Zrozumienie drgań wału w maszynach obrotowych

Urządzenia

Przenośna wyważarka i analizator drgań Balanset-1A

$2,353.83

Części

Czujnik wibracji

$107.26

Części

Czujnik optyczny (tachometr laserowy)

$147.78

Urządzenia

Balanset-4

$8,107.90

Części

Stojak magnetyczny Insize-60-kgf

$54.82

Części

Taśma odblaskowa

$11.92

Urządzenia

Balanser dynamiczny "Balanset-1A" OEM

$2,067.80

Definicja: Czym jest Shaft Whip?

Bicz wałowy (nazywany również biczem olejowym, gdy występuje w łożyskach hydrodynamicznych) jest poważną formą niestabilność wirnika charakteryzuje się gwałtownością samowzbudne wibracje występuje, gdy wirnik pracujący w łożyskach z warstwą płynu przekracza krytyczną prędkość progową, zwykle około dwukrotnie większą od pierwszej prędkość krytyczna. Po wystąpieniu drgań częstotliwość drgań “blokuje się” na pierwszym biegu wirnika. częstotliwość własna i pozostaje tam niezależnie od dalszego zwiększania prędkości, a amplituda jest ograniczona jedynie luzami łożysk lub poważną awarią.

Bicie wału jest jednym z najniebezpieczniejszych stanów w maszynach szybkoobrotowych, ponieważ rozwija się nagle, osiągając w ciągu kilku sekund destrukcyjną amplitudę i nie można go skorygować równoważenie lub innymi konwencjonalnymi metodami. Wymaga to natychmiastowego wyłączenia i modyfikacji układu łożysk, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu problemu.

Postęp: od wiru olejowego do bicza wałowego

Etap 1: Stabilna praca

• Wirnik pracuje poniżej progu niestabilności
• Tylko normalne wymuszone drgania z brak równowagi obecny
• Film olejowy łożysk zapewnia stabilne podparcie

Etap 2: Początek wiru olejowego

Gdy prędkość wzrasta ponad około 2-krotność pierwszej prędkości krytycznej:

• Wir olejowy rozwija się — drgania subsynchroniczne przy prędkości wału ~0,43–0,48×
• Amplituda jest początkowo umiarkowana i zależna od prędkości
• Częstotliwość wzrasta proporcjonalnie do prędkości wału
• Może być przerywany lub ciągły
• Może współistnieć z normalnymi drganiami 1X wynikającymi z braku równowagi

Etap 3: Przejście do whipa

Gdy częstotliwość wirowania oleju wzrasta, aby zrównać się z pierwszą częstotliwością własną:

• Blokada częstotliwości: Częstotliwość drgań blokuje się na częstotliwości naturalnej
• Wzmocnienie rezonansowe: Amplituda rośnie dramatycznie z powodu rezonans
• Nagły początek: Przejście z wirowania do bicia może być natychmiastowe
• Niezależność prędkości: Dalsze zwiększanie prędkości nie zmienia częstotliwości, tylko amplitudę

Etap 4: Uderzenie wału (stan krytyczny)

• Wibracje o stałej częstotliwości (pierwsza częstotliwość naturalna, zwykle 40–60 Hz)
• Amplituda 5-20 razy wyższa niż normalne drgania niewyważone
• Wał może stykać się z granicami luzu łożysk
• Szybkie nagrzewanie łożysk i oleju
• Możliwość wystąpienia katastrofalnej awarii w ciągu kilku minut, jeśli nie zostanie wyłączona

Mechanizm fizyczny

Jak powstaje olej bity

Mechanizm ten obejmuje dynamikę płynów w filmie olejowym łożyska:

1. Formowanie się klina naftowego: Podczas obrotu wału olej jest przeciągany wokół łożyska, tworząc klin pod ciśnieniem
2. Siła styczna: Klin olejowy wywiera siłę prostopadłą do kierunku promieniowego (styczną)
3. Ruch orbitalny: Siła styczna powoduje, że środek wału porusza się z prędkością około połowy prędkości wału
4. Ekstrakcja energii: System pobiera energię z obrotu wału, aby utrzymać ruch orbitalny
5. Blokada rezonansowa: Gdy częstotliwość orbity jest zgodna z częstotliwością naturalną, rezonans wzmacnia wibracje
6. Cykl graniczny: Wibracje rosną aż do momentu ich ograniczenia przez luz łożyska lub awarię

Identyfikacja diagnostyczna

Sygnatura wibracji

Bicie wału generuje charakterystyczne wzorce w danych dotyczących drgań:

• Widmo: Duży szczyt przy częstotliwości podsynchronicznej (pierwsza częstotliwość własna), stały niezależnie od zmian prędkości
• Działka wodospadu: Składowa podsynchroniczna pojawia się jako linia pionowa (stała częstotliwość), a nie przekątna (proporcjonalna do prędkości)
• Analiza zamówień: Ułamkowa wartość rzędu, która maleje wraz ze wzrostem prędkości (np. zmienia się z 0,5× na 0,4×, a następnie na 0,35×)
• Orbita: Duża orbita kołowa lub eliptyczna o częstotliwości naturalnej

Prędkość początkowa

• Typowy próg: 2,0-2,5× pierwsza prędkość krytyczna
• Zależne od łożyska: Konkretny próg różni się w zależności od konstrukcji łożyska, napięcia wstępnego i lepkości oleju
• Nagły początek: Niewielki wzrost prędkości może spowodować szybkie przejście ze stanu stabilnego do niestabilnego

