بخشی از مقاله
چکیده
یاتاقانها یکی از اجزاء اصلی سیستمهای دوار می باشند که بارهای شعاعی و محوری وارده از سمت روتور بر تکیه گاهها راتحمل می کنند. بروز ارتعاش در یاتاقانها نشاندهنده وجود یک عیب در یاتاقان یا مجموعه قطعات دوار می باشد که بایستی بسرعت شناسایی و در صورت امکان مرتفع گردد تا از وارد شدن آسیب به مجموعه قطعات جلوگیری گردد. روشهای مختلفی برای پیدا کردن عیب وجود دارد که مهمترین آنها آنالیز فرکانس ارتعاش می باشد. با توجه به نوع عیب و محل آن، طیف مشخصی از ارتعاشات ایجاد می شود که با توجه به طیف فرکانسی ارتعاشات، می توان عیب موجود در تجهیزات را شناسایی نمود.
در این مقاله ابتدا طبقه بندی ارتعاشات از نظر طیف فرکانس ایجاد شده بطور خلاصه بیان شده و در ادامه دلایل بروز و نحوه رفع ارتعاشات با فرکانسهای زیر دور نامی روتور ارائه شده است. عمده دلایل ایجاد ارتعاشات با فرکانسهای زیر دور نامی روتور حرکت گردابی روغن، وجود لقی در یاتاقان یا تجهیزات و سایش بین تجهیزات دوار و ثابت می باشد که ارتعاشاتی با فرکانس مضربهای مشخصی از دور نامی روتور ایجاد می کنند.
مقدمه
تمامی سیستمهایی که دارای جرم و خاصیت فنریت می باشند، ارتعاش آزاد انجام خواهند داد. فرکانس این ارتعاش که به فرکانس طبیعی سیستم موسوم است مطابق رابطه - 1 - محاسبه می گردد: وقتی که سیستم با نیروی خارجی نوسانی تحریک می شود با همان فرکانس نیروی محرک، ارتعاش می کند. عمده ترین دلایل تحریک هماهنگ در توربینها، نامیزانی در ماشین های دوار، وجود اصطکاک در بین بخشهای دوار و ثابت ماشین، وجود لقی در اجزاء مختلف، اشکال در یاتاقانهاو یا عدم هم محوری می باشد.
ارتعاشات به هر دلیلی که بوجود بیایند باید منابع تولید آنها شناخته شده و برطرف شوند. در غیر این صورت ارتعاشات باعث تخریب در سیستم و اختلال در کار آن می گردند. در توربینهای نیروگاهی که با سرعت 3000 rpm - فرکانس - 50Hz دوران می کنند،ارتعاشات را می توان متناسب با فرکانس آنها به سه دسته کلی ارتعاشات با فرکانس زیر دور نامی ، ارتعاشات با هارمونیکهای برابر با دور نامی و ارتعاشات با هارمونیکهای بالاتر از دور نامی دسته بندی کرد. دراین مقاله ارتعاشات با فرکانس زیر دور نامی مورد بررسی قرارگرفته و دلایل بروز این ارتعاشات و روشهای رفع هر کدام ارائه شده است.
انواع یاتاقان
یاتاقانهای مورد استفاده در توربوژنراتورهای نیروگاهی را از نظر باری که به آنها وارد می شود به سه گروه تقسیم می شوند:
-1 شعاعی
-2 محوری
-3 شعاعی محوری. و از نظر ساختمان و عملکرد نیز به دو گروه تقسیم می شوند:
-1 لغزشی
-2 کفشکی
یاتاقانهای شعاعی
یاتاقانهای شعاعی اجزایی از ماشین آلات هستند که مجموعه محور را در زمان تغییر دور و بار در مرکز قرار داده و بارهای شعاعی را تحمّل می نمایند. این نوع یاتاقانها نباید در برابر چرخش مقاومتی نشان دهند، در غیر این صورت کاهش راندمان سیستم را باعث خواهند شد. یاتاقانهای ژورنال بابیتی از این نوع می باشند.
یاتاقانهای محوری
اگر به شفت بار محوری وارد شود یاتاقان شعاعی نمی تواند مانع از حرکت شفت گردد و لذا باید از یاتاقان محوری استفاده کرد. یاتاقان محوری یاتاقانی است که هنگام کار، بار محوری راتحمّل می نماید. زمانی که نیرو محوری کمی وجود داشته باشد از یاتاقان مخروطی رول می توان استفاده نمود ولی در ماشین آلات سنگین، از یاتاقان تراست کفشکی استفاده می گردد. یاتاقانهای لغزشی چرخش شفت در این یاتاقانها با لغزش همراه است یعنی شفت در داخل یاتاقانمستقیماً می چرخد. در این نوع یاتاقان به منظور حفاظت از شفت و یاتاقان، کاهش اصطکاک و به حداقل رساندن سایش در یاتاقانها، معمولا از یک نوع روانکار یا بوشهای برنجی - در یاتاقانهای یک پارچه - استفاده می شود.
