घूर्णन मशीनरी में शाफ्ट व्हिप को समझना

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Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

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Vibration sensor

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Optical Sensor (Laser Tachometer)

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Balanset-4

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Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

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परिभाषा: शाफ्ट व्हिप क्या है?

शाफ्ट व्हिप (हाइड्रोडायनामिक बियरिंग्स में होने पर इसे ऑयल व्हिप भी कहा जाता है) इसका एक गंभीर रूप है रोटर अस्थिरता हिंसक विशेषता स्व-उत्तेजित कंपन ऐसा तब होता है जब द्रव-फिल्म बीयरिंग में संचालित रोटर एक महत्वपूर्ण सीमा गति से अधिक हो जाता है, आमतौर पर पहले की तुलना में लगभग दोगुना महत्वपूर्ण गति. एक बार व्हिप होने पर, कंपन आवृत्ति रोटर के पहले पर "लॉक" हो जाती है प्राकृतिक आवृत्ति और आगे की गति वृद्धि के बावजूद वहीं बना रहता है, जिसका आयाम केवल बियरिंग क्लीयरेंस या भयावह विफलता द्वारा सीमित होता है।.

शाफ्ट व्हिप उच्च गति वाली घूर्णन मशीनों में सबसे खतरनाक स्थितियों में से एक है, क्योंकि यह अचानक विकसित होती है, कुछ ही सेकंड में विनाशकारी आयाम तक बढ़ जाती है, और इसे ठीक नहीं किया जा सकता है। संतुलन या अन्य पारंपरिक तरीकों का इस्तेमाल करें। पुनरावृत्ति को रोकने के लिए इसे तुरंत बंद करना और बेयरिंग सिस्टम में बदलाव करना ज़रूरी है।.

प्रगति: तेल भंवर से शाफ्ट व्हिप तक

चरण 1: स्थिर संचालन

• रोटर अस्थिरता सीमा से नीचे संचालित होता है
• केवल सामान्य बलपूर्वक कंपन असंतुलित होना उपस्थित
• बियरिंग तेल फिल्म स्थिर समर्थन प्रदान करती है

चरण 2: तेल भंवर की शुरुआत

जैसे ही गति पहली महत्वपूर्ण गति से लगभग 2 गुना बढ़ जाती है:

• तेल भंवर ~0.43-0.48× शाफ्ट गति पर उप-तुल्यकालिक कंपन विकसित होता है
• आयाम प्रारंभ में मध्यम और गति पर निर्भर होता है
• आवृत्ति शाफ्ट की गति के साथ आनुपातिक रूप से बढ़ती है
• रुक-रुक कर या लगातार हो सकता है
• असंतुलन से सामान्य 1X कंपन के साथ सह-अस्तित्व में रह सकता है

चरण 3: व्हिप संक्रमण

जब तेल भँवर आवृत्ति पहली प्राकृतिक आवृत्ति से मेल खाने के लिए बढ़ जाती है:

• आवृत्ति लॉक-इन: कंपन आवृत्ति प्राकृतिक आवृत्ति पर लॉक हो जाती है
• अनुनाद प्रवर्धन: आयाम नाटकीय रूप से बढ़ता है गूंज
• अचानक आक्रमण: भंवर से चाबुक तक का संक्रमण तात्कालिक हो सकता है
• गति स्वतंत्रता: गति में और वृद्धि से आवृत्ति में परिवर्तन नहीं होता, केवल आयाम में परिवर्तन होता है

चरण 4: शाफ्ट व्हिप (गंभीर स्थिति)

• स्थिर आवृत्ति पर कंपन (पहली प्राकृतिक आवृत्ति, आमतौर पर 40-60 हर्ट्ज)
• सामान्य असंतुलित कंपन से 5-20 गुना अधिक आयाम
• शाफ्ट बेयरिंग क्लीयरेंस सीमा से संपर्क कर सकता है
• बियरिंग्स और तेल का तेजी से गर्म होना
• यदि इसे बंद नहीं किया गया तो कुछ ही मिनटों में विनाशकारी विफलता की संभावना

भौतिक तंत्र

तेल व्हिप कैसे विकसित होता है

इस तंत्र में बियरिंग तेल फिल्म में द्रव गतिशीलता शामिल है:

1. तेल कील गठन: जैसे ही शाफ्ट घूमता है, यह बेयरिंग के चारों ओर तेल खींचता है, जिससे एक दबावयुक्त वेज बनता है
2. स्पर्शरेखीय बल: तेल की कील रेडियल दिशा (स्पर्शरेखीय) के लंबवत बल लगाती है
3. कक्षा गति: स्पर्शरेखीय बल शाफ्ट केंद्र को लगभग आधी शाफ्ट गति से परिक्रमा करने का कारण बनता है
4. ऊर्जा निष्कर्षण: कक्षीय गति को बनाए रखने के लिए प्रणाली शाफ्ट घूर्णन से ऊर्जा निकालती है
5. अनुनाद लॉक: जब कक्षा आवृत्ति प्राकृतिक आवृत्ति से मेल खाती है, तो अनुनाद कंपन को बढ़ाता है
6. सीमा चक्र: कंपन तब तक बढ़ता रहता है जब तक कि वह बेयरिंग क्लीयरेंस या विफलता द्वारा सीमित न हो जाए

नैदानिक पहचान

कंपन हस्ताक्षर

शाफ्ट व्हिप कंपन डेटा में विशिष्ट पैटर्न उत्पन्न करता है:

• स्पेक्ट्रम: उप-तुल्यकालिक आवृत्ति (प्रथम प्राकृतिक आवृत्ति) पर बड़ा शिखर, गति परिवर्तन की परवाह किए बिना स्थिर
• झरना प्लॉट: उप-तुल्यकालिक घटक विकर्ण (गति-आनुपातिक) के बजाय ऊर्ध्वाधर रेखा (स्थिर आवृत्ति) के रूप में प्रकट होता है
• आदेश विश्लेषण: भिन्नात्मक क्रम जो गति बढ़ने पर घटता है (उदाहरण के लिए, 0.5× से 0.4× से 0.35× तक परिवर्तन)
• कक्षा: प्राकृतिक आवृत्ति पर बड़ी वृत्ताकार या दीर्घवृत्ताकार कक्षा

आरंभ गति

• विशिष्ट सीमा: 2.0-2.5× पहली महत्वपूर्ण गति
• असर-निर्भर: विशिष्ट सीमा बेयरिंग डिज़ाइन, प्रीलोड और तेल की चिपचिपाहट के साथ बदलती रहती है
• अचानक आक्रमण: गति में थोड़ी सी भी वृद्धि स्थिर से अस्थिर की ओर तीव्र परिवर्तन को गति प्रदान कर सकती है

रोकथाम रणनीतियाँ

बेयरिंग डिज़ाइन संशोधन

1. टिल्टिंग पैड बियरिंग्स

• शाफ्ट व्हिप को रोकने के लिए सबसे प्रभावी समाधान
• पैड स्वतंत्र रूप से घूमते हैं, जिससे अस्थिर क्रॉस-युग्मन बल समाप्त हो जाते हैं
• व्यापक गति सीमाओं में स्वाभाविक रूप से स्थिर
• उच्च गति टर्बोमशीनरी के लिए उद्योग मानक

2. प्रेशर डैम बियरिंग्स

• खांचे या बांधों के साथ संशोधित बेलनाकार बेयरिंग
• प्रभावी अवमंदन और कठोरता को बढ़ाता है
• टिल्टिंग पैड से कम महंगा लेकिन कम प्रभावी

3. बेयरिंग प्रीलोड

• बीयरिंगों पर रेडियल प्रीलोड लगाने से कठोरता बढ़ जाती है
• अस्थिरता के लिए सीमा गति बढ़ाता है
• ऑफसेट बोर डिज़ाइन के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है

4. स्क्वीज़ फिल्म डैम्पर्स

• बेयरिंग के आसपास का बाहरी अवमंदन तत्व
• बेयरिंग डिज़ाइन में बदलाव किए बिना अतिरिक्त अवमंदन प्रदान करता है
• रेट्रोफिट अनुप्रयोगों के लिए प्रभावी

परिचालन उपाय

• गति सीमा: अधिकतम परिचालन गति को सीमा से नीचे तक सीमित करें (आमतौर पर < 1.8× प्रथम क्रिटिकल)
• लोड प्रबंधन: जब संभव हो तो उच्च वहन भार पर कार्य करें (अवमंदन बढ़ता है)
• तेल तापमान नियंत्रण: कम तेल तापमान चिपचिपापन और अवमंदन बढ़ाता है
• निगरानी: उप-तुल्यकालिक घटकों के लिए अलार्म सेट के साथ निरंतर कंपन निगरानी

परिणाम और क्षति

तत्काल प्रभाव

• हिंसक कंपन: आयाम कई मिलीमीटर (सैकड़ों मिल्स) तक पहुंच सकते हैं
• शोर: सामान्य ऑपरेशन से अलग तेज़, विशिष्ट ध्वनि
• तीव्र असर हीटिंग: बियरिंग का तापमान मिनटों में 20-50°C तक बढ़ सकता है
• तेल क्षरण: उच्च तापमान और कतरनी स्नेहक को ख़राब कर देते हैं

