Zrozumienie łuku wału w maszynach obrotowych
Definicja: Czym jest łuk wałowy?
Łuk wału (nazywane również zginaniem wału, łukiem wirnika lub po prostu “łukiem”) to stan, w którym wirnik Wał rozwinął trwałą lub półtrwałą krzywiznę, powodującą odchylenie od prostej linii środkowej. W przeciwieństwie do tymczasowego wyczerpanie co może być spowodowane luźnym elementem lub mimośrodowym mocowaniem, wygięcie wału oznacza rzeczywistą deformację materiału samego wału.
Łuk wału produkuje wibracja objawy, które powierzchownie przypominają brak równowagi, ale nie można tego naprawić za pomocą konwencjonalnych metod równoważenie procedur. Dlatego prawidłowa diagnoza ma kluczowe znaczenie, aby uniknąć marnowania czasu na próby wyważenia wygiętego wału.
Rodzaje łuków trzonowych
Wygięcie trzonu można podzielić na kategorie w zależności od przyczyny i czasu trwania:
1. Stały łuk mechaniczny
Jest to plastyczne (trwałe) odkształcenie materiału wału spowodowane przez:
- Przeciążenie mechaniczne lub uderzenie
- Niewłaściwe podnoszenie lub obsługa podczas konserwacji
- Upuszczenie wirnika
- Nadmierne naprężenie zginające podczas pracy
- Wady produkcyjne lub niewłaściwa obróbka cieplna
Po ustąpieniu sprężystości wału (trwałym odkształceniu), łuk pozostaje stały, gdy wał jest w stanie spoczynku i wszystkie obciążenia zostaną usunięte.
2. Łuk termiczny (przejściowy)
Nazywany również łuk termiczny lub gorący łuk, Jest to stan przejściowy spowodowany nierównomiernym nagrzewaniem wału. Strona nagrzana rozszerza się bardziej niż strona chłodna, tworząc tymczasowe wygięcie. Przyczyny obejmują:
- Asymetryczne źródła ciepła (gorący płyn procesowy po jednej stronie, chłodzące powietrze po drugiej)
- Tarcie łożyska nagrzewa jedną stronę wału
- Ocieranie wirnika powoduje lokalne nagrzewanie
- Ogrzewanie słoneczne sprzętu zewnętrznego
- Nieprawidłowe procedury rozgrzewania dużych turbin
Wygięcie termiczne zazwyczaj zanika, gdy wał stygnie równomiernie lub gdy osiągnięta zostanie równowaga termiczna. Jednak powtarzające się cykle wygięcia termicznego mogą ostatecznie doprowadzić do trwałego odkształcenia.
3. Łuk naprężeń szczątkowych
Wewnętrzne naprężenia szczątkowe powstające w wyniku spawania, obróbki cieplnej lub procesów produkcyjnych mogą powodować powolne wyginanie się wału z upływem czasu, szczególnie gdy jest on poddawany temperaturom roboczym lub obciążeniom mechanicznym powodującym odprężenie.
Przyczyny wygięcia wału
Zrozumienie przyczyn źródłowych pomaga zapobiegać wyginaniu się wału i podejmować działania naprawcze:
Przyczyny mechaniczne
- Przeciążać: Praca przy obciążeniach przekraczających limity projektowe
- Niewłaściwe przechowywanie: Przechowywanie wałów w pozycji poziomej bez odpowiedniego podparcia, powodujące ich uginanie się z czasem
- Niewłaściwe obchodzenie się: Podnoszenie za wał zamiast wyznaczonych punktów podnoszenia
- Wypadek lub uderzenie: Upuszczenie, zderzenie lub uszkodzenie przez obce przedmioty
- Zatarcie łożyska: Zatarte łożysko może spowodować wygięcie wału pod wpływem momentu napędowego
Przyczyny termiczne
- Nierównomierne ogrzewanie: Nierównomierny rozkład temperatury wokół obwodu wału
- Szybkie zmiany temperatury: Wstrząs termiczny podczas uruchamiania lub wyłączania
- Gorące punkty: Lokalne nagrzewanie spowodowane tarciem, otarciami lub warunkami procesu
- Niewystarczająca rozgrzewka: Zbyt szybkie uruchamianie zimnych turbin lub dużych maszyn
- Procedury wyłączania: Pozostawienie rozgrzanego wału do zatrzymania się przed ostygnięciem (ugięcie termiczne)
Przyczyny materiałowe i produkcyjne
- Niska jakość materiałów: Wtrącenia, pustki lub niejednorodności materiału
- Niewłaściwa obróbka cieplna: Naprężenia resztkowe powstałe w wyniku hartowania lub odpuszczania
- Zniekształcenia spawalnicze: Spawanie asymetryczne powodujące naprężenia szczątkowe
- Naprężenia obróbkowe: Naprężenia wywołane podczas produkcji
Jak łuk wału powoduje wibracje
Wygięty wał wytwarza wibracje poprzez dwa mechanizmy:
1. Nierównowaga geometryczna
Gdy wał wygięty obraca się, jego zakrzywiona linia środkowa zakreśla stożek lub inną niekołową ścieżkę. Nawet jeśli rozkład masy wirnika jest idealnie zrównoważony, wygięta geometria tworzy mimośrodową masę wirującą, która generuje siły odśrodkowe, wytwarzając drgania 1X (drgania o częstotliwości obrotowej wału).
