Zrozumienie układu wirnik-łożysko
Definicja: Czym jest układ wirnik-łożysko?
A układ łożysk wirnika jest kompletnym, zintegrowanym zespołem mechanicznym składającym się z obracającego się wirnik (wał z dołączonymi elementami), łożyska nośne, które ograniczają jego ruch i przenoszą obciążenia, oraz stacjonarna konstrukcja wsporcza (obudowy łożysk, cokoły, rama i fundament), która łączy łożyska z podłożem. System ten jest analizowany jako zintegrowana całość. dynamika wirnika ponieważ dynamiczne zachowanie każdego komponentu wpływa na wszystkie pozostałe.
Zamiast analizować wirnik w izolacji, właściwa analiza dynamiki wirnika traktuje układ wirnik-łożysko jako sprzężony układ mechaniczny, w którym właściwości wirnika (masa, sztywność, tłumienie), charakterystyka łożyska (sztywność, tłumienie, luzy) i właściwości konstrukcji nośnej (elastyczność, tłumienie) oddziałują na siebie, aby określić prędkości krytyczne, wibracja reakcja i stabilność.
Elementy układu łożysk wirnika
1. Zespół wirnika
Elementy obrotowe, w tym:
- Wał: Główny element obrotowy zapewniający sztywność
- Tarcze i koła: Wirniki, koła turbin, sprzęgła, koła pasowe zwiększające masę i bezwładność
- Masa rozproszona: Wirniki bębnowe lub sama masa wału
- Sprzęgła: Podłączanie wirnika do napędu lub napędzanego urządzenia
Charakterystyka wirnika:
- Rozkład masy wzdłuż osi
- Sztywność zginania wału (funkcja średnicy, długości, materiału)
- Momenty bezwładności biegunowe i średnicowe (wpływające na efekty żyroskopowe)
- Tłumienie wewnętrzne (zwykle małe)
2. Łożyska
Elementy interfejsu, które podtrzymują wirnik i umożliwiają obrót:
Typy łożysk
- Łożyska toczne: Łożyska kulkowe, łożyska wałeczkowe
- Łożyska z filmem płynnym: Łożyska ślizgowe, łożyska ślizgowe, łożyska oporowe
- Łożyska magnetyczne: Aktywne zawieszenie elektromagnetyczne
Charakterystyka łożyska
- Sztywność: Odporność na ugięcie pod obciążeniem (N/m lub lbf/in)
- Tłumienie: Rozpraszanie energii w łożysku (N·s/m)
- Masa: Przesuwające się elementy łożyska (zwykle małe)
- Prześwity: Luz promieniowy i osiowy wpływający na sztywność i nieliniowość
- Zależność od prędkości: Właściwości łożysk filmu płynnego zmieniają się znacząco wraz z prędkością
3. Konstrukcja nośna
Elementy fundamentu stałego:
- Obudowy łożysk: Bezpośrednia struktura otaczająca łożyska
- Postumenty: Podpory pionowe podnoszące łożyska
- Płyta bazowa/Rama: Pozioma konstrukcja łącząca cokoły
- Fundacja: Konstrukcja betonowa lub stalowa przenosząca obciążenia na podłoże
- Elementy izolacyjne: Sprężyny, podkładki lub mocowania, jeśli zastosowano izolację wibracji
Struktura wsparcia przyczynia się do:
- Dodatkowa sztywność (może być porównywalna lub mniejsza od sztywności wirnika)
- Tłumienie poprzez właściwości materiału i połączenia
- Masa wpływająca na naturalne częstotliwości całego układu
Dlaczego analiza na poziomie systemu jest niezbędna
Zachowanie sprzężone
Każdy komponent wpływa na pozostałe:
- Ugięcie wirnika tworzy siły na łożyskach
- Ugięcie łożyska zmienia warunki podparcia wirnika
- Elastyczność konstrukcji nośnej umożliwia ruch łożyska, wpływając na pozorną sztywność łożyska
- Wibracje fundamentów sprzężenie zwrotne do wirnika przez łożyska
Częstotliwości naturalne systemu
Częstotliwości naturalne są właściwościami całego układu, a nie poszczególnych komponentów:
- Miękkie łożyska + sztywny wirnik = niższe prędkości krytyczne
- Sztywne łożyska + elastyczny wirnik = wyższe prędkości krytyczne
- Elastyczne podłoże może obniżyć prędkości krytyczne nawet przy sztywnych łożyskach
- Częstotliwość własna układu ≠ sama częstotliwość własna wirnika
Metody analizy
Uproszczone modele
Do analizy wstępnej:
