Förstå axelpiskning i roterande maskineri

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 Shaft Whip?

Skaftpiska (även kallad oljepiskning när den förekommer i hydrodynamiska lager) är en allvarlig form av rotorns instabilitet kännetecknas av våldsamma självexciterad vibration det inträffar när en rotor som arbetar i vätskefilmslager överstiger en kritisk tröskelhastighet, vanligtvis ungefär dubbelt så hög som den första kritisk hastighet. När en vispning uppstår "låses" vibrationsfrekvensen på rotorns första naturlig frekvens och förblir där oavsett ytterligare hastighetsökningar, med amplituden begränsad endast av lagerspel eller katastrofalt fel.

Axelvibrationer är ett av de farligaste tillstånden i höghastighetsroterande maskiner eftersom de utvecklas plötsligt, växer till destruktiva amplituder inom några sekunder och inte kan korrigeras med ... balansering eller andra konventionella metoder. Det kräver omedelbar avstängning och modifieringar av lagersystemet för att förhindra upprepning.

Progressionen: Oljevirvel till axelpisk

Steg 1: Stabil drift

• Rotorn arbetar under instabilitetströskeln
• Endast normal forcerad vibration från obalans presentera
• Lageroljefilm ger stabilt stöd

Steg 2: Oljevirveln börjar

När hastigheten ökar förbi ungefär 2 gånger den första kritiska hastigheten:

• Oljevirvel utvecklas—subsynkron vibration vid ~0,43–0,48× axelhastighet
• Amplituden är initialt måttlig och hastighetsberoende
• Frekvensen ökar proportionellt med axelhastigheten
• Kan vara intermittent eller kontinuerlig
• Kan samexistera med normal 1X-vibration från obalans

Steg 3: Piskövergång

När oljevirvelfrekvensen ökar för att matcha den första naturliga frekvensen:

• Frekvenslåsning: Vibrationsfrekvensen låses vid naturlig frekvens
• Resonantförstärkning: Amplituden ökar dramatiskt pga. resonans
• Plötslig debut: Övergången från virvel till visp kan ske omedelbar
• Hastighetsoberoende: Ytterligare hastighetsökningar ändrar inte frekvensen, bara amplituden

Steg 4: Skaftpiskning (kritiskt tillstånd)

• Vibration vid konstant frekvens (första naturliga frekvensen, vanligtvis 40-60 Hz)
• Amplitud 5–20 gånger högre än normal obalansvibration
• Axeln kan komma i kontakt med lagerspelgränserna
• Snabb uppvärmning av lager och olja
• Potential för katastrofalt fel inom några minuter om den inte stängs av

Fysisk mekanism

Hur oljepisk utvecklas

Mekanismen involverar fluiddynamik i lageroljefilmen:

1. Oljekilbildning: När axeln roterar drar den olja runt lagret och skapar en tryckkil
2. Tangentiell kraft: Oljekilen utövar en kraft vinkelrät mot den radiella riktningen (tangentiell)
3. Omloppsbana: Tangentiell kraft får axelcentrum att kretsa med ungefär halva axelhastigheten
4. Energiutvinning: Systemet utvinner energi från axelrotation för att upprätthålla orbital rörelse
5. Resonanslås: När omloppsfrekvensen matchar den naturliga frekvensen förstärker resonansen vibrationen
6. Begränsningscykel: Vibrationerna ökar tills de begränsas av lagerspel eller fel

Diagnostisk identifiering

Vibrationssignatur

Axelpisken producerar karakteristiska mönster i vibrationsdata:

• Spektrum: Stor topp vid subsynkron frekvens (första naturliga frekvensen), konstant oavsett hastighetsförändringar
• Vattenfallstomt: Subsynkron komponent visas som en vertikal linje (konstant frekvens) snarare än diagonal (hastighetsproportionell)
• Orderanalys: Bråkordning som minskar när hastigheten ökar (t.ex. ändras från 0,5× till 0,4× till 0,35×)
• Bana: Stor cirkulär eller elliptisk bana vid naturlig frekvens

Starthastighet

• Typisk tröskel: 2,0–2,5× första kritiska hastigheten
• Lagerberoende: Specifikt tröskelvärde varierar med lagerkonstruktion, förspänning och oljeviskositet
• Plötslig debut: Liten hastighetsökning kan utlösa snabb övergång från stabil till instabil

Förebyggande strategier

Modifieringar av lagerkonstruktionen

1. Lutande kullager

• Den mest effektiva lösningen för att förhindra axelvibrationer
• Beläggen svänger oberoende, vilket eliminerar destabiliserande tvärkopplingskrafter
• Naturligt stabil över breda hastighetsområden
• Industristandard för höghastighetsturbomaskiner

