ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางในเครื่องจักรหมุน

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: แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางคืออะไร?

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง คือแรงภายนอกที่ปรากฏที่มวลเคลื่อนที่เป็นวงกลม ในเครื่องจักรที่หมุน เมื่อ โรเตอร์ มี ความไม่สมดุล—หมายความว่าจุดศูนย์กลางมวลของเพลาถูกชดเชยจากแกนหมุน — มวลนอกศูนย์จะสร้างแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขณะหมุน แรงนี้พุ่งออกจากจุดศูนย์กลางการหมุนในแนวรัศมี และหมุนด้วยความเร็วเดียวกับเพลา.

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากความไม่สมดุลเป็นสาเหตุหลักของ การสั่นสะเทือน ในเครื่องจักรหมุนและเป็นแรงที่ สมดุล ขั้นตอนต่างๆ มุ่งเป้าไปที่การลดขนาด การทำความเข้าใจขนาดและพฤติกรรมของโรเตอร์ถือเป็นพื้นฐานสำคัญต่อการวิเคราะห์พลวัตของโรเตอร์และการสั่นสะเทือน.

นิพจน์ทางคณิตศาสตร์

สูตรพื้นฐาน

ขนาดของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางกำหนดโดย:

• ฟ = ม × ร × ω²
• ที่ไหน:
• เอฟ = แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (นิวตัน)
• m = มวลไม่สมดุล (กิโลกรัม)
• r = รัศมีความเยื้องศูนย์กลางมวล (เมตร)
• ω = ความเร็วเชิงมุม (เรเดียนต่อวินาที) = 2π × RPM / 60

การกำหนดสูตรทางเลือกโดยใช้ RPM

สำหรับการคำนวณเชิงปฏิบัติโดยใช้ RPM:

• F (N) = U × (รอบต่อนาที/9549)²
• โดยที่ U = ความไม่สมดุล (กรัม-มิลลิเมตร) = m × r
• แบบฟอร์มนี้ใช้หน่วยความไม่สมดุลโดยตรงซึ่งใช้กันทั่วไปในการกำหนดสมดุล

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญ: ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและกำลังสอง

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางคือการขึ้นอยู่กับกำลังสองของความเร็วในการหมุน:

• การเพิ่มความเร็วเป็นสองเท่าจะเพิ่มแรงเป็น 4× (2² = 4)
• การเพิ่มความเร็วเป็นสามเท่าจะเพิ่มแรงเป็น 9× (3² = 9)
• ความสัมพันธ์แบบกำลังสองนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดความไม่สมดุลที่ยอมรับได้ที่ความเร็วต่ำจึงกลายเป็นวิกฤตที่ความเร็วสูง

ผลกระทบต่อการสั่นสะเทือน

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการสั่นสะเทือน

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากความไม่สมดุลทำให้เกิดการสั่นสะเทือนผ่านกลไกดังต่อไปนี้:

1. แรงเหวี่ยงหมุนที่ใช้กับโรเตอร์
2. แรงที่ส่งผ่านเพลาไปยังตลับลูกปืนและตัวรองรับ
3. ระบบยืดหยุ่น (โรเตอร์-แบริ่ง-ฐาน) ตอบสนองโดยการเบี่ยงเบน
4. การเบี่ยงเบนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่วัดได้ที่ตลับลูกปืน
5. ความสัมพันธ์ระหว่างแรงและการสั่นสะเทือนขึ้นอยู่กับความแข็งและการหน่วงของระบบ

ที่เรโซแนนซ์

เมื่อใช้งานที่ ความเร็ววิกฤต:

• แม้แต่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขนาดเล็กจากความไม่สมดุลที่เหลืออยู่ก็สร้างการสั่นสะเทือนขนาดใหญ่
• ปัจจัยการขยายสามารถเป็น 10-50× ขึ้นอยู่กับ การลดแรงสั่นสะเทือน
• การขยายเสียงแบบเรโซแนนซ์นี้คือสาเหตุที่การทำงานความเร็ววิกฤตเป็นอันตราย

ต่ำกว่าเรโซแนนซ์ (การทำงานของโรเตอร์แบบแข็ง)

• การสั่นสะเทือนโดยประมาณเป็นสัดส่วนกับแรง
• ดังนั้นการสั่นสะเทือน ∝ ความเร็ว² (เนื่องจากแรง ∝ ความเร็ว²)
• ความเร็วที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทำให้แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่า

ตัวอย่างการปฏิบัติ

ตัวอย่างที่ 1: ใบพัดพัดลมขนาดเล็ก

• ความไม่สมดุล: 10 กรัม ที่รัศมี 100 มม. = 1000 g·mm
• Speed: 1500 รอบต่อนาที
• การคำนวณ: F = 1,000 × (1500/9549)² data 24.7 นิวตัน (2.5 กก.)

