درک پدیده شلاقی شفت در ماشین‌آلات دوار
تعریف: شلاق شفت چیست؟
شلاق شفت (که در صورت بروز در یاتاقان‌های هیدرودینامیکی، شلاق روغن نیز نامیده می‌شود) نوع شدیدی از ناپایداری روتور با خشونت مشخص می‌شود ارتعاش خود برانگیخته این اتفاق زمانی می‌افتد که روتوری که در یاتاقان‌های لایه سیال کار می‌کند، از سرعت آستانه بحرانی، معمولاً حدود دو برابر سرعت اولیه، فراتر رود. سرعت بحرانی. وقتی پدیده شلاق رخ می‌دهد، فرکانس ارتعاش روی اولین فرکانس روتور “قفل” می‌شود. فرکانس طبیعی و صرف نظر از افزایش بیشتر سرعت، در آنجا باقی می‌ماند و دامنه آن تنها توسط لقی یاتاقان‌ها یا خرابی فاجعه‌بار محدود می‌شود.
شلاقی شدن شفت یکی از خطرناک‌ترین شرایط در ماشین‌آلات دوار با سرعت بالا است زیرا به طور ناگهانی ایجاد می‌شود، در عرض چند ثانیه به دامنه‌های مخرب می‌رسد و نمی‌توان آن را با روش‌های دیگر اصلاح کرد. متعادل کردن یا سایر روش‌های مرسوم. برای جلوگیری از تکرار، نیاز به خاموش کردن فوری و اصلاح سیستم یاتاقان است.
پیشرفت: چرخش روغن تا شلاق شفت
مرحله ۱: عملکرد پایدار
- روتور زیر آستانه ناپایداری کار می‌کند
- فقط ارتعاش اجباری عادی از عدم تعادل حاضر
- فیلم روغن یاتاقان، پشتیبانی پایداری را فراهم می‌کند
مرحله ۲: شروع چرخش روغن
با افزایش سرعت از تقریباً ۲ برابر سرعت بحرانی اول:
- چرخش روغن ایجاد می‌شود—لرزش زیرسنکرون در سرعت شفت حدود ۰.۴۳ تا ۰.۴۸ برابر
- دامنه در ابتدا متوسط و وابسته به سرعت است
- فرکانس متناسب با سرعت شفت افزایش می‌یابد
- ممکن است متناوب یا مداوم باشد
- می‌تواند با ۱ برابر لرزش طبیعی ناشی از عدم تعادل همزیستی داشته باشد
مرحله ۳: گذار شلاقی
وقتی فرکانس چرخش روغن افزایش می‌یابد تا با اولین فرکانس طبیعی مطابقت داشته باشد:
- قفل فرکانسی: فرکانس ارتعاش در فرکانس طبیعی قفل می‌شود
- تقویت رزونانس: دامنه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد به دلیل رزونانس
- شروع ناگهانی: انتقال از چرخش به شلاق می‌تواند آنی باشد
- استقلال سرعت: افزایش بیشتر سرعت، فرکانس را تغییر نمی‌دهد، فقط دامنه را تغییر می‌دهد
مرحله ۴: شلاق شفت (وضعیت بحرانی)
- ارتعاش در فرکانس ثابت (اولین فرکانس طبیعی، معمولاً ۴۰-۶۰ هرتز)
- دامنه ۵ تا ۲۰ برابر بیشتر از ارتعاش ناشی از عدم تعادل طبیعی
- ممکن است شفت با محدودیت‌های لقی یاتاقان تماس پیدا کند
- گرم شدن سریع یاتاقان‌ها و روغن
- در صورت عدم خاموش شدن، احتمال خرابی فاجعه‌بار در عرض چند دقیقه وجود دارد
مکانیسم فیزیکی
چگونه شلاق روغنی ایجاد می‌شود؟
این مکانیسم شامل دینامیک سیالات در لایه روغن یاتاقان است:
- تشکیل گوه نفتی: با چرخش شفت، روغن در اطراف یاتاقان کشیده می‌شود و یک گوه تحت فشار ایجاد می‌کند.
- نیروی مماسی: گوه روغنی نیرویی عمود بر جهت شعاعی (مماسی) اعمال می‌کند.
