Pochopenie prehnutia hriadeľa v rotujúcich strojoch

Zariadenia

Prenosný vyvažovač a analyzátor vibrácií Balanset-1A

$2,358.31

Diely

Senzor vibrácií

$107.47

Diely

Optický senzor (laserový tachometer)

$148.07

Zariadenia

Balanset-4

$8,123.32

Diely

Magnetický stojan Insize-60-kgf

$54.93

Diely

Reflexná páska

$11.94

Zariadenia

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definícia: Čo je to šachtový luk?

Hriadeľ luku (tiež nazývané ohýbanie hriadeľa, prehnutie rotora alebo jednoducho “prehnutie”) je stav, pri ktorom rotor hriadeľ vyvinul trvalé alebo čiastočne trvalé zakrivenie, ktoré spôsobuje jeho odchýlku od priamej stredovej čiary. Na rozdiel od dočasného výbeh ktoré môže byť spôsobené uvoľneným komponentom alebo excentrickým upevnením, prehnutie hriadeľa predstavuje skutočnú deformáciu samotného materiálu hriadeľa.

Hriadeľový luk vytvára vibrácie príznaky, ktoré sa povrchne podobajú nevyváženosť, ale nedá sa to opraviť konvenčnými spôsobmi vyvažovanie postupy. Vďaka tomu je správna diagnóza nevyhnutná, aby sa predišlo plytvaniu časom pri pokuse o vyváženie ohnutého hriadeľa.

Typy lukov s šachtou

Prehnutie drieku možno kategorizovať podľa príčiny a trvania:

1. Trvalý mechanický luk

Ide o plastickú (trvalú) deformáciu materiálu hriadeľa spôsobenú:

• Mechanické preťaženie alebo náraz
• Nesprávne zdvíhanie alebo manipulácia počas údržby
• Pád rotora
• Nadmerné ohybové namáhanie počas prevádzky
• Výrobné chyby alebo nesprávne tepelné spracovanie

Keď sa hriadeľ deformuje (trvalo sa zdeformuje), luk zostáva v pôvodnom stave aj vtedy, keď je hriadeľ v pokoji a všetky zaťaženia sú odstránené.

2. Tepelný oblúk (prechodný)

Tiež nazývaný tepelný luk alebo horúci luk, ide o dočasný stav spôsobený nerovnomerným ohrevom hriadeľa. Zahriata strana sa rozťahuje viac ako studená strana, čím sa vytvára dočasné zakrivenie. Medzi príčiny patria:

• Asymetrické zdroje tepla (horúca procesná kvapalina na jednej strane, chladiaci vzduch na druhej strane)
• Trecie ohrev ložiska na jednej strane hriadeľa
• Rotor sa trenie a vytvára lokálne teplo
• Solárne vykurovanie na vonkajších zariadeniach
• Nesprávne postupy zahrievania veľkých turbín

Tepelné prevrátenie zvyčajne zmizne, keď sa hriadeľ rovnomerne ochladí alebo keď sa dosiahne tepelná rovnováha. Opakované cykly tepelného prevrátenia však môžu nakoniec spôsobiť trvalé stvrdnutie.

3. Zvyškový napäťový luk

Vnútorné zvyškové napätia zo zvárania, tepelného spracovania alebo výrobných procesov môžu spôsobiť pomalé prehnutie hriadeľa v priebehu času, najmä ak je vystavený prevádzkovým teplotám alebo mechanickému zaťaženiu, ktoré spôsobuje uvoľnenie napätia.

Príčiny prevrátenia hriadeľa

Pochopenie základných príčin pomáha predchádzať prehnutiu hriadeľa a nasmerovať nápravné opatrenia:

Mechanické príčiny

• Preťaženie: Prevádzka pri zaťažení presahujúcom konštrukčné limity
• Nesprávne skladovanie: Skladovanie hriadeľov v horizontálnej polohe bez riadnej podopretia, čo časom spôsobuje prehýbanie
• Nesprávne zaobchádzanie: Zdvíhanie za hriadeľ namiesto určených zdvíhacích bodov
• Nehoda alebo náraz: Pád, náraz alebo poškodenie cudzím predmetom
• Zadretie ložiska: Zaseknuté ložisko môže spôsobiť ohnutie hriadeľa pod vplyvom hnacieho krútiaceho momentu

