シャフトウィップとは？深刻なローター不安定性の説明• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、マルチャー、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用できます。 シャフトウィップとは？深刻なローター不安定性の説明• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、マルチャー、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用できます。

シャフトウィップとは？ローターの深刻な不安定性について解説

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回転機械における軸ホイップの理解

定義: シャフト ウィップとは何ですか?

シャフトホイップ （流体軸受で発生する場合はオイルホイップとも呼ばれる）は、 ローターの不安定性 暴力的な特徴を持つ 自励振動 これは、流体膜軸受で作動するローターが、通常は最初の速度の約2倍の臨界閾値速度を超えたときに発生します。 臨界速度. 鞭打ちが発生すると、振動周波数はローターの最初の周波数に「固定」されます。 固有振動数 さらに速度が上昇してもその状態が維持され、振幅はベアリングのクリアランスまたは壊滅的な故障によってのみ制限されます。.

軸ホイップは、高速回転機械において最も危険な状態の一つです。なぜなら、突然発生し、数秒以内に破壊的な振幅にまで拡大し、 バランシング または他の従来の方法。再発を防ぐには、直ちに停止し、ベアリングシステムを修正する必要があります。.

進化：オイルワールからシャフトウィップへ

ステージ1：安定運用

  • ローターは不安定閾値以下で動作する
  • 通常の強制振動のみ アンバランス 現在
  • ベアリング油膜が安定した支持を提供

ステージ2：オイルワール発生

速度が最初の臨界速度の約2倍を超えると、次のようになります。

  • オイルワール 軸速度の約0.43～0.48倍で亜同期振動が発生する
  • 振幅は最初は中程度で速度に依存する
  • 周波数はシャフト速度に比例して増加する
  • 断続的または持続的である可能性がある
  • アンバランスによる通常の1X振動と共存可能

ステージ3：ホイップトランジション

オイル旋回周波数が最初の固有周波数と一致するまで増加すると、次のようになります。

  • 周波数ロックイン: 振動周波数は固有周波数に固定される
  • 共鳴増幅： 振幅は劇的に増大する 共振
  • 突然の発症: 回転から鞭への変化は瞬時に起こる
  • 速度の独立性: 速度がさらに上昇しても周波数は変化せず、振幅のみが変化する

ステージ4：シャフトウィップ（危機的状態）

  • 一定周波数での振動（第1固有周波数、通常40～60 Hz）
  • 通常のアンバランス振動の5～20倍の振幅
  • シャフトがベアリングのクリアランス限界に接触する可能性がある
  • ベアリングとオイルの急速加熱
  • シャットダウンしないと数分以内に壊滅的な障害が発生する可能性がある

物理的メカニズム

オイルウィップの発生メカニズム

このメカニズムには、ベアリング油膜の流体力学が関係しています。

  1. オイルウェッジ形成: シャフトが回転すると、ベアリングの周囲にオイルが引きずられ、加圧されたくさびが形成されます。
  2. 接線力: オイルウェッジは、半径方向（接線方向）に垂直な力を発揮します。
  3. 軌道運動: 接線力により、軸中心は軸速度の約半分の速度で回転する。
  4. エネルギー抽出: システムはシャフトの回転からエネルギーを抽出し、軌道運動を維持します。
  5. 共鳴ロック: 軌道周波数が固有周波数と一致すると、共鳴により振動が増幅される
  6. 制限サイクル: 振動はベアリングのクリアランスまたは故障によって制限されるまで増大する

診断識別

振動シグネチャー

シャフトホイップは振動データに特徴的なパターンを生み出します。

  • スペクトラム: 同期周波数（第1固有周波数）での大きなピークは、速度の変化に関係なく一定です。
  • 滝プロット: 同期成分は、対角線（速度に比例）ではなく、垂直線（一定周波数）として表示されます。
  • 注文分析: 速度が増加するにつれて減少する分数次数（例：0.5×から0.4×、そして0.35×に変化）
  • 軌道: 固有振動数での大きな円または楕円軌道

発症速度

  • 典型的な閾値: 最初の臨界速度の2.0～2.5倍
  • 方位依存: 特定の閾値は、ベアリングの設計、予圧、およびオイルの粘度によって異なります。
  • 突然の発症: わずかな速度増加は安定から不安定への急速な移行を引き起こす可能性がある

