Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Projektowanie maszyn wirujących wymaga dokładnej analizy potencjalnych sprzężeń zwrotnych drgań, które mogą wystąpić w systemie podczas pracy. Jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki ostrożności, nadmierne wzbudzenia wibracyjne w układach wirujących mogą spowodować katastrofalne awarie. W tym artykule proszę zobaczyć, jak wykorzystaliśmy 3DEXPERIENCE STRUCTURAL role i Abaqus FEA w celu przeprowadzenia analizy skupiającej się na identyfikacji prędkości krytycznych, przy których najbardziej prawdopodobne jest wystąpienie dużych wzbudzeń wibracyjnych.
Drgania w układach wirujących
Jeśli chodzi o maszyny wirujące, łagodzenie drgań ma kluczowe znaczenie dla solidności konstrukcji urządzenia i bezpieczeństwa osób znajdujących się w jego pobliżu. Podstawową troską inżynierów projektujących maszyny wirujące są wibracje wynikające z niewyważenia systemu.
Najbardziej namacalny przykład tego rodzaju niewyważenia można zaobserwować (i usłyszeć), gdy wirująca pralka ładowana od góry jest nierównomiernie obciążona. Proszę pomyśleć o głośnym i rytmicznym „Chunk-Chunk-Chunk”, które pojawia się podczas prania ręczników, które nie zostały odpowiednio rozłożone wokół osi obrotowej pralki.
Ten rytmiczny dźwięk to prawdopodobnie wirująca pralka pracująca z krytyczną prędkością. Przy tej krytycznej prędkości bęben będzie wykazywał rodzaj okresowego przesunięcia od osi wirowania znanego jako tryb wirowania. Jeśli to przesunięcie jest wystarczająco duże, może prowadzić do nieprzyjemnego i powtarzającego się dźwięku wanny odbijającej się od obudowy pralki.
Siły uderzeniowe generowane przez interakcję wirnika z obudową mogą prowadzić do wielu niepożądanych skutków, takich jak uszkodzenie obudowy, ścieranie jakiejkolwiek obróbki powierzchni wirnika lub obudowy, a nawet zmniejszenie trwałości zmęczeniowej łożysk z powodu indukowanych sił reakcji. Krótko mówiąc, interakcja wirnika z obudową jest nie tylko uciążliwa, ale może również stać się dość kłopotliwa dla samych projektantów układów wirujących.
Aby zademonstrować rozważania, których projektanci systemów wirujących muszą być świadomi, dołączyliśmy wyniki przykładowego przepływu pracy dla analizy prędkości krytycznej nieobciążonej uproszczonej pralki.
Dynamika wirnika Kształty trybu wirowego
Rysunek 1 przedstawia jeden z wirujących trybów drgań, który występuje w bardzo uproszczonym modelu pralki.
Rysunek 1: Animacja harmoniczna kształtu trybu wirowego. W tej analizie obudowa zewnętrzna funkcjonuje jako korpus wyświetlacza i nie wpływa na reakcję obracającej się wanny i wału.
Dla uproszczenia podczas opracowywania animacji kształtu trybu wirowego, wanna została uruchomiona w pustej konfiguracji bez wody. W rzeczywistości na rzeczywistą reakcję systemu w dużej mierze wpłynęłaby ilość wody i materiału odzieżowego umieszczonego w systemie. Mając to na uwadze, możemy jednak zwizualizować sposób, w jaki środek masy wanny krąży wokół idealnej osi obrotu. Kształt wibracji jest czasami określany jako kształt trybu lub kształt trybu wirowania w przypadku dynamiki wirnika.
Każdy kształt trybu wirowania ma odpowiadającą mu częstotliwość wirowania. Mówiąc prościej, jeśli prędkość robocza obracającej się maszyny jest w przybliżeniu równa tej częstotliwości wirowania, system doświadczy dużych przemieszczeń wibracyjnych i wirowania w taki sam sposób, jak kształt trybu wirowania.