یاتاقانهای کفشکی
در موارد بسیاری درماشین آلات با سرعت بالا یاتاقانهای کفشکی خود تنظیم طراحی می شوند. ساخت این یاتاقانها به ویژه در مواردی که بار شعاعی زیاد است، کاربرد زیادی دارد. این یاتاقانها با 3 کفشک و یا بیشتر طراحی میشوند و تعداد کفشکها بستگی به قطر شفت دارد. در حین کار صفحه کفشکها در صورت زاویه دار شدن شفت، از حرکت گردابی روغن گردابه روغن یک ارتعاش ناشی از تحریک فیلم روغن میباشد. این مسئله در ماشینهای دارای یاتاقان ژورنال که با فشار روغن روانکاری شده و در سرعتهای بالا - بالاتر از دورهای بحرانی - کار میکنند، بوجود می آید. یک شفت در حال گردش با سرعت rpm 1 در یک یاتاقان را در نظر بگیرید. سرعت یاتاقان صفر است. فیلم روغن بین شفت و یاتاقان به شکل گوه درآمده و قاعدتا باید با سرعت 0,5 rpm بچرخد.
بطور معمول شفت برروی نوک گرادیان فشار روغن سوار شده و بهآرامی درون یاتاقان کمی در جهت عمودی با زاویه و شتاب پایدار و تنظیم شده بلند میشود. میزان بلندشدن شفت بستگی بهسرعت روتور، وزن روتور و فشار روغن دارد. درصورت بهرهبرداری از شفت بهصورت خارج از مرکز نسبت به مرکز یاتاقان، فیلم روغن به درون یک گوه منتقل میشود تا این فیلم فشاردار، نیروی لازم برای تحمل بار را ایجاد کند.
اگر نیروی اغتشاشی یا شوک خارجی به شفت وارد شود، بهصورت لحظهای خروج از موقعیت تعادل شفت را افزایش میدهد. وقتی این حالت رخ میدهد. روغن اضافه بهسرعت درون فضای خلاء ایجاد شده توسط شفت پمپ میشود و نتیجه آن افزایش فشار در فیلم روغنی است که بار را تحمل میکنند و در نتیجه نیروی اضافی بین شفت و فیلم روغن ایجاد میشود. فیلم روغن میتواند شفت را بهسمت جلو و در حرکت چرخشی و در مسیر حرکت گردابی حول یاتاقان در فضای کلیرنس یاتاقان حرکت دهد. اگر نیروی دمپینگ کافی در سیستم وجود داشته باشد، شفت میتواند به وضعیت نرمال و پایدار خود برگردد. در غیر اینصورت شفت به حرکت گردابی خود ادامه خواهد داد که ممکن است خطرناک باشد. حرکت گردابی دارای مشخصههای زیر است:
-1 حرکت گردابی روغن در شرایط زیر میتواند ایجاد شود :
- نیروهای دینامیکی با بارگذاری اولیه کم.
- افزایش بابیت یا سایش بابیت یاتاقان.
- تغییر مشخصات روغن - ویسکوزیته برشی اولیه - .
- افزایش یا کاهش فشار یا دمای روغن، طراحی غلط یاتاقان - طراحی برای بارهای بیشتر نسبت به بار واقعی یاتاقان - .
- نشتی بخار از شرودهای سرپرهها و سیلهای روی شفت - نیروهای آیرودینامیکی نامیده میشوند - .
- تغییر در دمپینگ داخلی - سایش، دمپ مواد یا سایش خشک -
-اثرات ژیروسکوپی مخصوصاً در روتورهای آویزان هریک از این شرایط پس از اعمال نیرو به شفت در حال چرخش میتواند باعث چرخش گردابی روغن شود.
-2 بعضی اوقات در ماشینها بطور متناوب چرخش گردابی روغن ایجاد میشود که ناشی از انتقال نیروهای ارتعاشی خارجی از واحد یا سایر منابع به ماشین میباشد. در این موارد این نیروهای ارتعاشی همان فرکانس چرخش گردابی روغن یاتاقان را دارند و میتوانند درست به اندازه بزرگی نیروهای اغتشاشی در همان فرکانس شفت در حرکت گردابی باشند. این ارتعاش از ماشینهای دیگر از طریق اتصلات مانند لولهها و بستها یا حتی از طریق فندانسیون و کف منتقل میشود. اگر این اتفاق بیفتد لازم است که این ماشین از ماشینهای اطراف آن ایزوله شده یا ماشین موردنظر بهتنهایی ایزوله شود.
