Вибрационные характеристики вентиляторов

При определении допустимого уровня вибрации вентилятора необходимо найти компромисс между стоимостью оборудования и его надежностью. Ниже рассмотрен многолетний опыт следования этим противоречивым требованиям на примере оборудования "чистых комнат" для фармацевтической промышленности.

История вопроса

"Чистые комнаты" используются на фармацевтических предприятиях по производству препаратов, предназначенных для введения в организм путем инъекций. Система вентиляции - это ключевая позиция для обеспечения контроля окружающей среды путем снижения концентрации и удаления частиц из чистых помещений. Она также предотвращает загрязнение чистых помещений, обеспечивая разницу давлений в чистых и соседних с ними помещениях. Выход из строя вентилятора вызовет остановку работы на 24-48 часов, а также потерю конечного продукта. До возобновления работы необходимо провести многократную длительную санитарную обработку.

В 2003 году на одном из фармацевтических заводов США выход из строя подшипников привел к разрушению вала вентилятора. Последующее срабатывание пожарной сигнализации заставило провести эвакуацию основного оборудования предприятия.

До событий 2003 года каждый подшипник вентилятора и двигателя имел по одному датчику вибрации в радиальном направлении. Последующие исследования показали необходимость нескольких дополнительных точек контроля: радиальной вибрации, перпендикулярной существующей, осевой вибрации, температуры. Дополнительные точки контроля обеспечили возможность анализа состояния установки и опорной рамы.

Для замены оборудования были приобретены два новых кондиционера с регулируемой скоростью вентиляторов. Каждый аппарат включал в себя приточный и вытяжной вентиляторы. Старым установкам было более 25 лет, их ресурс был практически исчерпан. Специалисты по наладке установок совместно с инженерами по эксплуатации техники изменили технические нормативы для этого вида оборудования. Первоначальные изменения включали дополнительный контроль вибрации вдоль двух осей для каждого подшипника с возможностью записи показаний при разных скоростях. Допуски и требования к уровню вибрации были также ужесточены. Эта информация была включена в технико-коммерческие данные установки.

В период заводских испытаний обнаружились проблемы с резонансом оборудования. Причина неисправности не была определена и в связи с жестким графиком поставки было решено установить оборудование, чтобы проверить и, при необходимости, отремонтировать его на месте.

В течение следующих месяцев производители кондиционеров и вентиляторов совместно изучали проблему вибрации. Исследования показали, что при разных скоростях работы вентиляторов возникал резонанс на валу двигателя, вызывая повышенные вибрационные нагрузки на подшипники вентилятора. Сдвинуть резонансные частоты от рабочих скоростей вала удалось, заменив вал вентилятора более жестким, а импеллер (крыльчатку) - более легким.

После этого проект возвратился на стадию эксплуатационных испытаний. В процессе пуско-наладки появилась проблема проскальзывания ремня привода. Для ее решения было проведено еще одно исследование.

Его основной результат - выявление влияния конструкции рамы на работу вентилятора. Было определено, что вентиляторы снова работают на резонансной частоте, в этот раз в месте крепления к опорной раме. Резонанс рамы вызывал отклонение валов вентилятора и двигателя. Из-за этого напряжение приводного ремня быстро возрастало, что приводило к периодическому растяжению и ослаблению ремня. Следствием этого являлся интенсивный износ ремней и преждевременный выход их из строя.

В связи с острой производственной необходимостью оборудование было подвергнуто обычному техническому обслуживанию. Было усилено натяжение приводных ремней, исключена работа на опасных, с точки зрения резонансных воздействий, скоростях, повышен уровень мониторинга для заблаговременного прогнозирования поломок и планирования замены. Несмотря на то, что усиление натяжения приводных ремней помогло на некоторое время избежать самопроизвольных взаимных смещений оборудования, оно увеличило нагрузку на подшипники и привело к преждевременному выходу их из строя 18 месяцев спустя.

В течение следующих нескольких месяцев имели место и другие отказы. Многие из них были предсказаны еще до того, как они произошли и были устранены без серьезных нарушений производственного процесса. Было также начато проектирование и производство новых опорных рам для этих вентиляторов. Новые рамы были спроектированы таким образом, чтобы их резонансные частоты были наверняка вне рабочего диапазона скоростей вентилятора. Эти рамы смонтировали весной 2005 года и значительно улучшили работу установок в целом.

В течение последних пяти лет на рассматриваемом фармацевтическом заводе были смонтированы 9 новых установок кондиционирования воздуха. Большинство агрегатов было предназначено для обслуживания производственных площадей. Другие обслуживают складские и офисные помещения. Полученная в результате работы информация была включена в корпоративные нормативы и внедрена в практику обслуживания вентиляционных установок.