- حرکت مداری: نیروی مماسی باعث می‌شود مرکز شفت تقریباً با نصف سرعت شفت بچرخد.
- استخراج انرژی: سیستم، انرژی را از چرخش شفت استخراج می‌کند تا حرکت مداری را حفظ کند.
- قفل رزونانس: وقتی فرکانس مدار با فرکانس طبیعی مطابقت دارد، رزونانس ارتعاش را تقویت می‌کند
- چرخه محدود: لرزش تا زمانی که توسط لقی یاتاقان یا خرابی محدود شود، افزایش می‌یابد
شناسایی تشخیصی
امضای ارتعاش
ارتعاش شلاقی شفت، الگوهای مشخصی را در داده‌های ارتعاشی ایجاد می‌کند:
- طیف: پیک بزرگ در فرکانس زیرسنکرون (فرکانس طبیعی اول)، بدون توجه به تغییرات سرعت ثابت است
- قطعه زمین آبشار: مولفه زیرسنکرون به صورت خط عمودی (فرکانس ثابت) به جای مورب (متناسب با سرعت) ظاهر می‌شود.
- تحلیل سفارش: مرتبه کسری که با افزایش سرعت کاهش می‌یابد (مثلاً از 0.5× به 0.4× و سپس به 0.35× تغییر می‌کند)
- مدار: مدار دایره‌ای یا بیضوی بزرگ در فرکانس طبیعی
سرعت شروع
- آستانه معمول: سرعت بحرانی اول ۲.۰-۲.۵×
- وابسته به یاتاقان: آستانه خاص با طراحی یاتاقان، پیش بارگذاری و ویسکوزیته روغن متفاوت است
- شروع ناگهانی: افزایش اندک سرعت می‌تواند باعث انتقال سریع از حالت پایدار به ناپایدار شود
استراتژی‌های پیشگیری
اصلاحات طراحی یاتاقان
۱. یاتاقان‌های پد کج‌شونده
- موثرترین راه حل برای جلوگیری از شلاق شفت
- پدها به طور مستقل می‌چرخند و نیروهای اتصال متقاطع بی‌ثبات‌کننده را از بین می‌برند.
- ذاتاً در محدوده‌های سرعت وسیع پایدار است
- استاندارد صنعتی برای توربوماشین‌های پرسرعت
۲. یاتاقان‌های سد فشاری
- یاتاقان استوانه‌ای اصلاح‌شده با شیار یا سد
- افزایش میرایی و سختی مؤثر
- ارزان‌تر از پد شیب‌دار اما کم‌اثرتر
۳. پیش بارگذاری یاتاقان
- اعمال پیش‌بار شعاعی به یاتاقان‌ها، سختی آنها را افزایش می‌دهد
- سرعت آستانه را برای بی‌ثباتی افزایش می‌دهد
- از طریق طرح‌های سوراخکاری جبرانی قابل دستیابی است
۴. میراگرهای فیلم فشرده
- المان میرایی خارجی اطراف یاتاقان
- بدون تغییر طراحی یاتاقان، میرایی بیشتری ایجاد می‌کند
- برای کاربردهای مقاوم‌سازی مؤثر است
اقدامات عملیاتی
- محدودیت سرعت: حداکثر سرعت عملیاتی را به زیر آستانه محدود کنید (معمولاً < 1.8× اولین نقطه بحرانی)
- مدیریت بار: در صورت امکان، با بارهای یاتاقان بالاتر کار کنید (میرایی را افزایش می‌دهد)
- کنترل دمای روغن: دمای پایین‌تر روغن، ویسکوزیته و میرایی را افزایش می‌دهد.
- نظارت: نظارت مداوم بر ارتعاش با تنظیم آلارم برای اجزای زیرسنکرون
پیامدها و آسیب‌ها
اثرات فوری
- لرزش شدید: دامنه‌ها می‌توانند به چندین میلی‌متر (صدها میل) برسند.
