Kritisk hastighet i rotordynamik förklarad

Definition: Vad är en kritisk hastighet?

A kritisk hastighet är en rotationshastighet som matchar en rotors naturliga vibrationsfrekvens. När en maskin arbetar vid eller nära en av sina kritiska hastigheter, uppstår fenomenet resonans inträffar. Detta orsakar en dramatisk och ofta farlig förstärkning av rotorns vibrationer, eftersom även en liten mängd kvarvarande obalans kan generera enorma centrifugalkrafter. Varje rotorsystem har flera kritiska hastigheter, som motsvarar dess olika vibrationslägen (t.ex. första böjningsläge, andra böjningsläge, etc.).

Varför är kritisk hastighet så viktig?

Att förstå och hantera kritiska hastigheter är en av de mest grundläggande aspekterna av design och analys av roterande maskiner. Att köra en maskin med en kritisk hastighet, även under en kort period, kan vara katastrofalt. Konsekvenserna inkluderar:

• Överdriven vibration: Amplituderna kan öka med en faktor 10, 20 eller ännu mer, beroende på systemets dämpning.
• Komponentfel: Den höga vibrationen och axelns nedböjning kan leda till lagerfel, tätningsskador och skav mellan roterande och stationära delar.
• Katastrofal axelhaveri: I svåra fall kan böjspänningarna överstiga materialets utmattningsgräns, vilket gör att axeln spricker eller går sönder.
• Säkerhetsrisker: Ett maskinhaveri vid hög hastighet utgör en betydande risk för personal och omgivande utrustning.

Av dessa skäl är maskiner alltid konstruerade för att arbeta med en "separationsmarginal", vilket innebär att dess normala körhastighet avsiktligt hålls på ett säkert avstånd från alla kritiska hastigheter.

Stela kontra flexibla rotorer

Begreppet kritisk hastighet är det som skiljer en "stel" rotor från en "flexibel":

• Stel rotor: En rotor som arbetar *under* sitt första kritiska varvtal. Dess axel böjs inte nämnvärt under drift. Dessa är vanligtvis långsammare och kraftigare rotorer.
• Flexibel rotor: En rotor som är konstruerad för att arbeta *över* sin första (och ibland andra eller tredje) kritiska hastighet. Dess axel kommer att böjas och böjas när den passerar genom de kritiska hastigheterna under start och avstängning. Smalare rotorer med hög hastighet, som de i turbiner och kompressorer, är flexibla rotorer.

Hantering av kritiska hastigheter vid maskindrift

Eftersom det ofta inte är praktiskt att designa en höghastighetsmaskin som håller sig under sin första kritiska hastighet, använder ingenjörer flera strategier för att hantera dem:

1. Separationsmarginal

Den vanligaste strategin är att säkerställa att maskinens kontinuerliga driftshastighet inte är för nära någon kritisk hastighet. En typisk separationsmarginal är ±20-30%. Om till exempel en kritisk hastighet är 3 000 varv/min, bör maskinen inte köras kontinuerligt mellan 2 400 varv/min och 3 600 varv/min.

2. Snabb acceleration/retardation

För flexibla rotorer som måste passera kritiska hastigheter är start- och avstängningsprocedurer utformade för att förflytta sig genom de kritiska hastighetsområdena så snabbt som möjligt. Att uppehålla sig vid en kritisk hastighet gör att vibrationsamplituderna kan byggas upp till farliga nivåer. En snabb genomgång minimerar tiden för denna förstärkning att inträffa.

3. Dämpning

Dämpning är avledningen av vibrationsenergi, och det är det som begränsar toppamplituden vid resonans. Lager, särskilt vätskefilmslager, är en primär källa till dämpning i rotorsystem. Genom att optimera lagerdesignen kan ingenjörer kontrollera vibrationstoppen vid den kritiska hastigheten till en säker och hanterbar nivå.

4. Precisionsbalansering

Vibrationen vid en kritisk hastighet är ett förstärkt svar på obalans. Ju bättre en rotor är balanserad, desto mindre blir tvångsfunktionen, och därför desto lägre blir toppvibrationen när den passerar genom den kritiska hastigheten. För flexibla rotorer krävs speciella flerplansbalanseringstekniker.

Hur identifieras kritiska hastigheter?

Kritiska hastigheter identifieras med hjälp av flera metoder:

• Rotordynamisk analys (RDA): Datormodeller (ofta med finita elementanalys) skapas under designfasen för att förutsäga de kritiska hastigheterna och modformerna hos en rotor.
• Uppkörnings-/utrullningstester: Den vanligaste experimentella metoden. Vibrationsamplitud och fas plottas mot hastighet när en maskin startar eller stängs av. En kritisk hastighet identifieras av en distinkt amplitudtopp åtföljd av en karakteristisk 180-graders fasförskjutning. Dessa tester genererar diagnostiska diagram som Bode-plott och Vattenfallstomt.
• Stötprovning (stötprov): Att slå på rotorn med en instrumenterad hammare när den är i vila kan excitera dess naturliga frekvenser, vilka motsvarar de kritiska hastigheterna.

← Tillbaka till huvudmenyn