Zrozumienie tarcia w maszynach wirujących
Zadieranie to tarcie (styk) i względny ruch ślizgowy między elementami obrotowymi a nieruchomymi w maszynie. Termin ten podkreśla aspekt ciągłego tarcia styk wirnika ze stojanem, co to odróżnia od lekkich, sporadycznych dotknięć lub pojedynczych uderzeń, które również mogą się zdarzyć. Ocieranie powoduje powstawanie sił tarcia, uwalnia znaczną ilość ciepła w wyniku pracy tarcia oraz wytwarza charakterystyczny wibracja sygnatura, w której dominuje wirowanie wsteczne, podsynchroniczny elementy i skutki termiczne. Jest to jedna z najniebezpieczniejszych usterek, jakie mogą wystąpić w maszynie wirującej, ponieważ w ciągu kilku minut może doprowadzić do awarii.
“Otarcie” i “otarcie wirnika” są często używane zamiennie. W praktyce termin „otarcie” zazwyczaj odnosi się do aspektów tarcia i przegrzania w miejscu styku, natomiast „otarcie wirnika” to szersze pojęcie obejmujące wszelkie formy styku — od delikatnego ocierania po silne uderzenia.
1. Mechanika tarcia ocierającego
Model tarcia Coulomba
Tarcie podlega zasadom tarcia suchego (Coulomba):
- Siła tarcia: F = μ × N, gdzie μ to współczynnik tarcia, a N to siła normalna dociskająca powierzchnie do siebie.
- Kierunek: Siła tarcia zawsze przeciwdziała ruchowi względnemu między stykającymi się powierzchniami.
- Typowe współczynniki: stal na stali μ ≈ 0,3–0,5; stal na materiale uszczelniającym μ ≈ 0,2–0,4.
- Wytwarzanie ciepła: praktycznie cała praca wynikająca z tarcia zamienia się w ciepło w miejscu styku.
Siły styczne i normalne
Podczas styku na wirnik działają dwie składowe siły:
- Siła normalna: działa promieniowo do wewnątrz na wirnik w miejscu tarcia.
- Siła tarcia: działa stycznie, przeciwdziałając obrotowi.
- Siła wypadkowa: takie połączenie powoduje spowolnienie wirnika i odchylenie go do tyłu, w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów.
- Wzrost momentu obrotowego: Tarcie powoduje straty mocy, co zwiększa moment obrotowy, jaki musi wytworzyć napęd.
2. Charakterystyczne wzorce drgań
Wir wsteczny
Najbardziej charakterystyczną cechą pocierania jest ruch do tyłu (w odwrotnym kierunku) precesję:
- Siła tarcia wywołuje składową styczną, która powoduje ruch orbitalny do tyłu.
- The shaft orbit ślady biegnące w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów wału.
- Częstotliwość wirowania jest zazwyczaj poniżej częstotliwości synchronicznej — wynosi poniżej 1× prędkości pracy.
- Często spotykane wielokrotności to ułamkowe: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- Kształt orbity jest często nieregularny lub wyraźnie zniekształcony.
Charakterystyka widmowa
- Szczyty subsynchroniczne: wiele pików poniżej 1×, często przy harmonicznych ułamkowych.
- Składowa synchroniczna: 1× synchronous wartość szczytowa może wzrosnąć w miarę jak będą się do niej dodawać siły tarcia.
- Wyższe harmoniczne: 2×, 3×, 4× harmoniczne wynikają z nieliniowości tarcia przerywanego.
- Szumy szerokopasmowe: poziom szumu tła na całym widmo lifts.
- Niestabilne widmo: szczyty pojawiają się i znikają lub zmieniają częstotliwość między kolejnymi pomiarami.
Cechy przebiegu czasowego
- Impulsy lub skoki pojawiające się przy każdym zetknięciu, widoczne w przebieg czasowy.
- Ograniczanie lub spłaszczanie wychyleń szczytowych w miejscach, gdzie stojan fizycznie ogranicza zakres ruchu.
- Nieregularny, niesinusowy kształt ogólny.
- Dudnienia powstające w wyniku współwystępowania kilku częstotliwości.
3. Skutki termiczne pocierania
Generowanie ciepła
Tarcie przekształca energię mechaniczną bezpośrednio w ciepło:
- Wskaźnik: Rozpraszana moc jest równa iloczynowi siły tarcia i prędkości poślizgu.
- Wielkość: Lekkie pocieranie może wyzwolić 10–100 watów; mocne pocieranie – kilowaty.
- Koncentracja: ciepło skupia się na bardzo małej powierzchni styku.
- Wzrost temperatury: W skrajnych przypadkach lokalne temperatury powierzchni mogą przekraczać 500 °C.
Rozwój łuku termicznego
Niebezpieczeństwo związane z pocieraniem wynika z pętli sprzężenia zwrotnego między ciepłem a drganiami:
- Początkowe pocieranie powoduje nagrzewanie się jednej strony wału.
- Asymetryczne ogrzewanie powoduje wygięcie wału w wygięcie termiczne.
