Razumevanje vibracij gredi v vrtljivih strojih

Naprave

Prenosni balanser in analizator vibracij Balanset-1A

$2,358.31

Deli

Senzor vibracij

$107.47

Deli

Optični senzor (laserski tahometer)

$148.07

Naprave

Balanset-4

$8,123.32

Deli

Magnetno stojalo velikosti 60 kgf

$54.93

Deli

Reflektivni trak

$11.94

Naprave

Dinamični balanser "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definicija: Kaj je Shaft Whip?

Bič gredi (imenovan tudi oljni bič, kadar se pojavi v hidrodinamičnih ležajih) je huda oblika nestabilnost rotorja zaznamuje ga nasilno samovzburjene vibracije do katerega pride, ko rotor, ki deluje v ležajih s fluidnim filmom, preseže kritično mejno hitrost, običajno približno dvakratnik prve kritična hitrost. Ko pride do vibracijskega nihanja, se frekvenca vibracij "zaklene" na prvi del rotorja. naravna frekvenca in ostane tam ne glede na nadaljnje povečanje hitrosti, pri čemer je amplituda omejena le z zračnostjo ležajev ali katastrofalno odpovedjo.

Vibracije gredi so eno najnevarnejših stanj pri visokohitrostnih vrtečih se strojih, saj se razvijejo nenadoma, v nekaj sekundah dosežejo destruktivne amplitude in jih ni mogoče odpraviti z uravnoteženje ali druge običajne metode. Zahteva takojšnjo zaustavitev in modifikacije ležajnega sistema, da se prepreči ponovitev.

Napredek: od oljnega vrtinca do biča v gredi

1. faza: Stabilno delovanje

• Rotor deluje pod pragom nestabilnosti
• Samo normalne vsiljene vibracije iz neravnovesje sedanji
• Oljni film ležaja zagotavlja stabilno oporo

2. faza: Začetek vrtinca olja

Ko se hitrost poveča nad približno 2-kratnik prve kritične hitrosti:

• Oljni vrtinec razvije se – subsinhrone vibracije pri ~0,43–0,48 × hitrost gredi
• Amplituda je sprva zmerna in odvisna od hitrosti
• Frekvenca se povečuje sorazmerno s hitrostjo gredi
• Lahko je občasno ali neprekinjeno
• Lahko obstaja sočasno z normalnimi vibracijami 1X zaradi neuravnoteženosti

3. faza: Prehod biča

Ko se frekvenca vrtinčenja olja poveča in se ujema s prvo naravno frekvenco:

• Zaklepanje frekvence: Frekvenca vibracij se zaklene na naravni frekvenci
• Resonančna ojačitev: Amplituda se dramatično poveča zaradi resonanca
• Nenaden začetek: Prehod iz vrtinčenja v bič je lahko takojšen
• Neodvisnost od hitrosti: Nadaljnje povečanje hitrosti ne spremeni frekvence, ampak le amplitudo

4. faza: Zlom gredi (kritično stanje)

• Vibracije pri konstantni frekvenci (prva naravna frekvenca, običajno 40–60 Hz)
• Amplituda 5–20-krat višja od običajnih vibracij neuravnoteženosti
• Gred se lahko dotika meja zračnosti ležaja
• Hitro segrevanje ležajev in olja
• Možnost katastrofalne okvare v nekaj minutah, če se ne izklopi

Fizični mehanizem

Kako se razvije oljni bič

Mehanizem vključuje dinamiko tekočin v oljnem filmu ležaja:

1. Oblikovanje oljnega klina: Ko se gred vrti, vleče olje okoli ležaja in ustvarja tlačni klin
2. Tangencialna sila: Oljni klin deluje s silo, pravokotno na radialno smer (tangencialna)
3. Gibanje v orbiti: Tangencialna sila povzroči, da središče gredi kroži s približno polovično hitrostjo gredi.
4. Pridobivanje energije: Sistem črpa energijo iz vrtenja gredi za vzdrževanje orbitalnega gibanja
5. Resonančna ključavnica: Ko se orbitalna frekvenca ujema z naravno frekvenco, resonanca ojača vibracije
6. Mejni cikel: Vibracije naraščajo, dokler jih ne omeji zračnost ležaja ali okvara.

Diagnostična identifikacija

Vibracijski podpis

Vibracijski bič gredi ustvarja značilne vzorce v podatkih o vibracijah:

• Spekter: Velik vrh pri subsinhroni frekvenci (prva naravna frekvenca), konstanten ne glede na spremembe hitrosti
• Slapna parcela: Subsinhronska komponenta se pojavi kot navpična črta (konstantna frekvenca) in ne kot diagonalna (sorazmerna s hitrostjo)
• Analiza naročila: Delni red, ki se zmanjšuje z naraščanjem hitrosti (npr. se spremeni od 0,5× do 0,4× do 0,35×)
• Orbita: Velika krožna ali eliptična orbita pri naravni frekvenci

Začetna hitrost

• Tipični prag: 2,0–2,5× prva kritična hitrost
• Odvisno od ležaja: Specifični prag se razlikuje glede na zasnovo ležaja, prednapetost in viskoznost olja.
• Nenaden začetek: Majhno povečanje hitrosti lahko sproži hiter prehod iz stabilnega v nestabilno stanje

