Zrozumienie wirnika w maszynach wirujących
A wirnik jest głównym zespołem obrotowym wewnątrz maszyny. Zazwyczaj składa się z wału centralnego, na którym zamontowane są inne elementy — wirniki, łopatki, magnesy lub tworniki — podparte łożyskami i zaprojektowane tak, aby przenosić moment obrotowy i wykonywać pracę użyteczną. Badanie zachowania wirnika podczas obrotu, w tym jego drgań i ugięć, jest dynamika wirnika, kluczowej dziedziny inżynierii mechanicznej. Ponieważ niemal każda usterka, którą inżynier próbuje zlokalizować za pomocą analiza drgań występuje w wirniku lub oddziałuje na niego, co stanowi punkt wyjścia zarówno dla diagnostyki, jak i wyważania.
1. Definicja: Czym jest wirnik?
W najszerszym znaczeniu wirnik to wszystko, co obraca się jako jedna całość wokół osi maszyny. Nie jest to jedynie wał, lecz cały układ obrotowy — wał wraz z każdą częścią połączoną z nim za pomocą wpustu, skurczu, śrub lub spawów — wraz z łożyskami i konstrukcją nośną, które ograniczają jego ruch; łącznie system wirnik-łożysko. Sposób rozłożenia tej masy względem osi oraz sztywność wału w stosunku do jego prędkości roboczej decydują o niemal całym dynamicznym zachowaniu wirnika.
2. Podstawowa klasyfikacja: wirniki sztywne a wirniki elastyczne
Najważniejszym rozróżnieniem w dynamice wirników jest to, czy wirnik zachowuje się jak ciało „sztywne”, czy „elastyczne”. Klasyfikacja ta polega na nie nie na sztywności materiału, lecz na zależności między prędkością roboczą maszyny a prędkością wirnika prędkości krytyczne — jego częstotliwości drgań własnych przy zginaniu. Ten sam stalowy wał może być sztywny w jednej maszynie, a elastyczny w innej, wyłącznie ze względu na prędkość, z jaką pracuje.
Wirniki sztywne
Rozważany jest wirnik sztywny gdy prędkość robocza jest znacznie niższa od pierwszej prędkości krytycznej wygięcia — zazwyczaj poniżej około 70% tej wartości. Przy takich prędkościach wał nie ulega znacznemu wygięciu pod wpływem obciążenia dynamicznego, a cały wirnik można traktować jako jedną sztywną masę.
- Charakterystyka: są zazwyczaj niższe, krępej budowy i pracują z mniejszą prędkością.
- Równoważenie: można całkowicie skorygować za pomocą dwupłaszczyznowy wyważanie dynamiczne zgodnie z zasadami mechaniki ciał sztywnych.
- Przykłady: większość standardowych silników elektrycznych, wentylatorów wolnoobrotowych, ściernic oraz wiele wirników pomp.
Elastyczne wirniki
Wirnik to elastyczny gdy jest zaprojektowany do pracy w pobliżu, przy lub powyżej jednej lub kilku swoich prędkości krytycznych wygięcia. W miarę zbliżania się do prędkości krytycznej wał ulega znacznemu ugięciu i wygięciu, przyjmując charakterystyczny wygięty kształt — jego kształt modalny.
- Charakterystyka: są zazwyczaj długie, smukłe i pracują z dużą prędkością.
- Równoważenie: Równoważenie w dwóch płaszczyznach jest niewystarczające. Wirniki elastyczne wymagają metody wielopłaszczyznowe które uwzględniają wygięcie wału, w tym wyważanie modalne (korygując każdy kształt modowy osobno) lub wieloprędkościowy współczynnik wpływu równoważenie.
- Przykłady: duże turbiny parowe i gazowe, sprężarki o dużej prędkości obrotowej, długie wały napędowe oraz wirniki generatorów.
Projektowanie i analiza wirników elastycznych jest znacznie bardziej złożona, ponieważ ich zachowanie dynamiczne zmienia się wraz z prędkością. Samo określenie, gdzie występują te prędkości krytyczne, stanowi zadanie projektowe; kalkulator prędkości krytycznej wirnika umożliwia szybkie wstępne oszacowanie pierwszej częstotliwości drgań własnych na podstawie danych dotyczących wału i rozpiętości łożysk.
3. Typowe elementy zespołu wirnika
Wirnik to coś więcej niż tylko wał. Typowy zespół może obejmować:
- Wał: element centralny, który przenosi moment obrotowy.
- Wirniki, łopatki lub łopatki kierujące: elementy, które oddziałują na ciecz w pompach, wentylatorach i turbinach.
- Wirnik / uzwojenia: część obrotowa silnika elektrycznego lub generatora.
- Czasopisma: dokładnie wypolerowane odcinki wału, które poruszają się wewnątrz łożysko ślizgowe.
- Sprzęgła: piasty łączące wirnik z sąsiednią maszyną, które same w sobie są źródłem problemów z powodu wady sprzęgła.
- Kołnierze oporowe: elementy przenoszące siłę osiową na łożysko oporowe.
- Pierścienie wyważające lub powierzchnie wyważające: wyznaczony płaszczyzn korekcyjnych gdzie waga korekcyjna jest dodawany podczas wyważania.
4. Typowe problemy związane z wirnikami
Analiza drgań służy do wykrywania szerokiego zakresu usterek powstających w zespole wirnika:
- Brak równowagi: najczęstszy problem, spowodowany nierównomiernym rozkładem masy względem osi.
- Wygięty wał: fizyczne wygięcie lub zgięcie wału.
- Pęknięcie wału: powstające pęknięcie zmęczeniowe, które może doprowadzić do katastrofalnej awarii.
- Niewspółosiowość: chociaż jest to ściśle problem między wirnikami, powoduje on duże obciążenia w zespole wirnika.
- Tarcie między wirnikiem a stojanem: styk między częściami obrotowymi a nieruchomymi częściami maszyny.
- Rozluźnienie: luźne osadzenie elementu, np. wirnika, na wale.
Większość z nich objawia się w postaci charakterystycznych sygnałów częstotliwościowych — niewyważenia przy prędkości 1×, niewspółosiowości przy 2×, a luzu jako długiego ciągu harmonicznych — co pozwala analitykowi odróżnić je od siebie bez konieczności demontażu.
5. Wyważanie wirnika w terenie
Zdecydowanie najczęstszą usterkę wirnika, jaką jest niewyważenie, usuwa się poprzez równoważenie: dodawanie lub usuwanie niewielkich obciążników w taki sposób, aby oś mas została przesunięta z powrotem w kierunku osi geometrycznej. W przypadku zmontowanej maszyny operację tę wykonuje się na miejscu, a nie na wyważarce. Przenośny przyrząd dwukanałowy, taki jak Balans-1a mierzy amplitudę i fazę 1× w łożyskach samego wirnika przy prędkości roboczej, oblicza współczynniki wpływu oraz określa masę i kąt, które należy dodać w każdej płaszczyźnie korekcyjnej — odzwierciedlając w ten sposób rzeczywiste zachowanie wirnika podczas pracy, w tym skutki montażu i efekty termiczne, których wyważarka nigdy nie jest w stanie wykryć.
