Rotējošas mašīnas vērpes vibrācijas izpratne
Definīcija: Kas ir vērpes vibrācija?
Vērpes vibrācija ir rotējošas vārpstas leņķiskā svārstība ap tās rotācijas asi — būtībā vērpes un vērpes kustība, kurā dažādas vārpstas daļas jebkurā brīdī griežas ar nedaudz atšķirīgu ātrumu. Atšķirībā no sānu vibrācija (kustība no vienas puses uz otru) vai aksiālā vibrācija (kustība uz priekšu un atpakaļ) vērpes vibrācija neietver lineāru pārvietojumu; tā vietā vārpsta piedzīvo pārmaiņus pozitīvu un negatīvu leņķisko paātrinājumu.
Lai gan vērpes vibrācijai parasti ir daudz mazākas amplitūdas nekā sānu vibrācijai un to bieži vien ir grūti noteikt, tā var radīt milzīgus mainīgus spriegumus vārpstās, savienojumos un zobratos, kas potenciāli var izraisīt katastrofālus noguruma bojājumus bez brīdinājuma.
Fiziskais mehānisms
Kā rodas vērpes vibrācija
Torsionālo vibrāciju var vizualizēt šādi:
- Iedomājieties garu vārpstu, kas savieno motoru ar piedziņas slodzi
- Vārpsta darbojas kā vērpes atspere, uzkrājot un atbrīvojot enerģiju, griežoties
- Kad vārpstu traucē mainīgi griezes momenti, tā svārstās, un atsevišķas tās daļas griežas ātrāk un lēnāk nekā vidējais ātrums.
- Šīs svārstības var uzkrāties, ja ierosmes frekvence atbilst vērpes dabiskajai frekvencei
Vērpes dabiskās frekvences
Katrai vārpstas sistēmai ir vērpes dabiskās frekvences, ko nosaka:
- Vārpstas vērpes stingrība: Atkarīgs no vārpstas diametra, garuma un materiāla bīdes moduļa
- Sistēmas inerce: Savienoto rotējošo komponentu (motora rotora, sajūgu, zobratu, slodžu) inerces momenti
- Vairāki režīmi: Sarežģītām sistēmām ir vairākas vērpes dabiskās frekvences
- Sakabes efekti: Elastīgi savienojumi palielina vērpes elastību, samazinot dabiskās frekvences
Torsionālās vibrācijas galvenie cēloņi
1. Mainīgs griezes moments no virzuļdzinējiem
Visizplatītākais avots daudzās lietojumprogrammās:
- Dīzeļdzinēji un benzīna dzinēji: Degšanas notikumi rada pulsējošu griezes momentu
- Šaušanas secība: Rada motora apgriezienu harmonikas
- Cilindru skaits: Mazāks cilindru skaits rada lielāku griezes momenta variāciju
- Rezonanses risks: Dzinēja darbības ātrums var sakrist ar vērpes kritiskajiem ātrumiem
2. Zobratu tīkla spēki
Pārnesumu sistēmas rada vērpes ierosmi:
- Zobratu sazobes frekvence (zobu skaits × apgr./min.) rada svārstīgu griezes momentu
- Zobu atstatuma kļūdas un profila neprecizitātes veicina
- Zobratu brīvkustība var izraisīt trieciena slodzi
- Vairāki pārnesumu posmi rada sarežģītas vērpes sistēmas
3. Elektromotoru problēmas
Elektromotori var radīt vērpes traucējumus:
- Staba apdzīšanas biežums: Rotora un statora mijiedarbība rada pulsējošu griezes momentu
- Bojāti rotora stieņi: Rada griezes momenta impulsus slīdēšanas frekvencē
- Mainīgas frekvences piedziņas (VFD): PWM komutācija var ierosināt vērpes režīmus
- Sākot pārejas: Lielas griezes momenta svārstības motora iedarbināšanas laikā
4. Procesa slodzes variācijas
Mainīga slodze uz piedziņas iekārtām:
- Kompresora pārsprieguma notikumi
- Sūkņa kavitācija, kas rada griezes momenta lēcienus
- Cikliskās slodzes drupinātājos, dzirnavās un presēs
- Ventilatoru un turbīnu lāpstiņu caurlaides spēki
5. Sakabes un piedziņas problēmas
- Nodilušas vai bojātas sakabes ar brīvkustību vai pretējo kustību
- Universālie savienojumi, kas darbojas leņķos, radot 2× vērpes ierosmi
- Siksnas piedziņas slīdēšana un vibrēšana
- Ķēdes piedziņas daudzstūra darbība
Noteikšanas un mērīšanas izaicinājumi
Kāpēc vērpes vibrāciju ir grūti noteikt
Atšķirībā no sānu vibrācijas, vērpes vibrācija rada unikālus mērīšanas izaicinājumus:
- Nav radiālās nobīdes: Standarta akselerometri uz gultņu korpusiem neuztver tikai vērpes kustību.