Strategije preprečevanja

Spremembe zasnove ležajev

1. Nagibni ležaji

• Najučinkovitejša rešitev za preprečevanje udarcev gredi
• Ploščice se vrtijo neodvisno, kar odpravlja destabilizirajoče sile navzkrižnega spenjanja
• Inherentno stabilen v širokem območju hitrosti
• Industrijski standard za visokohitrostne turbostroje

2. Ležaji tlačnih jezov

• Modificiran cilindrični ležaj z utori ali jezovi
• Poveča učinkovito dušenje in togost
• Cenejši od nagibne blazinice, vendar manj učinkovit

3. Prednapetost ležaja

• Uporaba radialne prednapetosti na ležaje poveča togost
• Zviša prag hitrosti za nestabilnost
• To je mogoče doseči z zasnovo odmaknjenih izvrtin

4. Stisnite folijske blažilnike

• Zunanji dušilni element, ki obdaja ležaj
• Zagotavlja dodatno dušenje brez spreminjanja zasnove ležaja
• Učinkovito za naknadno vgradnjo

Operativni ukrepi

• Omejitev hitrosti: Omejite največjo obratovalno hitrost pod pragom (običajno < 1,8× prva kritična)
• Upravljanje obremenitve: Kadar je mogoče, uporabljajte večje obremenitve ležajev (poveča dušenje)
• Nadzor temperature olja: Nižja temperatura olja poveča viskoznost in dušenje
• Spremljanje: Neprekinjeno spremljanje vibracij z alarmi, nastavljenimi za subsinhrone komponente

Posledice in škoda

Takojšnji učinki

• Močne vibracije: Amplitude lahko dosežejo nekaj milimetrov (stotin milov)
• Hrup: Glasen, značilen zvok, ki se razlikuje od običajnega delovanja
• Hitro segrevanje ležajev: Temperatura ležajev se lahko v nekaj minutah dvigne za 20–50 °C
• Razgradnja olja: Visoke temperature in strižne obremenitve razgradijo mazivo

Možne napake

• Obrišite ležaj: Material za ležaje se stopi in obriše
• Poškodba gredi: Zareze, odrgnine ali trajno upogibanje
• Okvara tesnila: Prekomerno gibanje gredi uničuje tesnila
• Zlom gredi: Visokociklična utrujenost zaradi silovitih nihanj
• Poškodba sklopke: Prenesene sile poškodujejo sklopke

Sorodni pojavi

Oljni vrtinec

Oljni vrtinec je predhodnik biča:

• Isti mehanizem, vendar frekvenca ni zaklenjena na naravno frekvenco
• Manj huda amplituda
• Frekvenca sorazmerna s hitrostjo (~0,43–0,48×)
• V nekaterih primerih je lahko sprejemljivo

Parni vrtinec

Podobna nestabilnost v parnih turbinah, ki jo povzročajo aerodinamične sile v labirintnih tesnilih in ne v oljnih filmih ležajev. Kaže podobne subsinhrone vibracije, ki se zaklepajo na lastno frekvenco.

Bič s suhim trenjem

Lahko se pojavi na mestih tesnjenja ali zaradi stika rotorja in statorja:

• Sile trenja zagotavljajo destabilizirajoči mehanizem
• Manj pogost kot oljni bič, vendar enako nevaren
• Zahteva drugačen korektivni pristop (odprava stika, izboljšanje zasnove tesnila)

Študija primera: Vibracija gredi kompresorja

Scenarij: Visokohitrostni centrifugalni kompresor z navadnimi cilindričnimi ležaji

• Normalno delovanje: 12.000 vrt/min z vibracijami 2,5 mm/s
• Povečanje hitrosti: Povečanje števila vrtljajev operaterja na 13.500 vrt/min za večjo zmogljivost
• Začetek: Pri 13.200 vrtljajih na minuto so se razvile nenadne močne vibracije
• Simptomi: Vibracije 25 mm/s pri 45 Hz (konstantno), temperatura ležaja se je v 3 minutah dvignila s 70 °C na 95 °C
• Nujni ukrepi: Takojšnja zaustavitev je preprečila okvaro ležaja
• Osnovni vzrok: Prva kritična hitrost je bila 2700 vrt/min (45 Hz); prag biča pri 2× kritični = 5400 vrt/min je bil presežen
• Rešitev: Drsni ležaji so bili zamenjani z nagibnimi ležaji, kar omogoča varno delovanje do 15.000 vrtljajev na minuto

Standardi in praksa v panogi

• API 684: Zahteva analizo stabilnosti za visokohitrostne turbostroje
• API 617: Določa vrste ležajev in zahteve glede stabilnosti za kompresorje
• ISO 10814: Zagotavlja smernice za izbiro ležajev za stabilnost
• Praksa v panogi: Standardni nagibni ležaji za opremo, ki deluje nad 2× prvo kritično hitrostjo

Vibracije gredi predstavljajo katastrofalen način odpovedi, ki ga je treba preprečiti z ustrezno izbiro in zasnovo ležajev. Prepoznavanje njihovega značilnega subsinhronega, frekvenčno zaklenjenega vibracijskega podpisa omogoča hitro diagnozo in ustrezen odziv v sili, s čimer se prepreči draga škoda na kritični opremi z visoko hitrostjo vrtenja.

---

← Nazaj na glavno kazalo