Forstå akselpisk i roterende maskineri

Enheter

Bærbart balanse- og vibrasjonsanalyseapparat Balanset-1A

$2,358.31

Deler

Vibrasjonssensor.

$107.47

Deler

Optisk sensor (lasertakometer)

$148.07

Enheter

Balanset-4.

$8,123.32

Deler

Magnetisk stativ Insize-60-kgf.

$54.93

Deler

Reflekterende tape.

$11.94

Enheter

Dynamisk balanseringsenhet "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definisjon: Hva er Shaft Whip?

Skaftpisk (også kalt oljepisk når det forekommer i hydrodynamiske lagre) er en alvorlig form for rotorinstabilitet preget av voldelig selveksitert vibrasjon som oppstår når en rotor som opererer i fluidfilmlagre overstiger en kritisk terskelhastighet, vanligvis omtrent det dobbelte av den første kritisk hastighet. Når piskingen oppstår, “låses” vibrasjonsfrekvensen på rotorens første naturlig frekvens og forblir der uavhengig av ytterligere hastighetsøkninger, med amplitude kun begrenset av lagerklaringer eller katastrofal svikt.

Akselpisking er en av de farligste tilstandene i høyhastighets roterende maskiner fordi den utvikler seg plutselig, vokser til destruktive amplituder i løpet av sekunder og ikke kan korrigeres av balansering eller andre konvensjonelle metoder. Det krever umiddelbar nedstengning og modifikasjoner av lagersystemet for å forhindre gjentakelse.

Progresjonen: Oljevirvel til akselpisk

Fase 1: Stabil drift

• Rotoren opererer under ustabilitetsterskelen
• Kun normal tvungen vibrasjon fra ubalanse nåværende
• Lageroljefilm gir stabil støtte

Fase 2: Oljevirvelstart

Når hastigheten øker forbi omtrent 2 ganger den første kritiske hastigheten:

• Oljevirvel utvikler seg – subsynkron vibrasjon ved ~0,43–0,48 × akselhastighet
• Amplituden er i utgangspunktet moderat og hastighetsavhengig
• Frekvensen øker proporsjonalt med akselhastigheten
• Kan være intermitterende eller kontinuerlig
• Kan sameksistere med normal 1X vibrasjon fra ubalanse

Fase 3: Piskovergang

Når oljevirvelfrekvensen øker for å samsvare med den første naturlige frekvensen:

• Frekvenslåsing: Vibrasjonsfrekvensen låses ved naturlig frekvens
• Resonant forsterkning: Amplituden øker dramatisk pga. resonans
• Plutselig innsettende: Overgangen fra virvel til pisk kan være øyeblikkelig
• Hastighetsuavhengighet: Ytterligere hastighetsøkninger endrer ikke frekvensen, bare amplituden

Fase 4: Skaftpisk (kritisk tilstand)

• Vibrasjon ved konstant frekvens (første egenfrekvens, vanligvis 40–60 Hz)
• Amplitude 5–20 ganger høyere enn normal ubalansevibrasjon
• Akselen kan komme i kontakt med lagerklaringsgrensene
• Rask oppvarming av lagre og olje
• Potensial for katastrofal feil i løpet av minutter hvis den ikke slås av

Fysisk mekanisme

Hvordan oljepisk utvikler seg

Mekanismen involverer fluiddynamikk i lageroljefilmen:

1. Dannelse av oljekile: Når akselen roterer, drar den olje rundt lageret, og skaper en trykkkile
2. Tangensiell kraft: Oljekilen utøver en kraft vinkelrett på radialretningen (tangensiell)
3. Banebevegelse: Tangensiell kraft får akselsenteret til å gå i bane med omtrent halv akselhastighet
4. Energiutvinning: Systemet utvinner energi fra akselrotasjon for å opprettholde orbital bevegelse
5. Resonanslås: Når banefrekvensen samsvarer med den naturlige frekvensen, forsterker resonansen vibrasjonen
6. Begrens syklus: Vibrasjonen øker inntil den begrenses av lagerklaring eller -feil

Diagnostisk identifikasjon

Vibrasjonssignatur

Akselpisk produserer karakteristiske mønstre i vibrasjonsdata:

• Spektrum: Stor topp ved subsynkron frekvens (første naturlige frekvens), konstant uavhengig av hastighetsendringer
• Fosstomt: Subsynkron komponent vises som en vertikal linje (konstant frekvens) i stedet for diagonal (hastighetsproporsjonal)
• Ordreanalyse: Brøkorden som avtar når hastigheten øker (f.eks. endres fra 0,5× til 0,4× til 0,35×)
• Bane: Stor sirkulær eller elliptisk bane ved naturlig frekvens

Starthastighet

• Typisk terskel: 2,0–2,5× første kritiske hastighet
• Lageravhengig: Spesifikk terskel varierer med lagerdesign, forspenning og oljeviskositet
• Plutselig innsettende: Liten hastighetsøkning kan utløse rask overgang fra stabil til ustabil

