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什么是临界转速?了解临界转速有何意义?

作者:宁波市北仑区广起精密仪器 浏览: 发表时间:2020-03-20 11:52:24

临界转速是指数值等于转子固有频率时的转速。转子如果在临界转速下运行,会出现剧烈的振动,而且轴的弯曲度明显增大,长时间运行还会造成轴的严重弯曲变形,甚至折断。

装在轴上的叶轮及其他零、部件共同构成离心式压缩机的转子。离心式压缩机的转子虽然经过了严格的平衡,但仍不可避免地存在着极其微小的偏心。另外,转子由于自重的原因,在轴承之间也总要产生一定的挠度。上述两方面的原因,使转子的重心不可能与转子的旋转轴线完全吻合,从而在旋转时就会产生一种周期变化的离心力,这个力的变化频率无疑是与转子的转数相一致的。当周期变化的离心力的变化频率和转子的固有频率相等时,压缩机将发生强烈的振动,称为“共振”。所以,转子的临界转速也可以说是压缩机在运行中发生转子共振时所对应的转速。

 

一个转子有几个临界转速,分别叫一阶临界转速、二阶临界转速……。临界转速的大小与轴的结构、粗细、叶轮质量及位置、轴的支承方式等因素有关。

 

了解临界转速的目的在于设法让压缩机的工作转速避开临界转速,以免发生共振。通常,离心压缩机轴的额定工作转速竹或者低于转子的一阶临界转速,n1,或者介于一阶临界转速n1与二阶临界转速n2之间。前者称作刚性轴,后者称作柔性轴。

 

刚性轴要求: n ≤ 0.7n1 

 

柔性轴要求: 1.3nl≤n≤0.7n2

 

所以,在一般的情况下,离心式压缩机的运转是平稳的,不会发生共振问题。但如果设计有误,或者在技术改造中随意提高转速,则机器投入运转时就有可能产生共振。另外,对于柔性轴来说,在启动或停车过程中,必然要通过一阶临界转速,其时振动肯定要加剧。但只要迅速通过去,由于轴系阻尼作用的存在,是不会造成破坏的。 Add_DivIDS("Div4540")

临界转速

critical speed of rotation

使转子发生强烈振动的转速,它是转子动力学中研究得比较完善的一类问题。转动系统中转子各微段的质心不可能严格处于回转轴上,因此,当转子转动时,会出现横向干扰,在某些转速下还会引起系统强烈振动,出现这种情况时的转速就是临界转速。为保证系统正常工作或避免系统因振动而损坏,转动系统的转子工作转速应尽可能避开临界转速,若无法避开,则应采取特殊防振措施。

临界转速和转子不旋转时横向振动的固有频率相同,也就是说,临界转速与转子的弹性和质量分布等因素有关。对于具有有限个集中质量的离散转动系统,临界转速的数目等于集中质量的个数;对于质量连续分布的弹性转动系统,临界转速有无穷多个。

由于转子的形状通常比较复杂,计算临界转速多用近似方法。当精度要求不高时,可用瑞利法(见瑞利原理)算出临界转速的一阶近似值。瑞利-里兹法和布勃诺夫-伽辽金法则可用来作比较精确的计算。精确计算大型转子最常用的方法是HMP法,它是在H.霍尔泽计算扭振固有频率的方法的基础上,经N.O.密克勒斯塔和M.A.普罗尔改进而来的(HMP就是他们三人姓氏的缩写)。 该法的要点是:先把转子分成若干段,再经换算把每段上的集中质量和分布质量集聚在该段的两端,然后逐段作挠度、转角、弯矩、剪力的传递运算。在运算中,上述四个量都表为一个假定的转速的函数。每一个满足转子两端一切边界条件的转速就是一个临界转速。与各阶临界转速相应的振型也可由此算出。

对某些转子,临界转速的概念有了变化,一些只在转动时才显出效应的因素,如急螺效应(回转轴线改变方向时转子产生惯性力矩;转子振动时轴线改变方向)和轴承特性等,会使临界转速随转子的实际转速或转子中由各微段质心偏离引起的不平衡量的大小而改变。当这些因素不能忽略时,临界转速同转子不旋转时的横向振动的固有频率在数值上就不一致。

参考书目

丁士铎著:《转轴的临界速度》,中国工业出版社,北京,1962。

临界转速

critical speed

旋转机械转子的工作转速接近其横向振动的固有频率而产生共振的特征转速。汽轮机、压缩机和磨床等高速旋转机械的转子,由于制造和装配不当产生的偏心以及油膜和支承的反力等原因,运行中会发生弓状回旋。当转速接近临界转速时,挠曲量显著增加,引起支座剧烈振动,形成共振,甚至波及整个机组和厂房,造成破坏性事故。转子横向振动的固有频率有多阶,故相应的临界转速也有多阶,按数值由小到大分别记为nc1,nc2,…nck…等。有工程实际意义的是较低的前几阶。任何转子都不允许在临界转速下工作。对于工作转速n低于其一阶临界转速的刚性转子,要求n<0.75nc1;对于工作转速n高于其一阶临界转速的柔性转子,要求 1.4nck<n<0.7nck+1。限元法利用电子计算机计算各阶临界转速。对于已经制造出的转子,可用各种〖HTK〗激励法实测其各阶横向振动固有频率,进而确定各阶临界转速,为避免事故、改进设计提供依据。因此,旋转机械在设计和使用中,必须设法使工作转速避开各阶临界转速。临界转速的数值与转子的材料、几何形状、尺寸、结构形式、支承情况和工作环境等因素有关。计算转子临界转速的精确值很复杂,需要同时考虑全部影响因素,在工程实际中常采用近似计算法或实测法来确定。对于在图纸设计阶段的转子,可用分解代换法、当量直径法或图解法估算其一阶临界转速,也可用传递矩阵法或有

 

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补充

转子的转速随转速的增大而增大,到某一转速时振幅达到最大值,超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少,且稳定于某一范围内,这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。


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