Hiểu về hình dạng chế độ trong động lực học rôto

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

Bộ dụng cụ cân bằng và chẩn đoán rung động hoàn chỉnh từ Vibromera, bao gồm bốn cảm biến rung động có dây cáp, mô-đun giao diện tín hiệu, máy đo tốc độ laser có chân đế từ tính, cân kỹ thuật số, cáp USB và hộp đựng. Hệ thống được thiết kế để cân bằng rô-to tại hiện trường và theo dõi tình trạng trên thiết bị công nghiệp.

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

Định nghĩa: Hình dạng Mode là gì?

A hình dạng chế độ (còn gọi là chế độ rung hoặc chế độ tự nhiên) là mô hình không gian đặc trưng của biến dạng mà một cánh quạt hệ thống giả định khi rung động ở một trong những tần số tự nhiên. Nó mô tả biên độ và pha tương đối của chuyển động tại mọi điểm dọc theo rôto khi hệ thống dao động tự do ở tần số cộng hưởng cụ thể.

Mỗi dạng mode được liên kết với một tần số tự nhiên cụ thể và cùng nhau chúng tạo thành một mô tả hoàn chỉnh về hành vi động của hệ thống. Hiểu được các dạng mode là nền tảng để động lực học rôto, khi họ xác định nơi tốc độ tới hạn xảy ra và cách rotor phản ứng với các lực kích thích khác nhau.

Mô tả trực quan về hình dạng chế độ

Hình dạng chế độ có thể được hình dung như đường cong độ lệch của trục rôto:

Chế độ đầu tiên (Chế độ cơ bản)

Hình dạng: Cung hoặc cánh cung đơn giản, giống như một sợi dây nhảy có một bướu duy nhất
Điểm nút: Số không (trục được hỗ trợ bởi các ổ trục, hoạt động như các nút gần đúng)
Độ lệch tối đa: Thông thường gần giữa nhịp giữa các ổ trục
Tính thường xuyên: Tần số tự nhiên thấp nhất của hệ thống
Tốc độ tới hạn: Tốc độ tới hạn đầu tiên tương ứng với chế độ này

Chế độ thứ hai

Hình dạng: Đường cong chữ S có một điểm nút ở giữa
Điểm nút: Một nút bên trong nơi độ lệch trục bằng không
Độ lệch tối đa: Hai vị trí, một ở mỗi bên của nút
Tính thường xuyên: Cao hơn chế độ đầu tiên, thường gấp 3-5 lần tần số chế độ đầu tiên
Tốc độ tới hạn: Tốc độ tới hạn thứ hai

Chế độ thứ ba và cao hơn

Hình dạng: Các mẫu sóng ngày càng phức tạp
Điểm nút: Hai cho chế độ thứ ba, ba cho chế độ thứ tư, v.v.
Tính thường xuyên: Tần số cao dần
Tầm quan trọng thực tế: Thông thường chỉ liên quan đến rôto tốc độ rất cao hoặc rất linh hoạt

Đặc điểm chính của hình dạng Mode

Tính trực giao

Các dạng mode khác nhau trực giao về mặt toán học với nhau, nghĩa là chúng độc lập. Năng lượng đầu vào ở một tần số mode không kích thích các mode khác (trong các hệ thống tuyến tính lý tưởng).

Chuẩn hóa

Hình dạng chế độ thường được chuẩn hóa, nghĩa là độ lệch cực đại được chia tỷ lệ thành giá trị tham chiếu (thường là 1,0) để so sánh. Độ lớn độ lệch thực tế phụ thuộc vào biên độ cưỡng bức và giảm chấn.

Điểm nút

Các nút là các vị trí dọc theo trục mà độ võng vẫn bằng 0 trong quá trình rung động ở chế độ đó. Số nút bên trong bằng (số chế độ – 1):

Chế độ đầu tiên: 0 nút bên trong
Chế độ thứ hai: 1 nút bên trong
Chế độ thứ ba: 2 nút bên trong

Điểm Antinode

Các nút thắt là những vị trí có độ lệch lớn nhất trong một dạng mode. Đây là những điểm chịu ứng suất lớn nhất và có khả năng hỏng hóc cao nhất trong quá trình dao động cộng hưởng.

