Razumijevanje vibracija osovine u rotirajućim strojevima

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

Parts

Vibration sensor

$107.47

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

Devices

Balanset-4

$8,123.32

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

Parts

Reflective tape

$11.94

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

Definicija: Što je Shaft Whip?

Bič osovine (također se naziva uljni bič kada se javlja u hidrodinamičkim ležajevima) je ozbiljan oblik nestabilnost rotora karakterizira nasilno samopobudne vibracije to se događa kada rotor koji radi u ležajevima s fluidnim filmom premaši kritičnu graničnu brzinu, obično oko dvostruko veću od prve kritična brzina. Nakon što se pojavi vibracija, frekvencija vibracije se "fiksira" na prvi rotor prirodna frekvencija i ostaje tamo bez obzira na daljnje povećanje brzine, s amplitudom ograničenom samo zazorima ležajeva ili katastrofalnim kvarom.

Vibracije osovine jedno su od najopasnijih stanja u strojevima koji se brzo rotiraju jer se razvijaju naglo, rastu do destruktivnih amplituda unutar nekoliko sekundi i ne mogu se ispraviti balansiranje ili drugim konvencionalnim metodama. Zahtijeva trenutno zaustavljanje i modifikacije sustava ležajeva kako bi se spriječilo ponavljanje.

Napredak: Od vrtloga ulja do biča na osovini

Faza 1: Stabilan rad

• Rotor radi ispod praga nestabilnosti
• Samo normalne prisilne vibracije od neravnoteža predstaviti
• Uljni film ležaja pruža stabilnu potporu

Faza 2: Početak vrtloga ulja

Kako se brzina povećava iznad otprilike 2× prve kritične brzine:

• Uljni vrtlog razvija se - subsinkrona vibracija pri ~0,43-0,48 × brzini osovine
• Amplituda je u početku umjerena i ovisna o brzini
• Frekvencija se povećava proporcionalno s brzinom osovine
• Može biti povremeno ili kontinuirano
• Može koegzistirati s normalnim 1X vibracijama zbog neravnoteže

Faza 3: Prijelaz bičem

Kada se frekvencija vrtloga ulja poveća do prve prirodne frekvencije:

• Zaključavanje frekvencije: Frekvencija vibracija se zaključava na prirodnoj frekvenciji
• Rezonantno pojačanje: Amplituda dramatično raste zbog rezonancija
• Iznenadni početak: Prijelaz iz vrtloga u bič može biti trenutan
• Neovisnost o brzini: Daljnje povećanje brzine ne mijenja frekvenciju, već samo amplitudu

Faza 4: Povreda osovine (kritično stanje)

• Vibracija na konstantnoj frekvenciji (prva prirodna frekvencija, obično 40-60 Hz)
• Amplituda 5-20 puta veća od normalne vibracije neuravnoteženosti
• Osovina može dodirivati granice zazora ležaja
• Brzo zagrijavanje ležajeva i ulja
• Potencijal za katastrofalan kvar u roku od nekoliko minuta ako se ne isključi

Fizički mehanizam

Kako se razvija uljni bič

Mehanizam uključuje dinamiku fluida u uljnom filmu ležaja:

1. Formiranje naftnog klina: Dok se osovina okreće, ona vuče ulje oko ležaja, stvarajući tlačni klin
2. Tangencijalna sila: Uljni klin djeluje silom okomitom na radijalni smjer (tangencijalno)
3. Orbitalno kretanje: Tangencijalna sila uzrokuje kruženje središta osovine približno polovicom brzine osovine
4. Ekstrakcija energije: Sustav izvlači energiju iz rotacije osovine kako bi održao orbitalno gibanje
5. Rezonantna brava: Kada frekvencija orbite odgovara prirodnoj frekvenciji, rezonancija pojačava vibracije
6. Granični ciklus: Vibracije rastu sve dok ih ne ograniči zazor ležaja ili kvar.

Dijagnostička identifikacija

Vibracijski potpis

Vibracijski udarac osovine stvara karakteristične obrasce u podacima o vibracijama:

• Spektar: Veliki vrh na subsinkronoj frekvenciji (prva prirodna frekvencija), konstantan bez obzira na promjene brzine
• Vodopadni prikaz: Subsinkrona komponenta se pojavljuje kao vertikalna linija (konstantna frekvencija), a ne dijagonalna (proporcionalna brzini)
• Analiza narudžbe: Razlomljeni red koji se smanjuje s povećanjem brzine (npr. mijenja se od 0,5× do 0,4× do 0,35×)
• Orbita: Velika kružna ili eliptična orbita na prirodnoj frekvenciji

Brzina početka

• Tipični prag: 2,0-2,5× prva kritična brzina
• Ovisno o ležaju: Specifični prag varira ovisno o dizajnu ležaja, predopterećenju i viskoznosti ulja
• Iznenadni početak: Malo povećanje brzine može izazvati brzi prijelaz iz stabilnog u nestabilno stanje

