Memahami Daya Empar dalam Jentera Pusing
Definisi: Apakah itu Daya Empar?
Daya sentrifugal ialah daya keluar ketara yang dialami oleh jisim yang bergerak dalam laluan bulat. Dalam jentera berputar, apabila a pemutar mempunyai ketidakseimbangan—bermaksud pusat jisimnya diimbangi daripada paksi putaran—jisim sipi mewujudkan daya emparan berputar apabila aci berputar. Daya ini diarahkan secara jejari ke luar dari pusat putaran dan berputar pada kelajuan yang sama dengan aci.
Daya emparan daripada ketidakseimbangan adalah punca utama getaran dalam jentera berputar dan merupakan daya yang balancing prosedur bertujuan untuk meminimumkan. Memahami magnitud dan tingkah lakunya adalah asas kepada dinamik rotor dan analisis getaran.
Ungkapan Matematik
Formula Asas
Magnitud daya sentrifugal diberikan oleh:
- F = m × r × ω²
- di mana:
- F = daya emparan (Newtons)
- m = jisim tidak seimbang (kilogram)
- r = jejari kesipian jisim (meter)
- ω = halaju sudut (radian sesaat) = 2π × RPM / 60
Formulasi Alternatif Menggunakan RPM
Untuk pengiraan praktikal menggunakan RPM:
- F (N) = U × (RPM/9549)²
- Di mana U = ketidakseimbangan (gram-milimeter) = m × r
- Borang ini secara langsung menggunakan unit ketidakseimbangan yang biasa dalam spesifikasi pengimbangan
Wawasan Utama: Hubungan Kuasa Kuasa Laju
Ciri yang paling penting bagi daya emparan ialah pergantungannya pada kuasa dua kelajuan putaran:
- Menggandakan kelajuan meningkatkan daya sebanyak 4× (2² = 4)
- Tiga kali ganda kelajuan meningkatkan daya sebanyak 9× (3² = 9)
- Hubungan kuadratik ini menerangkan mengapa ketidakseimbangan yang boleh diterima pada kelajuan rendah menjadi kritikal pada kelajuan tinggi
Kesan pada Getaran
Hubungan Force-to-Getaran
Daya sentrifugal daripada ketidakseimbangan menyebabkan getaran melalui mekanisme berikut:
- Daya emparan berputar dikenakan pada pemutar
- Daya dihantar melalui aci ke galas dan penyokong
- Sistem elastik (asas galas rotor) bertindak balas dengan memesong
- Pesongan menghasilkan getaran terukur pada galas
- Hubungan antara daya dan getaran bergantung pada kekakuan dan redaman sistem
Pada Resonans
Apabila beroperasi di a kelajuan kritikal:
- Malah daya emparan kecil daripada ketidakseimbangan sisa menghasilkan getaran yang besar
- Faktor penguatan boleh 10-50× bergantung kepada redaman
- Penguatan resonans inilah sebabnya operasi kelajuan kritikal adalah berbahaya
Resonans Bawah (Kendalian Rotor Tegar)
- Getaran lebih kurang berkadar dengan daya
- Oleh itu getaran ∝ kelajuan² (sejak daya ∝ kelajuan²)
- Kelajuan menggandakan empat kali ganda amplitud getaran
Contoh Praktikal
Contoh 1: Pendesak Kipas Kecil
- Tidak seimbang: 10 gram pada jejari 100 mm = 1000 g·mm
- Speed: 1500 RPM
- Pengiraan: F = 1000 × (1500/9549)² ≈ 24.7 N (2.5 kgf)
Contoh 2: Pendesak Sama pada Kelajuan Lebih Tinggi
- Tidak seimbang: 1000 g·mm yang sama
- Speed: 3000 RPM (dua kali ganda)
- Pengiraan: F = 1000 × (3000/9549)² ≈ 98.7 N (10.1 kgf)
- Keputusan: Daya meningkat sebanyak 4× dengan peningkatan kelajuan 2×
Contoh 3: Pemutar Turbin Besar
- Jisim pemutar: 5000 kg
- Ketidakseimbangan yang dibenarkan (G 2.5): 400,000 g·mm
- Speed: 3600 RPM
- Daya Empar: F = 400,000 × (3600/9549)² ≈ 56,800 N (5.8 tan daya)
- Implikasi: Malah rotor "seimbang" menjana daya yang ketara pada kelajuan tinggi
Daya Empar dalam Pengimbangan
Vektor Daya Tidak Imbangan
Daya emparan daripada ketidakseimbangan ialah kuantiti vektor:
- Magnitud: Ditentukan oleh jumlah dan kelajuan tidak seimbang (F = m × r × ω²)
- Arah: Titik jejari ke luar ke arah tempat berat
- Putaran: Vektor berputar pada kelajuan aci (1× kekerapan)
- fasa: Kedudukan sudut daya pada bila-bila masa
Prinsip Pengimbangan
Balancing berfungsi dengan mencipta daya emparan menentang:
- Berat pembetulan diletakkan 180° dari tempat yang berat
- Mencipta daya emparan sama dan bertentangan
- Jumlah vektor bagi daya asal dan pembetulan menghampiri sifar