- سر و صدا: صدای بلند و متمایز، متفاوت از عملکرد عادی
- گرمایش سریع یاتاقان: دمای یاتاقان می‌تواند در عرض چند دقیقه 20 تا 50 درجه سانتیگراد افزایش یابد
- تخریب روغن: دمای بالا و برش، روانکار را تخریب می‌کند
شکست‌های بالقوه
- پاک کردن بلبرینگ: مواد بابیت یاتاقان ذوب شده و از بین می‌رود
- آسیب شفت: خراشیدگی، ساییدگی یا خمیدگی دائمی
- خرابی آب‌بندی: حرکت بیش از حد شفت، آب‌بندها را از بین می‌برد
- شکستگی شفت: خستگی پرچرخه ناشی از نوسان شدید
- آسیب کوپلینگ: نیروهای منتقل شده به کوپلینگ‌ها آسیب می‌رسانند
پدیده‌های مرتبط
چرخش روغن
چرخش روغن پیشرو شلاق است:
- همان مکانیزم اما فرکانس روی فرکانس طبیعی قفل نشده است
- دامنه شدت کمتر
- فرکانس متناسب با سرعت (~0.43-0.48×)
- ممکن است در برخی کاربردها قابل تحمل باشد
چرخش بخار
ناپایداری مشابه در توربین‌های بخار ناشی از نیروهای آیرودینامیکی در آب‌بندهای لابیرنتی به جای لایه‌های روغن یاتاقان. قفل ارتعاش زیرسنکرون مشابهی را روی فرکانس طبیعی نشان می‌دهد.
شلاق اصطکاکی خشک
می‌تواند در محل‌های آب‌بندی یا از تماس روتور-استاتور رخ دهد:
- نیروهای اصطکاک مکانیسم بی‌ثبات‌کننده‌ای را فراهم می‌کنند
- کمتر از شلاق روغنی رایج است اما به همان اندازه خطرناک است
- نیاز به رویکرد اصلاحی متفاوت (حذف تماس، بهبود طراحی آب‌بند)
مطالعه موردی: ضربه شلاقی محور کمپرسور
سناریو: کمپرسور گریز از مرکز پرسرعت با یاتاقان‌های استوانه‌ای ساده
- عملیات عادی: ۱۲۰۰۰ دور در دقیقه با لرزش ۲.۵ میلی‌متر بر ثانیه
- افزایش سرعت: برای ظرفیت بالاتر، سرعت اپراتور به ۱۳۵۰۰ دور در دقیقه افزایش یافت
- شروع: در ۱۳۲۰۰ دور در دقیقه، لرزش ناگهانی و شدیدی ایجاد شد.
- علائم: ارتعاش ۲۵ میلی‌متر بر ثانیه در ۴۵ هرتز (ثابت)، دمای یاتاقان در عرض ۳ دقیقه از ۷۰ درجه سانتیگراد به ۹۵ درجه سانتیگراد افزایش یافت
- اقدام اضطراری: خاموش شدن فوری از خرابی یاتاقان جلوگیری کرد
- علت ریشه‌ای: سرعت بحرانی اول ۲۷۰۰ دور در دقیقه (۴۵ هرتز) بود؛ آستانه شلاقی در ۲ ضربدر سرعت بحرانی = ۵۴۰۰ دور در دقیقه از حد مجاز فراتر رفت.
- راه حل: یاتاقان‌های ساده با یاتاقان‌های پد کج‌شونده جایگزین شدند که امکان کارکرد ایمن تا ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه را فراهم می‌کند.
استانداردها و رویه‌های صنعتی
- API 684: نیاز به تحلیل پایداری برای توربوماشین‌های پرسرعت
- API 617: انواع یاتاقان‌ها و الزامات پایداری برای کمپرسورها را مشخص می‌کند.
- ایزو ۱۰۸۱۴: راهنمایی در مورد انتخاب یاتاقان برای پایداری ارائه می‌دهد
- رویه‌های صنعتی: یاتاقان‌های پد کج‌شونده استاندارد برای تجهیزاتی که بالاتر از 2 برابر سرعت بحرانی اول کار می‌کنند
آسیب شلاقی شفت، یک حالت خرابی فاجعه‌بار است که باید از طریق انتخاب و طراحی مناسب یاتاقان از آن جلوگیری شود. تشخیص مشخصه ارتعاش زیرسنکرون و قفل‌شده با فرکانس آن، امکان تشخیص سریع و واکنش اضطراری مناسب را فراهم می‌کند و از آسیب‌های پرهزینه به تجهیزات چرخشی حیاتی با سرعت بالا جلوگیری می‌کند.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 