ทำความเข้าใจเกี่ยวกับ Shaft Whip ในเครื่องจักรหมุน

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: Shaft Whip คืออะไร?

แส้เพลา (เรียกอีกอย่างว่าน้ำมันวิปเมื่อเกิดขึ้นในตลับลูกปืนไฮโดรไดนามิก) เป็นรูปแบบที่รุนแรงของ ความไม่เสถียรของโรเตอร์ มีลักษณะรุนแรง การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการกระตุ้นตนเอง ที่เกิดขึ้นเมื่อโรเตอร์ที่ทำงานในตลับลูกปืนฟิล์มของไหลเกินความเร็วเกณฑ์วิกฤต โดยทั่วไปจะประมาณสองเท่าของความเร็วแรก ความเร็ววิกฤต. เมื่อเกิดการแส้ ความถี่การสั่นสะเทือนจะ “ล็อค” เข้ากับโรเตอร์ตัวแรก ความถี่ธรรมชาติ และยังคงอยู่ที่นั่นไม่ว่าความเร็วจะเพิ่มขึ้นอีกหรือไม่ โดยแอมพลิจูดจะถูกจำกัดด้วยระยะห่างของตลับลูกปืนหรือความล้มเหลวร้ายแรงเท่านั้น.

เพลาวิปเป็นหนึ่งในสภาวะที่อันตรายที่สุดในเครื่องจักรที่หมุนด้วยความเร็วสูง เนื่องจากเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน ขยายขนาดจนทำลายล้างได้ภายในไม่กี่วินาที และไม่สามารถแก้ไขได้ด้วย สมดุล หรือวิธีการทั่วไปอื่นๆ จำเป็นต้องปิดระบบทันทีและปรับเปลี่ยนระบบลูกปืนเพื่อป้องกันการเกิดซ้ำ.

ความก้าวหน้า: การหมุนวนของน้ำมันสู่การตีด้วยเพลา

ขั้นตอนที่ 1: การทำงานที่เสถียร

• โรเตอร์ทำงานต่ำกว่าเกณฑ์ความไม่เสถียร
• มีเพียงแรงสั่นสะเทือนแบบปกติจาก ความไม่สมดุล ปัจจุบัน
• ฟิล์มน้ำมันลูกปืนให้การรองรับที่มั่นคง

ระยะที่ 2: การเกิดกระแสน้ำวนของน้ำมัน

เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นเกินประมาณ 2 เท่าของความเร็ววิกฤตแรก:

• กระแสน้ำวนของน้ำมัน พัฒนา—การสั่นสะเทือนแบบซับซิงโครนัสที่ความเร็วเพลาประมาณ 0.43-0.48 เท่า
• แอมพลิจูดในระยะแรกจะปานกลางและขึ้นอยู่กับความเร็ว
• ความถี่จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนความเร็วเพลา
• อาจจะเป็นแบบเป็นระยะๆ หรือต่อเนื่อง
• สามารถอยู่ร่วมกับการสั่นสะเทือนปกติ 1X จากความไม่สมดุลได้

ระยะที่ 3: การเปลี่ยนแส้

เมื่อความถี่ของการหมุนวนของน้ำมันเพิ่มขึ้นจนตรงกับความถี่ธรรมชาติแรก:

• การล็อคความถี่: ความถี่การสั่นสะเทือนล็อคที่ความถี่ธรรมชาติ
• การขยายเสียงแบบเรโซแนนซ์: แอมพลิจูดเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจาก เสียงก้อง
• การเริ่มต้นอย่างกะทันหัน: การเปลี่ยนจากการหมุนวนเป็นแส้สามารถทำได้ทันที
• อิสระด้านความเร็ว: การเพิ่มความเร็วต่อไปไม่เปลี่ยนความถี่ แต่เปลี่ยนเฉพาะแอมพลิจูดเท่านั้น

ระยะที่ 4: เพลาแส้ (ภาวะวิกฤต)