- Prosta belka podparta: Wirnik jako belka ze sztywnymi podporami (zaniedbuje elastyczność łożysk i fundamentów)
- Jeffcott Rotor: Skoncentrowana masa na elastycznym wale ze sprężynowymi podporami (obejmuje sztywność łożyska)
- Metoda macierzy transferu: Klasyczne podejście do wirników wielotarczowych
Zaawansowane modele
Do dokładnej analizy rzeczywistych maszyn:
- Analiza elementów skończonych (MES): Szczegółowy model wirnika z elementami sprężynowymi do łożysk
- Modele łożysk: Nieliniowa sztywność i tłumienie łożyska w funkcji prędkości, obciążenia i temperatury
- Elastyczność fundamentu: Model MES lub model modalny konstrukcji wsporczej
- Analiza sprzężona: Pełny system obejmujący wszystkie efekty interaktywne
Kluczowe parametry systemu
Wkłady sztywności
Całkowita sztywność układu jest kombinacją szeregową:
- 1/tys.całkowity = 1/kwirnik + 1/tys.łożysko + 1/tys.fundacja
- Najmiększy element dominuje nad ogólną sztywnością
- Typowy przypadek: elastyczność fundamentu zmniejsza sztywność układu poniżej sztywności samego wirnika
Wkłady tłumiące
- Tłumienie łożyska: Zwykle dominujące źródło (szczególnie łożyska z warstwą płynu)
- Tłumienie fundamentów: Tłumienie strukturalne i materiałowe w podporach
- Tłumienie wewnętrzne wirnika: Zwykle bardzo małe, zwykle zaniedbywane
- Całkowite tłumienie: Suma równoległych elementów tłumiących
Praktyczne implikacje
Do projektowania maszyn
- Nie można zaprojektować wirnika w oderwaniu od łożysk i fundamentu
- Wybór łożyska wpływa na osiągalne prędkości krytyczne
- Sztywność fundamentu musi być wystarczająca do podparcia wirnika
- Optymalizacja systemu wymaga jednoczesnego uwzględnienia wszystkich elementów
Do wyważania
- Współczynniki wpływu reprezentują kompletną odpowiedź systemu
- Równoważenie pola automatycznie uwzględnia charakterystykę systemu w momencie jego zainstalowania
- Wyważanie warsztatowe na różnych łożyskach/podporach może nie być idealnie dostosowane do stanu zamontowanego
- Zmiany w systemie (zużycie łożysk, osiadanie fundamentów) zmieniają reakcję równowagi
Do rozwiązywania problemów
- Problemy z drganiami mogą mieć swoje źródło w wirniku, łożyskach lub fundamencie
- Podczas diagnozowania problemów należy wziąć pod uwagę cały system
- Zmiany w jednym komponencie wpływają na ogólne zachowanie
- Przykład: pogorszenie stanu fundamentów może obniżyć prędkości krytyczne
Typowe konfiguracje systemu
Prosta konfiguracja międzyłożyskowa
- Wirnik podparty dwoma łożyskami na końcach
- Najczęstsza konfiguracja przemysłowa
- Najprostszy system do analizy
- Standard wyważanie dwupłaszczyznowe zbliżać się
Konfiguracja wirnika zwisowego
- Wirnik się wysuwa poza wsparciem nośnym
- Większe obciążenia łożysk wynikające z ramienia momentu obrotowego
- Bardziej wrażliwy na brak równowagi
- Często spotykane w wentylatorach, pompach i niektórych silnikach
Systemy wielołożyskowe
- Trzy lub więcej łożysk podtrzymujących pojedynczy wirnik
- Bardziej złożony rozkład obciążenia
- Krytyczne jest wyrównanie łożysk
- Powszechne w dużych turbinach, generatorach, rolkach maszyn papierniczych
Sprzężone systemy wielowirnikowe
- Wielowirnikowe zespoły połączone sprzęgłami (zespoły silnik-pompa, zespoły turbin-generator)
- Każdy wirnik ma własne łożyska, ale układy są dynamicznie sprzężone
- Najbardziej złożona konfiguracja do analizy
- Niewspółosiowość podczas sprzężenia powstają siły oddziaływania
Zrozumienie maszyn wirujących jako zintegrowanych układów wirnik-łożysko, a nie izolowanych komponentów, jest podstawą efektywnego projektowania, analizy i rozwiązywania problemów. Perspektywa systemowa wyjaśnia wiele zjawisk związanych z drganiami i wskazuje właściwe działania korygujące, zapewniające niezawodną i wydajną pracę.
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 