Какво е торсионна вибрация? Причини и следствия • Преносим балансьор, вибрационен анализатор "Balanset" за динамично балансиране на трошачки, вентилатори, мулчери, шнекове на комбайни, валове, центрофуги, турбини и много други ротори Какво е торсионна вибрация? Причини и следствия • Преносим балансьор, вибрационен анализатор "Balanset" за динамично балансиране на трошачки, вентилатори, мулчери, шнекове на комбайни, валове, центрофуги, турбини и много други ротори

Какво е торсионна вибрация? Причини и последици

Публикувано от admin на

Разбиране на торсионните вибрации във въртящи се машини

Определение: Какво е торсионна вибрация?

Торсионни вибрации е ъгловото трептене на въртящ се вал около оста му на въртене – по същество движение на усукване и развиване, при което различните части на вала се въртят с леко различна скорост във всеки даден момент. За разлика от странична вибрация (движение от страна до страна) или аксиални вибрации (назад-напред движение), торзионните вибрации не включват линейно изместване; вместо това валът изпитва редуващо се положително и отрицателно ъглово ускорение.

Въпреки че торсионните вибрации обикновено имат много по-малки амплитуди от страничните вибрации и често са трудни за откриване, те могат да създадат огромни променливи напрежения във валове, съединители и зъбни колела, което потенциално води до катастрофални повреди от умора без предупреждение.

Физически механизъм

Как възниква торсионната вибрация

Торсионните вибрации могат да се визуализират по следния начин:

  • Представете си дълъг вал, свързващ двигател с задвижван товар
  • Валът действа като торсионна пружина, съхранявайки и освобождавайки енергия, докато се върти
  • Когато е нарушен от различни въртящи моменти, валът осцилира, като секциите се въртят по-бързо и по-бавно от средната скорост
  • Тези трептения могат да се натрупат, ако честотата на възбуждане съвпада с естествената честота на торсионното движение.

Торсионни естествени честоти

Всяка валова система има собствени торсионни честоти, определени от:

  • Торсионна твърдост на вала: Зависи от диаметъра на вала, дължината и модула на срязване на материала
  • Инерция на системата: Моменти на инерция на свързани въртящи се компоненти (ротор на двигателя, съединители, зъбни колела, товари)
  • Множество режими: Сложните системи имат няколко собствени торсионни честоти
  • Ефекти на свързване: Гъвкавите съединители добавят торсионна съвместимост, намалявайки естествените честоти

Основни причини за торсионни вибрации

1. Променлив въртящ момент от бутални двигатели

Най-често срещаният източник в много приложения:

  • Дизелови и бензинови двигатели: Горивните събития създават пулсиращ въртящ момент
  • Ред за стрелба: Създава хармоници на оборотите на двигателя
  • Брой цилиндри: По-малко цилиндри произвеждат по-голяма вариация на въртящия момент
  • Риск от резонанс: Работната скорост на двигателя може да съвпада с критичните скорости на усукване

2. Сили на зъбната мрежа

Зъбните системи генерират торсионно възбуждане:

  • Честотата на зацепване на зъбните колела (брой зъби × обороти в минута) създава осцилиращ въртящ момент
  • Грешките в разстоянието между зъбите и неточностите в профила допринасят
  • Хлабината на зъбното колело може да причини ударно натоварване
  • Множеството степени на зъбни колела създават сложни торсионни системи

3. Проблеми с електрическия двигател

Електродвигателите могат да предизвикат торсионни смущения:

  • Честота на преминаване на полюса: Взаимодействието между ротора и статора създава пулсиращ въртящ момент
  • Счупени роторни пръти: Създава импулси на въртящ момент при честота на хлъзгане
  • Честотни задвижвания (ЧП): ШИМ превключването може да възбуди торсионни режими
  • Стартиращи преходни процеси: Големи колебания на въртящия момент по време на стартиране на двигателя

4. Вариации в натоварването на процеса

Променливо натоварване на задвижваното оборудване:

  • Събития с пренапрежение на компресора
  • Кавитация на помпата, създаваща пикове на въртящия момент
  • Циклични натоварвания в трошачки, мелници и преси
  • Сили на преминаване на лопатките във вентилатори и турбини

5. Проблеми със съединителя и задвижването

  • Износени или повредени съединители с луфт или обратен ход
  • Универсалните шарнири, работещи под ъгъл, създават 2× торсионно възбуждане
  • Плъзгане и тракане на ремъчната предавка
  • Действие с верижно задвижване

Предизвикателства при откриване и измерване

Защо торсионните вибрации са трудни за откриване

За разлика от страничните вибрации, торсионните вибрации представляват уникални предизвикателства при измерването:

  • Без радиално изместване: Стандартните акселерометри на корпусите на лагерите не откриват чисто торсионно движение
  • Малки ъглови амплитуди: Типичните амплитуди са части от степен
  • Необходимо специализирано оборудване: Изисква сензори за торсионни вибрации или сложен анализ
  • Често пренебрегвани: Не е включено в рутинните програми за мониторинг на вибрациите

Методи за измерване

1. Тензодатчици

  • Монтиран под ъгъл 45° спрямо оста на вала за измерване на срязващо напрежение
  • Изисква телеметрична система за предаване на сигнал от въртящия се вал
  • Директно измерване на торсионно напрежение
  • Най-точният метод, но сложен и скъп

2. Двусондови сензори за торсионни вибрации

  • Два оптични или магнитни сензора измерват скоростта на различни места на вала
  • Фазовата разлика между сигналите показва торсионни вибрации
  • Безконтактно измерване
  • Може да се инсталира временно или постоянно

3. Лазерни торсионни виброметри

  • Оптично измерване на вариациите на ъгловата скорост на вала
  • Безконтактно, не се изисква подготовка на вала
  • Скъп, но мощен за отстраняване на проблеми

4. Косвени индикатори

  • Анализът на токовите характеристики на двигателя (MCSA) може да разкрие проблеми с усукването
  • Модели на износване на съединителя и зъбните колела
  • Местоположение и ориентация на пукнатини от умора на вала
  • Необичайни странични вибрационни модели, които може да са свързани с торсионни режими

Последици и механизми за щети

Появи на повреди от умора

Основната опасност от торсионни вибрации:

  • Появи на повреди на валове: Пукнатини от умора, обикновено под ъгъл 45° спрямо оста на вала (равнини на максимално напрежение на срязване)
  • Появи на повреди при свързване: Износване на зъбите на зъбната муфа, умора на гъвкавите елементи
  • Счупване на зъб на зъбно колело: Ускорява се от торзионни трептения
  • Повреда на шпонката и шпонковия канал: Износване и трене от осцилиращ въртящ момент

Характеристики на торсионните повреди

  • Често внезапно и катастрофално без предупреждение
  • Повърхности на счупване под ъгъл приблизително 45° спрямо оста на вала
  • Следи от плаж по повърхността на фрактурата, показващи прогресия на умората
  • Може да възникне дори когато нивата на странични вибрации са приемливи

Проблеми с производителността

  • Проблеми с контрола на скоростта в прецизни задвижвания
  • Прекомерно износване на скоростни кутии и съединители
  • Шум от тракане на зъбни колела и удари на съединителя
  • Неефективност на предаването на енергия

Анализ и моделиране

Торсионен анализ по време на проектиране

Правилното проектиране изисква торсионен анализ:

  • Изчисляване на естествената честота: Определете всички критични скорости на усукване
  • Анализ на принудителния отговор: Предсказване на торсионните амплитуди при работни условия
  • Диаграма на Кембъл: Показване на собствените честоти на торсионно движение спрямо работната скорост
  • Анализ на стреса: Изчисляване на променливи напрежения на срязване в критични компоненти
  • Прогноза за живот при умора: Оценка на живота на компонента при торсионно натоварване

Софтуерни инструменти

Специализиран софтуер извършва торсионен анализ:

  • Многоинерционни модели със съсредоточена маса
  • Торсионен анализ с крайни елементи
  • Симулация на преходни събития във времева област
  • Анализ на хармоници в честотна област

Методи за смекчаване и контрол

Дизайнерски решения

  • Разделителни полета: Уверете се, че собствените честоти на торсионните колебания са на ±20% разстояние от честотите на възбуждане.
  • Амортизация: Включване на торсионни амортисьори (вискозни амортисьори, фрикционни амортисьори)
  • Гъвкави съединители: Добавете торсионна податливост, за да понижите собствените честоти под диапазона на възбуждане
  • Масова настройка: Добавете маховици или променете инерциите, за да изместите собствените честоти
  • Промени в твърдостта: Промяна на диаметрите на валовете или твърдостта на съединителя

Оперативни решения

  • Ограничения на скоростта: Избягвайте непрекъсната работа при критични скорости на усукване
  • Бързо ускорение: Бързо преминаване през критични скорости по време на стартиране
  • Управление на натоварването: Избягвайте условия, които възбуждат торсионни режими
  • Настройка на честотния регулатор: Регулирайте параметрите на задвижването, за да минимизирате торсионното възбуждане

Избор на компоненти

  • Високодемпфериращи съединители: Еластомерни или хидравлични съединители, които разсейват торсионната енергия
  • Торсионни амортисьори: Специализирани устройства за задвижване на бутални двигатели
  • Качество на екипировката: Прецизните зъбни колела с тесни допуски намаляват възбуждането
  • Материал на вала: Материали с висока якост на умора за валове, критични за усукване

Приложения и стандарти в индустрията

Критични приложения

Торсионният анализ е особено важен за:

  • Задвижвания с бутални двигатели: Дизелови генератори, компресори за газови двигатели
  • Дълги задвижващи валове: Морско задвижване, валцови машини
  • Високомощни скоростни кутии: Вятърни турбини, промишлени зъбни задвижвания
  • Задвижвания с променлива скорост: Приложения на VFD двигатели, серво системи
  • Многокорпусни системи: Сложни задвижващи агрегати с множество свързани машини

Съответни стандарти

  • API 684: Динамика на ротора, включително процедури за торсионен анализ
  • API 617: Изисквания за торсионно усилие на центробежния компресор
  • API 672: Торзионен анализ на пакетиран бутален компресор
  • ISO 22266: Торзионни вибрации на въртящи се машини
  • VDI 2060: Торсионни вибрации в задвижващите системи

Връзка с други видове вибрации

Макар и различни от страничните и аксиалните вибрации, торсионните вибрации могат да се съчетаят с тях:

  • Странично-торзионно съединяване: В определени геометрии, торсионните и страничните режими взаимодействат
  • Мрежа от зъбни колела: Торсионните вибрации създават различни натоварвания на зъбите, които могат да възбудят странични вибрации
  • Универсални шарнири: Ъгловото несъответствие свързва торсионния вход с страничния изход
  • Диагностично предизвикателство: Сложните вибрационни сигнатури могат да имат принос от множество видове вибрации

Разбирането и управлението на торсионните вибрации е от съществено значение за надеждната работа на системите за пренос на енергия. Въпреки че при рутинния мониторинг им се обръща по-малко внимание от страничните вибрации, анализът на торсионните вибрации е от решаващо значение по време на проектирането и отстраняването на неизправности в мощни или прецизни задвижващи системи, където торсионните повреди могат да имат катастрофални последици.

← Обратно към основния индекс

Категории:
WhatsApp