ناپایداری روتور: دلایل، بهبود و نقش شبیه‌سازی در بهینه‌سازی

• آموزش, انرژی, بازرسی, بلاگ, خدمات, خودروسازی, دریایی, ریل و راه آهن, ماشین سازی, نفت و گاز

ناپایداری روتور: دلایل، بهبود و نقش شبیه‌سازی در بهینه‌سازی

ناپایداری روتور یکی از چالش‌های مهم در طراحی و بهره‌برداری از سیستم‌های دوار است. این پدیده می‌تواند باعث ایجاد لرزش‌های غیرمعمول و حتی خرابی تجهیزات شود. در این بلاگ به بررسی دلایل اصلی ناپایداری روتور، روش‌های بهبود آن و اهمیت شبیه‌سازی در تحلیل و بهینه‌سازی این مشکلات خواهیم پرداخت.

دلایل اصلی ناپایداری روتور

ابتدا به صورت خلاصه دلایل اصلی ناپایداری روتور را بررسی کنیم.

1. چرخش روغن
   این پدیده به دلیل نیروهای فیلم مایع در یاتاقان‌های ژورنال رخ می‌دهد و فرکانس‌های زیر هم‌ساز (حدود 0.4–0.48 برابر سرعت چرخش) را ایجاد می‌کند. این حالت نشان‌دهنده نزدیک بودن سیستم به ناپایداری است.
2. لرزش روغن
   زمانی رخ می‌دهد که فرکانس چرخش روغن با فرکانس طبیعی روتور مطابقت داشته باشد. این نوع ناپایداری می‌تواند باعث لرزش‌های بیش از حد و حتی خرابی کل سیستم شود.
3. ناپایداری ناشی از سایش
   تماس مستقیم روتور با استاتور منجر به ایجاد لرزش‌های غیرخطی می‌شود.
4. ناپایداری حرارتی
   گسترش حرارتی نامتقارن باعث انحنا و افزایش ناپایداری در روتور می‌شود.
5. ناپایداری متقاطع
   ناشی از سختی یا نیروهای غیرایزوتروپیک در سیستم پشتیبانی روتور است.

روش‌های بهبود پایداری روتور

در صنعت برای بهبود پایداری روتور معمولا یکی از 5 روش زیر بکار گرفته می شود.

1. افزایش میرایی
   استفاده از میراگرهای فیلم فشاری یا سایر عناصر میرایی می‌تواند لرزش‌های اضافی را کاهش دهد.
2. تغییر طراحی یاتاقان
   طراحی یاتاقان‌های پد مایل یا استفاده از یاتاقان‌های تحت فشار خارجی می‌تواند نیروهای ناشی از فیلم روغن را کاهش دهد.
3. بهینه‌سازی سیستم روتور-یاتاقان
   تطبیق سختی یاتاقان با جرم روتور و سرعت عملیاتی می‌تواند به بهبود پایداری کمک کند.
4. اجتناب از رزونانس
   طراحی مجدد سیستم برای دوری از سرعت‌های بحرانی ضروری است.
5. تعادل روتور
   کاهش نیروهای ناشی از عدم تعادل روتور یکی از عوامل مؤثر در کاهش خطر ناپایداری است.

نقش شبیه‌سازی در بهبود پایداری روتور

شبیه‌سازی عددی به مهندسان و تولیدکنندگان کمک می کند تا مشکلات پایداری را پیش‌بینی و بهینه‌سازی کنند. پیشنهاد می کنم برای جلوگیری از خرابی های آینده که هزینه های هنگفتی دارد یا حتی تعیین علت خرابی هایی که اتفاق افتاده و معمولا چالشی برای کارفرما و تولیدکننده است از روش های شبیه سازی کمک بگیرید.

برخی از تکنیک‌های تحلیل پایداری عبارتند از:

• نمودار کمپبل (Campbell Diagram)
  این نمودار فرکانس‌های طبیعی را در مقابل سرعت روتور نشان می‌دهد و به شناسایی سرعت‌های بحرانی کمک می‌کند.
• تحلیل مقدار ویژه با میرایی و بدون میرایی
  با تعیین فرکانس‌های طبیعی و نسبت‌های میرایی، می‌توان حالت‌های ناپایدار سیستم را شناسایی کرد.
• تحلیل طیف کامل (Full-Spectrum Analysis)
  این روش برای شناسایی مسائل پایداری مانند چرخش یا لرزش روغن مفید است.
• تحلیل مدار (Orbit Analysis)
  با نمایش حرکت روتور در فضای یاتاقان، می‌توان مشکلات احتمالی را تشخیص داد.
• نمودار نایکویست (Nyquist Plot)
  این ابزار با ارزیابی تابع انتقال در دامنه فرکانس، معیار دقیقی برای پایداری سیستم فراهم می‌کند.