Strategije prevencije

Modifikacije dizajna ležaja

1. Nagibni ležajevi s pločicama

• Najučinkovitije rješenje za sprječavanje udara osovine
• Pločice se okreću neovisno, eliminirajući destabilizirajuće sile unakrsnog spajanja
• Inherentno stabilan u širokom rasponu brzina
• Industrijski standard za visokobrzinske turbostrojeve

2. Ležajevi tlačne brane

• Modificirani cilindrični ležaj s utorima ili branama
• Povećava učinkovito prigušivanje i krutost
• Jeftinije od nagibne podloge, ali manje učinkovito

3. Prednaprezanje ležaja

• Primjena radijalnog prednaprezanja na ležajeve povećava krutost
• Povećava prag brzine za nestabilnost
• Može se postići dizajnom pomaknutih provrta

4. Prigušivači folije za stiskanje

• Vanjski prigušni element koji okružuje ležaj
• Pruža dodatno prigušenje bez promjene dizajna ležaja
• Učinkovito za primjene naknadne ugradnje

Operativne mjere

• Ograničenje brzine: Ograničite maksimalnu radnu brzinu ispod praga (obično < 1,8× prva kritična)
• Upravljanje opterećenjem: Radite s većim opterećenjima ležajeva kad god je to moguće (povećava prigušenje)
• Kontrola temperature ulja: Niža temperatura ulja povećava viskoznost i prigušivanje
• Praćenje: Kontinuirano praćenje vibracija s postavljenim alarmima za subsinkrone komponente

Posljedice i šteta

Trenutni učinci

• Snažne vibracije: Amplitude mogu doseći nekoliko milimetara (stotina mila)
• Buka: Glasan, prepoznatljiv zvuk koji se razlikuje od normalnog rada
• Brzo zagrijavanje ležaja: Temperatura ležajeva može porasti za 20-50°C u nekoliko minuta
• Degradacija ulja: Visoke temperature i smicanje oštećuju mazivo

Potencijalni kvarovi

• Brisanje ležaja: Materijal za ležajeve se topi i briše
• Oštećenje osovine: Zarezivanje, habanje ili trajno savijanje
• Kvar brtve: Prekomjerno kretanje osovine uništava brtve
• Lom osovine: Visokociklički zamor od nasilnih oscilacija
• Oštećenje spojnice: Prenesene sile oštećuju spojnice

Povezani fenomeni

Uljni vrtlog

Uljni vrtlog je prethodnik biča:

• Isti mehanizam, ali frekvencija nije vezana uz prirodnu frekvenciju
• Manja amplituda
• Frekvencija proporcionalna brzini (~0,43-0,48×)
• Može biti podnošljivo u nekim primjenama

Parni vrtlog

Slična nestabilnost u parnim turbinama uzrokovana je aerodinamičkim silama u labirintnim brtvama, a ne u uljnim filmovima ležajeva. Pokazuje slične subsinkrone vibracije koje se zaključavaju na vlastitu frekvenciju.

Bič za suho trenje

Može se pojaviti na mjestima brtvljenja ili zbog kontakta rotora i statora:

• Sile trenja osiguravaju destabilizirajući mehanizam
• Manje uobičajeno od uljnog biča, ali jednako opasno
• Zahtijeva drugačiji korektivni pristup (ukloniti kontakt, poboljšati dizajn brtve)

Studija slučaja: Bič osovine kompresora

Scenarij: Visokobrzinski centrifugalni kompresor s kliznim cilindričnim ležajevima

• Normalan rad: 12.000 okretaja u minuti s vibracijom od 2,5 mm/s
• Povećanje brzine: Operater je povećao brzinu na 13.500 okretaja u minuti za veći kapacitet
• Početak: Pri 13.200 okretaja u minuti razvile su se iznenadne snažne vibracije
• Simptomi: Vibracija od 25 mm/s pri 45 Hz (konstantno), temperatura ležaja porasla je sa 70°C na 95°C za 3 minute
• Hitne mjere: Trenutačno gašenje spriječilo je kvar ležaja
• Osnovni uzrok: Prva kritična brzina bila je 2700 okretaja u minuti (45 Hz); prag biča pri 2× kritično = 5400 okretaja u minuti bio je prekoračen
• Riješenje: Zamijenjeni su klizni ležajevi nagibnim pločicama, što omogućuje siguran rad do 15 000 okretaja u minuti

Standardi i praksa u industriji

• API 684: Zahtijeva analizu stabilnosti za visokobrzinske turbostrojeve
• API 617: Specificira vrste ležajeva i zahtjeve za stabilnost kompresora
• ISO 10814: Pruža smjernice za odabir ležaja za stabilnost
• Praksa u industriji: Standardni nagibni ležajevi za opremu koja radi iznad 2× prve kritične brzine

Vibracije osovine predstavljaju katastrofalan način kvara koji se mora spriječiti pravilnim odabirom i dizajnom ležaja. Prepoznavanje njihove karakteristične subsinkrone, frekvencijski zaključane vibracijske potpisa omogućuje brzu dijagnozu i odgovarajući hitni odgovor, sprječavajući skupa oštećenja kritične opreme koja se rotira velikom brzinom.

---

← Natrag na glavni indeks