转子动力学中的临界转速解释

定义：什么是临界速度？

A 临界速度 是指与转子固有振动频率相匹配的转速。当机器以临界转速或接近临界转速运行时，会出现谐振发生。这会导致转子振动急剧放大，且往往非常危险，因为即使是微小的残余不平衡也会产生巨大的离心力。每个转子系统都有多个临界转速，对应于其不同的振动模式（例如，第一弯曲模式、第二弯曲模式等）。

理解和管理临界转速是旋转机械设计和分析最基本的方面之一。即使机器短时间处于临界转速，也可能造成灾难性的后果。其后果包括：

由于这些原因，机械总是设计为以“分离裕度”运行，这意味着其正常运行速度有意与任何临界速度保持安全距离。

临界转速的概念是区分“刚性”转子和“柔性”转子的关键：

刚性转子： 低于其一阶临界转速运行的转子。其轴在运行过程中不会发生明显弯曲。这类转子通常速度较慢，但结构较坚固。
柔性转子： 设计用于在其第一临界转速（有时是第二或第三临界转速）以上运行的转子。在启动和停机过程中，转子轴在临界转速下会发生挠曲和弯曲。涡轮机和压缩机中的高速细长转子属于柔性转子。

由于设计一台低于其第一临界速度的高速机器通常是不切实际的，因此工程师使用几种策略来管理它们：

最常见的策略是确保机器的连续运行速度不要过于接近临界速度。典型的分离裕度为±20-30%。例如，如果临界速度为3,000 RPM，则机器不应在2,400 RPM至3,600 RPM之间连续运行。

对于必须通过临界转速的柔性转子，其启动和停机程序的设计应尽可能快速地通过临界转速范围。在临界转速下停留一段时间会导致振动幅度累积到危险水平。快速通过临界转速可以最大限度地缩短这种放大发生的时间。

阻尼是指振动能量的耗散，它限制了共振时的峰值振幅。轴承，尤其是油膜轴承，是转子系统中的主要阻尼来源。通过优化轴承设计，工程师可以将临界转速下的振动峰值控制在安全可控的水平。

临界转速下的振动是对不平衡的放大响应。转子的平衡越好，力函数就越小，因此在临界转速时峰值振动就越低。对于柔性转子，需要采用特殊的多平面平衡技术。

临界速度可以通过以下几种方法确定：

转子动力学分析（RDA）： 在设计阶段创建计算机模型（通常使用有限元分析）来预测转子的临界速度和模态形状。
启动/滑行测试： 最常见的实验方法。在机器启动或关闭时，绘制振动幅度和相位与速度的关系图。临界速度由明显的振幅峰值和特征性的180度相移来识别。这些测试会生成如下诊断图：波特图和瀑布图.
冲击测试（碰撞测试）： 当转子静止时，用仪器锤敲击转子可以激发其固有频率，该频率与临界转速相对应。