وضعیت صنعت ایران

در صنعت ایران، ناپایداری روتور بیشتر در صنایعی که تجهیزات دوار با سرعت بالا و بارهای سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند رخ می‌دهد. براساس تجربه و مشتریان بنوموسی برخی از این صنایع و تجهیزات کلیدی عبارتند از:

1. صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

• کمپرسور ها: ناپایداری ناشی از اثرات هیدرودینامیکی در یاتاقان‌ها یا نشت مهروموم‌ها (seal whirls) در کمپرسورهای سانتریفیوژ و رفت‌وبرگشتی.
• پمپ‌ها: مشکلات در پمپ‌های اسکرو و پمپ‌های انتقال مواد سنگین، به دلیل کراس‌کوپلینگ یا نامیزانی در سیستم‌های روتور.
• توربین‌ها: در توربین‌های بخار و گاز، نوسانات ناشی از نامیزانی یا ارتعاشات روغنی (Oil Whip) باعث خرابی‌هایی می‌شود.

2. صنایع نیروگاهی

• توربین‌های گازی و بخاری: این تجهیزات به دلیل سرعت‌های بالا، حساسیت زیادی به رزونانس‌ها و ناپایداری‌های حرارتی دارند.
• ژنراتورها: ناپایداری‌های ناشی از عدم تعادل در روتور یا تأثیرات مغناطیسی می‌توانند ارتعاشات شدید ایجاد کنند.

3. صنایع فولاد و سیمان

• غلتک‌ها و آسیاب‌های دوار: در این تجهیزات، به‌ویژه در آسیاب‌های گلوله‌ای و کوره‌های دوار، ناپایداری‌های مکانیکی و نامیزانی منجر به خرابی‌های پرهزینه می‌شود.

4. صنایع هوایی و ریلی

• توربین‌ها و موتورها: ناپایداری‌های پارامتری در موتورها و توربین‌های هواپیما یا لکوموتیوها می‌توانند باعث خرابی‌های ناگهانی شوند.

5. صنایع خودروسازی

• سیستم‌های انتقال نیرو: ارتعاشات ناخواسته در شفت‌ها یا سیستم‌های انتقال نیرو در خودروهای صنعتی و سنگین.

دلایل رایج خرابی و ناپایداری روتور در ایران

در صنعت ایران مشکلات گسترده ای در طراحی مهندسی، تعمیر و نگهداری و تامین قطعات استاندارد وجود دارد. نهادهای مختلفی مسئول این کم کاری ها هستند اما نباید از غفلت صنایع استفاده کننده از تجهیزات به سادگی گذشت. بسیاری از اوقات بدون اطمینان از شرایط عملیاتی تجهیزاتی از شرکت های غیرمعتبر خریداری می شود و تصدیق و دابل چک درستی از تجهیز انجام نشده و مستقیم در خط قرار می گیرد. اما به صورت خلاصه اصلی ترین دلایل خرابی ها در صنایع ایران را می توان به صورت زیر برشمرد.

• طراحی غلط و غیر استاندارد تجهیز شامل عدم دابل چک و تصدیق محاسبات، تیم غیرحرفه ای و …
• عدم انجام بالانس دقیق در تجهیزات.
• استفاده از یاتاقان‌ها و سیستم‌های لرزش‌گیر با کیفیت پایین.
• عدم نگهداری منظم و کاهش دقت در تعمیرات.
• استفاده از روان‌کننده‌های نامناسب یا قدیمی.
• شرایط محیطی سخت، مانند دماهای بالا یا آلودگی در تجهیزات.

نکته: در صنعت ایران، استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیکی، مقدار ویژه و ابزارهایی مانند تحلیل نمودار کمپبل، می‌تواند به‌طور مؤثر این خرابی‌ها را پیش‌بینی و از وقوع آن‌ها جلوگیری کند.

جمع‌بندی

ناپایداری روتور می‌تواند اثرات مخربی بر عملکرد سیستم‌های دوار داشته باشد. درک دلایل این پدیده و استفاده از تکنیک‌های بهبود، همراه با شبیه‌سازی عددی مثل نرم افزارهای اباکوس و انسیس، ابزارهای قدرتمندی برای افزایش پایداری و کاهش خطرات مرتبط فراهم می‌کند. شبیه‌سازی‌هایی مانند تحلیل طیف کامل و نمودار کمپبل به مهندسان کمک می‌کند تا علل مشکلات را به دقت شناسایی کرده و بهترین راه‌حل‌ها را اعمال کنند.

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره راه‌حل‌های شبیه‌سازی و خدمات مرتبط، یک وقت مشاوره رزرو کنید.

همچنین آخرین اخبار بنوموسی و فناوری شبیه سازی عددی را از کانال تلگرام بنوموسی پیگیری کنید.