- Mazas leņķiskās amplitūdas: Tipiskas amplitūdas ir grāda daļas
- Nepieciešamais specializētais aprīkojums: Nepieciešami vērpes vibrācijas sensori vai sarežģīta analīze
- Bieži vien aizmirsts: Nav iekļauts ikdienas vibrācijas uzraudzības programmās
Mērīšanas metodes
1. Spriegojuma mērierīces
- Uzstādīts 45° leņķī pret vārpstas asi, lai mērītu bīdes deformāciju
- Nepieciešama telemetrijas sistēma, lai pārraidītu signālu no rotējošās vārpstas
- Tieša vērpes sprieguma mērīšana
- Visprecīzākā metode, bet sarežģīta un dārga
2. Divu zonžu vērpes vibrācijas sensori
- Divi optiskie vai magnētiskie sensori mēra ātrumu dažādās vārpstas vietās
- Fāžu starpība starp signāliem norāda uz vērpes vibrāciju
- Bezkontakta mērīšana
- Var uzstādīt uz laiku vai pastāvīgi
3. Lāzera vērpes vibrometri
- Vārpstas leņķiskā ātruma izmaiņu optiskā mērīšana
- Bezkontakta, nav nepieciešama vārpstas sagatavošana
- Dārgs, bet jaudīgs problēmu novēršanai
4. Netiešie rādītāji
- Motora strāvas paraksta analīze (MCSA) var atklāt vērpes problēmas
- Sakabes un zobratu zobu nodiluma modeļi
- Vārpstas noguruma plaisu atrašanās vietas un orientācijas
- Neparasti sānu vibrāciju modeļi, kas var būt saistīti ar vērpes režīmiem
Sekas un bojājumu mehānismi
Noguruma bojājumi
Galvenais vērpes vibrācijas apdraudējums:
- Vārpstas bojājumi: Noguruma plaisas, kas parasti ir 45° leņķī pret vārpstas asi (maksimālās bīdes sprieguma plaknes)
- Sakabes kļūmes: Zobratu savienojuma zobu nodilums, elastīgo elementu nogurums
- Zobrata zobu lūzums: Paātrināts ar vērpes svārstībām
- Atslēgas un atslēgas rievas bojājumi: Svārstīgo griezes momentu radītais nodilums un frizūra
Vērpes bojājumu raksturojums
- Bieži vien pēkšņi un katastrofāli bez brīdinājuma
- Lūzuma virsmas aptuveni 45° leņķī pret vārpstas asi
- Pludmales pēdas uz lūzuma virsmas, kas norāda uz noguruma progresēšanu
- Var rasties pat tad, ja sānu vibrācijas līmenis ir pieņemams
Veiktspējas problēmas
- Ātruma kontroles problēmas precīzijas piedziņās
- Pārmērīgs pārnesumkārbu un savienojumu nodilums
- Troksnis no zobratu grabēšanas un sajūga triecieniem
- Jaudas pārvades neefektivitāte
Analīze un modelēšana
Vērpes analīze projektēšanas laikā
Pareizai konstrukcijai nepieciešama vērpes analīze:
- Dabiskās frekvences aprēķins: Nosakiet visus vērpes kritiskos ātrumus
- Piespiedu atbildes analīze: Prognozēt vērpes amplitūdas darba apstākļos
- Kempbela diagramma: Rādīt vērpes dabiskās frekvences atkarībā no darba ātruma
- Stresa analīze: Aprēķiniet mainīgos bīdes spriegumus kritiskajās sastāvdaļās
- Noguruma dzīves prognozēšana: Novērtējiet komponenta kalpošanas laiku vērpes slodzes apstākļos
Programmatūras rīki
Specializēta programmatūra veic vērpes analīzi:
- Daudzinerces vienreizējās masas modeļi
- Galīgo elementu vērpes analīze
- Pārejošu notikumu laika domēna simulācija
- Frekvenču domēna harmonisko analīze
Mazināšanas un kontroles metodes
Dizaina risinājumi
- Atdalīšanas robežas: Nodrošiniet, lai vērpes dabiskās frekvences būtu ±20% attālumā no ierosmes frekvencēm
- Slāpēšana: Iekļaut vērpes slāpētājus (viskozes slāpētājus, berzes slāpētājus)
- Elastīgi savienojumi: Pievienojiet vērpes elastību zemākām dabiskajām frekvencēm zem ierosmes diapazona
- Masveida skaņošana: Pievienojiet spararatus vai modificējiet inerces, lai mainītu dabiskās frekvences
- Stīvuma izmaiņas: Mainīt vārpstas diametrus vai savienojuma stingrību
Operacionālie risinājumi
- Ātruma ierobežojumi: Izvairieties no nepārtrauktas darbības ar vērpes kritiskajiem ātrumiem
- Ātrs paātrinājums: Ātri pārsniedziet kritiskos ātrumus palaišanas laikā
- Slodzes pārvaldība: Izvairieties no apstākļiem, kas ierosina vērpes režīmus
- VFD regulēšana: Pielāgojiet piedziņas parametrus, lai samazinātu vērpes ierosmi
Komponentu izvēle
- Augstas slāpēšanas savienojumi: Elastomēriskas vai hidrauliskas sakabes, kas izkliedē vērpes enerģiju
- Vērpes slāpētāji: Specializētas ierīces virzuļdzinēju piedziņām
- Pārnesumu kvalitāte: Precīzi zobrati ar stingrām pielaidēm samazina ierosmi
- Vārpstas materiāls: Augstas noguruma izturības materiāli vērpes ziņā kritiskām vārpstām
Nozares pielietojumi un standarti
Kritiskās lietojumprogrammas
Vērpes analīze ir īpaši svarīga:
- Virzuļdzinēju piedziņas: Dīzeļģeneratori, gāzes dzinēju kompresori
- Garas piedziņas vārpstas: Kuģu piedziņa, velmētavas
- Lieljaudas pārnesumkārbas: Vēja turbīnas, rūpnieciskās pārnesumu piedziņas
- Mainīga ātruma piedziņas: VFD motoru pielietojumi, servo sistēmas
- Daudzkorpusu sistēmas: Sarežģītas piedziņas ķēdes ar vairākām savienotām mašīnām
Attiecīgie standarti
- API 684: Rotora dinamika, tostarp vērpes analīzes procedūras
- API 617: Centrbēdzes kompresora vērpes prasības
- API 672: Iepakota virzuļkompresora vērpes analīze
- ISO 22266: Rotējošo mašīnu vērpes vibrācija
- VDI 2060: Vērpes vibrācijas piedziņas sistēmās
Saistība ar citiem vibrācijas veidiem
Lai gan vērpes vibrācija atšķiras no sānu un aksiālās vibrācijas, tā var būt saistīta ar tām:
- Sānu vērpes sajūgs: Noteiktās ģeometrijās vērpes un sānu režīmi mijiedarbojas
- Zobratu siets: Vērpes vibrācija rada dažādas zobu slodzes, kas var ierosināt sānu vibrāciju
- Kardāna savienojumi: Leņķiskā nobīde savieno vērpes ieeju ar sānu izeju
- Diagnostikas izaicinājums: Sarežģītām vibrāciju signatūrām var būt ietekme no vairākiem vibrāciju veidiem
Vērpes vibrāciju izpratne un pārvaldība ir būtiska enerģijas pārvades sistēmu uzticamai darbībai. Lai gan ikdienas uzraudzībā tām tiek pievērsta mazāka uzmanība nekā sānu vibrācijām, vērpes vibrāciju analīze ir kritiski svarīga lieljaudas vai precīzijas piedziņas sistēmu projektēšanas un problēmu novēršanas laikā, kur vērpes atteicēm var būt katastrofālas sekas.
Kategorijas:
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 