Comprensione della frusta dell'albero nelle macchine rotanti

Dispositivi

Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

$2,358.31

Parti di ricambio

Sensore di vibrazioni

$107.47

Parti di ricambio

Sensore ottico (tachimetro laser)

$148.07

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Balanset-4

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Parti di ricambio

Standard magnetico Insize-60-kgf

$54.93

Parti di ricambio

Nastro riflettente

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Dispositivi

Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

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Definizione: Che cosa è la frusta ad asta?

Frusta ad albero (chiamata anche frusta d'olio quando si verifica nei cuscinetti idrodinamici) è una forma grave di instabilità del rotore caratterizzato da violenza vibrazione autoeccitata che si verifica quando un rotore che opera in cuscinetti a film fluido supera una velocità di soglia critica, in genere circa il doppio della prima velocità critica. Una volta che si verifica la frusta, la frequenza di vibrazione si "blocca" sul primo punto del rotore frequenza naturale e rimane lì indipendentemente da ulteriori aumenti di velocità, con ampiezza limitata solo dai giochi dei cuscinetti o da guasti catastrofici.

La frusta dell'albero è una delle condizioni più pericolose nei macchinari rotanti ad alta velocità perché si sviluppa improvvisamente, raggiunge ampiezze distruttive in pochi secondi e non può essere corretta da bilanciamento o altri metodi convenzionali. Richiede l'arresto immediato e modifiche al sistema di cuscinetti per evitare che il problema si ripeta.

La progressione: dal vortice dell'olio alla frusta dell'albero

Fase 1: Funzionamento stabile

• Il rotore funziona al di sotto della soglia di instabilità
• Solo le normali vibrazioni forzate da sbilanciare presente
• Il film d'olio del cuscinetto fornisce un supporto stabile

Fase 2: inizio del vortice d'olio

Quando la velocità aumenta oltre circa 2 volte la prima velocità critica:

• Vortice d'olio sviluppa vibrazioni sub-sincrone a ~0,43-0,48× velocità dell'albero
• L'ampiezza è inizialmente moderata e dipendente dalla velocità
• La frequenza aumenta proporzionalmente alla velocità dell'albero
• Può essere intermittente o continuo
• Può coesistere con la normale vibrazione 1X da squilibrio

Fase 3: Transizione della frusta

Quando la frequenza del vortice d'olio aumenta fino a raggiungere la prima frequenza naturale:

• Blocco della frequenza: La frequenza di vibrazione si blocca alla frequenza naturale
• Amplificazione risonante: L'ampiezza cresce drasticamente a causa di risonanza
• Insorgenza improvvisa: La transizione dal vortice alla frusta può essere istantanea
• Indipendenza dalla velocità: Ulteriori aumenti di velocità non cambiano la frequenza, solo l'ampiezza

Fase 4: Frusta dell'albero (condizione critica)

• Vibrazione a frequenza costante (prima frequenza naturale, tipicamente 40-60 Hz)
• Ampiezza 5-20 volte superiore alla normale vibrazione di squilibrio
• L'albero potrebbe entrare in contatto con i limiti del gioco del cuscinetto
• Riscaldamento rapido dei cuscinetti e dell'olio
• Rischio di guasto catastrofico entro pochi minuti se non spento

Meccanismo fisico

Come si sviluppa la frusta d'olio

Il meccanismo coinvolge la dinamica dei fluidi nel film d'olio del cuscinetto:

1. Formazione del cuneo petrolifero: Quando l'albero ruota, trascina l'olio attorno al cuscinetto, creando un cuneo pressurizzato
2. Forza tangenziale: Il cuneo d'olio esercita una forza perpendicolare alla direzione radiale (tangenziale)
3. Movimento dell'orbita: La forza tangenziale fa sì che il centro dell'albero orbiti a circa metà della velocità dell'albero
4. Estrazione di energia: Il sistema estrae energia dalla rotazione dell'albero per sostenere il movimento orbitale
5. Blocco della risonanza: Quando la frequenza dell'orbita corrisponde alla frequenza naturale, la risonanza amplifica la vibrazione
6. Ciclo limite: La vibrazione aumenta fino a quando non viene limitata dal gioco del cuscinetto o dal guasto

Identificazione diagnostica

Firma di vibrazione

La frusta dell'albero produce modelli caratteristici nei dati di vibrazione:

• Spettro: Grande picco a frequenza sub-sincrona (prima frequenza naturale), costante indipendentemente dalle variazioni di velocità
• Trama della cascata: La componente sub-sincrona appare come una linea verticale (frequenza costante) anziché diagonale (proporzionale alla velocità)
• Analisi dell'ordine: Ordine frazionario che diminuisce all'aumentare della velocità (ad esempio, cambia da 0,5× a 0,4× a 0,35×)
• Orbita: Grande orbita circolare o ellittica a frequenza naturale

Velocità di insorgenza

• Soglia tipica: 2,0-2,5× prima velocità critica
• Dipendente dal cuscinetto: La soglia specifica varia in base alla progettazione del cuscinetto, al precarico e alla viscosità dell'olio
• Insorgenza improvvisa: Un piccolo aumento di velocità può innescare una rapida transizione da stabile a instabile