Strategie zapobiegania

Modyfikacje konstrukcji łożysk

1. Łożyska płytkowe wahliwe

• Najbardziej skuteczne rozwiązanie zapobiegające biczowaniu wału
• Podkładki obracają się niezależnie, eliminując destabilizujące siły sprzężenia krzyżowego
• Z natury stabilny w szerokim zakresie prędkości
• Standard branżowy dla turbosprężarek szybkoobrotowych

2. Łożyska zapór ciśnieniowych

• Zmodyfikowane łożysko cylindryczne z rowkami lub zaporami
• Zwiększa efektywne tłumienie i sztywność
• Tańsze niż podkładka pochylana, ale mniej skuteczne

3. Wstępne napięcie łożyska

• Zastosowanie wstępnego napięcia promieniowego w łożyskach zwiększa sztywność
• Podnosi prędkość progową dla niestabilności
• Można to osiągnąć poprzez zastosowanie konstrukcji z przesuniętym otworem

4. Tłumiki folii dociskowej

• Zewnętrzny element tłumiący otaczający łożysko
• Zapewnia dodatkowe tłumienie bez zmiany konstrukcji łożyska
• Skuteczne w zastosowaniach modernizacyjnych

Środki operacyjne

• Ograniczenie prędkości: Ogranicz maksymalną prędkość roboczą poniżej progu (zwykle < 1,8× (pierwsza krytyczna wartość)
• Zarządzanie obciążeniem: W miarę możliwości należy pracować przy wyższych obciążeniach łożysk (zwiększa to tłumienie)
• Kontrola temperatury oleju: Niższa temperatura oleju zwiększa lepkość i tłumienie
• Monitorowanie: Ciągły monitoring drgań z alarmami ustawionymi dla podzespołów podsynchronicznych

Konsekwencje i szkody

Natychmiastowe efekty

• Gwałtowne wibracje: Amplitudy mogą sięgać kilku milimetrów (setek mil)
• Hałas: Głośny, charakterystyczny dźwięk, inny niż podczas normalnej pracy
• Szybkie nagrzewanie łożysk: Temperatura łożysk może wzrosnąć o 20–50°C w ciągu kilku minut
• Degradacja oleju: Wysokie temperatury i ścinanie powodują degradację środka smarnego

Potencjalne awarie

• Czyszczenie łożysk: Materiał zawierający babbit topi się i jest wycierany
• Uszkodzenie wału: Zadrapania, zatarcia lub trwałe zginanie
• Uszkodzenie uszczelnienia: Nadmierny ruch wału niszczy uszczelki
• Złamanie wału: Zmęczenie wysokocykliczne spowodowane gwałtownymi oscylacjami
• Uszkodzenie sprzęgła: Przenoszone siły uszkadzają sprzęgła

Powiązane zjawiska

Wir olejowy

Wir olejowy jest prekursorem bicza:

• Ten sam mechanizm, ale częstotliwość nie jest zsynchronizowana z częstotliwością naturalną
• Amplituda mniej poważna
• Częstotliwość proporcjonalna do prędkości (~0,43-0,48×)
• Może być tolerowane w niektórych zastosowaniach

Wir pary

Podobna niestabilność w turbinach parowych spowodowana jest siłami aerodynamicznymi w uszczelnieniach labiryntowych, a nie w warstwie oleju łożyskowego. Wykazuje podobne drgania subsynchroniczne, zazębiające się z częstotliwością własną.

Suchy bicz cierny

Może wystąpić w miejscach uszczelnień lub na skutek kontaktu wirnika ze stojanem:

• Siły tarcia zapewniają mechanizm destabilizujący
• Mniej powszechny niż bita śmietana, ale równie niebezpieczny
• Wymaga innego podejścia korygującego (eliminacja kontaktu, udoskonalenie konstrukcji uszczelnienia)

Studium przypadku: Bicz wału sprężarki

Scenariusz: Szybkoobrotowa sprężarka odśrodkowa z łożyskami ślizgowymi walcowymi

• Normalna praca: 12 000 obr./min przy wibracjach 2,5 mm/s
• Zwiększenie prędkości: Operator zwiększył prędkość do 13 500 obr./min, aby zapewnić większą wydajność
• Początek: Przy 13 200 obr./min. wystąpiły nagłe, gwałtowne drgania
• Objawy: Wibracje 25 mm/s przy częstotliwości 45 Hz (stałej), temperatura łożyska wzrosła z 70°C do 95°C w ciągu 3 minut
• Działania awaryjne: Natychmiastowe wyłączenie zapobiegło awarii łożyska
• Przyczyna główna: Pierwsza prędkość krytyczna wyniosła 2700 obr./min (45 Hz); próg biczowania przy 2× krytycznej = 5400 obr./min został przekroczony
• Rozwiązanie: Wymieniono łożyska ślizgowe na łożyska z płytkami uchylnymi, co pozwala na bezpieczną pracę przy prędkościach do 15 000 obr./min

Normy i praktyka branżowa

• API 684: Wymaga analizy stabilności dla turbosprężarek szybkoobrotowych
• API 617: Określa typy łożysk i wymagania dotyczące stabilności sprężarek
• ISO 10814: Zapewnia wskazówki dotyczące wyboru łożyska zapewniającego stabilność
• Praktyka branżowa: Łożyska płytkowe z pochylanymi płytkami są standardem dla urządzeń pracujących z prędkością powyżej 2× pierwszej prędkości krytycznej

Bicie wału to katastrofalna awaria, której należy zapobiegać poprzez odpowiedni dobór i konstrukcję łożysk. Rozpoznanie charakterystycznego, subsynchronicznego, zsynchronizowanego z częstotliwością sygnału drgań umożliwia szybką diagnozę i odpowiednią reakcję awaryjną, zapobiegając kosztownym uszkodzeniom kluczowych, szybkoobrotowych urządzeń.

---

← Powrót do indeksu głównego