Forebyggingsstrategier

Modifikasjoner av lagerdesign

1. Vippelager

• Den mest effektive løsningen for å forhindre akselvipping
• Putene dreier uavhengig, noe som eliminerer destabiliserende krysskoblingskrefter
• Iboende stabil over brede hastighetsområder
• Industristandard for høyhastighetsturbomaskineri

2. Trykkdammelager

• Modifisert sylindrisk lager med spor eller demninger
• Øker effektiv demping og stivhet
• Billigere enn vippepute, men mindre effektiv

3. Lagerforspenning

• Påføring av radial forspenning på lagre øker stivheten
• Øker terskelhastigheten for ustabilitet
• Kan oppnås gjennom forskjøvede boredesign

4. Klemfilmdempere

• Eksternt dempingselement rundt lageret
• Gir ekstra demping uten å endre lagerdesign
• Effektiv for ettermonteringsapplikasjoner

Operasjonelle tiltak

• Fartsgrense: Begrens maksimal driftshastighet til under terskelverdien (vanligvis < 1,8× første kritiske)
• Lasthåndtering: Bruk med høyere lagerbelastninger når det er mulig (øker demping)
• Oljetemperaturkontroll: Lavere oljetemperatur øker viskositet og demping
• Overvåking: Kontinuerlig vibrasjonsovervåking med alarmer innstilt for subsynkrone komponenter

Konsekvenser og skade

Umiddelbare effekter

• Voldsom vibrasjon: Amplitudene kan nå flere millimeter (hundrevis av mil)
• Støy: Høy, særegen lyd som er forskjellig fra normal drift
• Rask oppvarming av lager: Lagertemperaturene kan stige med 20–50 °C i løpet av minutter
• Oljenedbrytning: Høye temperaturer og skjæring nedbryter smøremiddel

Potensielle feil

• Lagertørk: Lagerbabbitmateriale smelter og tørkes bort
• Skade på akselen: Riss, galling eller permanent bøying
• Tetningsfeil: Overdreven akselbevegelse ødelegger tetninger
• Akselbrudd: Høysyklusutmattelse fra voldsom svingning
• Koblingsskade: Overførte krefter skader koblinger

Relaterte fenomener

Oljevirvel

Oljevirvel er forløperen til pisking:

• Samme mekanisme, men frekvensen har ikke låst seg til den naturlige frekvensen
• Mindre alvorlig amplitude
• Frekvens proporsjonal med hastighet (~0,43–0,48×)
• Kan være tålelig i noen applikasjoner

Dampvirvel

Lignende ustabilitet i dampturbiner forårsaket av aerodynamiske krefter i labyrinttetninger i stedet for oljefilmer i lagrene. Viser lignende subsynkron vibrasjon som låser seg på egenfrekvens.

Tørrfriksjonspisk

Kan oppstå ved tetningssteder eller ved kontakt mellom rotor og stator:

• Friksjonskrefter gir en destabiliserende mekanisme
• Mindre vanlig enn oljepisk, men like farlig
• Krever en annen korrigerende tilnærming (eliminer kontakt, forbedre tetningsdesign)

Case-studie: Kompressorakselpisk

Scenario: Høyhastighets sentrifugalkompressor med sylindriske glidelager

• Normal drift: 12 000 o/min med vibrasjon på 2,5 mm/s
• Hastighetsøkning: Operatørhastigheten økt til 13 500 o/min for høyere kapasitet
• Utbrudd: Ved 13 200 o/min utviklet det seg plutselig kraftig vibrasjon
• Symptomer: 25 mm/s vibrasjon ved 45 Hz (konstant), lagertemperaturen steg fra 70 °C til 95 °C på 3 minutter
• Nødtiltak: Umiddelbar nedstengning forhindret lagersvikt
• Rotårsak: Første kritiske hastighet var 2700 o/min (45 Hz); whip-terskelen ved 2× kritisk = 5400 o/min ble overskredet
• Løsning: Byttet ut glidelagre med vippelager, noe som muliggjør sikker drift opp til 15 000 o/min

Standarder og bransjepraksis

• API 684: Krever stabilitetsanalyse for høyhastighetsturbomaskineri
• API 617: Spesifiserer lagertyper og stabilitetskrav for kompressorer
• ISO 10814: Gir veiledning om valg av lager for stabilitet
• Bransjepraksis: Vippelager er standard for utstyr som opererer over 2× første kritiske hastighet

Akselpisking representerer en katastrofal feiltilstand som må forebygges gjennom riktig lagervalg og -design. Gjenkjenning av dens særegne subsynkrone, frekvenslåste vibrasjonssignatur muliggjør rask diagnose og passende nødrespons, noe som forhindrer kostbar skade på kritisk høyhastighets roterende utstyr.

---

← Tilbake til hovedindeksen