Strategie di prevenzione

Modifiche alla progettazione dei cuscinetti

1. Cuscinetti a cuscinetto basculante

• La soluzione più efficace per prevenire la frustata dell'albero
• I cuscinetti ruotano in modo indipendente, eliminando le forze di accoppiamento incrociato destabilizzanti
• Intrinsecamente stabile su un'ampia gamma di velocità
• Standard industriale per turbomacchine ad alta velocità

2. Cuscinetti a diga di pressione

• Cuscinetto cilindrico modificato con scanalature o dighe
• Aumenta l'ammortizzazione e la rigidità efficaci
• Meno costoso del cuscinetto basculante ma meno efficace

3. Precarico del cuscinetto

• L'applicazione del precarico radiale ai cuscinetti aumenta la rigidità
• Aumenta la velocità di soglia per l'instabilità
• Può essere ottenuto tramite design del foro sfalsato

4. Smorzatori di film compressi

• Elemento di smorzamento esterno che circonda il cuscinetto
• Fornisce ulteriore smorzamento senza modificare la progettazione del cuscinetto
• Efficace per applicazioni di retrofit

Misure operative

• Limite di velocità: Limitare la velocità massima di funzionamento al di sotto della soglia (in genere < 1,8× primo critico)
• Gestione del carico: Quando possibile, operare con carichi sui cuscinetti più elevati (aumenta lo smorzamento)
• Controllo della temperatura dell'olio: Una temperatura dell'olio più bassa aumenta la viscosità e lo smorzamento
• Monitoraggio: Monitoraggio continuo delle vibrazioni con allarmi impostati per i componenti sub-sincroni

Conseguenze e danni

Effetti immediati

• Vibrazione violenta: Le ampiezze possono raggiungere diversi millimetri (centinaia di mil)
• Rumore: Suono forte e distintivo diverso dal normale funzionamento
• Riscaldamento rapido dei cuscinetti: Le temperature dei cuscinetti possono aumentare di 20-50°C in pochi minuti
• Degradazione dell'olio: Le alte temperature e il taglio degradano il lubrificante

Potenziali guasti

• Pulizia dei cuscinetti: Il materiale di supporto si scioglie e viene spazzato via
• Danni all'albero: Segni, abrasioni o piegature permanenti
• Guasto della guarnizione: Un movimento eccessivo dell'albero distrugge le guarnizioni
• Rottura dell'albero: Fatica ad alto ciclo da oscillazione violenta
• Danni all'accoppiamento: Le forze trasmesse danneggiano i giunti

Fenomeni correlati

Vortice d'olio

Vortice d'olio è il precursore della frusta:

• Stesso meccanismo ma la frequenza non si è agganciata alla frequenza naturale
• Ampiezza meno grave
• Frequenza proporzionale alla velocità (~0,43-0,48×)
• Può essere tollerabile in alcune applicazioni

Vortice di vapore

Instabilità simile nelle turbine a vapore causata dalle forze aerodinamiche nelle tenute a labirinto piuttosto che dai film d'olio dei cuscinetti. Presenta vibrazioni subsincrone simili, agganciate alla frequenza naturale.

Frusta a frizione secca

Può verificarsi nei punti di tenuta o dal contatto rotore-statore:

• Le forze di attrito forniscono un meccanismo destabilizzante
• Meno comune della frusta d'olio ma ugualmente pericolosa
• Richiede un approccio correttivo diverso (eliminare il contatto, migliorare il design della guarnizione)

Caso di studio: frusta dell'albero del compressore

Scenario: Compressore centrifugo ad alta velocità con cuscinetti cilindrici semplici

• Funzionamento normale: 12.000 giri/min con vibrazione di 2,5 mm/s
• Aumento della velocità: L'operatore ha aumentato la velocità a 13.500 giri/min per una maggiore capacità
• Insorgenza: A 13.200 giri al minuto si è sviluppata una vibrazione violenta e improvvisa
• Sintomi: Vibrazione di 25 mm/s a 45 Hz (costante), la temperatura del cuscinetto è aumentata da 70°C a 95°C in 3 minuti
• Azione di emergenza: L'arresto immediato ha impedito il guasto del cuscinetto
• Causa ultima: La prima velocità critica era 2700 RPM (45 Hz); la soglia di frusta a 2× critica = 5400 RPM è stata superata
• Soluzione: Sostituiti i cuscinetti lisci con cuscinetti a pastiglia basculante, consentendo un funzionamento sicuro fino a 15.000 giri/min

Standard e pratiche del settore

• API 684: Richiede analisi di stabilità per turbomacchine ad alta velocità
• API 617: Specifica i tipi di cuscinetti e i requisiti di stabilità per i compressori
• ISO 10814: Fornisce indicazioni sulla selezione dei cuscinetti per la stabilità
• Pratica del settore: Cuscinetti basculanti standard per apparecchiature che operano a una velocità critica superiore a 2 volte la prima velocità critica

La vibrazione a frusta dell'albero rappresenta una modalità di guasto catastrofica che deve essere prevenuta attraverso una corretta selezione e progettazione dei cuscinetti. Il riconoscimento della sua caratteristica vibrazione sub-sincrona e a frequenza bloccata consente una diagnosi rapida e un'adeguata risposta di emergenza, prevenendo costosi danni alle apparecchiature rotanti ad alta velocità critiche.

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