予防戦略

ベアリング設計の変更

1. ティルティングパッドベアリング

  • シャフトのホイップを防ぐ最も効果的なソリューション
  • パッドは独立して回転し、不安定な相互結合力を排除します。
  • 広い速度範囲にわたって本質的に安定
  • 高速ターボ機械の業界標準

2. 圧力ダムベアリング

  • 溝またはダムを備えた改良円筒軸受
  • 効果的な減衰と剛性を向上
  • ティルティングパッドより安価だが効果は劣る

3. ベアリングの予圧

  • ベアリングにラジアルプリロードをかけると剛性が増す
  • 不安定性の閾値速度を上げる
  • オフセットボア設計により実現可能

4. スクイーズフィルムダンパー

  • ベアリングを囲む外部減衰要素
  • ベアリング設計を変更せずに追加の減衰を提供
  • 改造用途に効果的

運用上の措置

  • 速度制限: 最大動作速度を閾値以下に制限する（通常は < 1.8×最初の臨界値)
  • 負荷管理: 可能な場合は、より高いベアリング負荷で動作させる（減衰を増加させる）
  • 油温制御: 油温が低いと粘度と減衰が増加する
  • 監視： 同期していないコンポーネントにアラームを設定した継続的な振動監視

結果と損害

即時的な影響

  • 激しい振動: 振幅は数ミリメートル（数百ミル）に達することがある
  • ノイズ： 通常の動作とは異なる大きな独特の音
  • 急速ベアリング加熱： ベアリングの温度は数分で20～50℃上昇する可能性がある
  • オイルの劣化: 高温とせん断により潤滑剤が劣化する

潜在的な障害

  • ベアリングワイプ: ベアリングのバビット材が溶けて拭き取られる
  • シャフトの損傷: 傷、摩耗、または永久的な曲がり
  • シール不良: 過度のシャフトの動きはシールを破壊します
  • シャフト破損: 激しい振動による高サイクル疲労
  • カップリングダメージ: 伝達された力はカップリングを損傷する

関連現象

オイルワール

オイルワール 鞭の前身です。

  • 同じメカニズムだが、周波数は固有周波数に固定されていない
  • 振幅が比較的小さい
  • 速度に比例する周波数（約0.43～0.48倍）
  • 一部のアプリケーションでは許容できる可能性があります

スチームワール

蒸気タービンにおいても、軸受油膜ではなくラビリンスシールの空気力によって同様の不安定性が発生します。また、固有振動数に同期した同様の亜同期振動を示します。.

ドライフリクションホイップ

シール箇所またはローターとステーターの接触で発生する可能性があります。

  • 摩擦力は不安定化メカニズムを提供する
  • オイルホイップほど一般的ではないが、同様に危険である
  • 異なる修正アプローチが必要（接触の排除、シール設計の改善）

ケーススタディ：コンプレッサーシャフトホイップ

シナリオ： 滑り円筒軸受を備えた高速遠心圧縮機

  • 通常操作: 12,000 RPM、振動2.5 mm/s
  • 速度増加: オペレーターは13,500 RPMまで増加し、より高い容量を実現
  • 発症: 13,200 RPMで突然激しい振動が発生した
  • 症状： 25 mm/sの振動（45 Hz、一定）で、ベアリング温度は3分で70°Cから95°Cに上昇しました。
  • 緊急措置: 即時停止によりベアリングの故障を防止
  • 根本的な原因： 最初の危険速度は2700 RPM（45 Hz）でした。2倍の危険速度である5400 RPMのホイップ閾値を超えました。
  • 解決策 滑り軸受けを傾斜パッド軸受けに交換し、15,000 RPMまで安全に動作できるようになりました。

標準と業界慣行

  • API 684: 高速ターボ機械の安定性解析が必要
  • API 617: コンプレッサーのベアリングタイプと安定性要件を指定します
  • ISO 10814: 安定性のためのベアリング選択に関するガイダンスを提供します
  • 業界慣行: 第一危険速度の2倍以上で運転する機器用のティルティングパッドベアリング規格

シャフトホイップは、適切なベアリングの選定と設計によって防止しなければならない壊滅的な故障モードです。その特徴的な亜同期かつ周波数同期の振動特性を認識することで、迅速な診断と適切な緊急対応が可能になり、重要な高速回転機器への高額な損害を防止します。.

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