Технические характеристики вентиляторов

Требования к основным техническим характеристикам вентиляторов и вибрации делятся на две категории: критичные и некритичные для бизнеса. Эти термины выбраны, чтобы избежать путаницы между другими определениями "критичности". В фармацевтическом производстве термин "критичные" определяет компоненты системы, которые непосредственно влияют на безопасность, тождественность и стабильность фармакологических форм, чистоту или качество препаратов. "Чистые комнаты", центры обработки данных и виварии являются примерами критичных объектов в фармацевтической промышленности.

Для критических приложений и в случаях регулируемой скорости вентилятора собственная частота колебаний ротора на кручение должна, как минимум, в 2,15 раза превышать максимальную скорость его вращения. Для некритических приложений, а также в случаях постоянной скорости вентилятора собственная частота колебаний ротора на кручение должна превышать скорость вращения, как минимум, в 1,3 раза. Более высокое относительное значение для критических приложений принято в целях гарантированного предотвращения влияния второй гармоники собственных колебаний.

Чтобы избежать появления резонанса рамы, собственная (изгибающая) резонансная частота виброопор должна быть, как минимум, на 10% больше, чем максимальная скорость вращения вала двигателя или вентилятора, - в зависимости от того, какая из скоростей является наибольшей. Здесь не учитывается собственная частота, связанная с перемещением рамы как целого вследствие деформации пружин амортизатора. Собственная частота колебаний характеризуется как величина в состоянии покоя и определяется при динамическом испытании в местах установки.

Вентиляторы с переменной скоростью вращения должны пройти испытания во всех рабочих частотах, указанных на шильде агрегата. Стандартный диапазон для вентиляторов с частотным регулированием скорости составляет от 40 до 60 Гц, где частота 60 Гц соответствует максимальной скорости вращения. Уменьшая диапазон скоростей вентилятора, можно уменьшить стоимость вентилятора, поскольку это сокращает вероятность работы на резонансных частотах.

Таблица 1
Тип фильтра Падение давления на чистом фильтре, мм вод. ст. (па) Падение давления на загрязненном фильтре, мм вод. ст. (па)
MERV 7 0,3 (75) 1,0 (250)
MERV 13 0,5 (125) 1,2 (300)
MERV 17 1,4 (350) 2,8 (700)
итого: 2,2 (550) 5,0 (1250)
Вентиляторы с частотным регулированием скорости вращения обычно применяют, чтобы компенсировать потери давления на фильтре по мере его загрязнения. Инженер должен определить минимальное и максимальное расчетные падения давления и, используя аэродинамическую характеристику вентиляторов, определить диапазон скоростей. Обычные системы кондиционирования воздуха в фармацевтическом производстве используют предварительную фильтрацию класса MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) 7, промежуточный фильтр класса MERV 13 и оконечный гепа-фильтр класса MERV 17. В таблице 1 указаны типичные значения падения давления на каждом фильтре в чистом и загрязненном состоянии при расчетной скорости 2,54 м/с.

Типичные значения падения давления на фильтрах

Используя аэродинамическую характеристику вентилятора, выраженную уравнением (1) при максимальной скорости вентилятора (V2) равной 60 Гц, минимальная скорость вращения вентилятора (V1) составит 40 Гц:

где V1 - минимальная скорость вентилятора, об/мин или Гц;

V2 - максимальная скорость вентилятора, об/мин или Гц;

P1 - статическое давление при чистом фильтре, мм вод. ст. или (Па);

P2 - статическое давление при грязном фильтре, мм вод. ст. или (Па).

Для критических приложений механически обработанные поверхности компонентов устройств обработки воздуха, которые сопрягаются с такими узлами как опоры подшипников или скользящая опора двигателя, должны иметь после сборки допустимую непараллельность поверхностей в пределах 0,17 мм/м (0,002 дюйм/фут).

Для критических приложений при эффективной мощности более 20 л. с. внутреннее кольцо шариковых или роликовых подшипников должно насаживаться на шейку вала, имеющую цилиндрическую или коническую формы. Применение установочных винтов для крепления внутреннего кольца шариковых или роликовых подшипников не допускается.

При проведении заводских испытаний динамические тесты должны включать работу вентиляторов на расчетных скоростях в течение, как минимум, 15 мин. Параметры вибрации должны быть измерены и зарегистрированы в соответствии с требованиями. Определяющая изгибающая собственная частота вращения ротора вентилятора и собственная частота рамы с амортизаторами должны быть получены и сверены с расчетными и эксплуатационными требованиями.

