Biểu đồ Campbell là gì? Phân tích tốc độ tới hạn • Máy cân bằng di động, máy phân tích rung động "Balanset" dùng để cân bằng động máy nghiền, quạt, máy nghiền, máy khoan trên máy gặt đập liên hợp, trục, máy ly tâm, tua bin và nhiều loại rôto khác Biểu đồ Campbell là gì? Phân tích tốc độ tới hạn • Máy cân bằng di động, máy phân tích rung động "Balanset" dùng để cân bằng động máy nghiền, quạt, máy nghiền, máy khoan trên máy gặt đập liên hợp, trục, máy ly tâm, tua bin và nhiều loại rôto khác

Biểu đồ Campbell là gì? Phân tích tốc độ tới hạn

Được xuất bản bởi admin trên

Hiểu về biểu đồ Campbell trong động lực học rôto

Định nghĩa: Biểu đồ Campbell là gì?

A Biểu đồ Campbell (còn được gọi là bản đồ tốc độ xoáy hoặc sơ đồ giao thoa) là biểu diễn đồ họa được sử dụng trong động lực học rôto vẽ sơ đồ hệ thống tần số tự nhiên chống lại tốc độ quay. Sơ đồ là một công cụ thiết yếu để xác định tốc độ tới hạn—tốc độ hoạt động mà sự cộng hưởng có thể xảy ra—và để đánh giá xem có đủ biên độ phân tách giữa tốc độ vận hành và các điều kiện quan trọng này hay không.

Được đặt theo tên của Wilfred Campbell, người đã phát triển khái niệm này vào những năm 1920 để phân tích độ rung của động cơ máy bay, sơ đồ Campbell đã trở nên không thể thiếu trong việc thiết kế và phân tích mọi loại máy móc quay tốc độ cao, từ tua-bin và máy nén đến động cơ điện và trục chính máy công cụ.

Cấu trúc và các thành phần của sơ đồ Campbell

Biểu đồ Campbell bao gồm một số yếu tố chính cùng nhau cung cấp bức tranh hoàn chỉnh về hành vi động của hệ thống rôto:

Các trục

  • Trục ngang (trục X): Tốc độ quay, thường được biểu thị bằng RPM (vòng quay mỗi phút) hoặc Hz (Hertz)
  • Trục dọc (trục Y): Tần số, thường tính bằng Hz hoặc CPM (chu kỳ mỗi phút), biểu thị tần số tự nhiên của hệ thống

Đường cong tần số tự nhiên

Sơ đồ hiển thị các đường cong hoặc đường thẳng thể hiện cách mỗi tần số tự nhiên của hệ thống rô-to thay đổi theo tốc độ quay. Đối với hầu hết các hệ thống:

  • Chế độ quay về phía trước: Tần số tự nhiên tăng theo tốc độ do hiệu ứng làm cứng con quay hồi chuyển
  • Chế độ quay ngược: Tần số tự nhiên giảm dần theo tốc độ (ít phổ biến hơn, phổ biến hơn ở một số loại vòng bi nhất định)
  • Mỗi chế độ (uốn cong đầu tiên, uốn cong thứ hai, v.v.) được biểu diễn bằng một đường cong riêng biệt

Đường kích thích

Các đường thẳng chéo chồng lên nhau trên sơ đồ biểu diễn các nguồn kích thích tiềm năng:

  • Dòng 1X: Đi qua gốc tọa độ ở góc 45° (khi các trục có cùng tỷ lệ), biểu diễn sự kích thích đồng bộ từ mất cân bằng
  • Dòng 2X: Biểu diễn sự kích thích hai lần mỗi vòng quay (từ sự không thẳng hàng hoặc các nguồn khác)
  • Các bội số khác: 3X, 4X, v.v., cho sự kích thích hài hòa cao hơn
  • Đường dây bán đồng bộ: Bội số phân số như 0,5X cho các hiện tượng như xoáy dầu

Điểm giao nhau (Tốc độ tới hạn)

Khi một đường kích thích cắt ngang đường cong tần số tự nhiên, một tốc độ tới hạn tồn tại. Ở tốc độ này, tần số kích thích trùng với tần số tự nhiên, gây ra hiện tượng cộng hưởng và khuếch đại rung động có khả năng gây nguy hiểm.

Cách đọc và diễn giải sơ đồ Campbell

Xác định tốc độ quan trọng

Mục đích chính của sơ đồ Campbell là xác định tốc độ quan trọng:

  1. Tìm giao điểm giữa các đường kích thích (1X, 2X, v.v.) và các đường cong tần số riêng
  2. Tọa độ ngang của mỗi giao lộ chỉ ra tốc độ quan trọng
  3. Càng có nhiều giao lộ thì càng có nhiều tốc độ quan trọng trong phạm vi hoạt động

Đánh giá biên độ phân tách

Hoạt động an toàn đòi hỏi phải có “khoảng cách tách biệt” thích hợp giữa tốc độ vận hành và tốc độ tới hạn:

  • Yêu cầu điển hình: Khoảng cách từ ±15% đến ±30% so với tốc độ tới hạn
  • Phạm vi tốc độ hoạt động: Thường được biểu thị bằng một dải dọc trên sơ đồ
  • Thiết kế chấp nhận được: Phạm vi hoạt động không được chồng lấn với các vùng tốc độ quan trọng

Hiểu về hình dạng Mode

Các đường cong khác nhau trên sơ đồ tương ứng với các chế độ rung khác nhau:

  • Chế độ đầu tiên: Thông thường là đường cong tần số thấp nhất, biểu diễn sự uốn cong đơn giản (giống như sợi dây nhảy có một bướu)
  • Chế độ thứ hai: Tần số cao hơn, hình dạng đường cong chữ S với một điểm nút
  • Chế độ cao hơn: Các mẫu độ lệch ngày càng phức tạp

Tạo biểu đồ Campbell

Biểu đồ Campbell được tạo ra thông qua phân tích tính toán hoặc thử nghiệm thực nghiệm:

Phương pháp phân tích

  1. Xây dựng mô hình toán học: Tạo mô hình phần tử hữu hạn của hệ thống đỡ-ổ trục-rôto
  2. Bao gồm các hiệu ứng phụ thuộc vào tốc độ: Tính đến các mô men hồi chuyển, thay đổi độ cứng ổ trục và các thông số khác phụ thuộc vào tốc độ
  3. Giải bài toán giá trị riêng: Tính toán tần số tự nhiên ở nhiều tốc độ quay
  4. Kết quả biểu đồ: Tạo các đường cong cho thấy tần số tự nhiên thay đổi như thế nào theo tốc độ
  5. Thêm đường kích thích: Lớp phủ 1X, 2X và các đường kích thích liên quan khác

Phương pháp tiếp cận thực nghiệm

Đối với máy móc hiện có, biểu đồ Campbell có thể được tạo từ dữ liệu thử nghiệm:

  • Trình diễn thử nghiệm khởi động hoặc chạy chậm trong khi liên tục ghi âm rung động
  • Tạo ra một lô đất thác nước hiển thị phổ rung động so với tốc độ
  • Trích xuất các đỉnh tần số tự nhiên từ dữ liệu
  • Vẽ biểu đồ tần số trích xuất so với tốc độ để tạo biểu đồ Campbell thử nghiệm

Ứng dụng trong thiết kế và phân tích máy móc

Ứng dụng giai đoạn thiết kế

  • Lựa chọn phạm vi tốc độ: Xác định phạm vi tốc độ vận hành an toàn để tránh tốc độ tới hạn
  • Thiết kế ổ trục: Tối ưu hóa vị trí, loại và độ cứng của ổ trục để định vị tốc độ quan trọng một cách thích hợp
  • Kích thước trục: Điều chỉnh đường kính và chiều dài trục để di chuyển tốc độ quan trọng ra khỏi phạm vi hoạt động
  • Thiết kế kết cấu hỗ trợ: Đảm bảo độ cứng của nền móng và bệ đỡ không tạo ra tốc độ tới hạn không mong muốn

Khắc phục sự cố ứng dụng

  • Chẩn đoán cộng hưởng: Xác định xem độ rung cao có phải do hoạt động gần tốc độ tới hạn không
  • Đánh giá sự thay đổi tốc độ: Đánh giá tác động của việc tăng hoặc giảm tốc độ đề xuất
  • Phân tích sửa đổi: Dự đoán tác động của việc sửa đổi máy móc (khối lượng tăng thêm, thay đổi độ cứng, thay thế ổ trục)

Hướng dẫn vận hành

  • Quy trình khởi động/tắt máy: Xác định phạm vi tốc độ cần vượt qua nhanh chóng để giảm thiểu thời gian ở tốc độ quan trọng
  • Hoạt động tốc độ thay đổi: Xác định phạm vi tốc độ an toàn cho ổ đĩa tốc độ thay đổi
  • Giới hạn tốc độ: Thiết lập phạm vi tốc độ bị cấm, nơi cần tránh vận hành

