldusvaru
Kõige põhilisem reegel on hoida pidev töökäik eemal kriitilisest pöörlemiskiirusest, jättes tavaliselt ±20–30% varu. Kui kriitiline pöörlemiskiirus on 3000 p/min, ei tohiks masin töötada pidevalt vahemikus umbes 2400–3600 p/min.
4.2 Kiire kiirendus ja aeglustumine
Paindlikud rootorid, mis peavad ületama kriitilise pöörlemiskiiruse, kiirendatakse üles ja peatatakse kiiresti ohtliku kiiruse vahemikus. Kriitilisel kiirusel viivitamine võimaldab amplituudil kasvada ohtlikule tasemele; kiire läbimine ei anna resonantsile aega tekkida.
4.3 Damping
Summutamine hajutab vibratsioonienergiat ja piirab resonantsi korral amplituudi maksimumväärtust. Laagrid – eriti vedelikukilega liuglaagrid — on peamine summutuse allikas; vajaduse korral lisavad summutust veel ka survekile-summutid. Laagrite konstruktsiooni optimeerimine hoiab kriitilise pöörlemiskiiruse tippväärtuse ohutul ja kontrollitaval tasemel.
4.4 Täppisbalansseerimine
Kuna vibratsioon kriitilisel pöörlemiskiirusel on tasakaalustamatuse võimendatud reaktsioon, siis mida paremini on rootor tasakaalustatud, seda väiksem on selle sundfunktsioon ja seda madalam on selle amplituudi tippväärtus resonantsi läbimisel. Paindlike rootorite puhul käsitlevad modaal- ja mitmetasandilised meetodid iga režiimi eraldi.
5. Kuidas määratakse kindlaks kriitilised kiirused
Kriitilised kiirused selguvad nii paberil kui ka katsetamisel:
- Rotori dünaamiline analüüs (RDA): Projekteerimisetapis loodud lõplike elementide mudelid ennustavad kriitilisi pöörlemiskiirusi ja võnkevorme enne metalli lõikamist. Meie Rootori kriitilise kiiruse kalkulaator annab varajase hinnangu võlli madalaima kriitilise pöörlemiskiiruse kohta, lähtudes selle geomeetriast ja tugipunktidest.
- Kiirendamis- ja vabajooksukatsed: kõige levinum katsemeetod, mille puhul joonistatakse kiiruse funktsioonina amplituud ja faas run-up või Rannikualune. Kriitiline kiirus ilmneb selge amplituuditippuna, millega kaasneb iseloomulik 180° faas vahetus, kuvatakse Bode'i graafik või juga krunt.
- Löögikindluse (kokkupõrke) katsetamine: kui tabada paigalseisvat rootorit mõõteaparatuuriga varustatud haamriga, tekitatakse selle omavõnkesagedused, mis vastavad selle kriitilistele pöörlemiskiirustele – vt Tõmbetest.
Erinevatel pöörlemiskiirustel töötavate masinate puhul on ergutusjärkude ja omavõnkesageduste vahelist seost kõige paremini näha Campbelli diagramm; saate ristmikke kiiresti kaardistada, kasutades Campbelli diagrammi kalkulaator.
6. Marginaali kinnitamine väljal
Kriitilise kiiruse ennustamine on vaid pool tööst; teine pool on veenduda, et tegelik masin käitub ennustatult. Kahekanaliline kaasaskantav analüsaator, nagu näiteks Balanset-1A salvestab käivitamisel või seiskumisel 1× amplituudi ja faasi sõltuvuse pöörlemiskiirusest, mistõttu on võimalik graafikult vahetult välja lugeda kriitilise pöörlemiskiiruse tegelik asukoht ja resonantsipiigi kõrgus. Kui andmed näitavad, et masin töötab liiga lähedal kriitilisele pöörlemiskiirusele, võimaldab sama seade teha kohapeal tasakaalustamist, mis vähendab sundfunktsiooni ja tasandab piiki – võimaldades teil kontrollida laagrite eraldusvaru, milles rootor tegelikult töötab.
