Izpratne par vārpstas pātagu rotējošās mašīnās

Ierīces

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

Daļas

Vibrācijas sensors

$107.47

Daļas

Optiskais sensors (lāzera tahometrs)

$148.07

Ierīces

Balanset-4

$8,123.32

Daļas

Magnētiskā statīva izmērs-60 kgf

$54.93

Daļas

Reflective tape

$11.94

Ierīces

Dinamiskais balansētājs "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definīcija: Kas ir vārpstas pātaga?

Vārpstas pātaga (saukta arī par eļļas pātagu, ja tā rodas hidrodinamiskajos gultņos) ir smaga deformācijas forma rotora nestabilitāte raksturo vardarbīgs pašierastā vibrācija kas rodas, ja rotors, kas darbojas šķidruma plēves gultņos, pārsniedz kritisko robežvērtību, parasti apmēram divreiz lielāku par pirmo kritiskais ātrums. Kad notiek vibrācija, vibrācijas frekvence “fiksējas” uz rotora pirmā dabiskā frekvence un paliek tur neatkarīgi no turpmāka ātruma palielināšanās, amplitūdu ierobežojot tikai gultņu spraugas vai katastrofāla atteice.

Vārpstas svārstības ir viens no bīstamākajiem stāvokļiem ātrgaitas rotējošās mašīnās, jo tās rodas pēkšņi, dažu sekunžu laikā sasniedz destruktīvu amplitūdu un tās nevar novērst ar līdzsvarošana vai citas parastās metodes. Tas prasa tūlītēju apturēšanu un gultņu sistēmas modifikācijas, lai novērstu atkārtošanos.

Progresija: no eļļas virpuļa līdz vārpstas pātagai

1. posms: Stabila darbība

• Rotors darbojas zem nestabilitātes sliekšņa
• Tikai normāla piespiedu vibrācija no nelīdzsvarotība tagadne
• Gultņu eļļas plēve nodrošina stabilu atbalstu

2. posms: eļļas virpuļa sākums

Ātrumam palielinoties virs aptuveni 2 × pirmā kritiskā ātruma:

• Eļļas virpulis attīstās — subsinhronā vibrācija ar ~0,43–0,48 × vārpstas ātrumu
• Amplitūda sākotnēji ir mērena un atkarīga no ātruma
• Frekvence palielinās proporcionāli vārpstas ātrumam
• Var būt periodisks vai nepārtraukts
• Var pastāvēt līdzās normālai 1X vibrācijai, kas rodas nelīdzsvarotības dēļ

3. posms: pātagas pāreja

Kad eļļas virpuļa frekvence palielinās līdz pirmajai pašsvārstības frekvencei:

• Frekvences fiksācija: Vibrācijas frekvence fiksējas dabiskajā frekvencē
• Rezonanses pastiprināšana: Amplitūda ievērojami palielinās, pateicoties rezonanse
• Pēkšņa sākšanās: Pāreja no virpuļa uz pātagu var būt acumirklīga
• Ātruma neatkarība: Turpmāka ātruma palielināšana nemaina frekvenci, tikai amplitūdu

4. posms: vārpstas atsitiens (kritisks stāvoklis)

• Vibrācija ar nemainīgu frekvenci (pirmā dabiskā frekvence, parasti 40–60 Hz)
• Amplitūda 5–20 reizes lielāka nekā parastā nelīdzsvarotības vibrācija
• Vārpsta var saskarties ar gultņa klīrensa robežām
• Gultņu un eļļas ātra uzsilšana
• Ja netiks izslēgta, dažu minūšu laikā var rasties katastrofāla kļūme

Fiziskais mehānisms

Kā attīstās eļļas pātaga

Mehānisms ietver šķidruma dinamiku gultņu eļļas plēvē:

1. Eļļas ķīļa veidošanās: Kad vārpsta griežas, tā velk eļļu ap gultni, radot spiediena ķīli
2. Tangenciālais spēks: Eļļas ķīlis iedarbojas uz spēku, kas ir perpendikulārs radiālajam virzienam (tangenciāls).
3. Orbītas kustība: Tangenciālais spēks liek vārpstas centram griezties orbītā aptuveni ar pusi no vārpstas ātruma.
4. Enerģijas ieguve: Sistēma iegūst enerģiju no vārpstas rotācijas, lai uzturētu orbitālo kustību
5. Rezonanses bloķēšana: Kad orbītas frekvence atbilst dabiskajai frekvencei, rezonanse pastiprina vibrāciju.
6. Ierobežojuma cikls: Vibrācija pieaug, līdz to ierobežo gultņa brīvkustība vai atteice

Diagnostiskā identifikācija

Vibrācijas paraksts

Vārpstas vibrācija rada raksturīgus vibrācijas datu modeļus:

• Spektrs: Liels maksimums pie subsinhronās frekvences (pirmā dabiskā frekvence), nemainīgs neatkarīgi no ātruma izmaiņām
• Ūdenskrituma gabals: Subsinhronā komponente parādās kā vertikāla līnija (nemainīga frekvence), nevis diagonāla (proporcionāla ātrumam)
• Pasūtījuma analīze: Daļēja secība, kas samazinās, palielinoties ātrumam (piemēram, mainās no 0,5× uz 0,4× uz 0,35×)
• Orbīta: Liela apļveida vai eliptiska orbīta dabiskajā frekvencē

Sākuma ātrums

• Tipisks slieksnis: 2,0–2,5 × pirmais kritiskais ātrums
• Atkarīgs no gultņa: Specifiskā robežvērtība mainās atkarībā no gultņa konstrukcijas, iepriekšējas slodzes un eļļas viskozitātes
• Pēkšņa sākšanās: Neliels ātruma pieaugums var izraisīt strauju pāreju no stabila stāvokļa uz nestabilu stāvokli

Profilakses stratēģijas

Gultņu konstrukcijas modifikācijas

1. Slīpuma paliktņa gultņi

• Visefektīvākais risinājums vārpstas raustīšanās novēršanai
• Spilventiņi grozās neatkarīgi, novēršot destabilizējošus šķērssavienojuma spēkus
• Stabils plašā ātruma diapazonā
• Nozares standarts ātrgaitas turbokompresoru iekārtām

2. Spiediena aizsprosta gultņi

• Modificēts cilindrisks gultnis ar rievām vai aizsprostiem
• Palielina efektīvu slāpēšanu un stingrību
• Lētāks nekā noliecamais paliktnis, bet mazāk efektīvs

3. Gultņa iepriekšēja slodze

• Radiālā priekšslodzes pielietošana gultņiem palielina stingrību
• Paaugstina nestabilitātes sliekšņa ātrumu
• Var panākt, izmantojot nobīdīta urbuma konstrukcijas

4. Saspiediet plēves slāpētājus

• Ārējais slāpēšanas elements ap gultni
• Nodrošina papildu slāpēšanu, nemainot gultņu konstrukciju
• Efektīvs modernizēšanas vajadzībām

Operatīvie pasākumi

• Ātruma ierobežojums: Ierobežojiet maksimālo darbības ātrumu zem sliekšņa (parasti < 1,8 × pirmais kritiskais)
• Slodzes pārvaldība: Ja iespējams, darboties ar lielākām gultņu slodzēm (palielina slāpēšanu)
• Eļļas temperatūras kontrole: Zemāka eļļas temperatūra palielina viskozitāti un slāpēšanu
• Uzraudzība: Nepārtraukta vibrāciju uzraudzība ar trauksmes signāliem, kas iestatīti subsinhroniem komponentiem

Sekas un bojājumi

Tūlītēja iedarbība

• Spēcīga vibrācija: Amplitūdas var sasniegt vairākus milimetrus (simtiem milu)
• Troksnis: Skaļa, atšķirīga skaņa, kas atšķiras no normālas darbības
• Ātra gultņu uzsildīšana: Gultņu temperatūra var paaugstināties par 20–50 °C dažu minūšu laikā
• Eļļas degradācija: Augsta temperatūra un bīde noārda smērvielu

Iespējamās kļūmes

• Gultņa tīrīšana: Babbīta gultņa materiāls kūst un tiek noslaucīts
• Vārpstas bojājums: Vārīšana, berzēšana vai pastāvīga locīšana
• Blīvējuma atteice: Pārmērīga vārpstas kustība iznīcina blīves
• Vārpstas lūzums: Augsta cikla nogurums no spēcīgas svārstības
• Sakabes bojājumi: Pārnestie spēki bojā savienojumus

Saistītās parādības

Eļļas virpulis

Eļļas virpulis ir pātagas priekštecis:

• Tas pats mehānisms, bet frekvence nav fiksēta uz dabisko frekvenci
• Mazāk izteikta amplitūda
• Frekvence proporcionāla ātrumam (~0,43–0,48×)
• Dažos gadījumos var būt pieļaujams

Tvaika virpulis

Līdzīga nestabilitāte tvaika turbīnās, ko izraisa aerodinamiskie spēki labirinta blīvējumos, nevis gultņu eļļas plēvēs. Uzrāda līdzīgu subsinhronu vibrāciju bloķēšanos uz dabisko frekvenci.

Sausā berzes pātaga

Var rasties blīvējuma vietās vai rotora un statora saskares rezultātā:

• Berzes spēki nodrošina destabilizējošu mehānismu
• Retāk sastopams nekā eļļas putotājs, bet tikpat bīstams
• Nepieciešama cita korektīva pieeja (novērst kontaktu, uzlabot blīvējuma konstrukciju)

Gadījuma izpēte: Kompresora vārpstas pātaga

Scenārijs: Ātrgaitas centrbēdzes kompresors ar vienkāršiem cilindriskiem gultņiem

• Normāla darbība: 12 000 apgr./min. ar vibrāciju 2,5 mm/s
• Ātruma palielināšana: Operatora apgriezienu skaits palielināts līdz 13 500 apgr./min, lai nodrošinātu lielāku jaudu.
• Sākums: Pie 13 200 apgr./min. attīstījās pēkšņa, spēcīga vibrācija.
• Simptomi: 25 mm/s vibrācija pie 45 Hz (nemainīga), gultņu temperatūra paaugstinājās no 70°C līdz 95°C 3 minūtēs
• Ārkārtas rīcība: Tūlītēja izslēgšana novērsa gultņu atteici
• Galvenais iemesls: Pirmais kritiskais ātrums bija 2700 apgr./min (45 Hz); tika pārsniegts svārstību slieksnis pie 2 × kritiskā ātruma = 5400 apgr./min.
• Risinājums: Vienkāršie gultņi aizstāti ar noliecamiem gultņiem, kas nodrošina drošu darbību līdz 15 000 apgr./min

Standarti un nozares prakse

• API 684: Nepieciešama stabilitātes analīze ātrgaitas turbokompresoriem
• API 617: Norāda kompresoru gultņu veidus un stabilitātes prasības
• ISO 10814: Sniedz norādījumus par gultņu izvēli stabilitātes nodrošināšanai
• Nozares prakse: Iekārtām, kas darbojas ar ātrumu virs 2 × pirmā kritiskā ātruma, standarts ir noliecamās paliktņa gultņi

Vārpstas vibrācija ir katastrofāls atteices režīms, kas jānovērš, pareizi izvēloties un projektējot gultni. Tās raksturīgās subsinhronās, frekvenču bloķētās vibrācijas raksturlieluma atpazīšana ļauj ātri diagnosticēt un atbilstoši reaģēt ārkārtas situācijās, novēršot dārgus bojājumus kritiski svarīgām ātrgaitas rotējošām iekārtām.

---

← Atpakaļ uz galveno indeksu