Pochopenie vibrácií 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 Shaft Whip?

Hriadeľový bič (tiež nazývaný olejový šľah, ak sa vyskytuje v hydrodynamických ložiskách) je závažnou formou nestabilita rotora charakterizované násilným samobudené vibrácie ku ktorému dochádza, keď rotor pracujúci v ložiskách s fluidným filmom prekročí kritickú prahovú rýchlosť, zvyčajne približne dvojnásobok prvej kritická rýchlosť. Akonáhle dôjde k vibrácii, vibračná frekvencia sa “uzamkne” na prvom rotore prirodzená frekvencia a zostáva tam bez ohľadu na ďalšie zvyšovanie rýchlosti, pričom amplitúda je obmedzená iba vôľami ložísk alebo katastrofickým zlyhaním.

Vibrácie hriadeľa sú jedným z najnebezpečnejších stavov vo vysokorýchlostných rotačných strojoch, pretože sa vyvíja náhle, v priebehu niekoľkých sekúnd narastá do deštruktívnych amplitúd a nemožno ich opraviť... vyvažovanie alebo iné konvenčné metódy. Vyžaduje si okamžité odstavenie a úpravy ložiskového systému, aby sa predišlo opakovaniu.

Postup: Olejový vír k hriadeľovému biču

Fáza 1: Stabilná prevádzka

• Rotor pracuje pod prahom nestability
• Iba normálne vynútené vibrácie z nevyváženosť súčasný
• Ložiskový olejový film poskytuje stabilnú oporu

Fáza 2: Začiatok vírenia oleja

Keď sa rýchlosť zvýši približne o dvojnásobok prvej kritickej rýchlosti:

• Olejový vír vyvíja sa – subsynchrónne vibrácie pri ~0,43 – 0,48 × otáčky hriadeľa
• Amplitúda je spočiatku stredná a závislá od rýchlosti
• Frekvencia sa zvyšuje úmerne s rýchlosťou hriadeľa
• Môže byť prerušované alebo nepretržité
• Môže koexistovať s normálnymi 1X vibráciami z nevyváženosti

Fáza 3: Prechod bičom

Keď sa frekvencia vírenia oleja zvýši na úroveň, ktorá zodpovedá prvej vlastnej frekvencii:

• Uzamknutie frekvencie: Frekvencia vibrácií sa uzamkne na prirodzenej frekvencii
• Rezonančné zosilnenie: Amplitúda dramaticky rastie kvôli rezonancia
• Náhly nástup: Prechod z víru na bič môže byť okamžitý
• Nezávislosť od rýchlosti: Ďalšie zvýšenie rýchlosti nemení frekvenciu, iba amplitúdu

Fáza 4: Poranenie hriadeľa (kritický stav)

• Vibrácie s konštantnou frekvenciou (prvá vlastná frekvencia, typicky 40 – 60 Hz)
• Amplitúda 5-20-krát vyššia ako bežné vibrácie nevyváženosti
• Hriadeľ sa môže dotýkať vôle ložiska
• Rýchle zahrievanie ložísk a oleja
• Potenciál katastrofického zlyhania v priebehu niekoľkých minút, ak sa nevypne

Fyzikálny mechanizmus

Ako sa vyvíja olejový šľahač

Mechanizmus zahŕňa dynamiku tekutín vo filme ložiskového oleja:

1. Tvorba ropného klinu: Keď sa hriadeľ otáča, ťahá olej okolo ložiska a vytvára tak tlakový klin.
2. Tangenciálna sila: Olejový klin pôsobí silou kolmou na radiálny smer (tangenciálnou)
3. Pohyb na obežnej dráhe: Tangenciálna sila spôsobuje, že stred hriadeľa sa otáča približne polovičnou rýchlosťou hriadeľa.
4. Získavanie energie: Systém získava energiu z rotácie hriadeľa na udržanie orbitálneho pohybu
5. Rezonančný zámok: Keď sa frekvencia obežnej dráhy zhoduje s prirodzenou frekvenciou, rezonancia zosilňuje vibrácie
6. Limitný cyklus: Vibrácie sa zvyšujú, až kým nie sú obmedzené vôľou ložiska alebo poruchou

Diagnostická identifikácia

Vibračný podpis

Hriadeľový bič vytvára charakteristické vzory v údajoch o vibráciách:

• Spektrum: Veľký vrchol pri subsynchrónnej frekvencii (prvá vlastná frekvencia), konštantný bez ohľadu na zmeny rýchlosti
• Vodopádový pozemok: Subsynchrónna zložka sa javí ako zvislá čiara (konštantná frekvencia) a nie diagonálna (úmerná rýchlosti)
• Analýza objednávky: Zlomkové poradie, ktoré sa znižuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou (napr. mení sa z 0,5× na 0,4× až 0,35×)
• Obežná dráha: Veľká kruhová alebo eliptická dráha s prirodzenou frekvenciou

Rýchlosť nástupu

• Typická prahová hodnota: 2,0 – 2,5 × prvá kritická rýchlosť
• Závislé od ložiska: Konkrétna prahová hodnota sa líši v závislosti od konštrukcie ložiska, predpätia a viskozity oleja.
• Náhly nástup: Malé zvýšenie rýchlosti môže spustiť rýchly prechod zo stabilného do nestabilného stavu

Preventívne stratégie

Úpravy konštrukcie ložiska

1. Ložiská s naklápacími doskami

• Najúčinnejšie riešenie na prevenciu švihu hriadeľa
• Doštičky sa otáčajú nezávisle, čím sa eliminujú destabilizujúce krížové spojovacie sily
• Inherentne stabilný v širokom rozsahu rýchlostí
• Priemyselný štandard pre vysokorýchlostné turbínové stroje

2. Ložiská tlakových hrádzí

• Modifikované valcové ložisko s drážkami alebo priehradkami
• Zvyšuje efektívne tlmenie a tuhosť
• Lacnejšie ako naklápacia podložka, ale menej účinné

3. Predpätie ložiska

• Aplikácia radiálneho predpätia na ložiská zvyšuje tuhosť
• Zvyšuje prahovú rýchlosť pre nestabilitu
• Dá sa to dosiahnuť konštrukciou s odsadenými otvormi

4. Tlmiče fólie

• Vonkajší tlmiaci prvok obklopujúci ložisko
• Poskytuje dodatočné tlmenie bez zmeny konštrukcie ložiska
• Účinné pre dodatočné montážne aplikácie

Prevádzkové opatrenia

• Obmedzenie rýchlosti: Obmedzte maximálnu prevádzkovú rýchlosť pod prahovú hodnotu (zvyčajne < 1,8× prvý kritický)
• Riadenie záťaže: Ak je to možné, prevádzkujte s vyšším zaťažením ložísk (zvyšuje tlmenie)
• Regulácia teploty oleja: Nižšia teplota oleja zvyšuje viskozitu a tlmenie
• Monitorovanie: Nepretržité monitorovanie vibrácií s nastavenými alarmmi pre subsynchrónne komponenty

Dôsledky a škody

Okamžité účinky

• Prudké vibrácie: Amplitúdy môžu dosiahnuť niekoľko milimetrov (stovky mil)
• Hluk: Hlasný, charakteristický zvuk odlišný od bežnej prevádzky
• Rýchle ohrev ložiska: Teplota ložísk môže stúpnuť o 20 – 50 °C v priebehu niekoľkých minút
• Degradácia oleja: Vysoké teploty a strihové namáhanie degradujú mazivo

Potenciálne zlyhania

• Utieranie ložiska: Materiál ložiska sa roztaví a zotrie
• Poškodenie hriadeľa: Ryhy, odreniny alebo trvalé ohnutie
• Porucha tesnenia: Nadmerný pohyb hriadeľa ničí tesnenia
• Zlomenie hriadeľa: Vysokocyklová únava z prudkého kmitania
• Poškodenie spojky: Prenášané sily poškodzujú spojky

Súvisiace javy

Olejový vír

Olejový vír je predchodcom biča:

• Rovnaký mechanizmus, ale frekvencia nie je viazaná na prirodzenú frekvenciu
• Menej závažná amplitúda
• Frekvencia úmerná rýchlosti (~0,43 – 0,48 ×)
• V niektorých aplikáciách môže byť tolerovateľné

Parný vír

Podobná nestabilita v parných turbínach spôsobená aerodynamickými silami v labyrintových tesneniach namiesto olejových filmov ložísk. Vykazuje podobné subsynchrónne vibrácie uzamknuté na vlastnej frekvencii.

Suchý trecí bič

Môže sa vyskytnúť v miestach tesnenia alebo v dôsledku kontaktu rotora a statora:

• Trecie sily zabezpečujú destabilizačný mechanizmus
• Menej časté ako olejový bič, ale rovnako nebezpečné
• Vyžaduje si odlišný korekčný prístup (eliminácia kontaktu, zlepšenie konštrukcie tesnenia)

Prípadová štúdia: Vibrácia hriadeľa kompresora

Scenár: Vysokorýchlostný odstredivý kompresor s klznými valcovými ložiskami

• Normálna prevádzka: 12 000 ot./min. s vibráciami 2,5 mm/s
• Zvýšenie rýchlosti: Otáčky operátora sa zvýšili na 13 500 ot./min. pre vyššiu kapacitu
• Nástup: Pri 13 200 otáčkach za minútu sa objavili náhle silné vibrácie
• Príznaky: Vibrácie 25 mm/s pri 45 Hz (konštantné), teplota ložiska stúpla zo 70 °C na 95 °C za 3 minúty
• Núdzové opatrenia: Okamžité vypnutie zabránilo poruche ložiska
• Hlavná príčina: Prvá kritická rýchlosť bola 2700 ot./min (45 Hz); prahová hodnota otáčok pri 2× kritickej rýchlosti = 5400 ot./min bola prekročená
• Riešenie: Klzné ložiská boli nahradené ložiskami s naklápacími doskami, čo umožňuje bezpečnú prevádzku do 15 000 ot./min.

Normy a priemyselná prax

• API 684: Vyžaduje sa analýza stability pre vysokorýchlostné turbínové stroje
• API 617: Špecifikuje typy ložísk a požiadavky na stabilitu kompresorov
• Norma ISO 10814: Poskytuje návod na výber ložiska pre stabilitu
• Prax v odvetví: Štandardné ložiská s naklápacími doskami pre zariadenia pracujúce s rýchlosťou nad 2× prvú kritickú rýchlosť

Vibrácie hriadeľa predstavujú katastrofický spôsob poruchy, ktorému sa musí predchádzať správnym výberom a návrhom ložiska. Rozpoznanie ich charakteristického subsynchrónneho, frekvenčne viazaného vibračného podpisu umožňuje rýchlu diagnostiku a vhodnú reakciu na núdzové situácie, čím sa predchádza nákladnému poškodeniu kritických vysokorýchlostných rotačných zariadení.

---

← Späť na hlavný index