• การสั่นสะเทือนที่ความถี่คงที่ (ความถี่ธรรมชาติแรก โดยทั่วไป 40-60 เฮิรตซ์)
• แอมพลิจูดสูงกว่าการสั่นสะเทือนที่ไม่สมดุลปกติ 5-20 เท่า
• เพลาอาจสัมผัสกับขีดจำกัดระยะห่างของตลับลูกปืน
• การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วของตลับลูกปืนและน้ำมัน
• ความเสี่ยงที่จะเกิดความล้มเหลวร้ายแรงภายในไม่กี่นาทีหากไม่ปิดระบบ

กลไกทางกายภาพ

การพัฒนาน้ำมันวิป

กลไกนี้เกี่ยวข้องกับพลศาสตร์ของไหลในฟิล์มน้ำมันลูกปืน:

1. การก่อตัวของลิ่มน้ำมัน: เมื่อเพลาหมุน มันจะลากน้ำมันไปรอบๆ ตลับลูกปืน ทำให้เกิดลิ่มที่มีแรงดัน
2. แรงสัมผัส: ลิ่มน้ำมันออกแรงตั้งฉากกับทิศทางรัศมี (สัมผัส)
3. การเคลื่อนที่ของวงโคจร: แรงสัมผัสทำให้ศูนย์กลางเพลาโคจรด้วยความเร็วประมาณครึ่งหนึ่งของเพลา
4. การสกัดพลังงาน: ระบบดึงพลังงานจากการหมุนของเพลาเพื่อรักษาการเคลื่อนที่ในวงโคจร
5. ล็อคเรโซแนนซ์: เมื่อความถี่วงโคจรตรงกับความถี่ธรรมชาติ การสั่นพ้องจะขยายการสั่นสะเทือน
6. วงจรจำกัด: การสั่นสะเทือนจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถูกจำกัดโดยระยะห่างของตลับลูกปืนหรือความล้มเหลว

การระบุการวินิจฉัย

ลายเซ็นการสั่นสะเทือน

แส้เพลาสร้างรูปแบบลักษณะเฉพาะในข้อมูลการสั่นสะเทือน:

• สเปกตรัม: จุดสูงสุดขนาดใหญ่ที่ความถี่ย่อยแบบซิงโครนัส (ความถี่ธรรมชาติแรก) คงที่ไม่ว่าความเร็วจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรก็ตาม
• แปลงน้ำตก: ส่วนประกอบย่อยแบบซิงโครนัสปรากฏเป็นเส้นแนวตั้ง (ความถี่คงที่) มากกว่าแนวทแยง (ตามสัดส่วนความเร็ว)
• การวิเคราะห์คำสั่งซื้อ: ลำดับเศษส่วนที่ลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น (เช่น เปลี่ยนจาก 0.5× เป็น 0.4× เป็น 0.35×)
• วงโคจร: วงโคจรวงกลมหรือวงรีขนาดใหญ่ที่ความถี่ธรรมชาติ

ความเร็วในการเริ่มต้น

• เกณฑ์ทั่วไป: 2.0-2.5× ความเร็ววิกฤตแรก
• ขึ้นอยู่กับแบริ่ง: เกณฑ์เฉพาะจะแตกต่างกันไปตามการออกแบบตลับลูกปืน พรีโหลด และความหนืดของน้ำมัน
• การเริ่มต้นอย่างกะทันหัน: การเพิ่มความเร็วเพียงเล็กน้อยสามารถกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากเสถียรไปไม่เสถียร

กลยุทธ์การป้องกัน

การปรับเปลี่ยนการออกแบบตลับลูกปืน

1. ตลับลูกปืนแผ่นเอียง

• วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการป้องกันการเหวี่ยงเพลา
• แผ่นรองหมุนได้อย่างอิสระ ขจัดแรงยึดไขว้ที่ไม่เสถียร
• มีเสถียรภาพโดยธรรมชาติในช่วงความเร็วที่กว้าง
• มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับเครื่องจักรเทอร์โบความเร็วสูง

