Kritinis greitis rotoriaus dinamikoje paaiškintas

Apibrėžimas: Kas yra kritinis greitis?

A kritinis greitis yra sukimosi greitis, atitinkantis natūralų rotoriaus virpesių dažnį. Kai mašina veikia vienu iš kritinių greičių arba arti jo, atsiranda reiškinys, rezonansas įvyksta. Tai sukelia dramatišką ir dažnai pavojingą rotoriaus vibracijos sustiprėjimą, nes net ir labai mažas liekamasis disbalansas gali sukelti didžiules išcentrines jėgas. Kiekviena rotoriaus sistema turi kelis kritinius greičius, atitinkančius skirtingus jos vibracijos režimus (pvz., pirmąjį lenkimo režimą, antrąjį lenkimo režimą ir kt.).

Kodėl kritinis greitis yra toks svarbus?

Kritinių greičių supratimas ir valdymas yra vienas iš svarbiausių besisukančių mašinų projektavimo ir analizės aspektų. Mašinos veikimas kritiniu greičiu, net ir trumpą laiką, gali būti katastrofiškas. Pasekmės:

• Per didelė vibracija: Amplitudės gali padidėti 10, 20 ar net daugiau kartų, priklausomai nuo sistemos slopinimo.
• Komponento gedimas: Dėl didelės vibracijos ir veleno deformacijos gali sugesti guolis, pažeisti sandariklį ir atsirasti trintis tarp besisukančių ir nejudančių dalių.
• Katastrofiškas veleno gedimas: Sunkiais atvejais lenkimo įtempiai gali viršyti medžiagos nuovargio ribą, todėl velenas gali įtrūkti arba lūžti.
• Saugos pavojai: Dideliu greičiu važiuojanti mašina kelia didelį pavojų personalui ir aplinkinei įrangai.

Dėl šių priežasčių mašinos visada projektuojamos veikti su „atskyrimo riba“, o tai reiškia, kad įprastas jų veikimo greitis sąmoningai išlaikomas saugiu atstumu nuo bet kokio kritinio greičio.

Standūs ir lankstūs rotoriai

Kritinio greičio sąvoka yra tai, kas skiria „standžius“ rotorius nuo „lanksčių“:

• Standus rotorius: Rotorius, kuris veikia *žemiau* savo pirmojo kritinio greičio. Jo velenas veikimo metu reikšmingai nesilenkia. Paprastai tai lėtesni, storesni rotoriai.
• Lankstus rotorius: Rotorius, suprojektuotas veikti *virš* pirmojo (o kartais ir antrojo ar trečiojo) kritinio greičio. Jo velenas lankstosi ir deformuojasi, kai paleidžiant ir išjungiant pasiekia kritinius greičius. Didelio greičio, ploni rotoriai, tokie kaip turbinose ir kompresoriuose, yra lankstūs rotoriai.

Kritinių greičių valdymas mašinų eksploatavimo metu

Kadangi dažnai nėra praktiška suprojektuoti greitaeigę mašiną, kuri veiktų žemiau pirmojo kritinio greičio, inžinieriai naudoja kelias strategijas jai valdyti:

1. Atskyrimo riba

Dažniausia strategija – užtikrinti, kad mašinos nuolatinis veikimo greitis nebūtų per arti jokio kritinio greičio. Įprasta atskyrimo riba yra ±20–30%. Pavyzdžiui, jei kritinis greitis yra 3000 aps./min., mašina neturėtų būti nuolat naudojama tarp 2400 aps./min. ir 3600 aps./min.

2. Greitas pagreitis / lėtėjimas

Lankstiems rotoriams, kurie turi pasiekti kritinius greičius, paleidimo ir išjungimo procedūros yra sukurtos taip, kad kritiniai greičio diapazonai būtų įveikti kuo greičiau. Užlaikant kritinį greitį, vibracijos amplitudė padidėja iki pavojingo lygio. Greitas perėjimas per šį greitį sumažina laiką, per kurį šis sustiprėjimas įvyksta.

3. Slopinimas

Slopinimas yra vibracinės energijos išsklaidymas ir tai riboja didžiausios amplitudės vertę rezonanso metu. Guoliai, ypač skysčio plėvelės guoliai, yra pagrindinis slopinimo šaltinis rotorių sistemose. Optimizuodami guolių konstrukciją, inžinieriai gali kontroliuoti vibracijos piką esant kritiniam greičiui iki saugaus ir valdomo lygio.

4. Tikslus balansavimas

Vibracija esant kritiniam greičiui yra sustiprinta disbalanso reakcija. Kuo geriau subalansuotas rotorius, tuo mažesnė bus jėgos funkcija, todėl tuo mažesnė bus maksimali vibracija, kai ji pasiekia kritinį greitį. Lankstiems rotoriams reikalingi specialūs daugiaplokštuminiai balansavimo metodai.

Kaip nustatomi kritiniai greičiai?

Kritinis greitis nustatomas keliais metodais:

• Rotoriaus dinaminė analizė (RDA): Projektavimo etape sukuriami kompiuteriniai modeliai (dažnai naudojant baigtinių elementų analizę), siekiant numatyti rotoriaus kritinius greičius ir režimo formas.
• Įsibėgėjimo / lėtėjimo bandymai: Dažniausias eksperimentinis metodas. Vibracijos amplitudė ir fazė yra vaizduojamos pagal greitį, kai mašina paleidžiama arba išjungiama. Kritinis greitis nustatomas pagal aiškią amplitudės smailę, kuriai būdingas 180 laipsnių fazės poslinkis. Šie bandymai sukuria diagnostinius grafikus, tokius kaip Bode sklypas ir Krioklio sklypas.
• Smūgio bandymas (smūgio bandymas): Smūgiuojant rotorių plaktuku, kai jis ramybės būsenoje, galima sužadinti jo natūralius dažnius, kurie atitinka kritinius greičius.

← Atgal į pagrindinį rodyklę