Zrozumienie diagramów interferencyjnych
Definicja: Czym jest diagram interferencyjny?
Jakiś diagram interferencji jest narzędziem graficznym używanym w dynamika wirnika w celu identyfikacji zakresów prędkości obrotowych, w których częstotliwości wzbudzenia “zakłócają” (dopasowują się) do systemu częstotliwości naturalne, tworząc warunki dla rezonans. Termin “interferencja” odnosi się do problematycznej interakcji między częstotliwością wymuszającą (z brak równowagi, (przelot łopatki lub inne źródła) i częstotliwość naturalna, która może powodować nadmierne wibracja.
Choć blisko spokrewniony z Diagram Campbella, Diagram zakłóceń często koncentruje się na wyróżnieniu punktów przecięcia (zakłóceń) i powiązanych z nimi stref prędkości, których należy unikać lub przez które należy szybko przejechać w trakcie jazdy.
Związek z diagramami Campbella
W praktyce terminy “diagram interferencyjny” i “diagram Campbella” są często używane zamiennie, ponieważ przedstawiają podobne informacje. Istnieją jednak subtelne różnice:
Nacisk na diagram Campbella
- Pokazuje pełny obraz tego, jak częstotliwości naturalne zmieniają się w zależności od prędkości
- Wyświetla krzywe częstotliwości naturalnej jako ciągłe funkcje prędkości
- Stosowany głównie do kompleksowej analizy i projektowania dynamiki wirnika
Nacisk na diagram interferencyjny
- Skupia uwagę na konkretnych obszarach problemowych – punktach przecięcia
- Często obejmuje zacienione “strefy zabronione” wokół prędkości krytycznych
- Bardziej operacyjne skupienie, kładące nacisk na zakresy prędkości, aby uniknąć
- Może obejmować wiele źródeł wzbudzenia wykraczających poza samo niezrównoważenie
Konstrukcja diagramu interferencyjnego
Diagram interferencji konstruuje się podobnie do diagramu Campbella, ale z dodatkowym kontekstem operacyjnym:
Podstawowe elementy
- Oś pozioma: Prędkość obrotowa (obr./min lub Hz)
- Oś pionowa: Wzbudzenie lub częstotliwość własna (Hz lub CPM)
- Linie częstotliwości naturalnej: Pokazano, jak częstotliwości naturalne układu zmieniają się wraz z prędkością
- Linie kolejności wzbudzenia: Linie diagonalne dla 1X, 2X, 3X i innych źródeł wzbudzenia
Dodatkowe funkcje
- Podświetlone punkty przecięcia: Prędkości krytyczne wyraźnie oznaczone symbolami lub adnotacjami
- Strefy zabronionej prędkości: Zacieniowane paski wokół każdej prędkości krytycznej pokazują zakresy, których należy unikać
- Zakres prędkości roboczej: Wyraźnie oznaczone, często jako pionowy pas lub wyróżniony obszar
- Strefy szybkiego ruchu: Zakresy prędkości umożliwiające szybkie przejście podczas uruchamiania/wyłączania
- Wiele źródeł wzbudzenia: Linie dla częstotliwości przejścia łopatki, częstotliwości zazębiania się kół zębatych, częstotliwości uszkodzeń łożysk
Rodzaje zakłóceń
Diagram interferencji pozwala zidentyfikować różne rodzaje problematycznych interakcji:
1. Interferencja synchroniczna (1X)
Najczęstszy typ, w którym siły niewyważenia występujące raz na obrót pokrywają się z częstotliwością naturalną. To klasyczny prędkość krytyczna stan : schorzenie.
2. Interferencja harmoniczna (2X, 3X, itd.)
Wyższe harmoniczne prędkości biegu również mogą wzbudzać rezonanse. Typowe źródła to:
- 2X: Od niewspółosiowość, luźność mechaniczna lub asymetryczna sztywność
- 3X, 4X: Ze względu na styki zębów kół zębatych, łożyska wielopłatowe lub asymetrie konstrukcyjne
3. Zakłócenie przepływu łopatki/łopatki
W przypadku turbosprężarek częstotliwość przejścia łopatek (liczba łopatek × obr./min) może wzbudzać mody strukturalne. Diagram interferencji pokazuje, gdzie linie częstotliwości przejścia łopatek przecinają częstotliwości własne.