-3 چرخش گردابی روغن را بهسادگی میتوان از روی فرکانس ارتعاش غیرمعمول آن که معمولاً 42 تا 48 درصد دور شفت میباشد، تشخیص داد - مرجع 2 بیان میکند که حرکت گردابی روغن بهتنهایی در 43 درصد سرعت شفت اتفاق میافتد اما ناپایداری ممکن است در اولین دور بحرانی اتفاق بیفتد - .
-4 در صورتیکه دامنههای ویبریشن در حرکت گردابی روغن به 40 تا 50 درصد کلیرنس نرمال یاتاقان برسد خطرناک میشود. در این حالت، اقدام اصلاحی باید اتخاذ شود و وقتی دامنه جابجایی به بیش از نصف کلیرنس یاتاقان میرسد، گردابه روغن بسیار جدی میشود. در مدار حرکت در اسیلسکوب مشاهده میشود که دو نقطه ثابت وجود دارد. اقدامات اصلاحی به دو بخش اقدامات اصلاحی موقتی و دائم تقسیم می شوند.
اقدامات اصلاحی موقتی عبارتند از:
-1 تغییر دمای روغن - و در نهایت ویسکوزیته روغن -
-2 اعمال عمدی یک نامیزانی یک عدم هم محوری کم برای افزایش بارگذاری یاتاقان
-3 جابجائی موقتی الایمنت با گرم کردن یا سرد کردن پایههای ساپورت بابیت یاتاقان برای بر هم زدن گوه روانکاری یا تغییر فشار روغن.
اقدامات اصلاحی اساسی عبارتند از:
-1 نصب پوسته جدید یاتاقان با کلیرنسهای صحیح
-2 بارگذاری اولیه یاتاقان بوسیله فشار روغن
-3 تعویض نوع یاتاقان با نوعی که نسبت به چرخش روغن مقاومت بیشتری دارد مانند یاتاقانهای چند تکهای
-4 یاتاقانهای دارای شیار طولی یا یاتاقانهای با پدهای شیبدار یاتاقانهای با پدهای شیبدار بهترین انتخاب میباشند چون هر پد باعث ایجاد گوه روغن فشارداری میشود که شفت را به سمت مرکز هل میدهد بنابراین دمپینگ و پایداری سیستم را افزایش میدهد.
ضربه روغن
گردابه روغن وقتی که شفت درست روغنکاری نشود، ایجاد میشود و در صورت انطباق فرکانس گردابه با سرعت بحرانی روتور، می تواند باعث ناپایداری شود. رزونانس ایجاد شده ناشی از انطباق دور شفت با فرکانس گردابه روغن، منجر بهشکل خیلی جدیتر گردابه روغن معروف به ضربه روغن میگردد. سرعت گردابه برروی سرعت بحرانی روتور قفل میشود و حتی وقتی که ماشین به سرعتهای بالاتر میرسد، حذف نخواهد شد.
شکل - 3 پدیده ضربه روغن وقتی روتور از دور بحرانی خود عبور میکند، اتفاق میافتد. ضربه روغن یک عیب مخرب برای یاتاقان است. فرکانس این عیب خود تحریک کننده، ممکن است، هارمونیکهای از سرعت شفت باشد. وقتی از نظر هارمونیکی ارتباط نداشته باشد، نقاط بهصورت تصادفی متحرک دیده میشوند که - شکل - 4 وقتی فرکانس ارتعاشات هارمونیکی از دور روتور باشد، نقاط ثابت بهنظر میرسند.
ضربه خشک
ضربه خشک در یاتاقانهایی اتفاق میافتد که یا بدون روغن روانکاری بوده و یا روانکاری غلط انجام شده است. وقتی این اتفاق میافتد اصطلاک زیادی بین یاتاقان و روتور در حال چرخش بوجود میآید. این اصطلاک باعث ایجاد ارتعاش در یاتاقان و دیگر قطعات میشود. این نوع ارتعاش، ضربه خشک روغن نامیده میشود. ضربه خشک همچنین میتواند در یاتاقانهای دارای کلیرنس بیش از حد یا آنهایی که دارای کلیرنس کم میباشند، ایجاد شود. شرایط ضربه خشک مشابه سائیدن انگشت مرطوب برروی شیشه یا صفحه خشک میباشد. فرکانس ارتعاشات ایجاد شده بستگی به جنس شفت، هندسهها و خواص روانکارها دارد. فرکانس ارتعاشات مضرب صحیحی از دور ماشین نیست.
