ทำความเข้าใจแผนภาพแคมป์เบลล์ในโรเตอร์ไดนามิกส์

อุปกรณ์

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

อะไหล่

Vibration sensor

$107.47

อะไหล่

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

อุปกรณ์

Balanset-4

$8,123.32

อะไหล่

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

อะไหล่

Reflective tape

$11.94

อุปกรณ์

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

คำจำกัดความ: แผนภาพแคมป์เบลล์คืออะไร?

ก แผนภาพแคมป์เบลล์ (เรียกอีกอย่างว่าแผนที่ความเร็วรอบหมุนหรือแผนภาพการรบกวน) เป็นการแสดงภาพกราฟิกที่ใช้ใน ไดนามิกของโรเตอร์ ที่วางแผนระบบ ความถี่ธรรมชาติ เทียบกับความเร็วรอบ แผนภาพนี้เป็นเครื่องมือสำคัญในการระบุ ความเร็ววิกฤต—ความเร็วในการทำงานที่ เสียงก้อง อาจเกิดขึ้นได้—และเพื่อประเมินว่ามีระยะขอบการแยกที่เพียงพอระหว่างความเร็วในการทำงานและเงื่อนไขที่สำคัญเหล่านี้หรือไม่.

แผนภาพแคมป์เบลล์ได้รับการตั้งชื่อตามวิลเฟรด แคมป์เบลล์ ผู้พัฒนาแนวคิดในทศวรรษปี ค.ศ. 1920 สำหรับการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของเครื่องยนต์เครื่องบิน และแผนภาพนี้ได้กลายมาเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการออกแบบและวิเคราะห์เครื่องจักรหมุนความเร็วสูงทุกประเภท ตั้งแต่กังหันและคอมเพรสเซอร์ไปจนถึงมอเตอร์ไฟฟ้าและแกนหมุนของเครื่องมือกล.

โครงสร้างและส่วนประกอบของแผนภาพแคมป์เบลล์

แผนภาพแคมป์เบลล์ประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญหลายประการที่ร่วมกันให้ภาพรวมที่สมบูรณ์ของพฤติกรรมไดนามิกของระบบโรเตอร์:

ขวาน

• แกนนอน (แกน X): ความเร็วในการหมุนโดยทั่วไปแสดงเป็น RPM (รอบต่อนาที) หรือ Hz (เฮิรตซ์)
• แกนตั้ง (แกน Y): ความถี่ โดยปกติเป็นหน่วยเฮิรตซ์หรือ CPM (รอบต่อนาที) แสดงถึงความถี่ธรรมชาติของระบบ

เส้นโค้งความถี่ธรรมชาติ

แผนภาพแสดงเส้นโค้งหรือเส้นตรงที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงความถี่ธรรมชาติของระบบโรเตอร์ตามความเร็วในการหมุน สำหรับระบบส่วนใหญ่:

• โหมดการหมุนไปข้างหน้า: ความถี่ธรรมชาติที่เพิ่มขึ้นตามความเร็วเนื่องจากเอฟเฟกต์การแข็งตัวของไจโรสโคปิก
• โหมดหมุนย้อนกลับ: ความถี่ธรรมชาติที่ลดลงตามความเร็ว (พบได้น้อยกว่า พบได้บ่อยในตลับลูกปืนบางประเภท)
• แต่ละโหมด (การดัดครั้งแรก การดัดครั้งที่สอง ฯลฯ) จะแสดงด้วยเส้นโค้งแยกกัน

เส้นกระตุ้น

เส้นตรงแนวทแยงที่ซ้อนทับบนแผนภาพแสดงถึงแหล่งกระตุ้นที่มีศักยภาพ:

• สาย 1X: ผ่านจุดกำเนิดที่ 45° (เมื่อแกนมีมาตราส่วนเดียวกัน) แสดงถึงการกระตุ้นแบบซิงโครนัสจาก ความไม่สมดุล
• เส้น 2X: แสดงถึงการกระตุ้นสองครั้งต่อการปฏิวัติ (จาก การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง หรือแหล่งอื่นๆ)
• ตัวคูณอื่น ๆ : 3X, 4X เป็นต้น สำหรับการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น
• สายซับซิงโครนัส: ทวีคูณเศษส่วนเช่น 0.5X สำหรับปรากฏการณ์เช่นกระแสน้ำวนของน้ำมัน

