转子动力学中的临界转速解释
A 临界速度 是指转子运行频率与其其中一个 固有频率 振动。当机器以临界转速或接近临界转速运行时， 谐振 一旦生效，哪怕是微乎其微的一点 残余不平衡量 被放大成巨大且可能具有危险性的 振动. 由于每个转子都具有多个固有频率——每种振动模态对应一个频率，例如第一弯曲模态、第二弯曲模态等——因此它也具有多个临界转速。预测、区分并安全地穿越这些转速，是 转子动力学.
1. 定义：什么是临界速度？
旋转的转子实际上是一个质量-刚度系统，与任何此类系统一样，它具有倾向于发生振动的特定频率。 运转速度会因不平衡而产生每转一次的激励输入。当运转速度与固有频率相同时，该激励输入便与转子自身的振荡完美同步，能量在每个周期中不断积累，振幅随之急剧增大。这一重合点即为临界转速。
转子在临界转速下高速旋转时所呈现的形状是它的 模态形状，而由此产生的侧向旋转运动正是以下所述的一类行为 whirl and whip. 关键在于，临界转速并非不平衡的固有属性——不平衡仅仅是 excites 。转速本身由转子的质量、几何形状以及其轴和支承的刚度决定。
2. 为什么临界速度如此重要
即使只是短暂地以临界转速运行机器，也可能造成灾难性后果。其后果包括：
- 过度振动： 振幅可能会增加10倍、20倍甚至更多，具体取决于 阻尼 the system has.
- 组件故障： 高振动和轴偏转会导致轴承失效、密封件损坏以及 擦 旋转部件与静止部件之间。
- 轴系灾难性失效： 在严重情况下，交变弯曲应力会超过材料的疲劳极限，导致轴出现裂纹或断裂。
- Safety hazards: 高速运行时的故障会危及人员及附近设备的安全。
因此，机械设计中特意留有一个 分离裕度：正常连续运行速度与每个临界转速之间保持安全距离。
3. 刚性转子与柔性转子
临界转速正是将转子分为两类的关键概念：
- Rigid rotor: operates 低于 其第一临界转速。其轴在运行中不会明显弯曲——通常是那些转速较低、结构更紧凑的机器，经过平衡处理以达到 ISO 21940-11 tolerances.
- Flexible rotor: designed to run 以上 其第一个（有时是第二个或第三个）临界转速。在启动和停机过程中，当转子通过每个临界转速时，其轴会发生弯曲和变形。涡轮机和压缩机中的细长高速转子属于柔性转子，它们需要 多平面平衡 涵盖的技术包括 ISO 21940-12.
4. 运行中的临界转速管理
由于设计一台始终保持在第一临界转速以下运行的高速机器往往不切实际，工程师们便综合采用多种策略，以确保安全运行。
4.1 分离裕度
最基本的原则是将连续运行转速控制在任何临界转速之外，通常的裕度为±20%–30%。如果临界转速为3,000转/分，则设备不应在约2,400至3,600转/分之间连续运行。
4.2 快速加速与减速
必须穿越临界转速的柔性转子，应在危险转速区间内快速加速并迅速停机。若在临界转速下停留过久，振幅会累积至危险水平；而快速通过则能阻止共振时间延长。
4.3 Damping
阻尼能消散振动能量，并限制共振时的峰值振幅。轴承——尤其是流体膜轴承 滑动轴承 ——是主要的阻尼来源；挤压膜阻尼器可在必要时提供额外阻尼。通过优化轴承设计，可将临界转速峰值控制在安全且可控的范围内。
4.4 精密动平衡
由于临界转速下的振动是对不平衡的放大响应，因此转子的平衡越好，其激励函数就越小，当转子扫过共振点时，其峰值也越低。对于柔性转子，模态法和多平面法会依次针对每个模态进行分析。
5. 如何确定临界速度
临界速度既可在理论上推导，也可在试验台上测得：
- 转子动力学分析（RDA）： 在设计阶段建立的有限元模型可在金属切割前预测临界转速和模态形状。我们的 转子临界转速计算器 可根据轴的几何形状和支承情况，快速初步估算其最低临界转速。
- 加速和滑行测试： 最常见的实验方法，即在该过程中将振幅和相位与速度作图 升速运行 或 coast-down临界速度表现为一个明显的振幅峰值，并伴有特征性的180° 相位 相移，显示在 波特图 或 瀑布图.
- 冲击（碰撞）测试： 用装有传感器的锤子敲击静止的转子会激发其固有频率，这些频率对应于其临界转速——参见 碰撞测试.
对于在不同转速下运行的机器，激振阶次与固有频率之间的关系最好通过 坎贝尔图；您可以使用 坎贝尔图计算器.
6. 在现场确认裕度
预测临界转速只是工作的一半；验证实际机器的行为是否与预测一致则是另一半。像这样的便携式双通道分析仪 Balanset-1A 该仪器可在加速或减速过程中捕获转速（rpm）与振幅及相位的对应关系，因此可直接从波形图中读取实际临界转速的位置及其共振峰的高度。如果数据显示机器运行转速过于接近临界转速，该仪器还支持现场平衡校正，通过降低激振力并抑制共振峰，让您在转子实际运行的轴承条件下确认分离裕度。