2. Obciążenie momentem na łożyskach
Krzywizna powoduje powstawanie momentów zginających, które są przenoszone na łożyska, powodując wahania obciążeń łożysk i drgania.
Wykrywanie łuku wału
Odróżnienie wybrzuszenia wału od rzeczywistego niewyważenia masy jest kluczowe dla skutecznego rozwiązywania problemów:
Porównanie objawów: łuk kontra niewyważenie
| Charakterystyczny | Brak równowagi | Łuk wału |
|---|---|---|
| Częstotliwość wibracji | 1X prędkość biegu | 1X prędkość biegu |
| Relacja fazowa | Spójny, zawsze taki sam | Może ulec zmianie podczas rozgrzewki |
| Powolne wibracje toczne | Obecny (proporcjonalny do prędkości²) | Obecne i często znaczące nawet przy bardzo niskiej prędkości |
| Odpowiedź na równoważenie | Wibracje zredukowane dzięki prawidłowemu wyważeniu | Niewielka lub żadna poprawa; może być gorzej |
| Czułość termiczna | Relatywnie stabilny w zależności od temperatury | Znaczne zmiany podczas rozgrzewki/schładzania |
| Pomiar bicia | Niska, gdy wirnik jest w spoczynku | Wysoki wybieg nawet w stanie spoczynku (stały łuk) |
Testy diagnostyczne
1. Pomiar powolnego toczenia
Obróć wał bardzo powoli (zwykle z prędkością roboczą 5-10%) i zmierz wyczerpanie z sondą zbliżeniową lub czujnikiem zegarowym. Wysokie bicie przy wolnym toczeniu wskazuje na wygięcie wału lub bicie mechaniczne, a nie na niewyważenie (które wytwarza siłę proporcjonalną do kwadratu prędkości).
2. Przesunięcie fazowe wyłączania
Monitoruj wibracje kąt fazowy podczas wyłączania maszyny. Prawdziwy brak równowagi utrzymuje stałą fazę niezależnie od prędkości. Wygięty wał może wykazywać zmiany fazy, szczególnie podczas stygnięcia.
3. Test łuku termicznego
W przypadku podejrzenia łuku termicznego należy monitorować drgania podczas rozruchu i rozgrzewania. Łuk termiczny zazwyczaj wykazuje wzrost drgań w miarę nagrzewania się maszyny, a następnie może się ustabilizować lub zmniejszyć po osiągnięciu równowagi termicznej.
4. Kontrola wybiegu poza maszyną
Zdejmij wirnik, podeprzyj go na pryzmach lub tokarce i obracaj powoli, mierząc jednocześnie bicie promieniowe czujnikiem zegarowym. Znaczne bicie (zwykle > 0,001″ lub 25 µm) potwierdza trwałe wygięcie.
5. Kontrola wizualna
W przypadku dłuższych strzał, wzrokowe wycelowanie wzdłuż całej ich długości lub zastosowanie metod optycznych (ustawianie laserowe) może ujawnić oczywisty łuk.
Metody korekcji
Właściwa korekta zależy od rodzaju i intensywności łuku:
Do stałego łuku mechanicznego
1. Prostowanie wału
Do smyczków o natężeniu od łagodnego do umiarkowanego (zwykle < 0,005" lub 125 µm), wał można czasami prostować na zimno lub na gorąco za pomocą pras hydraulicznych. Wymaga to specjalistycznego sprzętu i wykwalifikowanych techników. Wał jest podparty i ostrożnie obciążony, aby odkształcić go plastycznie i przywrócić do pierwotnej pozycji.