Tầm quan trọng trong động lực học của rôto

Dự đoán tốc độ tới hạn

Mỗi hình dạng chế độ tương ứng với một tốc độ tới hạn:

Khi tốc độ hoạt động của rôto khớp với tần số tự nhiên, hình dạng chế độ đó được kích thích
Rotor lệch theo mô hình hình dạng chế độ
Mất cân bằng lực gây ra rung động cực đại khi được căn chỉnh với vị trí bụng sóng

Chiến lược cân bằng

Hướng dẫn về hình dạng chế độ cân bằng thủ tục:

Roto cứng: Hoạt động dưới tốc độ tới hạn đầu tiên; cân bằng hai mặt phẳng đơn giản là đủ
Rotor linh hoạt: Hoạt động trên mức quan trọng đầu tiên; có thể yêu cầu cân bằng phương thức nhắm mục tiêu vào các hình dạng chế độ cụ thể
Vị trí mặt phẳng hiệu chỉnh: Hiệu quả nhất khi đặt ở vị trí nút thắt
Vị trí nút: Việc thêm trọng số hiệu chỉnh tại các nút có tác động tối thiểu đến chế độ đó

Phân tích lỗi

Hình dạng chế độ giải thích các kiểu lỗi:

Các vết nứt mỏi thường xuất hiện ở vị trí bụng (ứng suất uốn tối đa)
Các hư hỏng ổ trục có nhiều khả năng xảy ra ở những vị trí có độ lệch cao
Sự cọ xát xảy ra khi độ lệch trục khiến rôto gần với các bộ phận cố định

Xác định hình dạng chế độ

Phương pháp phân tích

1. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

Cách tiếp cận hiện đại phổ biến nhất
Rotor được mô hình hóa như một loạt các phần tử dầm có các đặc tính khối lượng, độ cứng và quán tính
Phân tích giá trị riêng tính toán tần số tự nhiên và hình dạng chế độ tương ứng
Có thể tính đến hình học phức tạp, tính chất vật liệu, đặc điểm ổ trục

2. Phương pháp ma trận chuyển giao

Kỹ thuật phân tích cổ điển
Rotor chia thành các trạm có đặc tính đã biết
Ma trận truyền lan truyền độ lệch và lực dọc theo trục
Hiệu quả cho các cấu hình trục tương đối đơn giản

3. Lý thuyết chùm liên tục

Đối với trục đồng nhất, các giải pháp phân tích có sẵn
Cung cấp các biểu thức dạng đóng cho các trường hợp đơn giản
Hữu ích cho mục đích giáo dục và thiết kế sơ bộ

Phương pháp thực nghiệm

1. Kiểm thử Modal (Kiểm thử tác động)

Trục đập bằng búa có gắn thiết bị ở nhiều vị trí
Đo phản ứng bằng máy đo gia tốc tại nhiều điểm
Các hàm đáp ứng tần số tiết lộ tần số tự nhiên
Hình dạng chế độ được trích xuất từ biên độ và pha phản ứng tương đối

2. Đo hình dạng độ lệch vận hành (ODS)

Đo độ rung tại nhiều vị trí trong quá trình vận hành
Ở tốc độ tới hạn, ODS xấp xỉ hình dạng chế độ
Có thể thực hiện bằng rotor tại chỗ
Yêu cầu nhiều cảm biến hoặc kỹ thuật cảm biến di động

3. Mảng thăm dò tiệm cận

Cảm biến không tiếp xúc tại nhiều vị trí trục
Đo độ lệch trục trực tiếp
Trong quá trình khởi động/chạy dọc, mô hình độ lệch cho thấy hình dạng chế độ
Phương pháp thử nghiệm chính xác nhất để vận hành máy móc

Biến thể hình dạng chế độ và ảnh hưởng

Tác động của độ cứng ổ trục

Vòng bi cứng: Các nút tại các vị trí chịu lực; chế độ hình dạng bị hạn chế hơn
Vòng bi linh hoạt: Chuyển động đáng kể tại các vị trí mang; chế độ hình dạng phân bố nhiều hơn
Vòng bi không đối xứng: Các hình dạng chế độ khác nhau theo hướng ngang so với hướng dọc

Sự phụ thuộc vào tốc độ

Đối với trục quay, hình dạng chế độ có thể thay đổi theo tốc độ do:

Hiệu ứng con quay hồi chuyển: Gây ra sự phân chia các chế độ thành xoáy thuận và xoáy ngược
Thay đổi độ cứng của ổ trục: Vòng bi màng chất lỏng cứng lại theo tốc độ
Làm cứng ly tâm: Ở tốc độ rất cao, lực ly tâm làm tăng độ cứng

Chế độ quay tiến và quay lùi

Đối với hệ thống quay, mỗi chế độ có thể xuất hiện dưới hai dạng:

Xoay về phía trước: Quỹ đạo trục quay cùng hướng với trục quay
Quay ngược lại: Quỹ đạo quay ngược chiều với trục quay
Phân chia tần suất: Hiệu ứng con quay hồi chuyển khiến các chế độ tiến và lùi có tần số khác nhau

Ứng dụng thực tế

Tối ưu hóa thiết kế

Các kỹ sư sử dụng phân tích hình dạng chế độ để:

Vị trí ổ trục để tối ưu hóa hình dạng chế độ (tránh các nút bụng ở vị trí ổ trục)
Kích thước đường kính trục để di chuyển tốc độ quan trọng ra khỏi phạm vi hoạt động
Chọn độ cứng ổ trục để định hình phản ứng mô hình thuận lợi
Thêm hoặc loại bỏ khối lượng tại các vị trí chiến lược để thay đổi tần số tự nhiên

Xử lý sự cố

Khi xảy ra rung động quá mức:

So sánh tốc độ hoạt động với tốc độ tới hạn dự đoán từ phân tích hình dạng chế độ
Xác định xem có hoạt động gần cộng hưởng không
Xác định chế độ nào đang được kích thích
Chọn chiến lược sửa đổi để chuyển chế độ có vấn đề ra khỏi tốc độ hoạt động

Cân bằng phương thức

Cân bằng phương thức đối với rôto linh hoạt đòi hỏi phải hiểu hình dạng chế độ:

Mỗi chế độ phải được cân bằng độc lập
Trọng số hiệu chỉnh được phân phối để phù hợp với các mẫu hình dạng chế độ
Trọng số tại các nút không có tác dụng gì đến chế độ đó
Các mặt phẳng hiệu chỉnh tối ưu nằm ở các bụng sóng

Hình ảnh hóa và Truyền thông

Các hình dạng chế độ thường được trình bày như sau:

Đường cong lệch: Biểu đồ 2D hiển thị độ lệch ngang so với vị trí trục
Hoạt hình: Hình ảnh động hiển thị trục dao động
Bản kết xuất 3D: Đối với hình học phức tạp hoặc chế độ kết hợp
Bản đồ màu: Độ lớn độ lệch được biểu thị bằng mã màu
Dữ liệu dạng bảng: Giá trị số của độ lệch tại các trạm rời rạc

Hình dạng chế độ kết hợp và phức tạp

Khớp nối xoắn ngang

Trong một số hệ thống, chế độ uốn (ngang) và xoắn (xoắn) kết hợp:

Xảy ra trong các hệ thống có mặt cắt ngang không tròn hoặc tải trọng lệch
Hình dạng chế độ bao gồm cả độ lệch ngang và độ xoắn góc
Yêu cầu phân tích phức tạp hơn

Chế độ uốn cong kết hợp

Trong các hệ thống có độ cứng không đối xứng:

Cặp chế độ ngang và dọc
Các hình dạng chế độ trở thành hình elip thay vì hình tuyến tính
Phổ biến trong các hệ thống có ổ trục hoặc giá đỡ dị hướng

Tiêu chuẩn và Hướng dẫn

Một số tiêu chuẩn giải quyết vấn đề phân tích hình dạng chế độ:

API 684: Hướng dẫn phân tích động lực học rôto bao gồm tính toán hình dạng chế độ
Tiêu chuẩn ISO 21940-11: Hình dạng chế độ tham chiếu trong bối cảnh cân bằng rôto linh hoạt
VDI 3839: Tiêu chuẩn Đức về cân bằng rôto linh hoạt giải quyết các cân nhắc về phương thức

Mối quan hệ với Biểu đồ Campbell

Biểu đồ Campbell Hiển thị tần số tự nhiên so với tốc độ, với mỗi đường cong biểu diễn một mode. Hình dạng mode liên quan đến mỗi đường cong xác định:

Sự mất cân bằng mạnh mẽ ở các vị trí khác nhau kích thích chế độ đó như thế nào
Vị trí đặt cảm biến để có độ nhạy tối đa
Loại điều chỉnh cân bằng nào sẽ hiệu quả nhất?

Hiểu được hình dạng chế độ chuyển đổi động lực học rôto từ những dự đoán toán học trừu tượng thành hiểu biết vật lý về cách máy móc thực tế hoạt động, cho phép thiết kế tốt hơn, khắc phục sự cố hiệu quả hơn và tối ưu hóa các chiến lược cân bằng cho mọi loại thiết bị quay.

← Quay lại Mục lục chính

Hình dạng chế độ trong động lực học rôto là gì?

Được xuất bản bởi admin trên Tháng 10 31, 2025 Tháng 10 31, 2025