Hiểu về cộng hưởng lưỡi dao

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

Parts

Vibration sensor

$107.47

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

Devices

Balanset-4

$8,123.32

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

Parts

Reflective tape

$11.94

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

Định nghĩa: Blade Resonance là gì?

Cộng hưởng lưỡi dao là một sự cộng hưởng tình trạng các cánh quạt hoặc cánh gạt riêng lẻ trong quạt, máy nén, tua bin hoặc máy bơm rung ở một trong các tần số tự nhiên để đáp ứng với sự kích thích từ lực khí động học, rung động cơ học hoặc hiệu ứng điện từ. Khi tần số kích thích khớp với tần số tự nhiên của cánh quạt, cánh quạt sẽ trải qua dao động được khuếch đại đáng kể, tạo ra ứng suất xen kẽ cao có thể dẫn đến chu kỳ cao. Mệt mỏi nứt và cuối cùng là hỏng lưỡi dao.

Cộng hưởng cánh quạt đặc biệt nguy hiểm vì độ rung của từng cánh quạt có thể không được phát hiện thông qua các phép đo rung động tiêu chuẩn của vỏ ổ trục, nhưng bản thân cánh quạt lại chịu mức ứng suất phá hủy. Đây là một yếu tố thiết kế quan trọng trong máy móc tuabin và có thể xảy ra ở quạt công nghiệp nếu điều kiện vận hành thay đổi so với mục đích thiết kế.

Tần số tự nhiên của Blade

Các chế độ cơ bản

Mỗi lưỡi dao có nhiều chế độ rung:

Chế độ uốn đầu tiên

• Uốn cong đơn giản (chuyển dịch đầu cánh)
• Tần số tự nhiên thấp nhất
• Dễ bị kích động nhất
• Phạm vi điển hình: 100-2000 Hz tùy thuộc vào kích thước và độ cứng của lưỡi dao

Chế độ uốn thứ hai

• Uốn cong hình chữ S với điểm nút
• Tần số cao hơn (thường là 3-5 lần chế độ đầu tiên)
• Ít bị kích thích hơn nhưng có thể

Chế độ xoắn

• Lưỡi dao xoắn quanh trục của nó
• Tần số phụ thuộc vào hình dạng và cách lắp đặt của lưỡi dao
• Có thể bị kích thích bởi lực khí động học không ổn định

Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số tự nhiên của lưỡi dao

• Chiều dài lưỡi dao: Lưỡi dao dài hơn có tần số thấp hơn
• Độ dày: Lưỡi dao dày hơn cứng hơn, tần số cao hơn
• Vật liệu: Độ cứng và mật độ ảnh hưởng đến tần số
• Lắp đặt: Độ cứng của vật liệu gắn ảnh hưởng đến điều kiện biên giới
• Làm cứng ly tâm: Ở tốc độ cao, lực ly tâm làm tăng độ cứng biểu kiến

Nguồn kích thích

Sự kích thích khí động học

Sự nhiễu loạn thượng nguồn

• Thanh chống đỡ hoặc cánh hướng dẫn ở thượng nguồn tạo ra luồng gió
• Số lượng nhiễu × tốc độ rôto = tần số kích thích
• Nếu khớp với tần số lưỡi dao → cộng hưởng

Dòng chảy nhiễu loạn

• Dòng chảy không ổn định tạo ra sự kích thích ngẫu nhiên
• Có thể kích thích các chế độ lưỡi dao nếu năng lượng ở tần số phù hợp
• Phổ biến trong hoạt động ngoài thiết kế

Cộng hưởng âm thanh

• Sóng dừng trong ống gió
• Áp suất âm thanh dao động kích thích lưỡi dao
• Sự kết hợp giữa chế độ âm thanh và cấu trúc

Kích thích cơ học

• Rotor mất cân bằng tạo ra rung động 1× truyền đến cánh quạt
• Sự không thẳng hàng tạo ra sự kích thích 2x
• Các khuyết tật ổ trục truyền rung động tần số cao
• Rung động nền tảng hoặc vỏ kết hợp với cánh quạt

Kích thích điện từ (Quạt chạy bằng động cơ)

• 2× tần số dòng từ động cơ
• Tần suất đi qua cực
• Nếu những tần số này gần với tần số tự nhiên của lưỡi dao → có thể cộng hưởng

Triệu chứng và phát hiện

Đặc điểm rung động

• Thành phần tần số cao: Ở tần số tự nhiên của lưỡi dao (thường là 200-2000 Hz)
• Phụ thuộc vào tốc độ: Chỉ xuất hiện ở tốc độ hoạt động cụ thể
• Có thể không nghiêm trọng: Tại các phép đo ổ trục (rung động cánh quạt được định vị)
• Hướng: Có thể mạnh hơn theo hướng đo lường cụ thể

Chỉ báo âm thanh

• Tiếng rên rỉ hoặc tiếng huýt sáo cao độ ở tần số cộng hưởng
• Tiếng ồn âm thanh khác biệt so với hoạt động bình thường
• Chỉ có ở tốc độ hoặc điều kiện dòng chảy cụ thể
• Độ ồn có thể rất lớn ngay cả khi rung động ở mức vừa phải