Параметры вибрации

Нормативы вибрации определяют предельные значения параметров вибрации для оборудования с вращающимися элементами.

Данные по вибрации работающего оборудования должны быть получены в процессе заводских испытаний, результаты которых должны быть утверждены заказчиком или его представителем до транспортировки на место установки. Если протестировать оборудование на заводе-изготовителе невозможно, заказчик или его представитель договариваются о проведении испытаний по приемке на месте после установки оборудования.

Тестирование оборудования должно осуществляться грамотным специалистом, имеющим опыт по сбору и анализу данных по вибрации. "Технически грамотный" означает, что специалист прошел не менее двух курсов по сбору и анализу данных по вибрации, а "имеющий опыт" означает, что он должен иметь практический опыт в анализе вибраций не менее трех лет.

Измерения вибраций осуществляются на оборудовании при стабильных скоростях, нагрузках и температурах. Сбор данных производится со спектральным разрешением 1,25 Гц или выше, чтобы отделить частоты, возбуждаемые при вращении. Ширина покрываемого диапазона частот должна, как минимум, в 65 раз превышать максимальную скорость вала исследуемого оборудования.

Осевые показания снимаются параллельно оси вала оборудования как можно ближе к самому валу. Горизонтальные или радиальные показания снимаются перпендикулярно к оси вала в положении 3 или 9 часов, если смотреть на торец вала. Вертикальные показания снимаются под прямым углом относительно горизонтальных замеров.

Для вентиляторов с ременным приводом места измерений включают: наружный подшипник двигателя по горизонтали, вертикали и вдоль оси вала; внутренний подшипник двигателя по горизонтали и вертикали; внутренний подшипник вентилятора по горизонтали и вертикали; наружный подшипник вентилятора по горизонтали, вертикали и вдоль оси вала.

Таблица 2
Тип приложения мощность оборудования Жесткое основание Гибкое основание
Критические приложения от 5 до 20 л. с. 3,1 мм/с (0,12 дюйм/с) 5,1 мм/с (0,20 дюйм/с)
Критические приложения свыше 20 л. с. 4,1 мм/с (0,16 дюйм/с) 6,4 мм/с (0,25 дюйм/с)
некритические приложения от 5 до 20 л. с. 4,1 мм/с (0,16 дюйм/с) 6,4 мм/с (0,25 дюйм/с)
некритические приложения свыше 20 л. с. 5,1 мм/с (0,20 дюйм/с) 7,6 мм/с (0,30 дюйм/с)

В таблице 2 приведен допустимый максимальный уровень вибрации для вентиляторных узлов в сборе. Большинство вентиляторов используют амортизированные опоры с пружинами, что считается гибким основанием. Для всех приложений допустимые пределы вибрации составляют 0,254 мм/с (0,01 дюйм/с). Известны характерные частоты или гармоники, появление резонанса на которых свидетельствует о дефектах подшипника, а именно: частоты вращения шариков вокруг вала, вокруг собственной оси, частоты, с которой шарики проходят одну и ту же точку на внешнем и внутреннем кольцах.

Допустимые пределы вибрации

Для вентиляторов с частотным регулированием пуск осуществляется с минимальной скоростью вентилятора. Начинается съем показаний, характеризующих вибрацию. Частота медленно, по 1 Гц, увеличивается до максимального значения. Если допустимые пределы вибрации, указанные в таблице 2, превышается, то спектральный анализ на этой скорости для каждой точки измерения завершается, производится полный спектральный анализ на максимальной скорости для расчетных режимов работы в каждой требуемой точке измерения.

Обоснование допустимых уровней вибрации является сложной задачей - необходимо уравновесить между собой взаимно противоречивые требования по снижению цены и достижению высокой надежности вентиляторов. Инженер должен принимать во внимание степень критичности конкретного приложения. Применение вентиляторов с частотным регулированием связано с дополнительными сложностями в связи с изменяемой скоростью, которая может быть близка к резонансной частоте некоторых составляющих узлов.

Литература:

Майкл ДиДжованни (Michael DiGiovanni), член ASHRAE, руководитель группы на фирме Eli Lilly and Company;

Томас Р. Спирмен (Thomas R. Spearman, P. E.), член ASHRAE, дипломированный технический консультант фирмы Eli Lilly and Company.

Редакция журнала "МИР КЛИМАТА" выражает благодарность за помощь в адаптации статьи на русский язык к.т.н. Е. П. Вишневскому и к.т.н. М. М. Короткевичу (Ventrade)

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест