Nu este un secret faptul că vibrațiile severe pot distruge rulmenții, distruge arborii și pot perturba producția. Ceea ce este mai puțin cunoscut este că componentele rezonante ale mașinii și structurile de susținere pot mări chiar și probleme mici de vibrații suficient pentru a deteriora echipamentele conectate sau pentru a provoca defecțiuni catastrofale.

Nu este un secret faptul că vibrațiile severe pot distruge rulmenții, distruge arborii și pot perturba producția. Ceea ce este mai puțin cunoscut este că componentele rezonante ale mașinii și structurile de susținere pot mări chiar și mici probleme de vibrație suficient pentru a deteriora echipamentele conectate sau pentru a provoca defecțiuni catastrofale ale mașinii. Pentru a rezolva rapid o problemă a vibrațiilor și a evita astfel de rezultate nedorite, un prim pas important este să stabilim dacă sursa vibrației crescute este rezonanța în echipamentul rotativ sau într-o structură de susținere.

ingineria

Vibrațiile rezonante în structurile mecanice, cum ar fi pompele, turbinele și motoarele, apar atunci când o frecvență naturală este la sau aproape de o frecvență de forțare, cum ar fi viteza rotorului. Atunci când este prezentă, această afecțiune poate provoca niveluri severe de vibrații prin amplificarea forțelor vibraționale mici din funcționarea mașinii. Astfel de probleme se dezvoltă adesea după ce a fost implementată o schimbare de viteză, la fel ca la montarea unei mașini cu o unitate cu viteză reglabilă (ASD) sau la acționarea unui motor de 50 Hz la o putere de 60 Hz. Soluția depinde adesea de capacitatea de a distinge între rezonanța structurală și viteza critică a rotorului.

Rezonanță structurală: Rezonanța structurală se referă la vibrațiile excesive ale componentelor care nu se rotesc, de obicei piese ale mașinii sau structuri de susținere. Datorită complexității acestor componente, este starea rezonantă mai frecventă și apare de obicei la viteza de rotație a mașinii sau aproape de ea. Chiar și forțele vibraționale ușoare cauzate de dezechilibrul rezidual și efectele de dezaliniere ale mașinii pot excita structura de bază rezonantă, rezultând vibrații severe. Un bun exemplu în acest sens este vibrația frecvenței stufului care apare adesea la pompele verticale cu turbină care au un motor montat deasupra cotului de descărcare. Componentele mașinii pot fi, de asemenea, rezonante; există multe exemple de motoare electrice cu doi poli în care un suport de capăt rezonant a provocat vibrații axiale foarte mari la 1 x rpm sau 2 x rpm.

Viteza critică a rotorului: O viteză critică a rotorului există atunci când elementul rotativ al unei mașini este componenta rezonantă și viteza sa se potrivește cu frecvența naturală a rotorului. Acest lucru este obișnuit cu pompele centrifuge, turbine cu gaz și abur și motoarele electrice mari, cu doi poli. În timp ce rezultatul este similar cu rezonanța structurală (vibrații mari la o anumită viteză de funcționare), viteza critică a rotorului este un fenomen mai complex. Când viteza de funcționare atinge frecvența de rezonanță a elementului rotativ, elementul rotativ se distorsionează și forțele vibratorii cresc semnificativ.

Este important să se facă distincția corectă între rezonanța structurală și viteza critică a rotorului. Termenul „viteză critică” (fără cuvântul „rotor”) este oarecum ambiguu. Din punct de vedere tehnic, o viteză critică ar putea fi fie o rezonanță structurală, fie o viteză critică a rotorului. Din motive de claritate, este bine să evitați utilizarea acestui termen. Termenul simplu „rezonanță” poate fi aplicat ambelor condiții pentru a evita confuzia.

Caracteristicile rezonanței

Așa cum s-a descris mai sus, cea mai notabilă caracteristică a rezonanței este vibrația crescută atunci când se atinge o anumită viteză de funcționare. De asemenea, se va observa că, pe măsură ce viteza de funcționare este crescută dincolo de frecvența de rezonanță, amplitudinea vibrațiilor va scădea oarecum. Graficul Bode din Figura 1 arată viteza de funcționare versus amplitudine. Din motive ilustrative, presupuneți că forța excitantă este dezechilibrul rezidual al rotorului la viteza de rotație.

Formula pentru calcularea frecvenței naturale este:

Unde „K” este rigiditatea structurii sau componentei rezonante și „W” este greutatea (masa). Rețineți că la baza acestei formule se află:

Prin urmare, creșterea rigidității va crește frecvența naturală, iar masa crescută o va reduce. Acest lucru este logic, deoarece rigiditatea creează o forță care este întotdeauna îndreptată împotriva mișcării, în timp ce masa are inerție, care este o forță întotdeauna direcționată cu mișcarea. Rezonanța este ceea ce se întâmplă atunci când aceste două forțe opuse sunt egale; se anulează reciproc, permițând creșterea vibrațiilor.

