Med rätt installation elimineras risken för resonansrelaterade fläktskador

Foto: ARochau, AdobeStock
Fläktar som används i ventilations-, kyl- och luftkonditioneringssystem och andra industriella applikationer genomgår långa och krävande uthållighetstester. Efter en installation kan dock tekniska problem uppstå, eller till och med fläkthaverier, efter betydligt färre driftstimmar än vad som angetts som maximal livslängd i specifikationerna för en fläkt. Förstörda motorlager är en typ av skada som vanligen orsakas av vibrationer på grund av felaktiga fläktinstallationer.

Vibrationer är något som vi alla utsätts för då och då. Ibland kan de orsakas av högljudd musik och vara ofarliga. Andra gånger kan vibrationer ställer till stora problem och ett exempel är när dåligt balanserade hjul på en bil leder till att ratten skakar och där vibrationerna kan skada kullager och leda till att hjulbultar lossnar. Även stora strukturer kan kollapsa när de utsätts för rytmiska vibrationer vid sin egen resonansfrekvens. Ett dramatiskt exempel på det är när bron Tacoma Narrows i USA kollapsade år 1940 bara fyra månader efter invigningen. Den 7 november 1940 var en blåsig dag med en stadig vind på omkring 18 m/s vilket var en stark men inte på något sätt extrem vindhastighet. Frekvensen på de virvlar som bildades vid denna vindhastighet stämde olyckligtvis överens med en av brons egenfrekvenser som därför började svänga med en alltmer ökande svängningsform där vägbanan vred sig runt brons längdaxel. När man konstruerade bron var kunskapen vid denna tid begränsad om svängnings- eller vibrationsförlopp som kan uppstå när bron utsätts för laster som varierar i tiden, till exempel virvlar från vindens strömning. Detta ledde till en olämplig konstruktion som kom i självsvängning vid vissa vindhastigheter och slutligen orsakade brons kollaps.

Fläktar är inte immuna mot resonans
Tacoma Narrows är ett dramatiskt exempel på skador som kan orsakas av vibrationer, men brokollapsen illustrerar också hur viktigt det är att förutse och eliminera oönskade vibrationer. Detta gäller också vid fläktinstallationer. Fläktar är inte immuna mot resonansrelaterade skador trots att det vid tillverkningen används toppmodern teknik för att balansera dem mycket exakt. Så sker givetvis även hos ebm-papst med exempelvis fläktarna i RadiPac-serien. Svårigheten är att ebm-papst inte kan förutse de villkor som gäller för en viss applikation och att själva fläktinstallationen kan ske på ett felaktigt sätt. När en fläkt installeras i en utrustning som till exempel ett aggregat bildas i praktiken en ny konfiguration som under vissa omständigheter kan vibrera vid en specifik strukturell resonansfrekvens. Dessutom kan fläktens resonansegenskaper förändras när den fixeras i ett läge.

Med de möjligheter som idag finns att reglera en fläkts hastighet ökar dessutom sannolikheten för att en fläkt vid vissa hastigheter utsätts för resonans som kan orsaka skador. Andra faktorer som kan leda till oönskade vibrationer efter en installation är oförsiktig hantering under transporter och förflyttningen av en fläkt till platsen för installationen. Små skador kan leda till stora problem med vibrationer. Har en fläkt förvarats oskyddad under en period så att det bildats smuts på fläkthjulet kan det också orsaka obalans eller turbulens som leder till oönskade vibrationer. Vibrationer kan också överföras till en fläkt från externa systemkomponenter exempelvis från en kompressor. Ytterligare orsaker till oönskade vibrationer kan vara ett för litet utrymme mellan fläkthjul och fläkthuset som kan leda till turbulens. Det finns alltså mycket som kan leda till vibrationer och oönskad resonans, och är en säker fläktdrift är det viktigt att inse hur viktigt det är att eliminera oönskade faktorer och risker för fläktskador.