Tepelné príčiny

• Nerovnomerné vykurovanie: Nerovnomerné rozloženie teploty po obvode hriadeľa
• Rýchle zmeny teploty: Tepelný šok počas spustenia alebo vypnutia
• Horúce miesta: Lokalizované zahrievanie z trenia, odierania alebo procesných podmienok
• Nedostatočné zahriatie: Príliš rýchle štartovanie studených turbín alebo veľkých strojov
• Postupy vypnutia: Umožnenie zastavenia otáčania horúceho hriadeľa pred ochladením (tepelný pokles)

Materiál a výrobné príčiny

• Zlá kvalita materiálu: Inklúzie, dutiny alebo nehomogenity materiálu
• Nesprávne tepelné spracovanie: Zvyškové napätia z kalenia alebo popúšťania
• Skreslenie zvárania: Asymetrické zváranie vytvárajúce zvyškové napätia
• Obrábacie napätia: Napätia vznikajúce počas výroby

Ako hriadeľový oblúk spôsobuje vibrácie

Zakrivený hriadeľ vytvára vibrácie prostredníctvom dvoch mechanizmov:

1. Geometrická nerovnováha

Keď sa zakrivený hriadeľ otáča, jeho zakrivená stredová čiara vytvára kužeľ alebo inú nekruhovú dráhu. Aj keď je rozloženie hmotnosti rotora dokonale vyvážené, zakrivená geometria vytvára excentrickú rotujúcu hmotu, ktorá generuje odstredivé sily a vytvára 1-násobné vibrácie (vibrácie pri rotačnej frekvencii hriadeľa).

2. Momentové zaťaženie ložísk

Zakrivenie vytvára ohybové momenty, ktoré sa prenášajú na ložiská, čo spôsobuje kolísanie zaťaženia ložísk a vibrácie.

Detekcia hriadeľového luku

Rozlišovanie prehnutia hriadeľa od skutočnej nevyváženosti hmoty je kľúčové pre efektívne riešenie problémov:

Porovnanie symptómov: Predklon verzus nevyváženosť

Charakteristický	Nerovnováha	Hriadeľ luku
Frekvencia vibrácií	1X rýchlosť behu	1X rýchlosť behu
Fázový vzťah	Konzistentné, rovnaké za každých okolností	Môže sa zmeniť počas zahrievania
Pomalé vibrácie valca	Súčasný (úmerný rýchlosti²)	Prítomný a často významný aj pri veľmi nízkej rýchlosti
Reakcia na vyvažovanie	Vibrácie znížené správnym vyvážením	Minimálne alebo žiadne zlepšenie; môže sa zhoršiť
Tepelná citlivosť	Relatívne stabilný voči teplote	Výrazné zmeny počas zahrievania/ochladzovania
Meranie hádzania	Nízka hodnota, keď je rotor v pokoji	Vysoká hádzavosť aj v pokoji (trvalé prehnutie)

Diagnostické testy

1. Meranie pomalého otáčania

Otáčajte hriadeľom veľmi pomaly (zvyčajne 5-10% prevádzkových otáčok) a zmerajte výbeh s bezdotykovou sondou alebo úchylkomerom. Vysoká hádzavosť pri pomalom otáčaní indikuje prehnutie hriadeľa alebo mechanickú hádzavosť, nie nevyváženosť (ktorá vytvára silu úmernú druhej mocnine rýchlosti).

2. Fázový posun pri vypínaní

Vibrácie monitora fázový uhol keď sa stroj vypína. Skutočná nevyváženosť si udržiava konštantnú fázu bez ohľadu na rýchlosť. Zakrivený hriadeľ môže vykazovať fázové zmeny, najmä pri chladnutí.

3. Skúška tepelným oblúkom

V prípade podozrenia na tepelné prevrátenie sledujte vibrácie počas spúšťania a zahrievania. Tepelné prevrátenie zvyčajne vykazuje zvyšujúce sa vibrácie, keď sa stroj zahrieva, a potom sa môže stabilizovať alebo znížiť, keď sa dosiahne tepelná rovnováha.

4. Kontrola hádzania mimo stroja

Vyberte rotor, podoprite ho V-blokmi alebo sústruhom a pomaly ním otáčajte, pričom merajte radiálne hádzanie pomocou úchylkomeru. Významné hádzanie (zvyčajne > 0,001″ alebo 25 µm) potvrdzuje trvalé prehnutie.

5. Vizuálna kontrola

Pri veľkých šachtách môže vizuálne pozorovanie pozdĺž šachty alebo použitie optických metód (laserové zarovnanie) odhaliť zjavné prehnutie.