Những cân nhắc đặc biệt và chủ đề nâng cao

Hiệu ứng con quay hồi chuyển

Vì rôto linh hoạt, Các mômen hồi chuyển khiến tần số tự nhiên phân tách thành các chế độ xoáy thuận và xoáy ngược. Biểu đồ Campbell cho thấy rõ sự phân tách này, với các chế độ xoáy thuận thường tăng dần và các chế độ xoáy ngược giảm dần theo tốc độ.

Hiệu ứng vòng bi

Các loại ổ trục khác nhau ảnh hưởng đến biểu đồ Campbell theo những cách khác nhau:

  • Vòng bi lăn: Độ cứng tương đối không đổi, tạo ra các đường tần số tự nhiên gần như nằm ngang
  • Vòng bi màng chất lỏng: Độ cứng tăng theo tốc độ, khiến tần số tự nhiên tăng mạnh hơn
  • Vòng bi từ tính: Kiểm soát chủ động có thể sửa đổi tần số tự nhiên dựa trên các thuật toán kiểm soát

Hệ thống dị hướng

Khi hệ thống rotor có độ cứng khác nhau theo các hướng khác nhau (ổ trục hoặc giá đỡ không đối xứng), sơ đồ Campbell phải hiển thị các đường cong riêng biệt cho chế độ rung theo chiều ngang và chiều dọc.

Biểu đồ Campbell so với các biểu đồ động lực học rotor khác

Biểu đồ Campbell so với Biểu đồ Bode

  • Biểu đồ Campbell: Hiển thị tần số tự nhiên so với tốc độ, dự đoán tốc độ tới hạn sẽ xảy ra ở đâu
  • Biểu đồ Bode: Hiển thị biên độ rung động được đo và pha so với tốc độ, xác nhận vị trí tốc độ quan trọng thực tế

Biểu đồ Campbell so với Biểu đồ giao thoa

Các thuật ngữ này đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau, mặc dù "biểu đồ giao thoa" thường nhấn mạnh vào các điểm giao nhau (giao thoa) giữa tần số tự nhiên và thứ tự kích thích.

Ví dụ thực tế

Hãy xem xét một máy nén tốc độ cao được thiết kế để hoạt động ở mức 15.000 vòng/phút (250 Hz):

  • Biểu đồ Campbell cho thấy: Tốc độ tới hạn đầu tiên ở mức 12.000 vòng/phút (1X), tốc độ tới hạn thứ hai ở mức 22.000 vòng/phút (1X)
  • Phân tích: Tốc độ hoạt động 15.000 vòng/phút nằm giữa hai tốc độ tới hạn với biên độ thích hợp (25% dưới tốc độ tới hạn thứ hai, 20% trên tốc độ tới hạn thứ nhất)
  • Hướng dẫn vận hành: Trong quá trình khởi động, tăng tốc nhanh qua 12.000 vòng/phút để giảm thiểu thời gian ở tốc độ tới hạn đầu tiên
  • Nghiên cứu tăng tốc độ: Nếu xem xét hoạt động ở 18.000 vòng/phút, sơ đồ Campbell cho thấy điều này sẽ làm giảm biên độ tách từ mức quan trọng thứ hai xuống mức không thể chấp nhận được 18%—việc sửa đổi sẽ yêu cầu thiết kế lại ổ trục hoặc trục

Phần mềm và công cụ hiện đại

Ngày nay, sơ đồ Campbell thường được tạo bằng phần mềm chuyên dụng:

  • Các gói phân tích động lực học rôto (MADYN, XLTRC, DyRoBeS, ANSYS, v.v.)
  • Các chức năng vẽ đồ thị tích hợp trong phần mềm phân tích rung động
  • Công cụ hậu xử lý dữ liệu thực nghiệm
  • Tích hợp với hệ thống giám sát tình trạng để theo dõi thời gian thực

Các công cụ này cho phép phân tích giả định nhanh chóng, nghiên cứu tối ưu hóa và tương quan giữa hành vi dự đoán và đo lường, giúp biểu đồ Campbell dễ tiếp cận và hữu ích hơn bao giờ hết đối với các kỹ sư làm việc với máy móc quay.

← Quay lại Mục lục chính

Categories:
WhatsApp