Înțelegerea mișcării arborelui în mașinile rotative

Dispozitive

Ebalansator portabil și analizor de vibrații Balanset-1A.

$2,353.83

Piese

Senzor de vibrații.

$107.26

Piese

Senzor optic (tahometru laser).

$147.78

Dispozitive

Balanset-4.

$8,107.90

Piese

Stand magnetic Insize-60-kgf.

$54.82

Piese

Ceasetă reflectorizantă.

$11.92

Dispozitive

Ebalansator dinamic "Balanset-1A" OEM.

$2,067.80

Definiție: Ce este biciul arborelui?

Biciul arborelui (numită și „fluturare de ulei” atunci când apare în rulmenții hidrodinamici) este o formă severă de instabilitatea rotorului caracterizat prin violență vibrație autoexcitată care apare atunci când un rotor care funcționează în rulmenți cu peliculă fluidă depășește o viteză prag critică, de obicei aproximativ dublul primei viteze viteză critică. Odată ce apare biciul, frecvența vibrațiilor se “blochează” pe prima suprafață a rotorului. frecvență naturală și rămâne acolo indiferent de creșterile ulterioare de viteză, amplitudinea fiind limitată doar de jocurile rulmenților sau de defecțiuni catastrofale.

Biciul arborelui este una dintre cele mai periculoase condiții din mașinile rotative de mare viteză, deoarece se dezvoltă brusc, crește la amplitudini distructive în câteva secunde și nu poate fi corectată prin... echilibrare sau alte metode convenționale. Necesită oprirea imediată și modificări ale sistemului de rulmenți pentru a preveni repetarea acesteia.

Progresia: De la vârtejul uleiului la biciul arborelui

Etapa 1: Funcționare stabilă

• Rotorul funcționează sub pragul de instabilitate
• Doar vibrații forțate normale de la dezechilibra prezent
• Pelicula de ulei pentru rulmenți oferă un suport stabil

Etapa 2: Debutul vârtejului de ulei

Pe măsură ce viteza crește peste aproximativ 2× prima viteză critică:

• Vârtej de ulei se dezvoltă — vibrații subsincrone la ~0,43-0,48× viteza arborelui
• Amplitudinea este inițial moderată și dependentă de viteză
• Frecvența crește proporțional cu viteza arborelui
• Poate fi intermitent sau continuu
• Poate coexista cu vibrațiile normale 1X cauzate de dezechilibru

Etapa 3: Tranziția cu biciul

Când frecvența vârtejului de ulei crește pentru a se potrivi cu prima frecvență naturală:

• Blocare frecvență: Frecvența vibrațiilor se blochează la frecvența naturală
• Amplificare rezonantă: Amplitudinea crește dramatic datorită rezonanţă
• Debut brusc: Trecerea de la vârtej la bici poate fi instantanee
• Independența de viteză: Creșterile ulterioare ale vitezei nu modifică frecvența, ci doar amplitudinea

Etapa 4: Biciuire a arborelui (stare critică)

• Vibrații la frecvență constantă (prima frecvență naturală, de obicei 40-60 Hz)
• Amplitudine de 5-20 de ori mai mare decât vibrațiile de dezechilibru normale
• Arborele poate atinge limitele de joc ale rulmentului
• Încălzirea rapidă a rulmenților și a uleiului
• Potențial de defecțiune catastrofală în câteva minute dacă nu este oprit

Mecanism fizic

Cum se dezvoltă Oil Whip

Mecanismul implică dinamica fluidelor în pelicula de ulei a rulmentului:

1. Formarea penelor de petrol: Pe măsură ce arborele se rotește, acesta trage ulei în jurul rulmentului, creând o pană sub presiune
2. Forța tangențială: Pana de ulei exercită o forță perpendiculară pe direcția radială (tangențială)
3. Mișcarea pe orbită: Forța tangențială face ca centrul arborelui să orbiteze la aproximativ jumătate din viteza arborelui
4. Extracția energiei: Sistemul extrage energie din rotația arborelui pentru a susține mișcarea orbitală
5. Blocare prin rezonanță: Când frecvența orbitei se potrivește cu frecvența naturală, rezonanța amplifică vibrația
6. Ciclu limită: Vibrațiile cresc până când sunt limitate de jocul rulmentului sau de defectare

Identificare diagnostică

Semnătura vibrațiilor

Vibrația arborelui produce modele caracteristice în datele de vibrații:

• Spectru: Vârf mare la frecvență subsincronă (prima frecvență naturală), constant indiferent de schimbările de viteză
• Parcelul Cascadei: Componenta subsincronă apare ca o linie verticală (frecvență constantă) mai degrabă decât ca o diagonală (proporțională cu viteza)
• Analiza comenzii: Ordine fracționară care descrește pe măsură ce viteza crește (de exemplu, se modifică de la 0,5× la 0,4× la 0,35×)
• Orbită: Orbită circulară sau eliptică mare la frecvență naturală

Viteză de debut

• Prag tipic: 2,0-2,5× prima viteză critică
• Dependent de rulment: Pragul specific variază în funcție de designul rulmentului, preîncărcare și vâscozitatea uleiului
• Debut brusc: O mică creștere a vitezei poate declanșa o tranziție rapidă de la stabil la instabil

Strategii de prevenire

Modificări ale designului rulmentului

1. Rulmenți cu placă de înclinare

• Cea mai eficientă soluție pentru prevenirea biciuirii arborelui
• Plăcuțele pivotează independent, eliminând forțele destabilizatoare de cuplare încrucișată
• Inerent stabil pe intervale largi de viteză
• Standard industrial pentru turbomașini de mare viteză

2. Lagăre de baraj de presiune

• Rulment cilindric modificat cu caneluri sau baraje
• Crește amortizarea eficientă și rigiditatea
• Mai puțin costisitor decât suportul basculant, dar mai puțin eficient

3. Preîncărcarea rulmentului

• Aplicarea preîncărcării radiale la rulmenți crește rigiditatea
• Crește viteza prag pentru instabilitate
• Poate fi realizat prin designuri cu alezaj offset

4. Strângeți amortizoarele de film

• Element de amortizare extern care înconjoară rulmentul
• Oferă amortizare suplimentară fără a modifica designul rulmentului
• Eficient pentru aplicații de modernizare

Măsuri operaționale

• Limitare de viteză: Restricționați viteza maximă de funcționare sub prag (de obicei < 1,8× primul punct critic)
• Gestionarea încărcăturii: Operați la sarcini mai mari pe rulmenți atunci când este posibil (crește amortizarea)
• Controlul temperaturii uleiului: Temperatura mai scăzută a uleiului crește vâscozitatea și amortizarea
• Monitorizare: Monitorizare continuă a vibrațiilor cu alarme setate pentru componentele subsincrone

Consecințe și daune

Efecte imediate

• Vibrații violente: Amplitudinile pot ajunge la câțiva milimetri (sute de mils)
• Zgomot: Sunet puternic, distinctiv, diferit de funcționarea normală
• Încălzire rapidă a rulmenților: Temperaturile rulmenților pot crește cu 20-50°C în câteva minute
• Degradarea uleiului: Temperaturile ridicate și forfecarea degradează lubrifiantul

Defecțiuni potențiale

• Ștergerea rulmentului: Materialul de fixare a rulmentului se topește și este șters
• Deteriorarea arborelui: Zgârieturi, uzură prin uzură sau îndoire permanentă
• Defecțiunea etanșării: Mișcarea excesivă a arborelui distruge etanșările
• Ruperea arborelui: Oboseală de ciclu intens cauzată de oscilații violente
• Deteriorarea cuplajului: Forțele transmise deteriorează cuplajele

Fenomene conexe

Vârtej de ulei

Vârtej de ulei este precursorul biciului:

• Același mecanism, dar frecvența nu s-a fixat pe frecvența naturală
• Amplitudine mai puțin severă
• Frecvență proporțională cu viteza (~0,43-0,48×)
• Poate fi tolerabil în anumite aplicații

Vârtej de abur

Instabilitate similară în turbinele cu abur cauzată de forțele aerodinamice din etanșările labirintice, mai degrabă decât din peliculele de ulei ale lagărelor. Prezintă vibrații subsincrone similare care se blochează pe frecvența naturală.

Bici de frecare uscată

Poate apărea la locațiile etanșărilor sau la contactul rotor-stator:

• Forțele de frecare asigură un mecanism de destabilizare
• Mai puțin comun decât biciul cu ulei, dar la fel de periculos
• Necesită o abordare corectivă diferită (eliminarea contactului, îmbunătățirea designului etanșării)

Studiu de caz: Frântă de compresor

Scenariu: Compresor centrifug de mare viteză cu rulmenți cilindrici albi

• Funcționare normală: 12.000 RPM cu vibrații de 2,5 mm/s
• Creșterea vitezei: Turația operatorului a fost mărită la 13.500 RPM pentru o capacitate mai mare
• Debut: La 13.200 RPM, s-a dezvoltat o vibrație bruscă și violentă
• Simptome: Vibrații de 25 mm/s la 45 Hz (constant), temperatura rulmentului a crescut de la 70°C la 95°C în 3 minute
• Acțiune de urgență: Oprirea imediată a prevenit defectarea rulmentului
• Cauza de bază: Prima viteză critică a fost de 2700 RPM (45 Hz); pragul de rotație la 2× turația critică = 5400 RPM a fost depășit.
• Soluție: Înlocuirea rulmenților de alunecare cu rulmenți cu placă basculantă, permițând funcționarea în siguranță până la 15.000 RPM

Standarde și practici industriale

• API 684: Necesită analiza stabilității pentru turbomașini de mare viteză
• API 617: Specifică tipurile de rulmenți și cerințele de stabilitate pentru compresoare
• ISO 10814: Oferă îndrumări privind alegerea rulmenților pentru stabilitate
• Practică în industrie: Rulmenți standard pentru plăcuțe de înclinare pentru echipamente care funcționează peste 2× prima viteză critică

Vibrațiile puternice ale arborelui reprezintă un mod de defecțiune catastrofală care trebuie prevenit prin selectarea și proiectarea corectă a rulmenților. Recunoașterea semnăturii sale distinctive de vibrații subsincrone, cu frecvență blocată, permite o diagnosticare rapidă și un răspuns adecvat la situații de urgență, prevenind deteriorarea costisitoare a echipamentelor critice rotative de mare viteză.

---

← Înapoi la indexul principal