संभावित विफलताएँ

• बेयरिंग वाइप: बेयरिंग बैबिट सामग्री पिघल जाती है और मिट जाती है
• शाफ्ट क्षति: स्कोरिंग, गैलिंग, या स्थायी झुकाव
• सील विफलता: अत्यधिक शाफ्ट गति सील को नष्ट कर देती है
• शाफ्ट टूटना: हिंसक दोलन से उच्च-चक्र थकान
• युग्मन क्षति: प्रेषित बल युग्मन को नुकसान पहुंचाते हैं

संबंधित घटनाएँ

तेल भंवर

तेल भंवर कोड़ा मारने का अग्रदूत है:

• वही तंत्र लेकिन आवृत्ति प्राकृतिक आवृत्ति पर लॉक नहीं हुई है
• कम गंभीर आयाम
• गति के समानुपाती आवृत्ति (~0.43-0.48×)
• कुछ अनुप्रयोगों में सहनीय हो सकता है

स्टीम व्हर्ल

भाप टर्बाइनों में भी इसी तरह की अस्थिरता, बियरिंग ऑयल फ़िल्मों के बजाय लेबिरिंथ सील्स में वायुगतिकीय बलों के कारण होती है। प्राकृतिक आवृत्ति पर समान उप-समकालिक कंपन लॉकिंग प्रदर्शित करता है।.

सूखा घर्षण कोड़ा

सील स्थानों पर या रोटर-स्टेटर संपर्क से हो सकता है:

• घर्षण बल अस्थिरता तंत्र प्रदान करते हैं
• तेल व्हिप से कम आम लेकिन उतना ही खतरनाक
• अलग सुधारात्मक दृष्टिकोण की आवश्यकता है (संपर्क को खत्म करना, सील डिजाइन में सुधार करना)

केस स्टडी: कंप्रेसर शाफ्ट व्हिप

परिदृश्य: सादे बेलनाकार बीयरिंगों के साथ उच्च गति वाला केन्द्रापसारक संपीडक

• सामान्य ऑपरेशन: 2.5 मिमी/सेकंड के कंपन के साथ 12,000 आरपीएम
• गति वृद्धि: उच्च क्षमता के लिए ऑपरेटर की क्षमता बढ़ाकर 13,500 RPM कर दी गई
• आरंभ: 13,200 RPM पर अचानक तीव्र कंपन उत्पन्न हुआ
• लक्षण: 45 हर्ट्ज़ (स्थिर) पर 25 मिमी/सेकेंड कंपन, 3 मिनट में बियरिंग का तापमान 70°C से 95°C तक बढ़ गया
• आपातकालीन कार्रवाई: तत्काल शटडाउन से बेयरिंग की विफलता को रोका गया
• मूल कारण: पहली महत्वपूर्ण गति 2700 RPM (45 Hz) थी; 2× महत्वपूर्ण = 5400 RPM पर व्हिप सीमा पार हो गई थी
• Solution: सादे बीयरिंगों को टिल्टिंग पैड बीयरिंगों से प्रतिस्थापित किया गया, जिससे 15,000 RPM तक सुरक्षित संचालन संभव हो गया

मानक और उद्योग अभ्यास

• एपीआई 684: उच्च गति टर्बोमशीनरी के लिए स्थिरता विश्लेषण की आवश्यकता होती है
• एपीआई 617: कंप्रेसरों के लिए बेयरिंग प्रकार और स्थिरता आवश्यकताओं को निर्दिष्ट करता है
• आईएसओ 10814: स्थिरता के लिए बेयरिंग चयन पर मार्गदर्शन प्रदान करता है
• उद्योग अभ्यास: 2× प्रथम महत्वपूर्ण गति से ऊपर संचालित उपकरणों के लिए टिल्टिंग पैड बेयरिंग मानक

शाफ्ट व्हिप एक भयावह विफलता मोड का प्रतिनिधित्व करता है जिसे उचित बेयरिंग चयन और डिज़ाइन के माध्यम से रोका जाना चाहिए। इसके विशिष्ट उप-समकालिक, आवृत्ति-लॉक कंपन संकेत की पहचान त्वरित निदान और उचित आपातकालीन प्रतिक्रिया को सक्षम बनाती है, जिससे महत्वपूर्ण उच्च-गति घूर्णन उपकरणों को होने वाली महंगी क्षति को रोका जा सकता है।.

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