2. ตลับลูกปืนกันรุนแรงดัน

• ตลับลูกปืนทรงกระบอกแบบดัดแปลงพร้อมร่องหรือเขื่อน
• เพิ่มประสิทธิภาพการหน่วงและความแข็ง
• ราคาถูกกว่าแผ่นรองเอียงแต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า

3. พรีโหลดของตลับลูกปืน

• การใช้พรีโหลดแบบเรเดียลกับตลับลูกปืนจะช่วยเพิ่มความแข็ง
• เพิ่มขีดจำกัดความเร็วสำหรับความไม่เสถียร
• สามารถทำได้ผ่านการออกแบบรูเจาะแบบออฟเซ็ต

4. แผ่นกันกระแทกแบบบีบฟิล์ม

• องค์ประกอบการหน่วงภายนอกที่ล้อมรอบตลับลูกปืน
• ให้การหน่วงเพิ่มเติมโดยไม่ต้องเปลี่ยนการออกแบบตลับลูกปืน
• มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานแบบ retrofit

มาตรการปฏิบัติการ

• การจำกัดความเร็ว: จำกัดความเร็วในการทำงานสูงสุดให้ต่ำกว่าเกณฑ์ (โดยทั่วไป < 1.8× วิกฤตแรก)
• การจัดการโหลด: ทำงานภายใต้ภาระการรับน้ำหนักที่สูงขึ้นเมื่อทำได้ (เพิ่มการหน่วง)
• การควบคุมอุณหภูมิของน้ำมัน: อุณหภูมิน้ำมันที่ต่ำลงจะเพิ่มความหนืดและการหน่วง
• การติดตาม: การตรวจสอบการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องพร้อมตั้งสัญญาณเตือนสำหรับส่วนประกอบที่ทำงานแบบซับซิงโครนัส

ผลที่ตามมาและความเสียหาย

ผลกระทบทันที

• แรงสั่นสะเทือนรุนแรง: แอมพลิจูดสามารถไปถึงหลายมิลลิเมตร (หลายร้อยมิล)
• เสียงรบกวน: เสียงดังมีเอกลักษณ์แตกต่างจากการใช้งานปกติ
• การให้ความร้อนแบริ่งอย่างรวดเร็ว: อุณหภูมิในการรับน้ำหนักอาจเพิ่มขึ้น 20-50°C ในเวลาไม่กี่นาที
• การเสื่อมสภาพของน้ำมัน: อุณหภูมิสูงและการเฉือนทำให้สารหล่อลื่นเสื่อมสภาพ

ความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น

• ผ้าเช็ดลูกปืน: วัสดุแบริ่งละลายและถูกเช็ดออก
• ความเสียหายของเพลา: การขูดขีด การถลอก หรือการดัดงอถาวร
• ความล้มเหลวของซีล: การเคลื่อนที่ของเพลามากเกินไปจะทำลายซีล
• การแตกหักของเพลา: ความเหนื่อยล้าจากรอบสูงจากการแกว่งอย่างรุนแรง
• ความเสียหายจากการเชื่อมต่อ: แรงส่งที่ทำให้เกิดความเสียหายต่อข้อต่อ

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง

กระแสน้ำวนน้ำมัน

กระแสน้ำวนของน้ำมัน เป็นจุดเริ่มต้นของการตี:

• กลไกเดียวกันแต่ความถี่ไม่ได้ล็อคเข้ากับความถี่ธรรมชาติ
• แอมพลิจูดที่รุนแรงน้อยกว่า
• ความถี่แปรผันตามความเร็ว (~0.43-0.48×)
• อาจยอมรับได้ในบางการใช้งาน

กระแสไอน้ำหมุน

ความไม่เสถียรที่คล้ายกันในกังหันไอน้ำเกิดจากแรงทางอากาศพลศาสตร์ในซีลแบบเขาวงกต มากกว่าฟิล์มน้ำมันของลูกปืน แสดงให้เห็นถึงการสั่นสะเทือนแบบซับซิงโครนัสที่ล็อกเข้ากับความถี่ธรรมชาติที่คล้ายคลึงกัน.

