Giải thích về tốc độ tới hạn trong động lực học của rôto

Định nghĩa: Tốc độ tới hạn là gì?

A tốc độ tới hạn là tốc độ quay phù hợp với tần số rung động tự nhiên của rô-to. Khi một máy hoạt động ở hoặc gần một trong các tốc độ tới hạn của nó, hiện tượng sự cộng hưởng Điều này gây ra sự khuếch đại đáng kể và thường nguy hiểm của độ rung của rotor, vì ngay cả một lượng nhỏ mất cân bằng dư cũng có thể tạo ra lực ly tâm cực lớn. Mỗi hệ thống rotor đều có nhiều tốc độ tới hạn, tương ứng với các chế độ rung khác nhau (ví dụ: chế độ uốn cong thứ nhất, chế độ uốn cong thứ hai, v.v.).

Tại sao tốc độ tới hạn lại quan trọng đến vậy?

Hiểu và quản lý tốc độ tới hạn là một trong những khía cạnh cơ bản nhất của thiết kế và phân tích máy móc quay. Vận hành máy móc ở tốc độ tới hạn, ngay cả trong thời gian ngắn, cũng có thể gây ra thảm họa. Hậu quả bao gồm:

• Rung động quá mức: Biên độ có thể tăng lên gấp 10, 20 lần hoặc thậm chí nhiều hơn, tùy thuộc vào khả năng giảm chấn của hệ thống.
• Lỗi linh kiện: Độ rung cao và độ lệch trục có thể dẫn đến hỏng ổ trục, hỏng phớt và ma sát giữa các bộ phận quay và cố định.
• Sự cố trục thảm khốc: Trong trường hợp nghiêm trọng, ứng suất uốn có thể vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu, khiến trục bị nứt hoặc gãy.
• Nguy cơ an toàn: Sự cố máy móc ở tốc độ cao có thể gây ra rủi ro đáng kể cho con người và thiết bị xung quanh.

Vì những lý do này, máy móc luôn được thiết kế để hoạt động với “khoảng cách tách biệt”, nghĩa là tốc độ chạy bình thường của máy móc được cố tình giữ ở khoảng cách an toàn so với bất kỳ tốc độ quan trọng nào.

Roto cứng so với Roto mềm

Khái niệm về tốc độ tới hạn là yếu tố phân biệt rôto “cứng” với rôto “linh hoạt”:

• Rotor cứng: Rotor hoạt động *dưới* tốc độ tới hạn đầu tiên. Trục của nó không bị uốn cong đáng kể trong quá trình vận hành. Đây thường là những rotor chậm hơn và chắc chắn hơn.
• Rotor linh hoạt: Rotor được thiết kế để hoạt động *trên* tốc độ tới hạn thứ nhất (và đôi khi là tốc độ tới hạn thứ hai hoặc thứ ba). Trục của nó sẽ uốn cong khi vượt qua các tốc độ tới hạn trong quá trình khởi động và tắt máy. Rotor thanh mảnh, tốc độ cao như trong tuabin và máy nén là loại rotor linh hoạt.

Quản lý tốc độ quan trọng trong vận hành máy móc

Vì thường không thực tế khi thiết kế một máy tốc độ cao mà vẫn duy trì tốc độ dưới tốc độ tới hạn đầu tiên nên các kỹ sư sử dụng một số chiến lược để quản lý chúng:

1. Khoảng cách phân cách

Chiến lược phổ biến nhất là đảm bảo tốc độ vận hành liên tục của máy không quá gần với bất kỳ tốc độ tới hạn nào. Biên độ tách biệt thông thường là ±20-30%. Ví dụ: nếu tốc độ tới hạn là 3.000 vòng/phút, máy không nên vận hành liên tục trong khoảng từ 2.400 vòng/phút đến 3.600 vòng/phút.

2. Tăng tốc/Giảm tốc nhanh

Đối với các rô-tơ linh hoạt phải vượt qua tốc độ tới hạn, quy trình khởi động và tắt máy được thiết kế để di chuyển qua các dải tốc độ tới hạn càng nhanh càng tốt. Việc duy trì ở tốc độ tới hạn cho phép biên độ rung động tăng lên đến mức nguy hiểm. Việc vượt qua nhanh chóng sẽ giảm thiểu thời gian xảy ra sự khuếch đại này.

3. Giảm chấn

Giảm chấn là sự tiêu tán năng lượng rung động, và chính nó giới hạn biên độ cực đại tại điểm cộng hưởng. Vòng bi, đặc biệt là vòng bi màng chất lỏng, là nguồn giảm chấn chính trong hệ thống rotor. Bằng cách tối ưu hóa thiết kế vòng bi, các kỹ sư có thể kiểm soát đỉnh rung động ở tốc độ tới hạn ở mức an toàn và dễ quản lý.

4. Cân bằng chính xác

Rung động ở tốc độ tới hạn là phản ứng khuếch đại đối với sự mất cân bằng. Rotor được cân bằng càng tốt thì hàm cưỡng bức càng nhỏ, và do đó, độ rung cực đại khi đi qua tốc độ tới hạn sẽ càng thấp. Đối với rotor linh hoạt, cần có các kỹ thuật cân bằng đa mặt phẳng đặc biệt.

Tốc độ tới hạn được xác định như thế nào?

Tốc độ tới hạn được xác định bằng một số phương pháp:

• Phân tích động lực học rotor (RDA): Các mô hình máy tính (thường sử dụng Phân tích phần tử hữu hạn) được tạo ra trong giai đoạn thiết kế để dự đoán tốc độ tới hạn và hình dạng chế độ của rôto.
• Kiểm tra chạy đà/xuống dốc: Phương pháp thực nghiệm phổ biến nhất. Biên độ và pha rung động được biểu diễn theo tốc độ khi máy khởi động hoặc tắt. Tốc độ tới hạn được xác định bằng một đỉnh biên độ rõ rệt kèm theo độ lệch pha 180 độ đặc trưng. Các thử nghiệm này tạo ra các biểu đồ chẩn đoán như Biểu đồ Bode and Khu vực thác nước.
• Kiểm tra va đập (Bump Test): Việc dùng búa có gắn thiết bị để đập vào rôto khi rôto đang đứng yên có thể kích thích tần số tự nhiên của rôto, tương ứng với tốc độ tới hạn.

← Quay lại Mục lục chính