Factorul de amortizare

O a treia forță, amortizarea, funcționează pe toată gama de viteze. Amortizarea absoarbe energia vibrativă, transformând-o în căldură. Procedând astfel, amortizarea reduce amplitudinea maximă a vibrației la rezonanță și crește lățimea zonei de amplificare (Figura 2). Un exemplu obișnuit de amortizare sunt amortizoarele de pe un vehicul. Mașinile cu rulmenți cu manșon pot avea o amortizare semnificativă care poate chiar masca viteze critice. Pe bazele mașinilor, betonul și chituirea adaugă o amortizare semnificativă unei structuri de bază.

Aceste forțe (rigiditate, masă și amortizare) determină caracteristicile rezonanței și sunt importante în distincția dintre rezonanța structurală și viteza critică a rotorului.

Cu rezonanță structurală, mașina funcționează foarte aproape de o frecvență de rezonanță. Se observă cel mai mult atunci când amortizarea este redusă, deoarece rezultă o amplitudine de vibrație foarte mare. Există două moduri rigide care pot fi descrise ca „sărind” și „balansând”. Soluțiile includ schimbarea frecvenței de rezonanță pentru a o îndepărta de viteza de funcționare prin modificarea rigidității sau masei și creșterea amortizării pentru a reduce direct amplitudinea. (Diferitele metode de implementare a acestor măsuri corective sunt subiecte pentru un alt articol. Obiectivul este o comparație cu turațiile critice ale rotorului.)

Cu o viteză critică a rotorului, problema este destul de diferită. În primul rând, rigiditatea, masa și amortizarea rotoarelor montate pe rulmenții elementelor rulante nu pot fi schimbate aproape niciodată în mod eficient, iar amortizarea este de obicei foarte scăzută. (Notă: Frecvențele naturale ale rotorului montat la mașinile cu rulmenți mari pot fi modificate într-o anumită măsură prin modificarea dinamicii rulmentului.) În al doilea rând, niciun rotor nu este proiectat intenționat pentru a avea o viteză critică apropiată de viteza sa de funcționare. Problema în acest caz nu este că viteza de funcționare este aproape de rezonanță, ci că la viteza critică a rotorului rotorul se distorsionează și efectele neliniare provoacă vibrații excesive. În acel moment devine mai degrabă un „rotor flexibil” decât un „rotor rigid”.

Un rotor rigid funcționează sub prima turație critică a rotorului și poate avea numeroase forțe de dezechilibru distribuite de-a lungul axei sale. Suma acestor forțe de dezechilibru poate fi corectată în oricare două planuri cu metode comune de echilibrare dinamică pe două planuri. În aceste moduri rigide, rotorul se poate flexa ușor, dar mișcările la rulmenți reprezintă cu exactitate starea de dezechilibru. Cu toate acestea, odată ce rotorul devine flexibil, peste prima turație critică a rotorului, distribuția forțelor de dezechilibru va distorsiona rotorul, provocând o stare dezechilibrată care nu era prezentă în modurile rigide. Acest dezechilibru al modului flexibil provoacă vibrații crescute care persistă la viteze mai mari.

Cu rezonanță structurală, forța este constantă în timp ce răspunsul vibrator al structurii se schimbă cu viteza. Cu o viteză critică a rotorului, forța se schimbă pe măsură ce rotorul se distorsionează pentru a se conforma forțelor de dezechilibru distribuite de-a lungul axei rotorului. Soluția la o viteză critică a rotorului este eliminarea forțelor de dezechilibru în diferite planuri de-a lungul axei rotorului. De obicei, nu este posibil să se detecteze unde sunt forțele de dezechilibru cu rotorul în modul rigid, astfel încât rotorul trebuie să fie acționat deasupra vitezei critice a rotorului (în modul flexibil) pentru a detecta efectele dezechilibrului.

Moduri de îndoire

Pe măsură ce viteza unui rotor crește, acesta va trece printr-o serie de moduri de îndoire: primul mod de îndoire; al doilea mod de îndoire, al treilea mod de îndoire și așa mai departe.

Rotoarele pentru pompele cu mai multe etape și turbinele cu gaz și abur pot funcționa peste viteza critică a primului sau celui de-al doilea rotor, iar generatoarele operează uneori peste viteza critică a celui de-al treilea rotor. Rotoarele pentru motoarele electrice mari, cu doi poli, pot funcționa peste viteza critică a primului rotor, dar rareori peste a doua. Rotoarele proiectate pentru o astfel de funcționare a „rotorului flexibil” au prevederi pentru planuri de echilibrare suplimentare pentru a se potrivi procedurilor de echilibrare dinamică care elimină forțele de dezechilibru reziduale care cauzează distorsiunea flexibilă a rotorului. Aceste proceduri de echilibrare dinamică necesită rotirea rotorului la viteza de funcționare, care poate fi realizată în siguranță numai cu mașini de echilibrare special concepute într-o groapă de centrifugare. Alternativ, componentele individuale ale rotoarelor flexibile, cum ar fi rotorele, pot fi echilibrate înainte de asamblare.

Înțelegerea diferenței dintre rezonanța structurală și viteza critică a rotorului va ajuta la clarificarea discuției pentru personalul de întreținere și service, mai ales atunci când subiectul este pompele cu mai multe etape, turbine sau motoare mari, cu doi poli.

Eugene Vogel este specialist în pompe și vibrații la Asociația de Aparate Electrice, Inc. (EASA).