Pochopenie trhlín v hriadeľoch rotujúcich strojov
Definícia: Čo je to prasklina v hriadeli?
A prasklina v hriadeli je zlomenina alebo diskontinuita v rotujúcej hriadeli, ktorá vzniká v dôsledku únavy materiálu, koncentrácie napätia alebo materiálových defektov. Trhliny zvyčajne vznikajú na povrchu a šíria sa dovnútra kolmo na smer maximálneho ťahového napätia. V rotujúcich strojoch sú trhliny na hriadeli mimoriadne nebezpečné, pretože sa môžu v priebehu hodín alebo dní vyvinúť z malej, nezistiteľnej chyby až po úplné zlomenie hriadeľa, čo môže spôsobiť katastrofické zlyhanie zariadenia.
Trhliny v hriadeli vytvárajú charakteristické vibrácie podpisy, najmä charakteristická zložka 2× (dvakrát za otáčku), ktorá sa objavuje s vývojom trhliny. Včasná detekcia prostredníctvom analýza vibrácií je rozhodujúce pre zabránenie úplnému zlyhaniu hriadeľa a súvisiacim bezpečnostným rizikám.
Bežné príčiny prasklín v hriadeli
1. Únava z cyklického namáhania
Najčastejšia príčina, najmä v rotačných strojoch:
- Únava z ohybu: Rotujúci hriadeľ s nerovnomernou tuhosťou alebo zaťažením vytvára cyklické ohybové namáhanie
- Torzná únava: Oscilačný krútiaci moment v hriadeľoch prenosu výkonu
- Únava z vysokých cyklov: Počas rokov prevádzky sa nahromadia milióny cyklov zaťaženia
- Koncentrácia stresu: Drážky, otvory, zaoblenia a geometrické diskontinuity sústreďujú napätie
2. Prevádzkové podmienky
- Nadmerné Nerovnováha: Vysoké odstredivé sily vytvárajú ohybové napätie
- Nesprávne zarovnanie: Ohybové momenty z nesprávneho zarovnania urýchľujú únavu
- Rezonančná operácia: Pôsobí na alebo v blízkosti kritické rýchlosti vytvára vysoké priehyby
- Preťaženie: Prevádzka nad rámec konštrukčných limitov
- Tepelné namáhanie: Rýchle cykly ohrevu/chladenia alebo teplotné gradienty
3. Materiálové a výrobné chyby
- Materiálne zahrnuté: Troska, dutiny alebo cudzí materiál v materiáli hriadeľa
- Nesprávne tepelné spracovanie: Nedostatočné kalenie alebo popúšťanie
- Chyby pri obrábaní: Stopy po nástrojoch, ryhy alebo škrabance vytvárajúce nárasty napätia
- Jamková korózia: Povrchová korózia vytvára miesta vzniku trhlín
- Trápenie: Na lisovaných rozhraniach alebo drážkach pre kľúče
4. Prevádzkové udalosti
- Udalosti prekročenia rýchlosti: Núdzové alebo náhodné prekročenie rýchlosti spôsobujúce vysoké namáhanie
- Silné odreniny: Kontakt generujúci teplo a lokálna koncentrácia napätia
- Nárazové zaťaženie: Náhle zaťaženie z procesných narušení alebo mechanických otrasov
- Predchádzajúce opravy: Zváranie alebo obrábanie spôsobujúce zvyškové napätia
Vibračné príznaky prasknutého hriadeľa
Charakteristická zložka 2×
Charakteristickým znakom vibrácií prasknutého hriadeľa je výrazný 2× (druhá harmonická) komponent:
Prečo sa vyvíja 2× vibrácia
- Trhlina sa otvára a zatvára dvakrát za otáčku, keď sa hriadeľ otáča
- Keď je trhlina v tlaku (spodná časť rotácie), tuhosť je vyššia.
- Keď je trhlina v ťahu (vrchol rotácie), trhlina sa otvára, tuhosť je nižšia
- Táto zmena tuhosti dvakrát za otáčku vytvára 2× silu
- 2× amplitúda sa zvyšuje so šírením trhliny a rastúcou asymetriou tuhosti
Ďalšie indikátory vibrácií
- 1× Zmeny: Postupné zvyšovanie vibrácií 1× v dôsledku zmenenej tuhosti a zvyškového prehnutia
- Vyššie harmonické: 3×, 4× sa môže objaviť so zvyšujúcou sa závažnosťou trhliny
- Fázové posuny: Fázový uhol sa mení počas rozbehu/dobehu alebo pri rôznych rýchlostiach
- Správanie závislé od rýchlosti: Vibrácie sa môžu meniť nelineárne s rýchlosťou
- Teplotná citlivosť: Vibrácie môžu korelovať s tepelnou rozťažnosťou pri otváraní/zatváraní trhliny
Charakteristiky spustenia/dobehu
- Zložka 2× vykazuje nezvyčajné správanie počas prechodových javov
- Môže vykazovať dva vrcholy Bodeho graf (pri 1/2 každej kritickej rýchlosti)
- Fázové zmeny zložky 1× sa môžu líšiť od normálnej odozvy na nevyváženosť
Metódy detekcie
Monitorovanie vibrácií
Analýza trendov
- Monitorovanie pomeru 2X/1X v priebehu času
- Postupné zvyšovanie amplitúdy na 2× je varovným signálom
- Pomer 2X/1X > 0,5 si vyžaduje vyšetrenie
- Náhle zmeny vibračného vzoru sú podozrivé
Spektrálna analýza
- Pravidelné Rýchla premena funkcie (FFT) analýza zobrazujúca harmonické
- Porovnajte súčasné spektrá so spektrami historických základných hodnôt
- Sledujte vznik alebo rast 2× vrcholu
Analýza prechodových javov
- Vodopádové grafy počas štartu/dobehu
- Bodeho grafy znázorňujúce amplitúdu a fázu v závislosti od rýchlosti
- Nezvyčajné správanie pri kritických rýchlostných úsekoch
Metódy bez vibrácií
1. Magnetická časťová kontrola (MPI)
- Detekuje povrchové a blízkopovrchové trhliny
- Vyžaduje prístupný povrch šachty
- Vysoká spoľahlivosť pri detekcii trhlín
- Súčasť bežných kontrol údržby
2. Ultrazvukové testovanie (UT)
- Detekuje vnútorné a povrchové trhliny
- Dokáže nájsť praskliny skôr, ako sa prejavia príznaky vibrácií
- Vyžaduje si špecializované vybavenie a vyškolený personál
- Odporúčané pre kritické hriadele
3. Kontrola penetrácie farbiva
- Jednoduchá metóda na detekciu povrchových trhlín
- Vyžaduje čistenie a prípravu povrchu
- Užitočné pre prístupné oblasti počas výpadkov
4. Testovanie vírivými prúdmi
- Bezkontaktná detekcia povrchových trhlín
- Vhodné pre automatizovanú kontrolu
- Účinný na nemagnetických aj magnetických materiáloch
Reakcia a nápravné opatrenia
Okamžité akcie po detekcii
- Zvýšte frekvenciu monitorovania: Z mesačného na týždenný alebo denný
- Znížte závažnosť prevádzky: Ak je to možné, znížte rýchlosť alebo zaťaženie
- Ukončenie plánu: Naplánujte si opravu alebo výmenu pri najbližšej bezpečnej príležitosti
- Vykonajte NDE: Potvrďte prítomnosť trhliny a posúďte jej závažnosť
- Posúdenie rizika: Zistite, či je pokračovanie v prevádzke bezpečné
Dlhodobé riešenia
- Výmena hriadeľa: Najspoľahlivejšie riešenie pre potvrdené praskliny
- Oprava (obmedzené prípady): Niektoré trhliny je možné odstrániť obrábaním a navarením (vyžaduje sa odborné posúdenie)
- Analýza základných príčin: Identifikujte dôvod vzniku trhliny, aby ste predišli jej opätovnému vzniku
- Úpravy dizajnu: Riešenie koncentrácií napätia, zlepšenie výberu materiálov, úprava prevádzkových podmienok
Preventívne stratégie
Fáza návrhu
- Eliminujte ostré rohy a koncentrácie napätia
- Pri zmenách priemeru použite veľkorysé polomery zaoblenia
- Špecifikujte vhodné materiály pre úrovne namáhania a prostredie
- Vykonajte analýzu napätia metódou konečných prvkov
- Aplikujte povrchové úpravy (brokovanie, nitridácia) na zlepšenie odolnosti voči únave
Prevádzková fáza
- Udržiavať si dobré kvalita rovnováhy minimalizovať cyklické ohybové namáhanie
- Zabezpečte presné zarovnanie
- Vyhnite sa prevádzke pri kritických rýchlostiach
- Zabráňte prekročeniu rýchlosti
- Kontrolujte tepelné namáhanie správnym zahrievaním/ochladzovaním
Fáza údržby
- Pravidelné kontroly s použitím vhodných metód NDE
- Programy na sledovanie vibrácií na odhalenie včasných príznakov
- Pravidelné vyvažovanie na minimalizáciu únavového napätia
- Prevencia korózie a údržba náterov
Trhliny v hriadeli predstavujú jednu z najzávažnejších potenciálnych porúch rotačných strojov. Kombinácia monitorovania vibrácií (na detekciu charakteristických dvojnásobných trhlín) a pravidelnej nedeštruktívnej kontroly poskytuje najlepšiu stratégiu na včasnú detekciu trhlín, čo umožňuje plánovanú údržbu skôr, ako dôjde ku katastrofickej poruche.
Kategórie:
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 