Pochopení torzních vibrací v rotujících strojích

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

Kompletní sada pro vibrační diagnostiku a vyvažování od společnosti Vibromera, včetně čtyř vibračních senzorů s kabely, modulu signálního rozhraní, laserového otáčkoměru s magnetickým stojanem, digitální váhy, USB kabelu a přepravního kufříku. Systém je určen pro vyvažování rotorů a monitorování stavu průmyslových zařízení.

Zařízení

Magnetický stojan Insize-60-kgf

Díly

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

Definice: Co je to torzní vibrace?

Torzní vibrace je úhlové kmitání rotujícího hřídele kolem jeho osy otáčení – v podstatě jde o krouticí a rozmotávací pohyb, při kterém se různé části hřídele v daném okamžiku otáčejí mírně odlišnými rychlostmi. Na rozdíl od boční vibrace (pohyb ze strany na stranu) nebo axiální vibrace (pohyb tam a zpět), torzní vibrace nezahrnují lineární posun; místo toho hřídel zažívá střídavé kladné a záporné úhlové zrychlení.

Ačkoli torzní vibrace mají obvykle mnohem menší amplitudy než boční vibrace a je často obtížné je detekovat, mohou vytvářet enormní střídavé napětí v hřídelích, spojkách a ozubených kolech, což může vést ke katastrofickým únavovým poruchám bez varování.

Fyzikální mechanismus

Jak dochází k torzním vibracím

Torzní vibrace lze vizualizovat následovně:

Představte si dlouhý hřídel spojující motor s poháněnou zátěží
Hřídel funguje jako torzní pružina, která při otáčení ukládá a uvolňuje energii
Při působení různých krouticích momentů hřídel kmitá, přičemž se jeho části otáčejí rychleji a pomaleji než průměrná rychlost.
Tyto oscilace se mohou hromadit, pokud se budicí frekvence shoduje s vlastní torzní frekvencí

Torzní vlastní frekvence

Každý hřídelový systém má torzní vlastní frekvence určené:

Torzní tuhost hřídele: Závisí na průměru hřídele, délce a modulu pružnosti ve smyku materiálu
Setrvačnost systému: Momenty setrvačnosti připojených rotujících součástí (rotor motoru, spojky, ozubená kola, zátěže)
Více režimů: Složité systémy mají několik torzních vlastních frekvencí
Spojovací efekty: Pružné spojky zvyšují torzní poddajnost a snižují vlastní frekvence

Primární příčiny torzních vibrací

1. Proměnný točivý moment z pístových motorů

Nejběžnější zdroj v mnoha aplikacích:

Vznětové a benzínové motory: Spalovací procesy vytvářejí pulzující točivý moment
Pořadí střelby: Vytváří harmonické frekvence otáček motoru
Počet válců: Méně válců vytváří větší kolísání točivého momentu
Riziko rezonance: Provozní otáčky motoru se mohou shodovat s kritickými torzními otáčkami

2. Síly v záběru ozubených kol

Převodové systémy generují torzní buzení:

Frekvence záběru ozubených kol (počet zubů × otáčky za minutu) vytváří oscilační točivý moment
Chyby rozteče zubů a nepřesnosti profilu přispívají
Vůle ozubeného kola může způsobit rázové zatížení
Vícestupňové převody vytvářejí složité torzní systémy

3. Problémy s elektromotorem

Elektromotory mohou způsobovat torzní poruchy:

Frekvence průchodu pólu: Interakce mezi rotorem a statorem vytváří pulzující točivý moment
Zlomené rotorové tyče: Vytváří momentové impulzy při skluzové frekvenci
Pohony s proměnnou frekvencí (VFD): PWM přepínání může vyvolávat torzní módy
Spouštění přechodových jevů: Velké oscilace točivého momentu během rozběhu motoru

4. Změny zatížení procesu

Proměnné zatížení poháněného zařízení:

Události s přepětím kompresoru
Kavitace čerpadla způsobující špičky točivého momentu
Cyklické zatížení v drtičích, mlýnech a lisech
Síly procházející lopatkami ve ventilátorech a turbínách

5. Problémy se spojkou a hnacím ústrojím

Opotřebované nebo poškozené spojky s vůlí nebo odporem
Univerzální klouby pracující pod úhlem, vytvářející 2× torzní buzení
Prokluzování a chvění řemenového pohonu
Řetězový pohon polygonové akce

Problémy s detekcí a měřením

Proč je torzní vibrace obtížné detekovat

Na rozdíl od bočních vibrací představují torzní vibrace jedinečné výzvy v oblasti měření:

Bez radiálního posunutí: Standardní akcelerometry na ložiskových pouzdrech nedetekují čistě torzní pohyb
Malé úhlové amplitudy: Typické amplitudy jsou zlomky stupně
Požadované specializované vybavení: Vyžaduje torzní vibrační senzory nebo sofistikovanou analýzu
Často přehlížené: Není zahrnuto v běžných programech monitorování vibrací

Metody měření

1. Tenzometry

Montáž pod úhlem 45° k ose hřídele pro měření smykového napětí
Vyžaduje telemetrický systém pro přenos signálu z rotujícího hřídele
Přímé měření torzního napětí
Nejpřesnější metoda, ale složitá a drahá

2. Dvousondové torzní vibrační senzory

Dva optické nebo magnetické senzory měří rychlost na různých místech hřídele
Fázový rozdíl mezi signály indikuje torzní vibrace
Bezkontaktní měření
Lze instalovat dočasně nebo trvale

