Inzicht in wrijving in roterende machines
Wrijving is de wrijving en de relatieve glijbeweging tussen draaiende en stilstaande onderdelen in een machine. De term benadrukt het aspect van de voortdurende wrijving van rotor-statorcontact, waardoor het zich onderscheidt van het lichte, af en toe plaatsvindende contact of de afzonderlijke stoten die eveneens kunnen voorkomen. Wrijving veroorzaakt wrijvingskrachten, geeft door wrijvingswerk aanzienlijke hoeveelheden warmte af en produceert een kenmerkend trillingen signatuur die wordt gedomineerd door achterwaartse wervel, subsynchroon onderdelen en thermische effecten. Het is een van de gevaarlijkste storingen die bij een roterende machine kan optreden, omdat deze binnen enkele minuten tot een defect kan leiden.
“Rubbing” en “rotor rub” worden vaak door elkaar gebruikt. In de praktijk benadrukt “rubbing” de wrijvings- en thermische kant van het contact, terwijl “rotor rub” de bredere overkoepelende term is die alle vormen van contact omvat — van licht schuren tot harde schokken.
1. De wrijvingsmechanica van rubbing
Coulomb-wrijvingsmodel
Rubbing volgt de principes van droge (Coulomb-)wrijving:
- Wrijvingskracht: F = μ × N, waarbij μ de wrijvingscoëfficiënt is en N de normaalkracht die de oppervlakken tegen elkaar drukt.
- Richting: de wrijvingskracht werkt altijd de relatieve beweging tussen de contactvlakken tegen.
- Typische coëfficiënten: staal op staal μ ≈ 0,3–0,5; staal op afdichtingsmateriaal μ ≈ 0,2–0,4.
- Warmteontwikkeling: In feite wordt alle wrijvingsarbeid op het contactpunt omgezet in warmte.
Tangentiële en normaalkrachten
Tijdens het contact werken er twee krachtcomponenten op de rotor:
- Normaalkracht: oefent op het wrijvingspunt een radiale druk naar binnen uit op de rotor.
- Wrijvingskracht: werkt tangentieel in en gaat de draairichting tegen.
- Resulterende kracht: de combinatie zorgt ervoor dat de rotor wordt afgeremd en naar achteren wordt afgebogen, tegen de draairichting in.
- Toename van het koppel: Door de wrijving gaat er vermogen verloren, waardoor het aandrijfkoppel dat de machine moet leveren, toeneemt.
2. Kenmerkende trillingspatronen
Achterwaartse werveling
Het meest opvallende kenmerk van rubbing is achterwaartse (omgekeerde) wervel werveling:
- De wrijvingskracht zorgt voor een tangentiële component die de baanbeweging achterwaarts drijft.
- De as baanbeweging sporen die tegengesteld zijn aan de draairichting van de as.
- De wervelfrequentie is doorgaans subsynchroon — minder dan 1× de draaisnelheid.
- Veelvoorkomende frequenties komen voor bij fractionele ordes: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- De baanvorm is vaak onregelmatig of duidelijk vervormd.
Spectrumkenmerken
- Sub-synchrone pieken: meerdere pieken onder 1×, vaak bij fractionele harmonischen.
- Synchrone component: de 1× synchroon de piek kan stijgen naarmate de wrijvingskrachten hieraan bijdragen.
- Hogere harmonischen: 2×, 3×, 4× harmonischen vloeien voort uit de niet-lineariteit van intermitterende wrijving.
- Breedbandruis: de ruisvloer over het gehele spectrum stijgt.
- Onstabiel spectrum: pieken komen en gaan of veranderen van frequentie tussen twee metingen.
Kenmerken van tijdgolfvormen
- Impulsieve gebeurtenissen of pieken telkens wanneer er contact ontstaat, zichtbaar in de tijdgolfvorm.
- Afknipping of afvlakking bij de maximale uitslag, waar de stator de slag fysiek beperkt.
- Een onregelmatige, niet-sinusvormige algemene vorm.
- Slagpatronen die ontstaan doordat verschillende frequenties naast elkaar bestaan.
3. Thermische effecten van rubbing
Warmteopwekking
Wrijving zet mechanische energie direct om in warmte:
- Snelheid: het vermogensverlies is gelijk aan de wrijvingskracht maal de glijsnelheid.
- Grootte: Bij licht wrijven kan er 10 tot 100 watt vrijkomen; bij krachtig wrijven zelfs kilowatts.
- Concentratie: die warmte wordt geconcentreerd in een zeer klein contactoppervlak.
- Temperatuurstijging: In ernstige gevallen kunnen de lokale oppervlaktetemperaturen oplopen tot meer dan 500 °C.
Thermische buiging
Het gevaar van wrijving schuilt in een vicieuze cirkel van warmte en trillingen:
- De eerste wrijving zorgt ervoor dat er aan één kant van de as warmte wordt opgewekt.