2. Tryckdammlager

• Modifierat cylindriskt lager med spår eller dammar
• Ökar effektiv dämpning och styvhet
• Billigare än lutande pad men mindre effektiv

3. Lagerförspänning

• Applicering av radiell förspänning på lager ökar styvheten
• Höjer tröskelhastigheten för instabilitet
• Kan uppnås genom förskjutna borrningar

4. Klämfilmsdämpare

• Externt dämpningselement som omger lagret
• Ger ytterligare dämpning utan att ändra lagerdesignen
• Effektiv för eftermontering

Operativa åtgärder

• Hastighetsbegränsning: Begränsa maximal driftshastighet till under tröskelvärdet (vanligtvis < 1,8× första kritiska)
• Lasthantering: Kör med högre lagerbelastningar när det är möjligt (ökar dämpningen)
• Oljetemperaturkontroll: Lägre oljetemperatur ökar viskositet och dämpning
• Övervakning: Kontinuerlig vibrationsövervakning med larm inställda för subsynkrona komponenter

Konsekvenser och skador

Omedelbara effekter

• Våldsam vibration: Amplituderna kan nå flera millimeter (hundratals mil)
• Buller: Högt, distinkt ljud som skiljer sig från normal drift
• Snabb lageruppvärmning: Lagertemperaturen kan stiga 20–50 °C på några minuter
• Oljenedbrytning: Höga temperaturer och skjuvning bryter ner smörjmedlet

Potentiella fel

• Lageravtorkning: Lagerbabbitmaterialet smälter och torkas bort
• Skada på axeln: Riskbildning, gallring eller permanent böjning
• Tätningsfel: Överdriven axelrörelse förstör tätningar
• Axelbrott: Högcyklisk utmattning från våldsam svängning
• Kopplingsskada: Överförda krafter skadar kopplingar

Relaterade fenomen

Oljevirvel

Oljevirvel är föregångaren till whip:

• Samma mekanism men frekvensen har inte låst sig vid den naturliga frekvensen
• Mindre allvarlig amplitud
• Frekvens proportionell mot hastighet (~0,43–0,48×)
• Kan vara tolerabelt i vissa tillämpningar

Ångvirvel

Liknande instabilitet i ångturbiner orsakad av aerodynamiska krafter i labyrinttätningar snarare än lageroljefilmer. Uppvisar liknande subsynkrona vibrationer som låser sig på egenfrekvensen.

Torrfriktionspisk

Kan uppstå vid tätningsplatser eller från rotor-stator-kontakt:

• Friktionskrafter utgör en destabiliserande mekanism
• Mindre vanligt än oljepisk men lika farligt
• Kräver annan korrigerande metod (eliminera kontakt, förbättra tätningsdesignen)

Fallstudie: Kompressoraxelpisk

Scenario: Höghastighetscentrifugalkompressor med glidcylindriska lager

• Normal drift: 12 000 varv/min med vibrationer på 2,5 mm/s
• Hastighetsökning: Förarhastigheten ökad till 13 500 varv/min för högre kapacitet
• Början: Vid 13 200 varv/min utvecklades en plötslig, våldsam vibration
• Symtom: 25 mm/s vibration vid 45 Hz (konstant), lagertemperaturen steg från 70°C till 95°C på 3 minuter
• Nödåtgärd: Omedelbar avstängning förhindrade lagerhaveri
• Grundorsak: Första kritiska varvtalet var 2700 varv/min (45 Hz); whip-tröskeln vid 2× kritisk = 5400 varv/min överskreds
• Lösning: Bytt ut glidlager mot lutande plattalager, vilket möjliggör säker drift upp till 15 000 varv/min

Standarder och branschpraxis

• API 684: Kräver stabilitetsanalys för höghastighetsturbomaskineri
• API 617: Specificerar lagertyper och stabilitetskrav för kompressorer
• ISO 10814: Ger vägledning om val av lager för stabilitet
• Branschpraxis: Tiltplattlager standard för utrustning som arbetar över 2× första kritiska hastigheten

Axelvibrationer representerar ett katastrofalt feltillstånd som måste förhindras genom korrekt lagerval och -design. Igenkänningen av dess distinkta subsynkrona, frekvenslåsta vibrationssignatur möjliggör snabb diagnos och lämplig nödinsats, vilket förhindrar dyra skador på kritisk höghastighetsroterande utrustning.

---

← Tillbaka till huvudmenyn