Diagramy Campbella & Jak określić prędkości krytyczne
Częstotliwości wirowania i kształty trybów wirowania są określane poprzez wyodrębnienie złożonych częstotliwości drgań własnych układu. Zazwyczaj analitycy definiują zakres roboczy dla układu wirującego i wyodrębniają złożone częstotliwości drgań własnych przy wielu prędkościach, aby zrozumieć, jak zmieniają się te wartości wraz z ewolucją stanu naprężenia. Najpopularniejszym narzędziem, które przedstawia zmianę wartości częstotliwości drgań własnych z powodu naprężeń odśrodkowych, jest wykres Diagram Campbella.
Rysunek 2: Diagram Campbella dla uproszczonej pralki. Proszę spojrzeć na następny rysunek, aby zobaczyć kształty trybu wirowania
Rysunek 3: Przedstawienie pierwszych trzech kształtów modów. Mode_1 wykazuje drgania skrętne. Mode_2 i Mode_3 wykazują drgania boczne
Rysunek 2 przedstawia diagram Campbella wygenerowany dla uproszczonego modelu pralki. Rysunek 3 przedstawia kształty trybów wykreślone na diagramie Campbella. Z diagramu Campbella można wyciągnąć trzy ważne wnioski:
- Tryb drgań skrętnych (Mode_1) jest niewrażliwy na zmiany stanu naprężenia spowodowane obciążeniem odśrodkowym. Dodatkowo, ten rodzaj reakcji wibracyjnej nie jest zwykle wzbudzany przez niewyważenie w układzie, jak ma to miejsce w przypadku trybów wibracji bocznych (Mode_2 i Mode_3).
- Tryby drgań bocznych rozdzielają się wraz ze wzrostem stanu naprężenia obracającego się układu. Tryb_2 jest klasyfikowany jako tryb wsteczny, w którym środek ciężkości układu krąży po ścieżce przeciwnej do kierunku wirowania wokół idealnej osi wirowania. Tryb_3 jest klasyfikowany jako tryb do przodu, w którym środek ciężkości orbituje po ścieżce zgodnej z kierunkiem wirowania układu. Rysunek 4, pokazany poniżej, wizualizuje klasyfikację kierunkową trybu wirowania do przodu lub do tyłu.
- Przecięcie linii roboczej „Ref 1-1” z jednym z trybów drgań bocznych jest określane jako prędkość krytyczna. Są to prędkości robocze, przy których można oczekiwać dużych przemieszczeń drgań układu i wyższych synchronicznych sił drgań przenoszonych na łożyska z powodu niewyważenia wirnika.
Rysunek 4: Przedstawienie kierunku wirowania (widok z góry)
- Przecięcie linii roboczej „Ref 1-1” z jednym z trybów drgań bocznych jest określane jako prędkość krytyczna. Są to prędkości robocze, przy których można oczekiwać dużych przemieszczeń drgań układu i wyższych synchronicznych sił drgań przenoszonych na łożyska z powodu niewyważenia wirnika.
Jak radzić sobie z krytycznymi prędkościami
Serce analiza prędkości krytycznej koncentruje się wokół opracowania diagramu Campbella (pokazanego na rysunku 2). W przypadku naszej uproszczonej pralki zidentyfikowaliśmy prędkości krytyczne około 425 RPM i 625 RPM odpowiednio dla trybu wstecznego i przedniego. Dzięki tym informacjom projektanci maszyn wirujących mogą następnie zastosować różne podejścia do łagodzenia synchronicznej reakcji drgań spowodowanej niewyważeniem przy tych prędkościach. Strategie te obejmują między innymi:
- Zwiększenie sztywności łożysk w celu przesunięcia prędkości krytycznych do wyższej wartości poza zakres roboczy.
- Zbadanie właściwości tłumiących łożysk w celu zmniejszenia siły drgań przenoszonej przez łożyska na statyczną konstrukcję.
- Zmiana sztywności i masy konstrukcji w celu zmodyfikowania wartości bazowej dla częstotliwości drgań własnych (grubszy wał, lżejszy materiał bębna itp.).