Viktiga att undvika kritiska resonansområden
Vibrationsabsorberande element, som speciellt utformade fjädrar eller gummikomponenter, kan hjälpa till att isolera fläktar från vibrationer som orsakas av miljöerna där de är installerade. Det är då viktigt att ta hänsyn till vissa aspekter vid valet av vibrationsdämpare. Vid sidan av fläktuppsättningens naturliga frekvens skapar nämligen fästet för en vibrationsabsorberande komponent en egen resonansfrekvens. En faktor som det är viktigt att ta hänsyn till är vilken storlek på ett vibrationsdämpande element som bör användas, och typ av element, som passar för en viss fläkt och det hastighetsområde som är aktuellt i en viss applikation.

När en fläkt startar passerar den igenom tre vibrationsrelevanta hastighetsområden. I intervallet under resonansfrekvensen ligger vibrationssvärdet under den tillåtna gränsen på 3,5 mm/s (enligt ISO 14694). Fläktens funktion är säkerställd inom detta område men de vibrationsabsorberande elementen har ingen egentlig effekt beroende på vissa fysiska orsaker. I det närliggande resonanshastighetsområdet är vibrationshastigheten ibland långt över den tillåtna gränsen. Det uppstår ingen omedelbar skada på fläkten, men långvarig drift inom detta område kommer att förkorta den totala livslängden. Dessutom uppstår höga ljudnivåer. Detta varvtal bör därför användas under mycket begränsad tid och en fortsatt drift bör absolut undvikas. Hastighetsområdet där vibrationsnivån ligger långt under gränsen börjar tillräckligt långt från resonanstoppen. Endast i detta område, över minimihastigheten, kan de vibrationsabsorberande elementen isolera fläkten från oönskade vibrationer. För att välja rätt vibrationsabsorberande element måste fläkthastigheten i dess applikation vara känd. För varje fläkt kan man hitta lämpliga element och det är viktigt att förstå de principer som gäller för korrekt val av exempelvis fjädrar och gummikomponenter.

Mätningar kan visa på risken finns för resonans
Det finns alltså en mängd orsaker till att det kan uppstå vibrationer som kan riskera att skada en fläkt, men de är inte alltid förutsägbara och vissa vibrationer kan också vara oundvikliga. Efter installationen av en fläkt bör vibrationsmätningar och/eller en sökning efter kritiska resonanspunkter göras under det hastighetsområde som är aktuellt för en fläkt i en viss applikation. Detta ger en övergripande bild av ett fläktsystems vibrationsegenskaper och kan avslöja alla oförutsägbara effekter och även möjliga installationsmisstag som man riskerar att göra under uppstartsfasen fram till idrifttagning. Mätningar är viktiga att genomföra då de gör det möjligt att vidta åtgärder som minskar eller eliminerar riskerna för vibrationer som kan få stor negativ effekt på en fläkts livslängd, och som även kan leda till oönskat höga ljudnivåer.

Eftersom mätresultatet är starkt beroende av vibrationssensorernas placering är det viktigt att de placeras och fästs på ett korrekt sätt. Vibrationskontrollen bör också genomföras vid flera tillfällen under en längre period för att mätningarna ska ge en bra bild av de olika förhållanden som kan uppstå under drift. Exempelvis kan dammbildning leda till oväntade vibrationer. För vibrationsanalys och mätningar av centrifugalfläktarna RadiPac rekommenderar ebm-papst att mätningarna utförs på minst två av fläktarnas axlar. Om mätningar avslöjar områden med överdriven vibration kan det vara möjligt att återbalansera en fläkt på installationsplatsen. Om sådana åtgärder visar sig vara otillräckliga kan det bli nödvändigt att göra konstruktionsändringar och ett exempel är montering av byglar som förstärker konstruktionen. Genom mätningar går det också att verifiera att vibrationsabsorberande elementen fungerar korrekt.

Hastighetsområden som identifieras genom mätningar som riskerar att leda till skadliga vibrationer kan även undvikas genom de möjligheter till styrning av fläktarna som finns genom den integrerade elektroniken. ebm-papst ingenjörer hjälper gärna till med råd och förslag på hur mätningar ska utföras och hur en applikationsanpassad styrning kan utnyttjas för att minimera risken för vibrationer. Det är alltid värt att överväga riskerna för att vibrationer ska uppstå efter att en fläkt installerats. Korrekt installerade fläktar arbetar på ett tillförlitligt sätt under hela livslängden, oväntade fel kan förhindras och ljudnivåerna minimeras!