4. Interferencja subsynchroniczna
Zjawiska takie jak wirowanie oleju (zwykle o częstotliwości 0,43X–0,48X) mogą powodować zakłócenia subsynchroniczne, które należy zidentyfikować i opanować.
5. Zakłócenia częstotliwości uderzeń
W układach sprzężonych lub układach z wieloma elementami obrotowymi, częstotliwości dudnień wynikające z niewielkich różnic prędkości mogą powodować zakłócenia.
Praktyczne zastosowanie w projektowaniu maszyn
Aplikacje fazy projektowania
- Unikanie prędkości krytycznej: Upewnij się, że zakres prędkości roboczej nie pokrywa się ze strefami zakłóceń
- Weryfikacja marginesu separacji: Potwierdź odpowiednie marginesy (zwykle ±15% do ±30%) wokół wszystkich krytycznych prędkości
- Zarządzanie źródłami wzbudzenia: Jeżeli interferencji nie da się uniknąć, należy zmniejszyć amplitudę źródła wzbudzenia (poprawić równowagę, zmniejszyć rozbieżność itp.)
- Wymagania dotyczące tłumienia: Zidentyfikuj, gdzie dokonano ulepszeń tłumienie jest potrzebny do kontrolowania drgań rezonansowych
Modyfikacja i rozwiązywanie problemów
Gdy istniejące maszyny doświadczają problemów z drganiami, pomocne są diagramy zakłóceń:
- Określ, czy problem wynika z pracy z prędkością zbyt bliską prędkości krytycznej
- Oceń proponowane modyfikacje (zmiany łożysk, dodana masa, modyfikacje sztywności)
- Przewidywanie skutków zmian prędkości lub pracy przy zmiennej prędkości
- Określ, czy problem wynika z nieoczekiwanego źródła wzbudzenia
Ustanawianie stref zakazu prędkości
Kluczową cechą diagramów interferencji jest definiowanie stref zakazanych lub ograniczonych prędkości:
Określanie szerokości strefy
Szerokość każdej strefy zabronionej zależy od kilku czynników:
- Tłumienie systemu: Niskie tłumienie wymaga szerszych stref, wysokie tłumienie pozwala na węższe strefy
- Amplituda wzbudzenia: Silne źródła wzbudzenia wymagają szerszych stref unikania
- Konsekwencje operacyjne: Sprzęt krytyczny może wymagać bardziej konserwatywnych (szerszych) stref
- Wartości typowe: ±15% dla układów dobrze tłumionych, ±20-30% dla układów słabo tłumionych
Procedury operacyjne
Na podstawie diagramu interferencji ustala się procedury operacyjne:
- Dozwolona ciągła praca: Zakresy prędkości bez zakłóceń
- Wymagany szybki przejazd: Zabronione strefy, przez które należy szybko przejść podczas uruchamiania/wyłączania
- Całkowicie zabronione: Strefy silnego rezonansu, w których praca nigdy nie jest dozwolona
Przykład: Diagram interferencji turbiny
Rozważmy turbinę parową o następujących cechach:
- Prędkość robocza: 3000 obr./min (50 Hz)
- Pierwsza prędkość krytyczna: 2400 obr./min (40 Hz)
- Druga prędkość krytyczna: 4200 obr./min (70 Hz)
- Liczba ostrzy: 60
- Częstotliwość przejścia łopatek przy 3000 obr./min: 60 × 50 Hz = 3000 Hz
Diagram interferencji pokazuje:
- Linia 1X przecina pierwszą częstotliwość naturalną: Prędkość krytyczna przy 2400 obr./min — strefa zabroniona: 2040–2760 obr./min (±15%)
- Linia 1X przecina drugą częstotliwość naturalną: Prędkość krytyczna na poziomie 4200 obr./min — nie stanowi problemu, ponieważ prędkość robocza jest znacznie poniżej
- Prędkość robocza (3000 obr./min): Bezpiecznie pomiędzy dwiema prędkościami krytycznymi z dobrymi marginesami separacji
- Częstotliwość mijania łopatek: Przy częstotliwości 3000 Hz brak zakłóceń w trybach strukturalnych w zakresie roboczym
Wskazówki operacyjne:
- Podczas uruchamiania przyspieszenie w zakresie 2040–2760 obr./min w mniej niż 30 sekund
- Dopuszczalna jest ciągła praca z prędkością 2800–3200 obr./min.