จุดตัด (ความเร็ววิกฤต)

เมื่อเส้นการกระตุ้นตัดกับเส้นโค้งความถี่ธรรมชาติ ความเร็ววิกฤต มีอยู่จริง ด้วยความเร็วนี้ ความถี่การกระตุ้นจะตรงกับความถี่ธรรมชาติ ทำให้เกิดการสั่นพ้องและการขยายการสั่นสะเทือนที่อาจเป็นอันตรายได้.

วิธีการอ่านและตีความแผนภาพแคมป์เบลล์

การระบุความเร็วที่สำคัญ

วัตถุประสงค์หลักของแผนภาพแคมป์เบลล์คือการระบุความเร็วที่สำคัญ:

1. ค้นหาจุดตัดระหว่างเส้นการกระตุ้น (1X, 2X เป็นต้น) และเส้นโค้งความถี่ธรรมชาติ
2. พิกัดแนวนอนของจุดตัดแต่ละจุดแสดงถึงความเร็ววิกฤต
3. ยิ่งมีทางแยกมากขึ้นเท่าใด ความเร็วที่สำคัญในช่วงการทำงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

การประเมินระยะขอบแยก

การดำเนินการที่ปลอดภัยต้องมี "ระยะขอบ" ที่เพียงพอระหว่างความเร็วในการทำงานและความเร็ววิกฤต:

• ข้อกำหนดทั่วไป: การแยก ±15% ถึง ±30% จากความเร็ววิกฤต
• ช่วงความเร็วการทำงาน: โดยทั่วไปจะแสดงเป็นแถบแนวตั้งบนแผนภาพ
• การออกแบบที่ยอมรับได้: ระยะการทำงานไม่ควรทับซ้อนกับโซนความเร็ววิกฤต

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโหมด

เส้นโค้งที่แตกต่างกันบนแผนภาพสอดคล้องกับโหมดการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกัน:

• โหมดแรก: โดยทั่วไปแล้วจะเป็นเส้นโค้งความถี่ต่ำสุด ซึ่งแสดงถึงการโค้งงอแบบง่าย (เช่น เชือกกระโดดที่มีส่วนโค้งหนึ่งส่วน)
• โหมดที่สอง: ความถี่สูง รูปร่าง S-curve พร้อมจุดโหนด
• โหมดที่สูงขึ้น: รูปแบบการเบี่ยงเบนที่ซับซ้อนเพิ่มมากขึ้น

การสร้างแผนภาพแคมป์เบลล์

ไดอะแกรมแคมป์เบลล์สร้างขึ้นโดยการวิเคราะห์เชิงคำนวณหรือการทดสอบเชิงทดลอง:

แนวทางการวิเคราะห์

1. สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์: การสร้างแบบจำลององค์ประกอบไฟไนต์ของระบบโรเตอร์-ลูกปืน-รองรับ
2. รวมถึงเอฟเฟกต์ที่ขึ้นอยู่กับความเร็ว: คำนึงถึงโมเมนต์ไจโรสโคปิก การเปลี่ยนแปลงความแข็งของตลับลูกปืน และพารามิเตอร์อื่นๆ ที่ขึ้นอยู่กับความเร็ว
3. แก้ปัญหาค่าลักษณะเฉพาะ: คำนวณความถี่ธรรมชาติที่ความเร็วรอบหลาย ๆ รอบ
4. ผลลัพธ์ของพล็อต: สร้างเส้นโค้งที่แสดงให้เห็นว่าความถี่ธรรมชาติเปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วอย่างไร
5. เพิ่มเส้นกระตุ้น: โอเวอร์เลย์ 1X, 2X และเส้นกระตุ้นที่เกี่ยวข้องอื่นๆ

แนวทางการทดลอง

สำหรับเครื่องจักรที่มีอยู่ สามารถสร้างไดอะแกรมแคมป์เบลล์จากข้อมูลการทดสอบได้:

• ดำเนินการ การทดสอบสตาร์ทอัพหรือทดสอบความเร็ว ในขณะที่บันทึกอย่างต่อเนื่อง การสั่นสะเทือน
• สร้าง แปลงน้ำตก แสดงสเปกตรัมการสั่นสะเทือนเทียบกับความเร็ว
• สกัดจุดสูงสุดของความถี่ธรรมชาติจากข้อมูล
• พล็อตความถี่ที่สกัดออกมาเทียบกับความเร็วเพื่อสร้างไดอะแกรมแคมป์เบลล์เชิงทดลอง

การประยุกต์ใช้ในการออกแบบและวิเคราะห์เครื่องจักร

การใช้งานในระยะการออกแบบ

• การเลือกช่วงความเร็ว: กำหนดช่วงความเร็วในการทำงานที่ปลอดภัยที่หลีกเลี่ยงความเร็ววิกฤต
• การออกแบบตลับลูกปืน: เพิ่มประสิทธิภาพตำแหน่ง ประเภท และความแข็งของตลับลูกปืนเพื่อกำหนดตำแหน่งความเร็วที่สำคัญอย่างเหมาะสม
• การกำหนดขนาดเพลา: ปรับเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเพลาเพื่อย้ายความเร็วที่สำคัญออกจากช่วงการทำงาน
• การออกแบบโครงสร้างรองรับ: ให้แน่ใจว่าฐานรากและฐานรากมีความแข็งแรงและไม่สร้างความเร็ววิกฤตที่ไม่พึงประสงค์

การแก้ไขปัญหาแอปพลิเคชัน

• การวินิจฉัยการสั่นพ้อง: ตรวจสอบว่าการสั่นสะเทือนสูงเกิดจากการทำงานใกล้ความเร็ววิกฤตหรือไม่
• การประเมินการเปลี่ยนแปลงความเร็ว: ประเมินผลกระทบของการเพิ่มหรือลดความเร็วที่เสนอ
• การวิเคราะห์การปรับเปลี่ยน: ทำนายผลกระทบของการปรับเปลี่ยนเครื่องจักร (เพิ่มมวล เปลี่ยนแปลงความแข็ง เปลี่ยนตลับลูกปืน)

คำแนะนำการใช้งาน

• ขั้นตอนการเริ่มต้น/ปิดเครื่อง: ระบุช่วงความเร็วที่ต้องผ่านไปอย่างรวดเร็วเพื่อลดเวลาที่ความเร็ววิกฤต
• การทำงานความเร็วตัวแปร: กำหนดช่วงความเร็วที่ปลอดภัยสำหรับไดรฟ์ความเร็วแปรผัน
• ข้อจำกัดความเร็ว: กำหนดช่วงความเร็วต้องห้ามที่ควรหลีกเลี่ยงการปฏิบัติการ

ข้อควรพิจารณาพิเศษและหัวข้อขั้นสูง

เอฟเฟกต์ไจโรสโคป

สำหรับ โรเตอร์แบบยืดหยุ่น, โมเมนต์ไจโรสโคปทำให้ความถี่ธรรมชาติแยกออกเป็นโหมดหมุนไปข้างหน้าและหมุนไปข้างหลัง แผนภาพแคมป์เบลล์แสดงให้เห็นการแยกนี้อย่างชัดเจน โดยโหมดหมุนไปข้างหน้ามักจะเพิ่มขึ้น และโหมดหมุนไปข้างหลังจะลดลงตามความเร็ว.

ผลกระทบของแบริ่ง

ประเภทตลับลูกปืนที่แตกต่างกันส่งผลต่อแผนภาพแคมป์เบลล์แตกต่างกันไป:

• ตลับลูกปืนแบบลูกกลิ้ง: ความแข็งที่ค่อนข้างคงที่ ทำให้เกิดเส้นความถี่ธรรมชาติเกือบแนวนอน
• ตลับลูกปืนฟิล์มของไหล: ความแข็งจะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว ทำให้ความถี่ธรรมชาติสูงขึ้นชันมากขึ้น
• ตลับลูกปืนแม่เหล็ก: การควบคุมแบบแอคทีฟสามารถปรับเปลี่ยนความถี่ธรรมชาติตามอัลกอริทึมการควบคุม

ระบบแอนไอโซทรอปิก

เมื่อระบบโรเตอร์มีความแข็งต่างกันในทิศทางต่างๆ (ตลับลูกปืนหรือตัวรองรับที่ไม่สมมาตร) แผนภาพแคมป์เบลล์จะต้องแสดงเส้นโค้งแยกกันสำหรับโหมดการสั่นสะเทือนแนวนอนและแนวตั้ง.

