Објашњење критичне брзине у динамици ротора

Дефиниција: Шта је критична брзина?

A критична брзина је брзина ротације која одговара природној фреквенцији вибрација ротора. Када машина ради на једној од својих критичних брзина или близу ње, феномен резонанција долази. Ово узрокује драматично и често опасно појачавање вибрација ротора, јер чак и мала количина преостале неравнотеже може генерисати огромне центрифугалне силе. Сваки систем ротора има више критичних брзина, које одговарају његовим различитим режимима вибрација (нпр. први режим савијања, други режим савијања итд.).

Зашто је критична брзина толико важна?

Разумевање и управљање критичним брзинама један је од најосновнијих аспеката пројектовања и анализе ротационих машина. Рад машине критичном брзином, чак и у кратком периоду, може бити катастрофалан. Последице укључују:

• Прекомерне вибрације: Амплитуде се могу повећати за фактор 10, 20 или чак и више, у зависности од пригушења система.
• Квар компоненте: Високе вибрације и отклон вратила могу довести до квара лежајева, оштећења заптивке и трења између ротирајућих и непокретних делова.
• Катастрофални квар вратила: У тешким случајевима, напони савијања могу прећи границу замора материјала, што доводи до пуцања или ломљења вратила.
• Безбедносне опасности: Квар машине при великој брзини представља значајан ризик за особље и околну опрему.

Из ових разлога, машине су увек пројектоване да раде са „маргином раздвајања“, што значи да се њихова нормална брзина рада намерно одржава на безбедној удаљености од било којих критичних брзина.

Крути наспрам флексибилних ротора

Концепт критичне брзине је оно што разликује „крути“ ротор од „флексибилног“:

• Крути ротор: Ротор који ради *испод* своје прве критичне брзине. Његово вратило се не савија значајно током рада. То су обично спорији, здепастији ротори.
• Флексибилни ротор: Ротор који је пројектован да ради *изнад* своје прве (а понекад и друге или треће) критичне брзине. Његово вратило ће се савијати и кривити док пролази кроз критичне брзине током покретања и гашења. Брзи, витки ротори попут оних у турбинама и компресорима су флексибилни ротори.

Управљање критичним брзинама у раду машине

Пошто често није практично пројектовати машину велике брзине која остаје испод своје прве критичне брзине, инжењери користе неколико стратегија за њихово управљање:

1. Маргина раздвајања

Најчешћа стратегија је осигурати да континуирана радна брзина машине није преблизу било којој критичној брзини. Типична маргина раздвајања је ±20-30%. На пример, ако је критична брзина 3.000 обртаја у минути, машина не би требало да ради континуирано између 2.400 обртаја у минути и 3.600 обртаја у минути.

2. Брзо убрзање/успоравање

За флексибилне роторе који морају да прођу кроз критичне брзине, процедуре покретања и гашења су дизајниране да што брже прођу кроз опсеге критичних брзина. Задржавање на критичној брзини омогућава да амплитуде вибрација достигну опасне нивое. Брз пролаз минимизира време потребно за ово појачавање.

3. Пригушивање

Пригушење је расипање вибрационе енергије и то је оно што ограничава амплитуду врха при резонанцији. Лежајеви, посебно лежајеви са флуидним филмом, су примарни извор пригушења у роторским системима. Оптимизацијом дизајна лежајева, инжењери могу да контролишу врх вибрација при критичној брзини до безбедног и управљивог нивоа.

4. Прецизно балансирање

Вибрација при критичној брзини је појачан одговор на неуравнотеженост. Што је ротор боље балансиран, мања ће бити функција присиљавања, а самим тим и мања ће бити вршна вибрација док пролази кроз критичну брзину. За флексибилне роторе потребне су посебне технике вишеравнинског балансирања.

Како се идентификују критичне брзине?

Критичне брзине се одређују помоћу неколико метода:

• Динамичка анализа ротора (RDA): Рачунарски модели (често користећи анализу коначних елемената) се креирају током фазе пројектовања како би се предвиделе критичне брзине и облици режима ротора.
• Тестови залета/спуштања у вожњу без вожње: Најчешћа експериментална метода. Амплитуда и фаза вибрација се приказују у односу на брзину док се машина покреће или гаси. Критична брзина се идентификује изразитим врхом амплитуде праћеним карактеристичним фазним помаком од 180 степени. Ови тестови генеришу дијагностичке графиконе као што је Бодеов заплет и Водопад.
• Тестирање удара (тест удара): Ударање инструменталним чекићем по ротору док је у мировању може побудити његове природне фреквенције, које одговарају критичним брзинама.

← Назад на главни индекс