3. Laserové torzní vibrometry

Optické měření změn úhlové rychlosti hřídele
Bezkontaktní, není nutná žádná příprava hřídele
Drahý, ale výkonný pro řešení problémů

4. Nepřímé ukazatele

Analýza proudových charakteristik motoru (MCSA) může odhalit problémy s torzními momenty
Vzory opotřebení zubů spojky a ozubeného kola
Umístění a orientace únavových trhlin na hřídeli
Neobvyklé boční vibrační vzorce, které mohou být spojeny s torzními módy

Důsledky a mechanismy poškození

Únavové poruchy

Hlavní nebezpečí torzních vibrací:

Poruchy hřídele: Únavové trhliny typicky pod úhlem 45° k ose hřídele (roviny maximálního smykového napětí)
Poruchy spojky: Opotřebení zubů ozubené spojky, únava pružných prvků
Zlomení zubu ozubeného kola: Zrychleno torzními kmity
Poškození pera a drážky pera: Opotřebení a třením způsobené oscilačním momentem

Charakteristiky torzních porušení

Často náhlé a katastrofické bez varování
Lomové plochy svírají s osou hřídele úhel přibližně 45°
Stopy po pláži na lomovém povrchu naznačující postup únavy
Může se vyskytnout i v případě, že je úroveň bočních vibrací přijatelná

Problémy s výkonem

Problémy s regulací otáček v přesných pohonech
Nadměrné opotřebení převodovek a spojek
Hluk z chrastění převodů a nárazů spojky
Neúčinnost přenosu energie

Analýza a modelování

Torzní analýza během návrhu

Správný návrh vyžaduje torzní analýzu:

Výpočet přirozené frekvence: Určete všechny kritické torzní rychlosti
Analýza vynucené reakce: Předpovězte torzní amplitudy za provozních podmínek
Campbellův diagram: Zobrazit torzní vlastní frekvence v závislosti na provozní rychlosti
Analýza napětí: Výpočet střídavých smykových napětí v kritických součástech
Predikce únavy a životnosti: Odhad životnosti součásti při torzním zatížení

Softwarové nástroje

Specializovaný software provádí torzní analýzu:

Modely s více setrvačnými hmotnostmi
Torzní analýza metodou konečných prvků
Simulace přechodných jevů v časové doméně
Harmonická analýza ve frekvenční doméně

Metody zmírňování a kontroly

Designová řešení

Oddělovací okraje: Zajistěte, aby torzní vlastní frekvence byly ±20% vzdáleny od budicích frekvencí
Tlumení: Začlenění torzních tlumičů (viskózní tlumiče, třecí tlumiče)
Pružné spojky: Přidání torzní poddajnosti pro snížení vlastních frekvencí pod rozsahem excitace
Hromadné ladění: Přidání setrvačníků nebo úprava setrvačnosti pro posun vlastních frekvencí
Změny tuhosti: Úprava průměrů hřídelí nebo tuhosti spojky

Provozní řešení

Omezení rychlosti: Zabraňte nepřetržitému provozu při kritických torzních rychlostech
Rychlé zrychlení: Rychlé překonání kritických otáček během startu
Řízení zátěže: Vyhněte se podmínkám, které vyvolávají torzní módy
Ladění frekvenčního měniče: Upravte parametry pohonu pro minimalizaci torzního buzení

Výběr komponent

Vysoce tlumící spojky: Elastomerové nebo hydraulické spojky, které rozptylují torzní energii
Torzní tlumiče: Specializovaná zařízení pro pohony pístových motorů
Kvalita vybavení: Přesná ozubená kola s úzkými tolerancemi snižují buzení
Materiál hřídele: Materiály s vysokou únavovou pevností pro hřídele s kritickým torzním zatížením

Průmyslové aplikace a standardy

Kritické aplikace

Torzní analýza je obzvláště důležitá pro:

Pohony pístových motorů: Dieselové generátory, kompresory s plynovým motorem
Dlouhé hnací hřídele: Lodní pohon, válcovny
Vysoce výkonné převodovky: Větrné turbíny, průmyslové převodové pohony
Pohony s proměnnou rychlostí: Aplikace frekvenčních měničů, servosystémy
Vícetělové systémy: Komplexní hnací ústrojí s více propojenými stroji

Relevantní normy

API 684: Dynamika rotoru včetně postupů torzní analýzy
API 617: Torzní požadavky odstředivého kompresoru
API 672: Torzní analýza pístového kompresoru s baleným pohonem
Norma ISO 22266: Torzní vibrace rotačních strojů
VDI 2060: Torzní vibrace v pohonných systémech

Vztah k jiným typům vibrací

Torzní vibrace se sice liší od bočních a axiálních vibrací, ale mohou se s nimi spojit:

Boční torzní spojka: V určitých geometriích interagují torzní a laterální režimy
Síť ozubených kol: Torzní vibrace vytvářejí různé zatížení zubů, které může vyvolat boční vibrace
Univerzální klouby: Úhlové vychýlení spojuje torzní vstup s bočním výstupem
Diagnostická výzva: Komplexní vibrační signatury mohou mít příspěvky z více typů vibrací

Pochopení a řízení torzních vibrací je nezbytné pro spolehlivý provoz systémů přenosu energie. I když se jim při běžném monitorování věnuje menší pozornost než bočním vibracím, je analýza torzních vibrací zásadní při návrhu a odstraňování problémů u vysoce výkonných nebo přesných pohonných systémů, kde torzní poruchy mohou mít katastrofální následky.

← Zpět na hlavní index

Co je to torzní vibrace? Příčiny a následky

Publikováno uživatelem admin dne Říjen 31, 2025 Říjen 31, 2025