Пояснення критичної швидкості в динаміці ротора

Визначення: Що таке критична швидкість?

A критична швидкість — це швидкість обертання, яка відповідає власній частоті коливань ротора. Коли машина працює на одній зі своїх критичних швидкостей або поблизу них, виникає явище резонанс відбувається. Це спричиняє різке та часто небезпечне посилення вібрації ротора, оскільки навіть незначна кількість залишкового дисбалансу може генерувати величезні відцентрові сили. Кожна роторна система має кілька критичних швидкостей, що відповідають її різним режимам вібрації (наприклад, перший режим згину, другий режим згину тощо).

Чому критична швидкість така важлива?

Розуміння та управління критичними швидкостями є одним із найважливіших аспектів проектування та аналізу обертових машин. Експлуатація машини з критичною швидкістю, навіть протягом короткого періоду, може мати катастрофічні наслідки. Наслідки включають:

• Надмірна вібрація: Амплітуди можуть збільшуватися в 10, 20 або навіть більше разів, залежно від демпфування системи.
• Відмова компонента: Висока вібрація та прогин вала можуть призвести до виходу з ладу підшипника, пошкодження ущільнень та тертя між обертовими та нерухомими деталями.
• Катастрофічний вихід з ладу вала: У важких випадках напруження згину можуть перевищувати межу втоми матеріалу, що призводить до розтріскування або перелому вала.
• Загрози безпеці: Поломка машини на високій швидкості створює значний ризик для персоналу та навколишнього обладнання.

З цих причин машини завжди проектуються для роботи з «запасом розділення», що означає, що їхня нормальна робоча швидкість навмисно підтримується на безпечній відстані від будь-яких критичних швидкостей.

Жорсткі та гнучкі ротори

Поняття критичної швидкості – це те, що відрізняє «жорсткий» ротор від «гнучкого»:

• Жорсткий ротор: Ротор, який працює *нижче* своєї першої критичної швидкості. Його вал не зазнає значного згинання під час роботи. Зазвичай це повільніші, кремезніші ротори.
• Гнучкий ротор: Ротор, призначений для роботи *вище* своєї першої (а іноді й другої чи третьої) критичної швидкості. Його вал згинається та вигинається під час проходження критичних швидкостей під час запуску та зупинки. Високошвидкісні, тонкі ротори, такі як у турбінах і компресорах, є гнучкими роторами.

Управління критичними швидкостями під час роботи машини

Оскільки часто непрактично проектувати високошвидкісну машину, яка залишається нижче своєї першої критичної швидкості, інженери використовують кілька стратегій для управління ними:

1. Запас розділення

Найпоширеніша стратегія полягає в тому, щоб забезпечити, щоб безперервна робоча швидкість машини не була занадто близькою до будь-якої критичної швидкості. Типовий запас розділення становить ±20-30%. Наприклад, якщо критична швидкість становить 3000 об/хв, машина не повинна працювати безперервно в діапазоні від 2400 до 3600 об/хв.

2. Різке прискорення/сповільнення

Для гнучких роторів, які повинні пройти через критичні швидкості, процедури запуску та зупинки розроблені таким чином, щоб якомога швидше пройти через діапазони критичних швидкостей. Затримка на критичній швидкості дозволяє амплітуді вібрації наростати до небезпечних рівнів. Швидкий прохід мінімізує час, необхідний для цього посилення.

3. Демпфування

Демпфування – це розсіювання коливальної енергії, і саме воно обмежує пікову амплітуду при резонансі. Підшипники, особливо плівкові підшипники, є основним джерелом демпфування в роторних системах. Оптимізуючи конструкцію підшипників, інженери можуть контролювати пік вібрації на критичній швидкості до безпечного та керованого рівня.

4. Точне балансування

Вібрація на критичній швидкості є посиленою реакцією на дисбаланс. Чим краще збалансований ротор, тим меншою буде функція примусу, і тому тим нижчою буде пікова вібрація при проходженні критичної швидкості. Для гнучких роторів потрібні спеціальні методи багатоплощинного балансування.

Як визначаються критичні швидкості?

Критичні швидкості визначаються кількома методами:

• Динамічний аналіз ротора (RDA): Комп'ютерні моделі (часто з використанням методу скінченних елементів) створюються на етапі проектування для прогнозування критичних швидкостей та форм режимів ротора.
• Випробування на розгін/вибіг: Найпоширеніший експериментальний метод. Амплітуда та фаза коливань будуються на графіку залежно від швидкості під час запуску або зупинки машини. Критична швидкість визначається чітким піком амплітуди, що супроводжується характерним фазовим зсувом на 180 градусів. Ці тести генерують діагностичні графіки, такі як Ділянка Боде і Ділянка водоспаду.
• Випробування на удар (Bump Test): Удари інструментальним молотком по ротору, коли він перебуває у стані спокою, можуть збудити його власні частоти, які відповідають критичним швидкостям.

← Назад до головного індексу