Bằng chứng vật lý

• Chuyển động lưỡi dao có thể nhìn thấy: Rung hoặc rung động riêng lẻ của từng cánh quạt
• Nứt do mỏi: Các vết nứt ở gốc lá hoặc điểm chịu lực
• Lo lắng: Dấu hiệu mòn ở phần gắn lưỡi dao cho thấy chuyển động
• Lưỡi dao gãy: Kết quả cuối cùng nếu cộng hưởng không được hiệu chỉnh

Thách thức phát hiện

Tại sao cộng hưởng lưỡi dao khó phát hiện

• Chuyển động của lưỡi dao không kết hợp chặt chẽ với vỏ ổ trục
• Máy đo gia tốc tiêu chuẩn trên ổ trục có thể bỏ sót độ rung của lưỡi dao
• Được bản địa hóa cho từng lưỡi dao
• Có thể yêu cầu các kỹ thuật đo lường chuyên biệt

Phương pháp phát hiện nâng cao

• Thời gian đầu lưỡi dao: Đo không tiếp xúc từng đường đi của lưỡi dao
• Máy đo ứng suất: Được gắn trên lưỡi dao để đo ứng suất (yêu cầu đo từ xa)
• Đo rung động bằng laser: Đo quang học không tiếp xúc chuyển động của lưỡi dao
• Giám sát âm thanh: Micrô hoặc máy đo gia tốc trên vỏ gần cánh quạt

Hậu quả của cộng hưởng lưỡi kiếm

Mệt mỏi chu kỳ cao

• Ứng suất xen kẽ ở gốc lá
• Hàng triệu chu kỳ trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày
• Các vết nứt mỏi bắt đầu và lan rộng
• Có thể dẫn đến lưỡi dao bị hỏng đột ngột mà không có cảnh báo

Giải phóng lưỡi kiếm

• Lưỡi dao tách hoàn toàn khỏi sự cố mỏi
• Mất cân bằng nghiêm trọng do mất khối lượng
• Nguy cơ đạn bắn (mảnh vỡ của lưỡi dao)
• Thiệt hại thứ cấp lớn cho thiết bị
• Rủi ro an toàn cho nhân viên

Phòng ngừa và giảm thiểu

Giai đoạn thiết kế

• Phân tích biểu đồ Campbell: Dự đoán sự giao thoa giữa tần số cánh quạt và sự kích thích
• Tách biệt đầy đủ: Đảm bảo tần số tự nhiên của lưỡi dao không khớp với nguồn kích thích
• Điều chỉnh lưỡi dao: Điều chỉnh độ cứng của lưỡi dao để thay đổi tần số tự nhiên
• Giảm chấn: Thiết kế các tính năng giảm chấn (bộ giảm chấn ma sát, lớp phủ)

Giải pháp vận hành

• Thay đổi tốc độ: Hoạt động ở tốc độ tránh cộng hưởng
• Kiểm soát lưu lượng: Điều chỉnh điểm hoạt động để giảm sự kích thích
• Tránh tốc độ bị cấm: Thiết lập phạm vi tốc độ để tránh nếu phát hiện cộng hưởng

Giải pháp sửa đổi

• Làm cứng lưỡi dao: Thêm vật liệu, gân hoặc dây buộc giữa các lưỡi dao
• Thay đổi số lượng lưỡi dao: Thay đổi cả tần số cánh quạt và mô hình kích thích
• Xử lý giảm chấn: Áp dụng giảm chấn lớp hạn chế cho lưỡi dao
• Xóa nguồn kích thích: Sửa đổi nhiễu loạn dòng chảy ngược dòng

Ví dụ về ngành

Quạt hút gió cảm ứng (Nhà máy điện)

• Quạt lớn (đường kính 10-20 feet) có cánh quạt dài
• Tần số tự nhiên của lưỡi dao 50-200 Hz
• Có thể phù hợp với tần số điện từ của lưỡi dao hoặc động cơ
• Đã từng gây ra những sự cố hỏng lưỡi dao thảm khốc

Tua bin khí

• Máy nén tốc độ cao và cánh tuabin
• Tần số lưỡi dao 500-5000 Hz
• Cần phân tích phức tạp trong quá trình thiết kế
• Giám sát thời gian đầu lưỡi dao trong các ứng dụng quan trọng

Quạt HVAC

• Thường ít quan trọng hơn do tốc độ và ứng suất thấp hơn
• Sự cộng hưởng có thể gây ra vấn đề về tiếng ồn
• Thông thường được sửa chữa bằng cách thay đổi tốc độ hoặc làm cứng lưỡi dao

Cộng hưởng cánh quạt là một hiện tượng rung động chuyên biệt đòi hỏi sự hiểu biết về cả động lực học kết cấu và tương tác chất lỏng-kết cấu. Mặc dù có khả năng gây ra thảm họa, cộng hưởng cánh quạt có thể được ngăn ngừa thông qua phân tích thiết kế phù hợp, tránh được thông qua các hạn chế vận hành hoặc giảm thiểu thông qua các sửa đổi kết cấu, đảm bảo vận hành an toàn và đáng tin cậy cho máy móc có cánh quạt.

---

← Quay lại Mục lục chính