วิปแบบเสียดสีแห้ง

อาจเกิดขึ้นที่ตำแหน่งซีลหรือจากการสัมผัสโรเตอร์กับสเตเตอร์:

• แรงเสียดทานทำให้เกิดกลไกที่ทำให้ไม่เสถียร
• ไม่ค่อยพบเห็นบ่อยเท่าน้ำมันวิปปิ้งแต่ก็อันตรายพอๆ กัน
• ต้องใช้แนวทางการแก้ไขที่แตกต่าง (กำจัดการสัมผัส ปรับปรุงการออกแบบซีล)

กรณีศึกษา: คอมเพรสเซอร์เพลาวิป

สถานการณ์: คอมเพรสเซอร์แรงเหวี่ยงความเร็วสูงพร้อมลูกปืนทรงกระบอกธรรมดา

• การทำงานปกติ: 12,000 รอบต่อนาที ด้วยการสั่นสะเทือน 2.5 มม./วินาที
• เพิ่มความเร็ว: ตัวดำเนินการเพิ่มเป็น 13,500 RPM เพื่อความจุที่สูงขึ้น
• จุดเริ่มต้น: ที่ 13,200 รอบต่อนาที เกิดแรงสั่นสะเทือนรุนแรงฉับพลัน
• อาการ: การสั่นสะเทือน 25 มม./วินาที ที่ความถี่ 45 เฮิรตซ์ (คงที่) อุณหภูมิลูกปืนเพิ่มขึ้นจาก 70°C เป็น 95°C ใน 3 นาที
• การดำเนินการฉุกเฉิน: การปิดระบบทันทีช่วยป้องกันการเสียหายของตลับลูกปืน
• สาเหตุหลัก: ความเร็ววิกฤตแรกคือ 2700 รอบต่อนาที (45 เฮิรตซ์) เกินขีดจำกัดของวิปที่ 2× วิกฤต = 5400 รอบต่อนาที
• สารละลาย: เปลี่ยนตลับลูกปืนธรรมดาเป็นตลับลูกปืนแผ่นเอียง ช่วยให้ทำงานได้อย่างปลอดภัยถึง 15,000 รอบต่อนาที

มาตรฐานและแนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรม

• API 684: ต้องมีการวิเคราะห์เสถียรภาพสำหรับเครื่องจักรเทอร์โบความเร็วสูง
• API 617: ระบุประเภทตลับลูกปืนและข้อกำหนดด้านเสถียรภาพสำหรับคอมเพรสเซอร์
• ISO 10814: ให้คำแนะนำในการเลือกตลับลูกปืนเพื่อความมั่นคง
• การปฏิบัติในอุตสาหกรรม: ตลับลูกปืนแผ่นเอียงมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ที่ทำงานเกิน 2 เท่าของความเร็ววิกฤตแรก

เพลาวิป (Shaft Whip) ถือเป็นความล้มเหลวขั้นรุนแรงที่ต้องป้องกันด้วยการเลือกและออกแบบตลับลูกปืนที่เหมาะสม การรับรู้ถึงลักษณะการสั่นสะเทือนแบบซิงโครนัสย่อยและล็อกความถี่อันโดดเด่น ช่วยให้วินิจฉัยและตอบสนองต่อเหตุฉุกเฉินได้อย่างรวดเร็ว ช่วยป้องกันความเสียหายที่มีค่าใช้จ่ายสูงต่ออุปกรณ์หมุนความเร็วสูงที่สำคัญ.

---

← กลับสู่ดัชนีหลัก