แผนภาพแคมป์เบลล์เทียบกับพล็อตไดนามิกโรเตอร์อื่นๆ

แผนภาพแคมป์เบลล์ เทียบกับ แผนภาพโบด

• แผนภาพแคมป์เบลล์: แสดงความถี่ธรรมชาติเทียบกับความเร็ว คาดการณ์ว่าความเร็วที่สำคัญจะเกิดขึ้นที่ใด
• พล็อตโบด: แสดงแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่วัดได้และเฟสเทียบกับความเร็ว ยืนยันตำแหน่งความเร็ววิกฤตที่แท้จริง

แผนภาพแคมป์เบลล์ เทียบกับ แผนภาพการแทรกสอด

บางครั้งมีการใช้คำศัพท์ทั้งสองแทนกันได้ แม้ว่าโดยทั่วไปแล้ว "แผนภาพการรบกวน" จะเน้นที่จุดตัด (การรบกวน) ระหว่างความถี่ธรรมชาติและลำดับการกระตุ้น.

ตัวอย่างการปฏิบัติ

ลองพิจารณาคอมเพรสเซอร์ความเร็วสูงที่ออกแบบมาให้ทำงานที่ 15,000 รอบต่อนาที (250 เฮิรตซ์):

• แผนภาพแคมป์เบลล์แสดงให้เห็น: ความเร็ววิกฤตแรกที่ 12,000 รอบต่อนาที (1X) ความเร็ววิกฤตที่สองที่ 22,000 รอบต่อนาที (1X)
• การวิเคราะห์: ความเร็วในการทำงาน 15,000 รอบต่อนาทีนั้นปลอดภัยอยู่ระหว่างความเร็ววิกฤตสองระดับโดยมีระยะขอบที่เหมาะสม (25% ต่ำกว่าจุดวิกฤตที่สอง 20% สูงกว่าจุดวิกฤตแรก)
• คำแนะนำการใช้งาน: ระหว่างการสตาร์ท ให้เร่งความเร็วอย่างรวดเร็วที่ 12,000 รอบต่อนาที เพื่อลดเวลาที่ความเร็ววิกฤตแรก
• การศึกษาการเพิ่มความเร็ว: หากพิจารณาการทำงานที่ 18,000 รอบต่อนาที แผนภาพแคมป์เบลล์จะแสดงให้เห็นว่าจะลดระยะขอบการแยกจากจุดวิกฤตอันดับสองไปเป็น 18% ที่ไม่สามารถยอมรับได้ การดัดแปลงจะต้องออกแบบตลับลูกปืนหรือเพลาใหม่

ซอฟต์แวร์และเครื่องมือที่ทันสมัย

ในปัจจุบัน ไดอะแกรมแคมป์เบลล์มักสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์เฉพาะทาง:

• แพ็คเกจการวิเคราะห์ไดนามิกของโรเตอร์ (MADYN, XLTRC, DyRoBeS, ANSYS เป็นต้น)
• ฟังก์ชันการพล็อตในตัวในซอฟต์แวร์วิเคราะห์การสั่นสะเทือน
• เครื่องมือหลังการประมวลผลสำหรับข้อมูลการทดลอง
• การบูรณาการกับระบบตรวจสอบสภาพเพื่อการติดตามแบบเรียลไทม์

เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้สามารถวิเคราะห์แบบ what-if ได้อย่างรวดเร็ว ศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพ และเชื่อมโยงระหว่างพฤติกรรมที่ทำนายและวัดได้ ทำให้ไดอะแกรมแคมป์เบลล์เข้าถึงได้ง่ายและมีประโยชน์มากกว่าที่เคยสำหรับวิศวกรที่ทำงานกับเครื่องจักรหมุน.

---

← กลับสู่ดัชนีหลัก