ตัวอย่างที่ 2: ใบพัดเดียวกันที่ความเร็วสูงกว่า

• ความไม่สมดุล: เท่ากัน 1000 g·mm
• Speed: 3000 รอบต่อนาที (สองเท่า)
• การคำนวณ: F = 1,000 × (3000/9549)² กลับไปยัง 98.7 N (10.1 กก.)
• ผลลัพธ์: แรงเพิ่มขึ้น 4 เท่าพร้อมกับความเร็วที่เพิ่มขึ้น 2 เท่า

ตัวอย่างที่ 3: โรเตอร์กังหันขนาดใหญ่

• มวลโรเตอร์: 5,000 กก.
• ความไม่สมดุลที่ยอมรับได้ (G 2.5): 400,000 กรัม·มม.
• Speed: 3600 รอบต่อนาที
• แรงเหวี่ยง: F = 400,000 × (3600/9549)² ≈ 56,800 N (แรง 5.8 ตัน)
• นัยยะ: แม้แต่โรเตอร์ที่ "สมดุลดี" ก็ยังสร้างแรงสำคัญที่ความเร็วสูง

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางในการทรงตัว

เวกเตอร์แรงไม่สมดุล

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากความไม่สมดุลเป็นปริมาณเวกเตอร์:

• ขนาด: กำหนดโดยปริมาณความไม่สมดุลและความเร็ว (F = m × r × ω²)
• ทิศทาง: ชี้ไปทางรัศมีออกสู่จุดที่หนัก
• การหมุน: เวกเตอร์หมุนด้วยความเร็วเพลา (ความถี่ 1×)
• เฟส: ตำแหน่งเชิงมุมของแรงในขณะใดขณะหนึ่ง

หลักการสมดุล

Balancing ทำงานโดยสร้างแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่ต่อต้าน:

• น้ำหนักการแก้ไข วาง 180° จากจุดหนัก
• สร้างแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่เท่ากันและตรงกันข้าม
• ผลรวมเวกเตอร์ของแรงดั้งเดิมและแรงแก้ไขเข้าใกล้ศูนย์
• แรงเหวี่ยงสุทธิลดลง การสั่นสะเทือนลดลง

การปรับสมดุลหลายระนาบ

สำหรับ การปรับสมดุลสองระนาบ:

• แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางในแต่ละระนาบทำให้เกิดทั้งแรงและโมเมนต์
• น้ำหนักการแก้ไขจะต้องยกเลิกทั้งแรงที่ไม่สมดุลและความไม่สมดุลของคู่
• การบวกเวกเตอร์ ของแรงจากทั้งสองระนาบกำหนดแรงสุทธิ

ผลกระทบของการรับน้ำหนัก

โหลดแบบคงที่และแบบไดนามิก

• โหลดคงที่: การรับน้ำหนักคงที่จากน้ำหนักโรเตอร์ (แรงโน้มถ่วง)
• โหลดแบบไดนามิก: โหลดหมุนจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (ไม่สมดุล)
• โหลดรวม: ผลรวมของเวกเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามเส้นรอบวงเมื่อโรเตอร์หมุน
• โหลดสูงสุด: เกิดขึ้นที่โหลดแบบคงที่และแบบไดนามิกเรียงตัวกัน

แบกรับผลกระทบต่อชีวิต

• อายุการใช้งานของตลับลูกปืนแปรผกผันกับน้ำหนักยกกำลังสาม (L10 ∝ 1/P³)
• การเพิ่มภาระแบบไดนามิกเพียงเล็กน้อยจะช่วยลดอายุการใช้งานของตลับลูกปืนได้อย่างมาก
• แรงเหวี่ยงจากความไม่สมดุลจะเพิ่มภาระในการรับน้ำหนัก
• คุณภาพสมดุลที่ดีเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอายุการใช้งานที่ยาวนาน

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางในเครื่องจักรประเภทต่างๆ

อุปกรณ์ความเร็วต่ำ (< 1000 รอบต่อนาที)

• แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางค่อนข้างต่ำ
• ภาระคงที่จากแรงโน้มถ่วงมักมีอิทธิพลเหนือกว่า
• ยอมรับความคลาดเคลื่อนของความสมดุลที่หลวมกว่าได้
• สามารถยอมรับความไม่สมดุลสัมบูรณ์ขนาดใหญ่ได้

อุปกรณ์ความเร็วปานกลาง (1,000-5,000 รอบต่อนาที)

• แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางมีมากและต้องได้รับการจัดการ
• เครื่องจักรอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ในช่วงนี้
• คุณภาพสมดุลเกรด G 2.5 ถึง G 16 โดยทั่วไป
• การสมดุลเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอายุการใช้งานของตลับลูกปืนและการควบคุมการสั่นสะเทือน

อุปกรณ์ความเร็วสูง (> 5000 RPM)

• แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางมีอิทธิพลเหนือภาระคงที่
• จำเป็นต้องมีค่าความคลาดเคลื่อนของสมดุลที่แคบมาก (G 0.4 ถึง G 2.5)
• ความไม่สมดุลเล็กน้อยสร้างพลังมหาศาล
• การปรับสมดุลความแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางและความเร็ววิกฤต

การขยายแรงที่เรโซแนนซ์

ที่ ความเร็ววิกฤต:

• แรงเหวี่ยงเข้าเท่ากัน
• การตอบสนองของระบบขยายโดยปัจจัย Q (โดยทั่วไปคือ 10-50)
• แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนเกินกว่าการทำงานที่ต่ำกว่าจุดวิกฤตมาก
• แสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงต้องหลีกเลี่ยงความเร็วที่สำคัญ

พฤติกรรมโรเตอร์แบบยืดหยุ่น

สำหรับ โรเตอร์แบบยืดหยุ่น เหนือความเร็ววิกฤต:

• เพลาโค้งงอภายใต้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง
• การเบี่ยงเบนทำให้เกิดความเยื้องศูนย์เพิ่มเติม
• เอฟเฟกต์การปรับศูนย์กลางอัตโนมัติเหนือความเร็ววิกฤตช่วยลดภาระของตลับลูกปืน
• ตรงกันข้ามกับสัญชาตญาณ: การสั่นสะเทือนอาจลดลงเมื่อความเร็วเกินวิกฤต

ความสัมพันธ์กับมาตรฐานการสมดุล

ความไม่สมดุลที่ยอมรับได้และแรง

เกรดคุณภาพสมดุล ใน ISO 21940-11 มีพื้นฐานมาจากการจำกัดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง:

• ค่า G ที่ต่ำลงทำให้ความไม่สมดุลลดลง
• จำกัดแรงตามสัดส่วนที่ความเร็วใดๆ
• รับประกันว่าแรงเหวี่ยงยังคงอยู่ในขีดจำกัดการออกแบบที่ปลอดภัย
• ประเภทอุปกรณ์ที่แตกต่างกันจะมีค่าความคลาดเคลื่อนของแรงที่แตกต่างกัน

การวัดและการคำนวณ

จากการสั่นสะเทือนสู่แรง

แม้ว่าแรงจะไม่สามารถวัดได้โดยตรงในกระบวนการปรับสมดุลสนาม แต่สามารถประมาณได้ดังนี้:

• วัดแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่ความเร็วในการทำงาน
• ประเมินความแข็งของระบบจาก ค่าสัมประสิทธิ์อิทธิพล
• คำนวณแรง: F ≈ k × การโก่งตัว
• มีประโยชน์ในการประเมินการรับน้ำหนักจากความไม่สมดุล

จากความไม่สมดุลสู่แรง

การคำนวณโดยตรงหากทราบความไม่สมดุล:

• ใช้สูตร F = m × r × ω²
• หรือ F = U × (RPM/9549)² โดยที่ U เป็น g·mm
• ให้แรงที่คาดหวังสำหรับปริมาณและความเร็วที่ไม่สมดุลใดๆ
• ใช้ในการคำนวณการออกแบบและการตรวจสอบความคลาดเคลื่อน

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นกลไกพื้นฐานที่ความไม่สมดุลก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนในเครื่องจักรที่กำลังหมุน ความสัมพันธ์เชิงกำลังสองของแรงนี้กับความเร็วอธิบายได้ว่าทำไมคุณภาพของสมดุลจึงมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้น และเหตุใดความไม่สมดุลแม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถสร้างแรงมหาศาลและการสั่นสะเทือนที่สร้างความเสียหายในอุปกรณ์ความเร็วสูงได้.

---

← กลับสู่ดัชนีหลัก