- Daya emparan bersih diminimumkan, getaran dikurangkan
Pengimbangan Pelbagai Satah
Untuk imbangan dua satah:
- Daya sentrifugal dalam setiap satah mencipta kedua-dua daya dan momen
- Wajaran pembetulan mesti membatalkan kedua-dua ketidakseimbangan daya dan ketidakseimbangan pasangan
- Penambahan vektor daya daripada kedua-dua satah menentukan daya bersih
Implikasi Beban Galas
Statik lwn. Beban Dinamik
- Beban Statik: Beban galas malar daripada berat rotor (graviti)
- Beban Dinamik: Beban berputar daripada daya emparan (tidak seimbang)
- Jumlah Muatan: Jumlah vektor berbeza-beza di sekeliling lilitan apabila pemutar berputar
- Beban Maksimum: Berlaku apabila beban statik dan dinamik diselaraskan
Menanggung Kesan Kehidupan
- Hayat galas berkadar songsang dengan beban kiub (L10 ∝ 1/P³)
- Peningkatan kecil dalam beban dinamik dengan ketara mengurangkan hayat galas
- Daya sentrifugal daripada ketidakseimbangan menambah beban galas
- Kualiti keseimbangan yang baik penting untuk tahan lama
Daya Empar dalam Pelbagai Jenis Mesin
Peralatan Berkelajuan Rendah (< 1000 RPM)
- Daya sentrifugal agak rendah
- Beban statik dari graviti selalunya dominan
- Toleransi keseimbangan yang lebih longgar boleh diterima
- Ketidakseimbangan mutlak yang besar boleh diterima
Peralatan Kelajuan Sederhana (1000-5000 RPM)
- Daya sentrifugal yang ketara dan mesti diuruskan
- Kebanyakan jentera perindustrian dalam julat ini
- Imbangkan gred kualiti G 2.5 hingga G 16 biasa
- Mengimbangi penting untuk menanggung hayat dan kawalan getaran
Peralatan Berkelajuan Tinggi (> 5000 RPM)
- Daya sentrifugal dominan ke atas beban statik
- Toleransi keseimbangan yang sangat ketat diperlukan (G 0.4 hingga G 2.5)
- Ketidakseimbangan kecil mewujudkan kuasa yang besar
- Pengimbangan ketepatan sangat kritikal
Daya Empar dan Kelajuan Kritikal
Penguatan Daya pada Resonans
Pada kelajuan kritikal:
- Input daya empar yang sama
- Respons sistem diperkuat oleh faktor Q (biasanya 10-50)
- Amplitud getaran jauh melebihi operasi di bawah kritikal
- Menunjukkan mengapa kelajuan kritikal mesti dielakkan
Gelagat Rotor Fleksibel
Untuk pemutar fleksibel di atas kelajuan kritikal:
- Aci bengkok di bawah daya emparan
- Pesongan mewujudkan kesipian tambahan
- Kesan pemusatan kendiri melebihi kelajuan kritikal mengurangkan beban galas
- Berlawanan arah: getaran mungkin berkurangan melebihi kelajuan kritikal
Hubungan dengan Piawaian Pengimbangan
Ketidakseimbangan dan Paksa yang dibenarkan
Seimbangkan gred kualiti dalam ISO 21940-11 adalah berdasarkan mengehadkan daya empar:
- Nombor G yang lebih rendah membolehkan kurang ketidakseimbangan
- Hadkan daya berkadar pada sebarang kelajuan
- Memastikan daya emparan kekal dalam had reka bentuk yang selamat
- Jenis peralatan yang berbeza mempunyai toleransi daya yang berbeza
Pengukuran dan Pengiraan
Dari Getaran kepada Daya
Walaupun daya tidak diukur secara langsung dalam pengimbangan medan, ia boleh dianggarkan:
- Ukur amplitud getaran pada kelajuan operasi
- Anggarkan kekakuan sistem daripada pekali pengaruh
- Kira daya: F ≈ k × pesongan
- Berguna untuk menilai sumbangan beban galas daripada ketidakseimbangan
Daripada Ketidakseimbangan kepada Paksa
Pengiraan langsung jika ketidakseimbangan diketahui:
- Gunakan formula F = m × r × ω²
- Atau F = U × (RPM/9549)² dengan U dalam g·mm
- Menyediakan daya jangkaan untuk sebarang jumlah dan kelajuan yang tidak seimbang
- Digunakan dalam pengiraan reka bentuk dan pengesahan toleransi
Daya emparan ialah mekanisme asas di mana ketidakseimbangan menyebabkan getaran dalam mesin berputar. Hubungan kuadratiknya dengan kelajuan menjelaskan mengapa kualiti imbangan menjadi semakin kritikal apabila kelajuan putaran meningkat dan mengapa ketidakseimbangan yang kecil pun boleh menjana daya yang besar dan getaran yang merosakkan dalam peralatan berkelajuan tinggi.
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 