Prędkość krytyczna to prędkość obrotowa, przy której częstotliwość własna wirnika pokrywa się z jego prędkością pracy, powodując rezonansowe wzmocnienie drgań, które może być od drobnej uciążliwości do zdarzenia niszczącego maszynę. Każde urządzenie wirujące z wałem ma jedną lub więcej takich prędkości, a znajomość ich położenia względem zakresu roboczego jest kluczowa przy określaniu parametrów, uruchamianiu i diagnozowaniu sprzętu.
Wirnik jest układem masowo‑sprężystym podpartym na łożyskach, które zachowują się jak sprężyny i tłumiki, więc ma częstotliwości własne, przy których będzie drgał po wzbudzeniu. Dominującym wzbudzeniem jest niezrównoważenie, siła obracająca się synchronicznie z wałem i rosnąca wraz z kwadratem prędkości.
Gdy prędkość obrotowa równa się częstotliwości własnej, siła niezrównoważenia dostarcza energię do tego trybu przy każdym obrocie i drgania gwałtownie rosną: to jest prędkość krytyczna. Z dala od niej odpowiedź kontrolują sztywność i bezwładność; w pobliżu niej to tłumienie decyduje, jak wysoki stanie się szczyt.
Elastyczny wirnik ma nieskończony szereg postaci modalnych zginających, choć w zakresie prędkości większości maszyn istotne są tylko najniższe z nich.
Sztywność łożysk, elastyczność podpór i efekty sprzężeń przesuwają te częstotliwości względem teoretycznych wartości wyznaczonych dla samego wału, dlatego analiza musi modelować cały układ łożysk i podpór, a nie tylko wał.
Klasyfikacja ma znaczenie, ponieważ zmienia sposób, w jaki maszynę należy wyważać i analizować:
| Klasa wirnika | Definicja | Typowy przykład | Podejście do wyważania |
|---|---|---|---|
| Wirnik sztywny | Poniżej około 70, 75% pierwszej prędkości krytycznej | Małe pompy, wentylatory, silniki niskoprędkościowe | Wyważanie w jednej lub dwóch płaszczyznach przy niskiej prędkości |
| Wirnik giętki | Zbliża się do, osiąga lub przekracza prędkość krytyczną zginania | Wielostopniowe sprężarki, turbiny parowe, generatory | Wyważanie wielopłaszczyznowe oraz analiza rotodynamiczna |
| Wirnik quasi‑elastyczny | Około 75, 100% pierwszej prędkości krytycznej | Niektóre pompy i dmuchawy wysokoprędkościowe | Indywidualnie; często traktowany jako giętki |
Wirnik sztywny przy niskiej prędkości może stać się problemem wirnika giętkiego, gdy napęd częstotliwościowy (VFD) przesunie go do wyższego zakresu, to jeden z powodów, dla których modernizacje VFD wymagają przeglądu rotodynamicznego, a nie tylko kontroli silnika i napędu.
Większość maszyn, których prędkość krytyczna leży poniżej prędkości roboczej, przechodzi przez ten rezonans dwukrotnie w każdym cyklu pracy: raz podczas przyspieszania i raz podczas hamowania. Amplituda podczas przejścia zależy od tempa przyspieszania i tłumienia w danym trybie, dlatego unikamy długiego toczenia w pobliżu prędkości krytycznych.
Łożyska hydrodynamiczne zazwyczaj dodają więcej tłumienia niż łożyska toczne, ograniczając szczyt, ale wprowadzają też zależną od prędkości sztywność, którą trzeba uwzględnić w analizie. Sprawdź stan filmu olejowego razem z danymi drgań; zobacz nasz przewodnik po reżimach smarowania .
Diagram Campbella przedstawia częstotliwość własną wirnika (i jej harmoniczne) w funkcji prędkości obrotowej. Linia 1X reprezentuje częstotliwość siły niezrównoważenia, która z definicji równa się prędkości obrotowej; tam, gdzie przecina krzywą częstotliwości własnej, mamy prędkość krytyczną.
Często dodaje się też linie 2X i inne harmoniczne odnoszące się do błędnego ustawienia, luzów, współpracy zębów przekładni czy przejść łopat. W łożyskach hydrodynamicznych sztywność zmienia się z prędkością, więc krzywe częstotliwości nie są płaskie i diagram trzeba zbudować dla pełnego zakresu pracy.
Odczytywanie go razem z trendami drgań jest lepsze niż ocena samej amplitudy; zobacz nasze przeglądy ISO 10816-3, ciężkość drgań oraz ISO 20816, strefy ciężkości drgań .
Margines separacji (SM) to wymagany odstęp między prędkościami krytycznymi wirnika a jego zakresem roboczym, wyrażony w procentach, tak aby normalne zmiany sztywności, masy lub tłumienia nie przesunęły prędkości krytycznej do zakresu pracy.
API 610 (pompy odśrodkowe dla przemysłu naftowego, petrochemicznego i gazowego) wymaga minimalnego marginesu separacji między zakresem prędkości roboczej a najbliższą prędkością krytyczną, zwykle podawanego na poziomie 10, 20% w zależności od tego, czy prędkość krytyczna leży powyżej, czy poniżej pasma.
API 684 (podręcznik rotodynamiczny cytowany przez API 610, 612 i 617) określa metodę analizy, w tym niedłumioną prędkość krytyczną, tłumioną odpowiedź na niezrównoważenie oraz analizę stabilności, i wiąże margines z współczynnikiem wzmocnienia (AF) pochodzącym ze szczytu odpowiedzi: ostro zarysowana, słabo tłumiona odpowiedź wymaga większego marginesu niż szeroka, dobrze tłumiona.
Śledzenie tranzyjentów drgań podczas rozruchu i wybiegania, wraz z zapisem stanu łożysk i ustawienia, zamienia jednorazowe badanie rotodynamiczne w ciągły program niezawodności.
Rejestrowanie tych sygnatur względem historii konserwacji w systemie takim jak Fabrico pozwala wychwycić stopniowy wzrost amplitudy przy prędkości krytycznej, często wczesny sygnał zużycia łożyska lub tarcia uszczelnienia, zanim doprowadzi to do wyłączenia. Zarezerwuj demo Fabrico , aby zobaczyć, jak dane o stanie i historia zleceń łączą się w jednym miejscu.
Nie. Ciągła praca w tym punkcie podtrzymuje rezonansowe wzmocnienie i może powodować szybkie uszkodzenia uszczelnień, łożysk lub sprzęgieł. Maszyny mają margines separacji, aby temu zapobiegać; jeśli prędkość krytyczna przesunie się do zakresu z powodu zużycia, najpierw ustal przyczynę.
Prędkość krytyczna to tryb zginania wirnika wzbudzany przez synchroniczne niezrównoważenie. Częstotliwości własne łożysk lub podpór to odrębne rezonanse elementów nieruchomych, chociaż oddziałują z trybami wirnika poprzez sztywność.
Wyważanie zmniejsza siłę niezrównoważenia wzbudzającą tryb, obniżając amplitudę szczytową, ale nie przesuwa samej prędkości krytycznej. Jeśli leży ona zbyt blisko zakresu pracy, rozwiązanie wymaga zmiany konstrukcyjnej sztywności, masy lub podpory łożysk.
Sam napęd nie zmienia częstotliwości własnych wirnika, ale praca w szerszym zakresie prędkości zwiększa prawdopodobieństwo, że prędkość krytyczna znajdzie się wewnątrz nowego pasma. Każda modernizacja VFD na sprzęcie nieprzeznaczonym do pracy z regulacją powinna obejmować przegląd rotodynamiczny.
Zaloguj
Blog
