Compreendendo diagramas de interferência
Definição: O que é um diagrama de interferência?
Um diagrama de interferência é uma ferramenta gráfica usada em dinâmica do rotor Identificar as faixas de velocidade de rotação onde as frequências de excitação "interferem" (coincidem) com o sistema. frequências naturais, criando condições para ressonância. O termo “interferência” refere-se à interação problemática entre uma frequência de excitação (de desequilíbrio, passagem de lâminas ou outras fontes) e uma frequência natural que pode causar excesso vibração.
Embora intimamente relacionado com o Diagrama de Campbell, Um diagrama de interferência geralmente se concentra especificamente em destacar os pontos de interseção (interferências) e as zonas de velocidade associadas que devem ser evitadas ou atravessadas rapidamente durante a operação.
Relação com os diagramas de Campbell
Na prática, os termos “diagrama de interferência” e “diagrama de Campbell” são frequentemente usados como sinônimos, pois exibem informações semelhantes. No entanto, existem distinções sutis:
Ênfase no Diagrama de Campbell
- Mostra o panorama completo de como as frequências naturais variam com a velocidade.
- Exibe curvas de frequência natural como funções contínuas da velocidade.
- Utilizado principalmente para análise e projeto abrangentes da dinâmica de rotores.
Ênfase no diagrama de interferência
- Concentra a atenção nas áreas problemáticas específicas — os pontos de intersecção.
- Frequentemente inclui "zonas proibidas" sombreadas em torno de velocidades críticas.
- Com foco mais operacional, enfatizando as faixas de velocidade a serem evitadas.
- Pode incluir múltiplas fontes de excitação além do simples desequilíbrio.
Construção de um diagrama de interferência
Um diagrama de interferência é construído de forma semelhante a um diagrama de Campbell, mas com contexto operacional adicional:
Elementos básicos
- Eixo horizontal: Velocidade de rotação (RPM ou Hz)
- Eixo vertical: Frequência de excitação ou natural (Hz ou CPM)
- Linhas de Frequência Natural: Mostrando como as frequências naturais do sistema mudam com a velocidade.
- Linhas de Pedido de Excitação: Linhas diagonais para fontes de excitação 1X, 2X, 3X e outras.
Recursos adicionais
- Pontos de intersecção destacados: Velocidades críticas claramente indicadas com símbolos ou anotações.
- Zonas de velocidade proibida: Faixas sombreadas em torno de cada velocidade crítica mostram as faixas a serem evitadas.
- Faixa de velocidade operacional: Claramente indicado, geralmente como uma faixa vertical ou região destacada.
- Zonas de travessia rápida: Faixas de velocidade para passar rapidamente durante a inicialização/desligamento
- Múltiplas fontes de excitação: Linhas para frequência de passagem da lâmina, frequência de engrenamento da engrenagem, frequência de defeitos do rolamento
Tipos de interferências
Um diagrama de interferência pode identificar vários tipos de interações problemáticas:
1. Interferência Síncrona (1X)
O tipo mais comum é aquele em que as forças de desequilíbrio que ocorrem uma vez por revolução coincidem com uma frequência natural. Este é o tipo clássico. velocidade crítica doença.
2. Interferência harmônica (2X, 3X, etc.)
Harmônicos superiores da velocidade de corrida também podem excitar ressonâncias. Fontes comuns incluem:
- 2X: De desalinhamento, folga mecânica ou rigidez assimétrica
- 3X, 4X: Desde o contato entre dentes de engrenagem, mancais multilobados ou assimetrias estruturais
3. Interferência de passagem entre lâmina e pá
Em turbomáquinas, a frequência de passagem das pás (número de pás × RPM) pode excitar modos estruturais. O diagrama de interferência mostra onde as linhas de frequência de passagem das pás cruzam as frequências naturais.
4. Interferência subsíncrona
Fenômenos como o redemoinho de óleo (tipicamente entre 0,43X e 0,48X) podem criar interferências subsíncronas que devem ser identificadas e gerenciadas.
5. Interferência de frequência de batimento
Em sistemas acoplados ou sistemas com múltiplos elementos rotativos, as frequências de batimento resultantes de pequenas diferenças de velocidade podem criar interferências.
Uso prático no projeto de máquinas
Aplicações da Fase de Projeto
- Evitar velocidades críticas: Certifique-se de que a faixa de velocidade operacional não se sobreponha às zonas de interferência.
- Verificação da margem de separação: Confirme margens adequadas (normalmente de ±15% a ±30%) em torno de todas as velocidades críticas.
- Gerenciamento da fonte de excitação: Caso não seja possível evitar a interferência, reduza a amplitude da fonte de excitação (melhore o equilíbrio, reduza o desalinhamento, etc.).
- Requisitos de amortecimento: Identificar onde houve melhorias amortecimento é necessário para controlar a vibração ressonante
Modificação e resolução de problemas
Quando máquinas existentes apresentam problemas de vibração, os diagramas de interferência podem ajudar:
- Identifique se o problema se deve à operação muito próxima da velocidade crítica.
- Avaliar as modificações propostas (alterações nos rolamentos, aumento de massa, modificações na rigidez).
