Розуміння тертя в обертових машинах
Розтирання — це контакт з тертям та відносний ковзний рух між обертовими та нерухомими елементами машини. Цей термін підкреслює аспект безперервного тертя контакт ротора зі статором, що відрізняє його від легких, переривчастих дотиків або поодиноких ударів, які також можуть траплятися. При терті виникають сили тертя, виділяється значна кількість тепла внаслідок роботи тертя, а також утворюється характерний вібрація ознаку, в якій переважає зворотний вихор, субсинхронний компоненти та теплові ефекти. Це одна з найнебезпечніших несправностей, що можуть виникнути в обертовій машині, оскільки вона може призвести до виходу з ладу вже за лічені хвилини.
“Тертя” та “тертя ротора” часто вживаються як синоніми. На практиці термін rubbing зазвичай підкреслює фрикційний і тепловий бік контакту, тоді як rotor rub є ширшим поняттям, що охоплює всі форми контакту — від легкого зачіпання до сильних ударів.
1. Механіка тертя при терті
Модель тертя Кулона
Тертя підпорядковується принципам сухого (кулонівського) тертя:
- Сила тертя: F = μ × N, де μ — коефіцієнт тертя, а N — нормальна сила, що стискає поверхні.
- Напрямок: сила тертя завжди протидіє відносному руху між поверхнями, що стикаються.
- Типові коефіцієнти: сталь по сталі μ ≈ 0,3–0,5; сталь по ущільнювальному матеріалу μ ≈ 0,2–0,4.
- Тепловиділення: практично вся робота тертя перетворюється на тепло в місці контакту.
Тангенціальні та нормальні сили
Під час контакту на ротор діють дві складові сили:
- Нормальна сила: діє на ротор у точці тертя з радіальною силою, спрямованою всередину.
- Сила тертя: діє тангенціально, протидіючи обертанню.
- Результуюча сила: таке поєднання, як правило, уповільнює обертання ротора та відхиляє його назад, проти напрямку обертання.
- Збільшення крутного моменту: Тертя призводить до втрат потужності, що збільшує крутний момент, який має забезпечити привід машини.
2. Характерні вібраційні режими
Зворотний вихор
Найхарактернішою особливістю тертя є зворотний (реверсивний) вихор:
- Сила тертя створює тангенціальну складову, яка зумовлює рух по орбіті назад.
- The shaft орбіта рухаються у напрямку, протилежному до напрямку обертання вала.
- Частота обертання зазвичай є нижчою за синхронну — менше ніж 1× робоча швидкість.
- Типові коефіцієнти з'являються у вигляді дробових значень: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- Форма орбіти часто буває нерівномірною або помітно спотвореною.
Характеристики спектру
- Субсинхронні піки: кілька піків нижче 1×, часто на нецілих гармоніках.
- Синхронний компонент: 1× синхронний пік може зрости, оскільки до нього додадуться сили тертя.
- Вищі гармоніки: 2×, 3×, 4× гармоніки виникають через нелінійність переривчастого тертя.
- Шум у широкосмуговому діапазоні: рівень фонового шуму по всій спектр lifts.
- Нестабільний спектр: піки з’являються і зникають або змінюють частоту від одного вимірювання до іншого.
Особливості форми часової хвилі
- Імпульсні події або стрибки напруги, що виникають при кожному запуску контакту, які можна побачити на часова форма сигналу.
- Обрізання або згладжування на пікових значеннях відхилення, де статор фізично обмежує хід.
- Нерегулярна, несинусоїдальна загальна форма.
- Інтерференційні візерунки, що утворюються внаслідок співіснування декількох частот.
3. Термічні ефекти тертя
Генерація тепла
Тертя перетворює механічну енергію безпосередньо на тепло:
- Оцінка: розсіювана потужність дорівнює силі тертя, помноженій на швидкість ковзання.
- Величина: Легке тертя може виділяти 10–100 Вт; сильне тертя — кіловати.
- Концентрація: тепло відводиться на дуже невелику площу контакту.
- Підвищення температури: у крайніх випадках температура поверхні може перевищувати 500 °C.
Розробка теплового лука
Небезпека тертя полягає у виникненні зворотного зв’язку між нагріванням і вібрацією:
- Початкове тертя призводить до нагрівання однієї сторони вала.