2. Odciążenie termiczne
Obróbka cieplna wału w celu usunięcia naprężeń szczątkowych, potencjalnie redukując lub eliminując wygięcie spowodowane naprężeniami. Wymaga to odpowiedniego wyposażenia pieca i kontroli procesu.
3. Wymiana wału
W przypadku dużego wygięcia lub w zastosowaniach krytycznych wymiana wału jest często najpewniejszym rozwiązaniem. Koszt nowego wału należy rozważyć w kontekście przestoju i ryzyka niepowodzenia prób prostowania.
4. “Balansowanie wokół dziobu”
W niektórych przypadkach, szczególnie w przypadku dużych turbin, można obliczyć i zainstalować obciążniki korekcyjne, aby przeciwdziałać wpływowi dziobu. Nie naprawia to dziobu, ale minimalizuje wibracje. To podejście ma swoje ograniczenia i zazwyczaj jest rozwiązaniem tymczasowym.
Do łuku termicznego
1. Zmiany w procedurach operacyjnych
- Wdrażaj procedury powolnej rozgrzewki
- Utrzymuj ciągłą pracę mechanizmu obrotowego podczas wyłączania, aby zapobiec ugięciu termicznemu
- Dokładniej kontroluj dopływ pary lub temperaturę płynu procesowego
- Zapewnij symetryczne ogrzewanie/chłodzenie
2. Modyfikacje projektu
- Dodaj izolację, aby zmniejszyć gradienty termiczne
- Zamontuj kurtki grzewcze, aby zapewnić równomierne nagrzewanie
- Ulepsz system chłodzenia, aby zapewnić równomierny rozkład temperatury
3. Działanie przekładni obrotowej
W przypadku dużych turbin należy podczas rozgrzewania i schładzania używać mechanizmu obrotowego (napędu wolnoobrotowego), aby obracać wał i zapobiegać powstawaniu łuku termicznego.
Strategie zapobiegania
Zapobieganie wygięciu wału jest znacznie łatwiejsze niż jego korygowanie:
Projektowanie i produkcja
- Stosuj właściwe procedury obróbki cieplnej, aby zminimalizować naprężenia szczątkowe
- Zaprojektuj odpowiednią sztywność wału dla danego zastosowania
- Określ odpowiednie materiały dla środowiska termicznego
Instalacja i konserwacja
- Zawsze podnoś wirniki, używając wyznaczonych punktów podnoszenia, nigdy za wał
- Przechowuj zapasowe tarcze pod odpowiednim kątem, aby zapobiec ich zwisaniu.
- Unikaj wstrząsów mechanicznych podczas obsługi
- Okresowo (corocznie lub zgodnie z harmonogramem producenta) sprawdzaj prostoliniowość wału
Działanie
- Postępuj zgodnie z procedurami producenta dotyczącymi rozgrzewania i wyłączania
- Unikaj gwałtownych zmian temperatury
- Monitoruj oznaki łuku termicznego podczas rozruchu
- Zbadaj wszelkie niewyjaśnione zmiany w fazie drgań
Wpływ na procedury równoważenia
Próba wyważenia wygiętego trzonu jest zazwyczaj bezskuteczna i może przynieść efekt odwrotny do zamierzonego:
- Nieskuteczne korekty: Ciężarki wyważające obliczone na podstawie niewyważenia masy nie skorygują wyboczenia geometrycznego
- Maskowanie problemu: Częściowo udane “wyważenie” wygiętego wału może tymczasowo zmniejszyć wibracje, ale nie rozwiązuje podstawowego problemu
- Stracony czas: Wielokrotne próby wyważania bez powodzenia wskazują na konieczność sprawdzenia łuku
- Potencjalne uszkodzenia: Dodanie dużych ciężarków korekcyjnych do wygiętego wału może zwiększyć naprężenia i spowodować dalsze uszkodzenia
Najlepsze praktyki: Zawsze sprawdzaj wygięcie wału przed rozpoczęciem procedury wyważania, zwłaszcza jeśli wirnik miał w przeszłości problemy z obsługą, przegrzaniem lub niewyjaśnionymi problemami z wibracjami.
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 