- Łuk termiczny zwiększa ugięcie wału.
- Większe ugięcie powoduje silniejsze ocieranie.
- Im większe tarcie, tym więcej ciepła powstaje.
- Takie dodatnie sprzężenie zwrotne może doprowadzić do gwałtownej, niekontrolowanej awarii.
Ponieważ każda iteracja tej pętli pogłębia następną, pocieranie uznaje się za formę samowzbudne wibracje oraz droga do całkowitego niestabilność wirnika.
Wtórne efekty termiczne
- Nagrzewanie łożysk: ciepło przenosi się wzdłuż wału do łożysk.
- Degradacja oleju: Zbyt wysokie temperatury powodują degradację smaru.
- Zmiany materiału: Przemiany fazowe lub zmiany metalurgiczne w strefach wpływu ciepła
- Naprężenie termiczne: może powodować powstawanie pęknięć w obszarach poddanych naprężeniom termicznym.
4. Wykrywanie otarć w terenie
Monitorowanie drgań
- Alarmy podsynchroniczne: ostrzeganie o pikach przy 0,3–0,5-krotności prędkości obrotowej.
- Monitorowanie orbity: automatyczna analiza orbity sygnalizuje pojawienie się wiru wstecznego.
- Zmiany spektralne: algorytmy wykrywają nagłe pojawienie się wielu harmonicznych.
- Obcięcie przebiegu: wykrywanie zniekształceń niesinusowych powodowanych przez styk.
Właśnie do rozpoznawania tych wzorców służy przenośny analizator. Działając w łożyskach samej maszyny przy prędkości roboczej, dwukanałowy przyrząd, taki jak Balanset-1A rejestruje przebieg czasowy oraz amplitudę i fazę 1×, dzięki czemu technik może dostrzec impulsowe przesterowanie oraz energię frakcyjnego rzędu, które wskazują na tarcie, a następnie sprawdzić, czy występuje restkowy niewyważenie lub niewspółosiowość jest podstawowym czynnikiem przed rozpoczęciem demontażu.
Monitorowanie temperatury
- Docisk czujniki temperatury z alarmami szybkiego wzrostu.
- Monitorowanie temperatury odsłoniętych odcinków wału za pomocą podczerwieni
- Monitorowanie różnicy temperatur — między górną a dolną częścią łożyska.
- Alarmy dotyczące tempa zmian, na przykład powyżej 5 °C na minutę.
Dodatkowe wskaźniki
- Wzrost momentu obrotowego: zużycie energii wzrasta, gdy tarcie obciąża napęd.
- Wahania prędkości: niewielkie wahania prędkości spowodowane zmiennym momentem tarcia.
- Emisja akustyczna: dźwięk o wysokiej częstotliwości pochodzący ze styku, wykrywalny przez emisja akustyczna sensors.
- Kontrola wizualna: zużywające się cząstki, przebarwienia i widoczne zarysowania.
5. Reagowanie na otarcie
Natychmiastowe działania
- Zmniejsz amplitudę: zmniejsz prędkość lub obciążenie, jeśli jest to bezpieczne.
- Monitoruj bieżąco: należy stale monitorować drgania i temperaturę.
- Przygotuj się do wyłączenia: zapewnić awaryjne wyłączenie wyłączenie ready.
- Zatrzymanie awaryjne: wyłączyć urządzenie, jeśli wibracje lub temperatura wzrosną.
- Odczekaj na ochłodzenie: Przed przystąpieniem do kontroli należy uruchomić mechanizm obrotowy lub poczekać, aż urządzenie ostygnie samoistnie, aby umożliwić wyprostowanie się wygięcia termicznego.
Dochodzenie
- Sprawdź, czy nie ma śladów fizycznego kontaktu.
- Zmierz luz w podejrzewanych miejscach tarcia.
- Sprawdź, czy nie występuje wygięcie termiczne lub trwałe odkształcenie ugięcie wału.
- Zidentyfikuj przyczynę źródłową — nadmierne drgania, niewystarczający luz itp.
Działania korygujące
- Zwiększ luz: obrócić na tokarce uszkodzone części lub wymienić elementy.
- Zajmij się przyczyną źródłową: wyważyć wirnik, prawidłowe ustawienie, usunięcie usterki łożyska, która doprowadziła do styku.
- Wymień uszkodzone części: uszczelki, elementy łożyskowe oraz odcinki wałów w zależności od potrzeb.
- Sprawdź luzy: przed ponownym uruchomieniem należy sprawdzić, czy w każdym miejscu jest wystarczający luz.
Zacieranie jest jedną z najpoważniejszych usterek związanych z drganiami w maszynach wirujących. Ze względu na jego zdolność do gwałtownego nasilania się w wyniku sprzężenia zwrotnego termicznego wymaga ono natychmiastowego wykrycia, szybkiej i zdecydowanej reakcji oraz gruntownego usunięcia — ponieważ w przypadku urządzeń o krytycznym znaczeniu alternatywą jest katastrofalna awaria.