Metódy korekcie

Vhodná korekcia závisí od závažnosti a typu sklonu:

Pre permanentný mechanický luk

1. Rovnanie hriadeľa

Pre mierne až stredne silné uklonenie (zvyčajne < 0,005" alebo 125 µm), hriadeľ sa niekedy môže narovnať za studena alebo za tepla pomocou hydraulických lisov. To si vyžaduje špecializované vybavenie a kvalifikovaných technikov. Hriadeľ sa podoprie a starostlivo zaťaží, aby sa plasticky deformoval späť do rovného stavu.

2. Zmiernenie tepelného namáhania

Tepelné spracovanie hriadeľa na uvoľnenie zvyškového napätia, čo môže potenciálne znížiť alebo úplne eliminovať prehnutie spôsobené príčinami napätia. To si vyžaduje správne vybavenie pece a riadenie procesu.

3. Výmena hriadeľa

Pri silnom prehnutí alebo v kritických aplikáciách je výmena často najspoľahlivejším riešením. Náklady na nový hriadeľ musia byť zvážené oproti prestojom a riziku neúspešných pokusov o narovnanie.

4. “Vyváženie okolo luku”

V niektorých prípadoch, najmä pri veľkých turbínach, je možné vypočítať a nainštalovať korekčné závažia, ktoré pôsobia proti efektu provetrania. Tým sa provetranie neopraví, ale minimalizujú sa vibrácie. Tento prístup má svoje obmedzenia a zvyčajne ide o dočasné riešenie.

Pre termálny luk

1. Zmeny prevádzkových postupov

• Zavádzajte pomalé zahrievacie postupy
• Počas odstavenia udržujte nepretržitú prevádzku otáčacieho prevodového mechanizmu, aby ste predišli tepelnému poklesu.
• Starostlivejšie regulujte prívod pary alebo teploty procesných kvapalín
• Zabezpečte symetrické vykurovanie/chladenie

2. Úpravy dizajnu

• Pridajte izoláciu na zníženie teplotných gradientov
• Nainštalujte vykurovacie plášte pre rovnomerné zahriatie
• Vylepšite chladiaci systém, aby ste zabezpečili rovnomerné rozloženie teploty

3. Obsluha sústružníckeho prevodu

Pri veľkých turbínach sa počas zahrievania a chladnutia používa otočný prevod (pomalobežný rotačný pohon), aby sa otáčal hriadeľ a zabránilo sa vzniku tepelného oblúka.

Preventívne stratégie

Predchádzanie prehnutiu hriadeľa je oveľa jednoduchšie ako jeho oprava:

Dizajn a výroba

• Používajte správne postupy tepelného spracovania na minimalizáciu zvyškových napätí
• Navrhnite dostatočnú tuhosť hriadeľa pre danú aplikáciu
• Špecifikujte vhodné materiály pre tepelné prostredie

Inštalácia a údržba

• Rotory vždy zdvíhajte pomocou určených zdvíhacích bodov, nikdy nie za hriadeľ
• Náhradné rotory skladujte s vhodnou oporou, aby ste predišli ich prehýbaniu.
• Počas manipulácie sa vyhýbajte mechanickým nárazom
• Pravidelne kontrolujte priamosť hriadeľa (ročne alebo podľa harmonogramu výrobcu).

Prevádzka

• Dodržujte postupy zahrievania a vypínania od výrobcu
• Vyhnite sa prudkým zmenám teploty
• Počas spúšťania monitorujte príznaky tepelného výkyvu
• Preskúmajte akékoľvek nevysvetlené zmeny vo vibračnej fáze

Vplyv na vyrovnávacie postupy

Pokus o vyváženie ohnutého hriadeľa je vo všeobecnosti márny a môže byť kontraproduktívny:

• Neúčinné opravy: Vyvažovacie závažia vypočítané pre nevyváženosť hmoty neopravia geometrické prehnutie.
• Maskovanie problému: Čiastočne úspešné “vyváženie” ohnutého hriadeľa môže dočasne znížiť vibrácie, ale základný problém zostane neriešený.
• Stratený čas: Viaceré iterácie vyvažovania bez úspechu naznačujú potrebu kontroly prehnutia
• Potenciálne poškodenie: Pridanie veľkých korekčných závaží na ohnutý hriadeľ môže zvýšiť namáhanie a spôsobiť ďalšie poškodenie.

Osvedčený postup: Pred začatím vyvažovacích postupov vždy skontrolujte, či nie je hriadeľ prehnutý, najmä ak sa s rotorom vyskytli problémy s manipuláciou, tepelnými udalosťami alebo nevysvetliteľnými vibráciami.

---

← Späť na hlavný index