سرعت بحرانی در دینامیک روتور توضیح داده شده است

تعریف: سرعت بحرانی چیست؟

آ سرعت بحرانی سرعت چرخشی است که با فرکانس طبیعی ارتعاش روتور مطابقت دارد. وقتی یک ماشین در یکی از سرعت‌های بحرانی یا نزدیک به آن کار می‌کند، پدیده ... رزونانس رخ می‌دهد. این امر باعث تقویت چشمگیر و اغلب خطرناک ارتعاش روتور می‌شود، زیرا حتی مقدار کمی عدم تعادل باقیمانده می‌تواند نیروهای گریز از مرکز عظیمی ایجاد کند. هر سیستم روتور دارای سرعت‌های بحرانی متعددی است که مربوط به حالت‌های مختلف ارتعاش آن است (مثلاً حالت خمش اول، حالت خمش دوم و غیره).

چرا سرعت بحرانی بسیار مهم است؟

درک و مدیریت سرعت‌های بحرانی یکی از اساسی‌ترین جنبه‌های طراحی و تحلیل ماشین‌آلات دوار است. کار کردن با یک ماشین در سرعت بحرانی، حتی برای مدت کوتاهی، می‌تواند فاجعه‌بار باشد. عواقب آن شامل موارد زیر است:

• لرزش بیش از حد: بسته به میرایی سیستم، دامنه‌ها می‌توانند تا ضریب 10، 20 یا حتی بیشتر افزایش یابند.
• خرابی قطعه: ارتعاش زیاد و انحراف شفت می‌تواند منجر به خرابی یاتاقان، آسیب به آب‌بند و سایش بین قطعات چرخان و ثابت شود.
• خرابی فاجعه‌بار شفت: در موارد شدید، تنش‌های خمشی می‌توانند از حد خستگی ماده فراتر روند و باعث ترک خوردن یا شکستن شفت شوند.
• خطرات ایمنی: خرابی دستگاه در سرعت بالا، خطر قابل توجهی را برای پرسنل و تجهیزات اطراف آن ایجاد می‌کند.

به همین دلایل، ماشین‌آلات همیشه طوری طراحی می‌شوند که با یک «حاشیه جداسازی» کار کنند، به این معنی که سرعت عادی کارکرد آنها عمداً در فاصله‌ای ایمن از هرگونه سرعت بحرانی نگه داشته می‌شود.

روتورهای صلب در مقابل روتورهای انعطاف‌پذیر

مفهوم سرعت بحرانی چیزی است که یک روتور «صلب» را از یک روتور «انعطاف‌پذیر» متمایز می‌کند:

• روتور صلب: روتوری که *زیر* سرعت بحرانی اول خود کار می‌کند. شفت آن در حین کار خمیدگی قابل توجهی ندارد. این روتورها معمولاً کندتر و محکم‌تر هستند.
• روتور انعطاف‌پذیر: روتوری که برای کار در *بالاتر* از سرعت بحرانی اول (و گاهی دوم یا سوم) خود طراحی شده است. شفت آن هنگام عبور از سرعت‌های بحرانی در هنگام راه‌اندازی و خاموش شدن، خم و راست می‌شود. روتورهای باریک و پرسرعت مانند روتورهای توربین‌ها و کمپرسورها، روتورهای انعطاف‌پذیر هستند.

مدیریت سرعت‌های بحرانی در عملیات ماشین‌آلات

از آنجایی که اغلب طراحی یک ماشین پرسرعت که زیر اولین سرعت بحرانی خود باقی بماند، عملی نیست، مهندسان از چندین استراتژی برای مدیریت آنها استفاده می‌کنند:

۱. حاشیه جدایی

رایج‌ترین استراتژی این است که اطمینان حاصل شود سرعت عملیاتی مداوم دستگاه خیلی نزدیک به هیچ سرعت بحرانی نباشد. یک حاشیه جداسازی معمول ±20-30% است. به عنوان مثال، اگر سرعت بحرانی 3000 دور در دقیقه باشد، دستگاه نباید به طور مداوم بین 2400 دور در دقیقه و 3600 دور در دقیقه کار کند.

۲. شتاب/کاهش سرعت سریع

برای روتورهای انعطاف‌پذیر که باید از سرعت‌های بحرانی عبور کنند، رویه‌های راه‌اندازی و خاموش شدن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در اسرع وقت از محدوده‌های سرعت بحرانی عبور کنند. ماندن در سرعت بحرانی باعث می‌شود دامنه‌های ارتعاش به سطوح خطرناکی برسند. عبور سریع از این سرعت، زمان لازم برای وقوع این تشدید را به حداقل می‌رساند.

۳. میرایی

میرایی اتلاف انرژی ارتعاشی است و چیزی است که دامنه اوج را در رزونانس محدود می‌کند. یاتاقان‌ها، به ویژه یاتاقان‌های لایه سیال، منبع اصلی میرایی در سیستم‌های روتور هستند. با بهینه‌سازی طراحی یاتاقان، مهندسان می‌توانند اوج ارتعاش را در سرعت بحرانی تا سطح ایمن و قابل کنترل کنترل کنند.

۴. بالانس دقیق

ارتعاش در سرعت بحرانی، پاسخی تشدید شده به عدم تعادل است. هرچه روتور بهتر متعادل باشد، تابع نیروی وارده کمتر خواهد بود و بنابراین اوج ارتعاش هنگام عبور از سرعت بحرانی کمتر خواهد بود. برای روتورهای انعطاف‌پذیر، تکنیک‌های متعادل‌سازی چند صفحه‌ای خاصی مورد نیاز است.

سرعت‌های بحرانی چگونه شناسایی می‌شوند؟

سرعت‌های بحرانی با استفاده از چندین روش شناسایی می‌شوند:

• تحلیل دینامیکی روتور (RDA): مدل‌های کامپیوتری (اغلب با استفاده از تحلیل اجزای محدود) در طول مرحله طراحی ایجاد می‌شوند تا سرعت‌های بحرانی و شکل‌های مد یک روتور را پیش‌بینی کنند.
• آزمایش‌های بالا آمدن/پایین آمدن از سطح آب: رایج‌ترین روش تجربی. دامنه و فاز ارتعاش در هنگام روشن یا خاموش شدن ماشین، بر حسب سرعت رسم می‌شوند. سرعت بحرانی با یک پیک مشخص در دامنه همراه با یک تغییر فاز ۱۸۰ درجه‌ای مشخص مشخص می‌شود. این آزمایش‌ها نمودارهای تشخیصی مانند زیر ایجاد می‌کنند. طرح بود and قطعه زمین آبشار.
• تست ضربه (تست ضربه): ضربه زدن به روتور با یک چکش مجهز به ابزار دقیق در حالت سکون می‌تواند فرکانس‌های طبیعی آن را که مطابق با سرعت‌های بحرانی هستند، تحریک کند.

← بازگشت به فهرست اصلی