- Nie należy podejmować prób ciągłej pracy z prędkością 2040–2760 obr./min.
Zaawansowane rozważania
Wpływ temperatury
Niektóre diagramy interferencyjne zawierają wiele krzywych pokazujących, jak częstotliwości drgań własnych zmieniają się wraz ze zmianami temperatury (wzrost cieplny wpływa na sztywność i charakterystykę łożysk). Prędkości krytyczne mogą się zmieniać wraz z nagrzewaniem się maszyny.
Efekty obciążenia
W przypadku maszyn, w których obciążenie procesowe ma istotny wpływ na sztywność łożysk lub ugięcie wirnika, diagramy interferencji mogą przedstawiać rodziny krzywych dla różnych warunków obciążenia.
Systemy sprzężone
W przypadku sprzężenia wielu wirników (zespoły silnik-pompa, turbina-generator) wykres interferencji musi uwzględniać sprzężone tryby skrętne i boczne, które mogą generować dodatkowe prędkości krytyczne.
Tworzenie diagramu interferencji
Z modeli analitycznych
- Opracowanie modelu elementów skończonych układu wirnik-łożysko
- Oblicz częstotliwości naturalne przy różnych prędkościach
- Narysuj wykresy częstotliwości naturalnej w funkcji prędkości
- Nakładanie linii kolejności wzbudzeń (1X, 2X, przejście łopatki itd.)
- Oznacz punkty skrzyżowania i ustal strefy zabronione
- Dodaj adnotację dotyczącą zakresu prędkości operacyjnej i procedur
Z danych eksperymentalnych
- Przeprowadzanie testów rozruchu i wybiegu z monitorowaniem drgań
- Spowodować działki wodospadowe lub Wykresy Bodego
- Określ krytyczne miejsca prędkości na podstawie szczytów amplitudy i przesunięć fazowych
- Utwórz diagram interferencji oznaczający zaobserwowane prędkości krytyczne
- Ustal empiryczne strefy zabronione na podstawie zmierzonych poziomów drgań
Korzyści dla operacji i konserwacji
Diagramy interferencji dostarczają cennych wskazówek operatorom maszyn i personelowi konserwacyjnemu:
- Jasne limity operacyjne: Wizualne wskazanie bezpiecznych i niebezpiecznych zakresów prędkości
- Procedury uruchamiania/wyłączania: Identyfikuje prędkości umożliwiające szybkie przemieszczanie się
- Praca ze zmienną prędkością: Definiuje dopuszczalne zakresy prędkości dla napędów o regulowanej prędkości
- Narzędzie do rozwiązywania problemów: Pomaga zdiagnozować, czy problemy z wibracjami są związane z prędkością
- Planowanie modyfikacji: Pokazuje wpływ proponowanych zmian przed ich wdrożeniem
- Pomoc szkoleniowa: Narzędzie edukacyjne do zrozumienia dynamicznego zachowania maszyn
W przypadku krytycznych maszyn obrotowych schemat zakłóceń jest dokumentem niezbędnym, który powinien być dostępny dla operatorów, techników ds. konserwacji i personelu inżynieryjnego, aby wszyscy rozumieli dynamiczne cechy maszyny i obsługiwali ją w bezpiecznych zakresach prędkości.
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 