- Door asymmetrische verwarming buigt de as in een thermische doorbuiging.
- De thermische doorbuiging vergroot de doorbuiging van de as.
- Een grotere doorbuiging leidt tot heviger schuren.
- Meer wrijving genereert nog meer warmte.
- Deze positieve terugkoppeling kan leiden tot een snelle, onbeheersbare storing.
Omdat elke herhaling van deze lus de volgende verdiept, wordt wrijven beschouwd als een vorm van zelfopgewekte trilling en een weg naar de absolute rotorinstabiliteit.
Secundaire thermische effecten
- Verwarming van lagers: de warmte wordt via de as naar de lagers geleid.
- Aantasting van de olie: Te hoge temperaturen tasten het smeermiddel aan.
- Materiaalveranderingen: Fasetransformaties of metallurgische veranderingen in door warmte beïnvloede zones
- Thermische stress: kan scheurtjes veroorzaken in de gebieden die aan thermische spanning onderhevig zijn.
4. Schuren in het veld opsporen
Trillingsbewaking
- Alarmen bij subsynchrone werking: waarschuwing bij pieken van 0,3–0,5× de loopsnelheid.
- Orbitbewaking: De geautomatiseerde baananalyse signaleert het optreden van een achterwaartse draaiing.
- Spectrale veranderingen: algoritmen detecteren het plotseling optreden van meerdere harmonischen.
- Vervorming van de golfvorm: detectie van de niet-sinusvormige vervorming die door contact ontstaat.
Het herkennen van deze patronen is precies waarvoor een draagbare analysator bedoeld is. Werkend in de eigen lagers van de machine op bedrijfssnelheid, is een twee-kanaals instrument zoals de Balanset-1A registreert de tijdsgolfvorm en de amplitude en fase in de 1×-modus, zodat een technicus de impulsmatige clipping en de energie van de fractie-orde kan zien die wijzen op wrijving, en vervolgens kan controleren of er nog een restonbalans is of verkeerde uitlijning is de belangrijkste reden voor elke demontage.
Temperatuurbewaking
- Stuik temperatuursensoren met alarmen voor snelle stijging.
- Infrarood temperatuurbewaking van blootgestelde schachtsecties
- Controle van het temperatuurverschil — boven- versus onderkant van een lager.
- Alarmen voor de snelheid van verandering, bijvoorbeeld bij meer dan 5 °C per minuut.
Aanvullende indicatoren
- Toename van het koppel: het stroomverbruik neemt toe naarmate de aandrijving door wrijving wordt belast.
- Snelheidsschommelingen: kleine snelheidsschommelingen als gevolg van het wisselende wrijvingskoppel.
- Akoestische emissie: hoogfrequent geluid afkomstig van het contactpunt, waarneembaar door akoestische emissie sensoren.
- Visuele inspectie: slijtage, verkleuring en zichtbare krassen.
5. Reageren op een wrijving
Onmiddellijke acties
- Ernst verminderen: verlaag de snelheid of de belasting als dat veilig kan.
- Houd dit nauwlettend in de gaten: houd de trillingen en de temperatuur voortdurend in de gaten.
- Bereid je voor op het afsluiten: zorg dat er een noodstop klaar is uitschakeling klaar.
- Noodstop: Schakel de machine uit als de trillingen of de temperatuur toenemen.
- Laat afkoelen: Laat de draaiinrichting draaien of laat deze op natuurlijke wijze afkoelen voordat u de inspectie uitvoert, zodat de thermische kromming zich kan herstellen.
Onderzoek
- Controleer op fysieke sporen van contact.
- Meet de speling op de plaatsen waar mogelijk wrijving optreedt.
- Controleer op thermische kromming of permanente kromming asdoorbuiging.
- Stel de hoofdoorzaak vast — overmatige trillingen, onvoldoende speling, enzovoort.
Corrigerende maatregelen
- De vrije ruimte vergroten: beschadigde delen uitfrezen of onderdelen vervangen.
- Pak de oorzaak aan: de rotor uitbalanceren, zorg voor een juiste uitlijning, los het lagerprobleem op waardoor er contact ontstond.
- Vervang beschadigde onderdelen: afdichtingen, lageronderdelen en asdelen, indien nodig.
- Controleer de vrije ruimte: Controleer of er op elke plek voldoende vrije ruimte is voordat u opnieuw start.
Wrijving is een van de ernstigste trillingsgerelateerde storingen bij roterende machines. Omdat wrijving door thermische terugkoppeling snel kan escaleren, zijn onmiddellijke herkenning, een snelle en doortastende reactie en een grondige correctie vereist — want bij kritieke apparatuur leidt het alternatief tot catastrofaal falen.