- Zmniejszenie niewyważenia masy w układzie w taki sposób, aby zmniejszyć siły i przemieszczenia generowane przy prędkości krytycznej.
Prędkości krytyczne mają fundamentalne znaczenie dla działania maszyny wirującej. Jeśli zostaną podjęte odpowiednie rozważania, projektanci mogą być w stanie uniknąć niefortunnego scenariusza posiadania prędkości krytycznej w ich zakresie operacyjnym. Jednak w niektórych scenariuszach projektanci mogą nie wiedzieć z wyprzedzeniem, jak dokładnie rozkłada się masa w ich systemie.
Tak jest w przypadku przykładowej pralki. Podczas opracowywania projektu pralki prawdopodobnie założono maksymalne niewyważenie dla normalnych warunków pracy. Kiedy pojawia się hałas „Chunk-Chunk-Chunk”, oznacza to, że użytkownik końcowy prawdopodobnie nie spełnił wymaganej tolerancji wyważenia.
Innymi słowy, ilość drgań jest bezpośrednio skorelowana z ilością niewyważenia w systemie. Tak więc, gdy równomiernie rozłożą Państwo ręczniki, amplituda drgań zmniejszy się, głośny dźwięk „Chunk-Chunk-Chunk” zniknie, a problem zostanie rozwiązany.
Wartość dodana dla klienta
W tym artykule przedstawiliśmy uproszczony przykład wyników generowanych dla klientów poszukujących analizy prędkości krytycznych maszyn wirujących. Ogólnie rzecz biorąc, projekty te mają charakter iteracyjny, w którym opracowujemy model bazowy w celu określenia prędkości krytycznych, jakie ich projekt wykazuje w zakresie roboczym.
Następnie w kontrolowany sposób wykonywane są dodatkowe iteracje i perturbacje modelu w celu określenia wpływu każdej zmiennej na wartość prędkości krytycznych. Te potencjalne zmiany projektowe w symulacji pozwalają na zbadanie przestrzeni projektowej w bardziej opłacalny i terminowy sposób w porównaniu z samym fizycznym prototypowaniem.
Dodatkowo, technika analizy prędkości krytycznej wymaga wstępnego naprężenia układu pomiędzy etapami ekstrakcji częstotliwości drgań własnych. Z tego powodu możemy zapewnić przybliżenie warunków naprężenia w stanie ustalonym dla systemu przy prędkościach w całym profilu. Doprowadziło to do identyfikacji potencjalnych problemów projektowych dla naszych klientów przed wyprodukowaniem prototypów projektowych.
Wnioski
Dynamika wirnika to złożony temat z wieloma gałęziami analizy. W tym artykule skupiono się na jednym sposobie pracy w celu identyfikacji nietłumionych prędkości krytycznych, w których system najprawdopodobniej będzie wykazywał duże synchroniczne drgania wymuszone z powodu niewyważenia w systemie. Dodatkowe analizy w dziedzinie dynamiki wirnika obejmują między innymi:
- Analiza odpowiedzi wymuszonej, która jest charakterystyką naprężeń układu w stanie ustalonym spowodowanych synchronicznymi drganiami wymuszonymi.
- Mapowanie prędkości krytycznej, gdzie sztywność łożysk staje się wybranym parametrem i przeprowadzane są wielokrotne analizy prędkości krytycznej.
- Analiza przejściowa układu wirującego podczas procedury rozruchu lub wyłączenia.
- Analiza stanów nieustalonych układu wirującego podczas przyspieszania do prędkości krytycznej.
Biorąc to wszystko pod uwagę, warto skorzystać z wiedzy specjalistycznej firmy zaufanej usługi konsultingowej może mieć kluczowe znaczenie dla wykorzystania najbardziej wydajnych i skutecznych narzędzi do pracy i utrzymania terminowego harmonogramu rozwoju. GoEngineer ma udokumentowaną historię dostarczania praktycznych informacji zwrotnych projektantom systemów obrotowych, pomagając im w procesie projektowania inżynieryjnego.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.