- Prever os efeitos das mudanças de velocidade ou da operação em velocidade variável.
- Determine se o problema se origina de uma fonte de excitação inesperada.
Estabelecimento de Zonas de Velocidade Proibida
Uma característica fundamental dos diagramas de interferência é a definição de zonas de velocidade proibidas ou restritas:
Determinação da largura da zona
A largura de cada zona proibida depende de vários fatores:
- Amortecimento do sistema: Baixo amortecimento requer zonas mais amplas; alto amortecimento permite zonas mais estreitas.
- Amplitude de excitação: Fontes de excitação intensa exigem zonas de evitação mais amplas.
- Consequências operacionais: Equipamentos críticos podem exigir zonas mais conservadoras (mais amplas).
- Valores típicos: ±15% para sistemas bem amortecidos, ±20-30% para sistemas mal amortecidos.
Procedimentos Operacionais
Com base no diagrama de interferência, são estabelecidos os procedimentos operacionais:
- Operação contínua permitida: Faixas de velocidade sem interferências
- Travessia rápida necessária: Zonas proibidas que devem ser atravessadas rapidamente durante a inicialização/desligamento.
- Absolutamente proibido: Zonas de ressonância severa onde a operação nunca é permitida.
Exemplo: Diagrama de Interferência da Turbina
Considere uma turbina a vapor com as seguintes características:
- Velocidade de operação: 3000 RPM (50 Hz)
- Primeira Velocidade Crítica: 2400 RPM (40 Hz)
- Segunda velocidade crítica: 4200 RPM (70 Hz)
- Número de lâminas: 60
- Frequência de passagem da lâmina a 3000 RPM: 60 × 50 Hz = 3000 Hz
O diagrama de interferência mostra:
- A linha 1X cruza a primeira frequência natural: Velocidade crítica a 2400 RPM — Zona proibida: 2040-2760 RPM (±15%)
- A linha 1X cruza a segunda frequência natural: Velocidade crítica de 4200 RPM — Não é uma preocupação, pois a velocidade de operação está bem abaixo de
- Velocidade de operação (3000 RPM): Com segurança entre duas velocidades críticas e com boas margens de separação.
- Frequência de passagem da lâmina: A 3000 Hz, não há interferência com os modos estruturais na faixa de operação.
Orientações operacionais:
- Durante a inicialização, acelere na faixa de 2040-2760 RPM em menos de 30 segundos.
- A operação contínua entre 2800 e 3200 RPM é aceitável.
- Não tente operar continuamente entre 2040-2760 RPM.
Considerações avançadas
Efeitos da temperatura
Alguns diagramas de interferência incluem múltiplas curvas que mostram como as frequências naturais se alteram com as mudanças de temperatura (a expansão térmica afeta a rigidez e as características dos mancais). As velocidades críticas podem mudar à medida que a máquina aquece.
Efeitos de carga
Em máquinas onde a carga do processo afeta significativamente a rigidez dos mancais ou a deflexão do rotor, os diagramas de interferência podem mostrar famílias de curvas para diferentes condições de carga.
Sistemas Acoplados
Quando vários rotores são acoplados (conjuntos motor-bomba, conjuntos turbina-gerador), o diagrama de interferência deve levar em conta os modos de torção e laterais acoplados que podem criar velocidades críticas adicionais.
Criando um diagrama de interferência
A partir de modelos analíticos
- Desenvolver modelo de elementos finitos de um sistema rotor-mancal
- Calcular frequências naturais em múltiplas velocidades
- Trace as curvas de frequência natural em função da velocidade.
- Sobreponha as linhas de ordem de excitação (1X, 2X, passagem da lâmina, etc.)
- Marque os pontos de intersecção e estabeleça zonas proibidas.
- Anote com a faixa de velocidade operacional e os procedimentos.
A partir de dados experimentais
- Realizar testes de partida e desaceleração com monitoramento de vibração.
- Gerar parcelas de cachoeira ou Diagramas de Bode
- Identificar as velocidades críticas a partir dos picos de amplitude e das mudanças de fase.
- Criar diagrama de interferência marcando as velocidades críticas observadas.
- Estabelecer zonas proibidas empíricas com base nos níveis de vibração medidos.
Benefícios para Operações e Manutenção
Os diagramas de interferência fornecem orientações valiosas para operadores de máquinas e pessoal de manutenção:
- Limites operacionais claros: Indicação visual das faixas de velocidade seguras e inseguras.
- Procedimentos de inicialização/desligamento: Identifica velocidades para percorrer rapidamente
- Operação de velocidade variável: Define as faixas de velocidade aceitáveis para inversores de frequência.
- Ferramenta de resolução de problemas: Ajuda a diagnosticar se os problemas de vibração estão relacionados à velocidade.
- Planejamento de Modificações: Mostra o impacto das alterações propostas antes da implementação.
- Auxílio de treinamento: Ferramenta educacional para a compreensão do comportamento dinâmico de máquinas.
Para máquinas rotativas críticas, o diagrama de interferência é um documento essencial que deve estar disponível para operadores, técnicos de manutenção e equipe de engenharia, garantindo que todos compreendam as características dinâmicas da máquina e a operem dentro de faixas de velocidade seguras.
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