Förstå Campbell-diagram i rotordynamik

Anordningar

Bärbar balanserare & vibrationsanalysator Balanset-1A

$2,358.31

Delar

Vibrationssensor

$107.47

Delar

Optisk sensor (laservarvtalsmätare)

$148.07

Anordningar

Balanset-4

$8,123.32

Delar

Magnetiskt stativ i storlek 60 kgf

$54.93

Delar

Reflekterande tejp

$11.94

Anordningar

Dynamisk balanserare "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definition: Vad är ett Campbell-diagram?

A Campbell-diagrammet (även känt som en virvelhastighetskarta eller interferensdiagram) är en grafisk representation som används i rotordynamik som plottar systemets naturliga frekvenser mot rotationshastighet. Diagrammet är ett viktigt verktyg för att identifiera kritiska hastigheter—de driftshastigheter med vilka resonans kan uppstå – och för att bedöma om tillräckliga separationsmarginaler finns mellan driftshastigheter och dessa kritiska förhållanden.

Campbell-diagrammet är uppkallat efter Wilfred Campbell, som utvecklade konceptet för att analysera flygmotorvibrationer på 1920-talet, och har blivit oumbärligt för att designa och analysera alla typer av höghastighetsroterande maskiner, från turbiner och kompressorer till elmotorer och maskinspindlar.

Struktur och komponenter i ett Campbell-diagram

Ett Campbell-diagram består av flera nyckelelement som tillsammans ger en komplett bild av ett rotorsystems dynamiska beteende:

Yxorna

• Horisontell axel (X-axel): Rotationshastighet, vanligtvis uttryckt i RPM (varv per minut) eller Hz (Hertz)
• Vertikal axel (Y-axel): Frekvens, vanligtvis i Hz eller CPM (cykler per minut), som representerar systemets naturliga frekvenser

Naturliga frekvenskurvor

Diagrammet visar böjda eller raka linjer som representerar hur varje naturlig frekvens i rotorsystemet förändras med rotationshastigheten. För de flesta system:

• Framåtriktade virvellägen: Naturfrekvenser som ökar med hastighet på grund av gyroskopiska förstyvningseffekter
• Bakåtriktade virvellägen: Egenfrekvenser som minskar med hastighet (mindre vanliga, mer förekommande i vissa lagertyper)
• Varje läge (första böjning, andra böjning, etc.) representeras av en separat kurva

Excitationslinjer

Diagonala raka linjer överlagrade på diagrammet representerar potentiella excitationskällor:

• 1X-linje: Passerar genom origo vid 45° (när axlarna har samma skala), vilket representerar synkron excitation från obalans
• 2X-linje: Representerar excitation två gånger per varv (från feljustering eller andra källor)
• Andra multiplar: 3X, 4X, etc., för högre harmoniska excitationer
• Subsynkrona linjer: Bråkmultiplar som 0,5X för fenomen som oljevirvel

Korsningspunkter (kritiska hastigheter)

Där en excitationslinje korsar en naturlig frekvenskurva, en kritisk hastighet Vid denna hastighet matchar excitationsfrekvensen den naturliga frekvensen, vilket orsakar resonans och potentiellt farlig vibrationsförstärkning.

Hur man läser och tolkar ett Campbell-diagram

Identifiera kritiska hastigheter

Det primära syftet med ett Campbell-diagram är att identifiera kritiska hastigheter:

1. Hitta skärningspunkter mellan excitationslinjer (1X, 2X, etc.) och naturliga frekvenskurvor
2. Den horisontella koordinaten för varje korsning anger en kritisk hastighet
3. Ju fler korsningar som finns, desto fler kritiska hastigheter finns inom driftsområdet.

Bedömning av separationsmarginaler

Säker drift kräver tillräcklig "separationsmarginal" mellan driftshastigheter och kritiska hastigheter:

• Typiskt krav: ±15% till ±30% avstånd från kritiska hastigheter
• Driftshastighetsområde: Vanligtvis indikerat som ett vertikalt band på diagrammet
• Godkänd design: Driftsområdet bör inte överlappa kritiska hastighetszoner

Förstå lägesformer

Olika kurvor i diagrammet motsvarar olika vibrationslägen:

• Första läget: Vanligtvis den lägsta frekvenskurvan, som representerar enkel böjning (som ett hopprep med en puckel)
• Andra läget: Högre frekvens, S-kurvform med en nodpunkt
• Högre lägen: Alltmer komplexa avböjningsmönster

Skapa ett Campbell-diagram

Campbell-diagram genereras genom beräkningsanalys eller experimentell testning:

Analytiskt tillvägagångssätt

1. Bygg matematisk modell: Skapa en finita elementmodell av rotor-lager-stödsystemet
2. Inkludera hastighetsberoende effekter: Ta hänsyn till gyroskopiska moment, förändringar i lagerstyvhet och andra hastighetsberoende parametrar
3. Lös egenvärdesproblemet: Beräkna egenfrekvenser vid flera rotationshastigheter
4. Resultat av handlingen: Generera kurvor som visar hur egenfrekvenser varierar med hastighet
5. Lägg till excitationslinjer: Överlägg 1X, 2X och andra relevanta excitationslinjer

