Viteza critică în dinamica rotorului explicată

Definiție: Ce este o viteză critică?

A viteză critică este o viteză de rotație care corespunde frecvenței naturale de vibrație a unui rotor. Când o mașină funcționează la sau aproape de una dintre vitezele sale critice, fenomenul de rezonanţă apare. Aceasta provoacă o amplificare dramatică și adesea periculoasă a vibrațiilor rotorului, deoarece chiar și o cantitate mică de dezechilibru rezidual poate genera forțe centrifuge enorme. Fiecare sistem rotor are mai multe viteze critice, corespunzătoare diferitelor sale moduri de vibrație (de exemplu, primul mod de încovoiere, al doilea mod de încovoiere etc.).

De ce este viteza critică atât de importantă?

Înțelegerea și gestionarea vitezelor critice este unul dintre cele mai fundamentale aspecte ale proiectării și analizei mașinilor rotative. Funcționarea unei mașini la o viteză critică, chiar și pentru o perioadă scurtă de timp, poate fi catastrofală. Consecințele includ:

• Vibrații excesive: Amplitudinile pot crește cu un factor de 10, 20 sau chiar mai mult, în funcție de amortizarea sistemului.
• Defecțiune a componentei: Vibrațiile ridicate și deformarea arborelui pot duce la defectarea rulmentului, deteriorarea etanșărilor și frecarea dintre piesele rotative și cele staționare.
• Rupere catastrofală a arborelui: În cazuri grave, solicitările de încovoiere pot depăși limita de oboseală a materialului, provocând fisurarea sau ruperea arborelui.
• Pericole de siguranță: O defecțiune a mașinii la viteză mare prezintă un risc semnificativ pentru personal și echipamentele din jur.

Din aceste motive, utilajele sunt întotdeauna proiectate să funcționeze cu o „marjă de separare”, ceea ce înseamnă că viteza lor normală de funcționare este menținută în mod intenționat la o distanță sigură față de orice viteze critice.

Rotoare rigide vs. flexibile

Conceptul de viteză critică este ceea ce distinge un rotor „rigid” de unul „flexibil”.

• Rotor rigid: Un rotor care funcționează *sub* prima sa viteză critică. Arborele său nu suferă o îndoire semnificativă în timpul funcționării. Acestea sunt de obicei rotoare mai lente și mai robuste.
• Rotor flexibil: Un rotor proiectat să funcționeze *peste* prima (și uneori a doua sau a treia) sa viteză critică. Arborele său se va flexa și îndoi pe măsură ce trece prin vitezele critice în timpul pornirii și opririi. Rotoarele subțiri și de mare viteză, precum cele din turbine și compresoare, sunt rotoare flexibile.

Gestionarea vitezelor critice în funcționarea mașinilor

Întrucât adesea nu este practic să se proiecteze o mașină de mare viteză care să rămână sub prima sa viteză critică, inginerii folosesc mai multe strategii pentru a le gestiona:

1. Margine de separare

Cea mai comună strategie este de a asigura că viteza de funcționare continuă a mașinii nu este prea apropiată de nicio viteză critică. O marjă de separare tipică este de ±20-30%. De exemplu, dacă o viteză critică este de 3.000 RPM, mașina nu ar trebui să funcționeze continuu între 2.400 RPM și 3.600 RPM.

2. Accelerare/Decelerare rapidă

Pentru rotoarele flexibile care trebuie să treacă prin viteze critice, procedurile de pornire și oprire sunt concepute pentru a parcurge intervalele de viteze critice cât mai repede posibil. Menținerea la o viteză critică permite amplitudinii vibrațiilor să crească la niveluri periculoase. O trecere rapidă minimizează timpul necesar acestei amplificari.

3. Amortizare

Amortizarea este disiparea energiei vibraționale și este ceea ce limitează amplitudinea de vârf la rezonanță. Rulmenții, în special rulmenții cu peliculă fluidă, sunt o sursă principală de amortizare în sistemele cu rotor. Prin optimizarea proiectării rulmenților, inginerii pot controla vârful de vibrație la viteza critică la un nivel sigur și gestionabil.

4. Echilibrare de precizie

Vibrația la o viteză critică este un răspuns amplificat la dezechilibru. Cu cât un rotor este mai bine echilibrat, cu atât funcția de forțare va fi mai mică și, prin urmare, cu atât vibrația de vârf va fi mai mică pe măsură ce trece prin viteza critică. Pentru rotoarele flexibile, sunt necesare tehnici speciale de echilibrare multiplan.

Cum se identifică vitezele critice?

Vitezele critice sunt identificate folosind mai multe metode:

• Analiza dinamică a rotorului (ADR): Modelele computerizate (adesea folosind analiza cu elemente finite) sunt create în timpul fazei de proiectare pentru a prezice vitezele critice și formele modurilor de rotație ale unui rotor.
• Teste de pornire/oprire liberă: Cea mai comună metodă experimentală. Amplitudinea și faza vibrațiilor sunt reprezentate grafic în funcție de viteză pe măsură ce o mașină pornește sau se oprește. O viteză critică este identificată printr-un vârf distinct în amplitudine, însoțit de o defazare caracteristică de 180 de grade. Aceste teste generează grafice de diagnostic precum Diagrama Bode și Parcelul Cascadei.
• Testarea la impact (testul de lovire): Lovirea rotorului cu un ciocan instrumentat atunci când acesta este în repaus poate excita frecvențele sale naturale, care corespund vitezelor critice.

← Înapoi la indexul principal