- Асиметричний нагрів згинає вал у тепловий прогин.
- Термічний вигин збільшує прогин вала.
- Більший прогин призводить до сильнішого тертя.
- Чим сильніше терти, тим більше тепла утворюється.
- Такий позитивний зворотний зв'язок може призвести до стрімкого, неконтрольованого збою.
Оскільки кожен цикл цього циклу поглиблює наступний, тертя вважається формою самозбуджувана вібрація та шляхом до повної відмови нестабільність ротора.
Вторинні теплові ефекти
- Нагрівання підшипника: тепло передається вздовж вала до підшипників.
- Деградація мастила: Надмірно високі температури призводять до руйнування мастила.
- Зміни матеріалу: Фазові перетворення або металургійні зміни в зонах термічного впливу
- Термічне напруження: може спричинити утворення тріщин у зонах, що зазнають термічного навантаження.
4. Виявлення натирання в польових умовах
Моніторинг вібрації
- Сигнали тривоги за субсинхронними складовими: сповіщення про піки на рівні 0,3–0,5× робочої швидкості.
- Моніторинг орбіти: Автоматичний аналіз орбіти виявляє появу зворотного завихрення.
- Зміни спектра: алгоритми виявляють раптову появу декількох гармонік.
- Обрізання сигналу: виявлення несинусоїдальних спотворень, що виникають під час контакту.
Саме для виявлення таких закономірностей і призначений портативний аналізатор. Працюючи безпосередньо в підшипниках машини на робочій швидкості, двоканальний прилад, такий як Balanset-1A записує часову форму сигналу, а також амплітуду та фазу 1×, завдяки чому технік може побачити імпульсне обрізання та енергію дробових порядків, що вказують на тертя, а потім перевірити, чи є залишковий дисбаланс або неспіввісність є основною причиною перед будь-яким демонтажем.
Моніторинг температури
- Зминання датчики температури зі сигналами тривоги швидкого зростання.
- Інфрачервоний моніторинг температури відкритих ділянок шахти
- Моніторинг температурного перепаду — верхня частина підшипника порівняно з нижньою.
- Сигнали тривоги щодо швидкості зміни температури, наприклад, понад 5 °C на хвилину.
Додаткові показники
- Збільшення крутного моменту: споживання енергії зростає у міру збільшення навантаження на привід внаслідок тертя.
- Коливання швидкості: незначні коливання швидкості, зумовлені зміною моменту тертя.
- Акустична емісія: високочастотний звук, що виникає при контакті, який можна виявити за допомогою акустична емісія sensors.
- Візуальний огляд: ознаки зносу, зміна кольору та видимі подряпини.
5. Реагування на тертя
Негайні дії
- Зменшіть інтенсивність: зменште швидкість або навантаження, якщо це безпечно.
- Уважно стежте за: постійно стежте за рівнем вібрації та температурою.
- Підготуйтеся до вимкнення: підготуйте аварійне відключення відключення ready.
- Аварійна зупинка: відключіть машину, якщо вібрація або температура зростають.
- Дозволити охолодження: Перед оглядом увімкніть валоповоротний пристрій або дайте механізму охолонути природним чином, щоб термічний вигин міг зменшитися.
Розслідування
- Перевірте наявність фізичних слідів контакту.
- Виміряйте зазори у місцях, де, ймовірно, відбувається тертя.
- Перевірте, чи немає термічного вигину або постійної деформації вал лука.
- Визначте першопричину — надмірну вібрацію, недостатній зазор тощо.
Коригувальні дії
- Збільшити зазори: виправити пошкоджені ділянки або замінити деталі.
- Усуньте першопричину: збалансувати ротор, правильно вирівняти, усунути проблему з підшипником, яка призвела до контакту.
- Замініть пошкоджені деталі: ущільнювачі, деталі підшипників та секції валів за необхідності.
- Перевірте зазори: перед повторним запуском переконайтеся в достатньому зазорі в кожній точці.
Тертя є однією з найсерйозніших несправностей, пов’язаних із вібрацією, в обертовому обладнанні. Здатність цього явища швидко наростати через тепловий зворотний зв’язок вимагає негайного розпізнавання, швидкого й дисциплінованого реагування та ретельного усунення, адже для критично важливого обладнання альтернативою є катастрофічна відмова.
