Kritiskā ātruma skaidrojums rotora dinamikā

Definīcija: Kas ir kritiskais ātrums?

A kritiskais ātrums ir rotācijas ātrums, kas atbilst rotora dabiskajai vibrācijas frekvencei. Kad mašīna darbojas ar vienu no kritiskajiem ātrumiem vai tuvu tam, rodas šāda parādība: rezonanse notiek. Tas izraisa dramatisku un bieži vien bīstamu rotora vibrācijas pastiprināšanos, jo pat niecīgs atlikušā disbalansa daudzums var radīt milzīgus centrbēdzes spēkus. Katrai rotora sistēmai ir vairāki kritiskie ātrumi, kas atbilst tās dažādajiem vibrācijas režīmiem (piemēram, pirmais lieces režīms, otrais lieces režīms utt.).

Kāpēc kritiskais ātrums ir tik svarīgs?

Kritisko ātrumu izpratne un pārvaldība ir viens no rotējošu mašīnu projektēšanas un analīzes fundamentālākajiem aspektiem. Mašīnas darbināšana ar kritisku ātrumu pat īsu laiku var būt katastrofāla. Sekas ir šādas:

• Pārmērīga vibrācija: Amplitūdas var palielināties 10, 20 vai pat vairāk reizes atkarībā no sistēmas slāpēšanas.
• Komponentu kļūme: Augsta vibrācija un vārpstas novirze var izraisīt gultņu bojājumus, blīvējuma bojājumus un berzi starp rotējošām un nekustīgām detaļām.
• Katastrofāla vārpstas atteice: Smagos gadījumos lieces spriegumi var pārsniegt materiāla noguruma robežu, izraisot vārpstas plaisāšanu vai lūzumu.
• Drošības apdraudējumi: Mašīnas atteice lielā ātrumā rada ievērojamu risku personālam un apkārtējam aprīkojumam.

Šo iemeslu dēļ mašīnas vienmēr ir projektētas darbam ar “atdalīšanas rezervi”, kas nozīmē, ka to parastais darbības ātrums tiek apzināti uzturēts drošā attālumā no jebkura kritiskā ātruma.

Stingri pret elastīgiem rotoriem

Kritiskā ātruma jēdziens atšķir "stingru" rotoru no "elastīga":

• Stingrs rotors: Rotors, kas darbojas *zem* sava pirmā kritiskā ātruma. Tā vārpsta darbības laikā būtiski neliecas. Tie parasti ir lēnāki, masīvāki rotori.
• Elastīgs rotors: Rotors, kas paredzēts darbībai *virs* pirmā (un dažreiz otrā vai trešā) kritiskā ātruma. Tā vārpsta liecas un saliecas, šķērsojot kritiskos ātrumus iedarbināšanas un izslēgšanas laikā. Liela ātruma, tievi rotori, piemēram, turbīnās un kompresoros, ir elastīgi rotori.

Kritisko ātrumu pārvaldība mašīnu darbībā

Tā kā bieži vien nav praktiski projektēt ātrgaitas mašīnu, kas paliek zem pirmā kritiskā ātruma, inženieri izmanto vairākas stratēģijas, lai to pārvaldītu:

1. Atdalīšanas robeža

Visizplatītākā stratēģija ir nodrošināt, lai mašīnas nepārtrauktās darbības ātrums nebūtu pārāk tuvu kritiskajam ātrumam. Tipiska atdalīšanas robeža ir ±20–30%. Piemēram, ja kritiskais ātrums ir 3000 apgr./min., mašīnu nevajadzētu nepārtraukti darbināt starp 2400 un 3600 apgr./min.

2. Straujš paātrinājums/palēninājums

Elastīgiem rotoriem, kuriem jāpārvar kritiskie ātrumi, iedarbināšanas un izslēgšanas procedūras ir izstrādātas tā, lai kritisko ātrumu diapazonus varētu šķērsot pēc iespējas ātrāk. Uzkavēšanās kritiskajā ātrumā ļauj vibrācijas amplitūdai sasniegt bīstamu līmeni. Ātra pāreja samazina laiku, kurā notiek šī pastiprināšana.

3. Slāpēšana

Slāpēšana ir vibrācijas enerģijas izkliedēšana, un tā ierobežo pīķa amplitūdu rezonansē. Gultņi, īpaši šķidruma plēves gultņi, ir galvenais slāpēšanas avots rotoru sistēmās. Optimizējot gultņu konstrukciju, inženieri var kontrolēt vibrācijas pīķi kritiskajā ātrumā līdz drošam un pārvaldāmam līmenim.

4. Precīza balansēšana

Vibrācija kritiskā ātrumā ir pastiprināta reakcija uz disbalansu. Jo labāk rotors ir līdzsvarots, jo mazāka būs piespiešanas funkcija, un līdz ar to zemāka būs maksimālā vibrācija, tai pārsniedzot kritisko ātrumu. Elastīgiem rotoriem ir nepieciešamas īpašas daudzplakņu balansēšanas metodes.

Kā tiek noteikti kritiskie ātrumi?

Kritisko ātrumu nosaka, izmantojot vairākas metodes:

• Rotora dinamiskā analīze (RDA): Projektēšanas fāzē tiek izveidoti datormodeļi (bieži vien izmantojot galīgo elementu analīzi), lai prognozētu rotora kritiskos ātrumus un režīma formas.
• Ieskrējiena/apstāšanās testi: Visizplatītākā eksperimentālā metode. Vibrācijas amplitūda un fāze tiek attēlota atkarībā no ātruma, mašīnai iedarbinoties vai izslēdzoties. Kritisko ātrumu nosaka atšķirīgs amplitūdas maksimums, kam pievienota raksturīga 180 grādu fāzes nobīde. Šie testi ģenerē diagnostikas diagrammas, piemēram, Bodes gabals un Ūdenskrituma gabals.
• Trieciena pārbaude (saspiešanas tests): Sitiens pa rotoru ar instrumentālu āmuru miera stāvoklī var ierosināt tā dabiskās frekvences, kas atbilst kritiskajiem ātrumiem.

← Atpakaļ uz galveno indeksu