Experimentell metod

För befintliga maskiner kan Campbell-diagram skapas från testdata:

• Utföra start- eller nedrullningstester medan kontinuerlig inspelning vibration
• Generera en vattenfallstomt visar vibrationsspektrum kontra hastighet
• Extrahera naturliga frekvenstoppar från data
• Rita ut extraherade frekvenser kontra hastighet för att skapa ett experimentellt Campbell-diagram

Tillämpningar inom maskindesign och analys

Tillämpningar i designfasen

• Val av hastighetsområde: Bestäm säkra driftshastighetsområden som undviker kritiska hastigheter
• Lagerdesign: Optimera lagerplacering, typ och styvhet för att positionera kritiska hastigheter på lämpligt sätt
• Axelstorlek: Justera axeldiameter och längd för att flytta kritiska hastigheter bortom driftsområdena
• Stödstrukturdesign: Säkerställ att fundamentets och piedestalens styvhet inte skapar oönskade kritiska hastigheter

Felsökning av program

• Resonansdiagnos: Avgör om höga vibrationer beror på drift nära en kritisk hastighet
• Utvärdering av hastighetsförändring: Bedöm effekten av föreslagna hastighetsökningar eller hastighetsminskningar
• Modifieringsanalys: Förutsäga effekterna av maskinmodifieringar (ökad massa, styvhetsförändringar, lagerbyten)

Driftsvägledning

• Start-/avstängningsprocedurer: Identifiera hastighetsintervall att passera snabbt för att minimera tiden vid kritiska hastigheter
• Variabel hastighetsdrift: Definiera säkra hastighetsområden för drivenheter med variabel hastighet
• Hastighetsbegränsningar: Fastställ förbjudna hastighetsområden där drift bör undvikas

Särskilda överväganden och avancerade ämnen

Gyroskopiska effekter

För flexibla rotorer, gyroskopiska moment gör att egenfrekvenser delas upp i framåtriktade och bakåtriktade virvellägen. Campbell-diagrammet visar tydligt denna uppdelning, där framåtriktade lägen vanligtvis ökar och bakåtriktade lägen minskar med hastigheten.

Bäringseffekter

Olika lagertyper påverkar Campbell-diagrammet olika:

• Rullande elementlager: Relativt konstant styvhet, vilket producerar nästan horisontella naturliga frekvenslinjer
• Vätskefilmslager: Styvheten ökar med hastigheten, vilket gör att egenfrekvenserna stiger brantare
• Magnetiska lager: Aktiv kontroll kan modifiera naturliga frekvenser baserat på kontrollalgoritmer

Anisotropa system

När rotorsystem har olika styvhet i olika riktningar (asymmetriska lager eller stöd) måste Campbell-diagrammet visa separata kurvor för horisontella och vertikala vibrationslägen.

Campbell-diagram jämfört med andra dynamiska rotordiagram

Campbelldiagram vs. Bode-diagram

• Campbell-diagram: Visar egenfrekvenser kontra hastighet, förutspår var kritiska hastigheter kommer att inträffa
• Bode-plott: Visar uppmätt vibrationsamplitud och fas kontra hastighet, bekräftar faktiska kritiska hastighetspositioner

Campbelldiagram vs. interferensdiagram

Termerna används ibland omväxlande, även om "interferensdiagram" vanligtvis betonar skärningspunkterna (interferenserna) mellan egenfrekvenser och excitationsordningar.

Praktiskt exempel

Betrakta en höghastighetskompressor konstruerad för att arbeta vid 15 000 varv/min (250 Hz):

• Campbell-diagrammet visar: Första kritiska varvtalet vid 12 000 varv/min (1X), andra kritiska varvtalet vid 22 000 varv/min (1X)
• Analys: Driftshastigheten på 15 000 varv/min ligger säkert mellan de två kritiska hastigheterna med tillräckliga marginaler (25% under andra kritiska hastigheten, 20% över första kritiska hastigheten)
• Driftsvägledning: Accelerera snabbt upp till 12 000 varv/min under uppstart för att minimera tiden vid första kritiska hastigheten
• Studie av hastighetsökning: Om man överväger drift vid 18 000 varv/min visar Campbell-diagrammet att detta skulle minska separationsmarginalen från andra kritiska till oacceptabelt. 18% – modifiering skulle kräva omdesign av lager eller axel.

Modern programvara och verktyg

Idag genereras Campbell-diagram vanligtvis med hjälp av specialiserad programvara:

• Program för rotordynamikanalys (MADYN, XLTRC, DyRoBeS, ANSYS, etc.)
• Inbyggda plottningsfunktioner i vibrationsanalysprogramvara
• Efterbehandlingsverktyg för experimentella data
• Integration med tillståndsövervakningssystem för spårning i realtid

Dessa verktyg möjliggör snabb "what if"-analys, optimeringsstudier och korrelation mellan förutspått och uppmätt beteende, vilket gör Campbell-diagram mer tillgängliga och användbara än någonsin för ingenjörer som arbetar med roterande maskiner.

---

← Tillbaka till huvudmenyn