Rotující soustavy, měření kritických otáček, typické projevy dynamiky rotorů
www.kme.zcu.cz/kmet/exm
1
Obsah prezentace 1. Rotující soustavy 2. Základní model rotoru – Lavalův rotor 3. Nevyváženost rotoru 4. Nesouosost 5. Rezonance 6. Vliv ložisek 7. Vliv ozubení 8. Ventilátory 9. Vibrace motoru
2
Rotující soustavy ● Aniž bychom si uvědomovali, rotující soustavy se staly nedílnou součástí našeho života – od kuchyňských spotřebičů přes komponenty počítačů, dopravní techniku až po energetický průmysl (turbosoustrojí, čerpadla, ventilátory, …)
3
Rotující soustavy ● Shrňme, co může způsobit nejčastěji problém s kmitáním rotujících soustav. ● Kmitání všech strojů obecně je způsobeno - nepřesným návrhem - nepřesnou výrobou ● Přesně vyrobený a navržený stroj nebude vykazovat vibrace. ● Připomeňme, že s kmitáním stroje je spjato vyzařování hluku.
4
Lavalův rotor
● Hmotný kotouč nasazený uprostřed nehmotného hřídele.
● Hřídel je charakterizován ohybovou tuhostí k. ● G představuje polohu těžiště. ● S udává polohu středu hřídele v rovině xy. ● Pohyb zkoumáme v rovině xy. 5
Lavalův rotor
● xS, yS … poloha středu S, e … excentricita
●
… úhlová rychlost hřídele G představuje polohu těžiště.
6
Lavalův rotor
● Poloha těžiště je dána jako
● Pohybová rovnice má tvar
7
Lavalův rotor
● Vlastní frekvence modelu rotoru
8
Nevyváženost rotoru ● Statická nevyváženost (těžiště mimo osu rotace)
● Dynamická nevyváženost (nenulové deviační momenty)
9
Nevyváženost rotoru ● Statická nevyváženost (těžiště mimo osu rotace) - důsledkem je odstředivá síla, které se přenáší do základu, způsobuje nežádoucí deformace ● Dynamická nevyváženost (nenulové deviační momenty) - důsledkem jsou setrvačné momenty vyvolávající ohyb hřídele
● Důvody nevyváženosti - pórovitost odlitků - nerovnoměrné rozložení hustoty materiálu - výrobní tolerance - ztráta materiálu během provozu - údržba: výměna ložisek apod. - výměna šroubů - sériová výroba - spojky - cokoliv, co ovlivňuje rozložení hmoty 10
Nesouosost ● spojení dvou rotujících zařízení s nesouosými osami rotace Vertikální Paralelní
Úhlová
Horizontální
11
Rozlišení nesouososti a nevyváženosti ● projevy nesouososti - vibrace s otáčkovou frekvencí - teplotně nezávislé - vibrace rostou s rostoucími otáčkami hřídele (roste velikost odstředivé síly) ● nesouosost - vibrace s frekvencemi, které jsou násobky otáčkové - velké axiální projevy - teplotně závislé, vibrace se mění s ohříváním - málo citlivé vůči rychlosti, síly vzniklé nesouosostí zůstávají konstatní
12
Rezonance ● vzniká pokud je frekvence budicí síly je blízká vlastní frekvenci ● dochází k zesílení kmitání
Rezonanční tvary oboustranně vetknutého nosníku
První Druhý
Třetí 13
Rezonance ● buzení impulsem ● dochází k vybuzení soustavy tak, že kmitá s vlastní frekvencí
14
Vliv ložisek ● k vibracím vyvolaným ložisky a k možnému selhání ložisek dochází kvůli - znečištění - přetížení - nedostatku maziva - vadám vzniklým po výrobě ● vadně usazené ložisko
15
Vliv ozubení ● ozubení přenáší výkon z jednoho rotujícího hřídele na druhý ● ozubení díky výrobním nepřesnostem vykazuje kinematickou úchylku, která se projevuje frekvencí otáčková frekvence x počet zubů ● defekty ozubení jako např. lomy vzniklé materiálovou únavou v patě zubů lze měřením detekovat
16
Ventilátory ● ventilátory vykazují řadu vibračních problémů díky jejich funkci a konstrukci ● ventilátory slouží k distribuci vzduchu (plynů obecně), v praxi se ale bohužel nejedná pouze a čisté plyny, často se jedná o případ, kdy jsou v plynu přítomny různé nečistoty, které mohou ulpívat na lopatkách ventilátoru ● sací část potrubí ventilátorů vykazuje vibrace nízkých frekvencí (100 Hz), které se přenášejí do konstrukcí stěn a podlah
17
Vibrace motoru ● elektromotory provozované v elektrické síti (50 Hz) vyzařují mechanické kmitání s frekvencí 100 Hz, tento jev se nazývá magnetostrikce – změna rozměrů způsobená magnetickým polem.
● elektrické motory vykazují torzní kmitání s frekvencí závislou na počtu pólů motoru ● vibrace vyvolané elektrickými problémy mohou být snadno rozpoznány pouhým odpojením motoru od sítě
● v současnosti se instalují pohony s proměnnými otáčkami, kvůli snížení spotřeby energie
18
Použité zdroje ● Výukové a školicí materiály firmy Bruel&Kjaer http://www.bksv.com/ ● V. Wowk: Machinery Vibration – measurement and analysis.
19
