Forståelse af torsionsvibrationer i roterende maskiner

Enheder

Bærbar afbalanceringsenhed og vibrationsanalysator Balanset-1A.

$2,358.31

Dele

Vibrationssensor

$107.47

Dele

Optisk sensor (laser-tachometer)

$148.07

Enheder

Balanset-4

$8,123.32

Dele

Magnetisk stativ i størrelse 60 kgf

$54.93

Dele

Reflekterende tape

$11.94

Enheder

Dynamisk afbalancering "Balanset-1A" OEM.

$2,071.73

Definition: Hvad er torsionsvibration?

Torsionsvibrationer er den vinkelmæssige oscillation af en roterende aksel omkring dens rotationsakse - i bund og grund en vridende og afvridende bevægelse, hvor forskellige sektioner af akslen roterer med lidt forskellige hastigheder på et givet tidspunkt. I modsætning til lateral vibration (bevægelse fra side til side) eller aksial vibration (frem-og-tilbagegående bevægelse) involverer torsionsvibrationer ingen lineær forskydning; i stedet oplever akslen skiftevis positiv og negativ vinkelacceleration.

Selvom torsionsvibrationer typisk har meget mindre amplituder end laterale vibrationer og ofte er vanskelige at detektere, kan de skabe enorme vekslende spændinger i aksler, koblinger og gear, hvilket potentielt kan føre til katastrofale udmattelsesfejl uden varsel.

Fysisk mekanisme

Hvordan torsionsvibrationer opstår

Torsionsvibrationer kan visualiseres som følger:

• Forestil dig en lang aksel, der forbinder en motor med en drevet belastning
• Akslen fungerer som en torsionsfjeder, der lagrer og frigiver energi, når den drejer
• Når akslen forstyrres af varierende drejningsmomenter, oscillerer den, hvor sektionerne roterer hurtigere og langsommere end gennemsnitshastigheden.
• Disse svingninger kan opbygges, hvis excitationsfrekvensen matcher den torsionelle naturlige frekvens.

Torsionelle naturlige frekvenser

Hvert akselsystem har torsionelle naturlige frekvenser bestemt af:

• Skaftets torsionsstivhed: Afhænger af akseldiameter, længde og materialets forskydningsmodul
• Systeminerti: Inertimomenter for forbundne roterende komponenter (motorrotor, koblinger, gear, belastninger)
• Flere tilstande: Komplekse systemer har flere torsionelle naturlige frekvenser
• Koblingseffekter: Fleksible koblinger øger torsionseftergivenhed og sænker de naturlige frekvenser

Primære årsager til torsionsvibrationer

1. Variabelt drejningsmoment fra stempelmotorer

Den mest almindelige kilde i mange anvendelser:

• Diesel- og benzinmotorer: Forbrændingshændelser skaber pulserende drejningsmoment
• Affyringsordre: Skaber harmoniske svingninger i motorhastigheden
• Antal cylindre: Færre cylindre giver mere variation i drejningsmomentet
• Resonansrisiko: Motorens driftshastighed kan falde sammen med kritiske torsionshastigheder

2. Gearnetværkskræfter

Gearsystemer genererer torsionsexcitation:

• Tandhjulets indgrebsfrekvens (antal tænder × omdrejninger i minuttet) skaber oscillerende drejningsmoment
• Fejl i tandafstand og unøjagtigheder i profilen bidrager
• Gearslør kan forårsage stødbelastning
• Flere geartrin skaber komplekse torsionssystemer

3. Problemer med elektriske motorer

Elmotorer kan forårsage torsionsforstyrrelser:

• Polpassagefrekvens: Interaktion mellem rotor og stator skaber pulserende drejningsmoment
• Knækkede rotorstænger: Skaber momentpulser ved slipfrekvens
• Variable frekvensdrev (VFD'er): PWM-skift kan excitere torsionstilstande
• Start af transienter: Store momentsvingninger under motorstart

4. Variationer i procesbelastning

Variabel belastning på drevet udstyr:

• Kompressor-overspændingshændelser
• Pumpekavitation skaber momentspidser
• Cykliske belastninger i knusere, møller og presser
• Kræfter, der passerer blade i ventilatorer og turbiner

5. Problemer med kobling og drivlinje

• Slidte eller beskadigede koblinger med slør eller tilbageslag
• Universalled, der opererer i vinkler, hvilket skaber 2× torsionsexcitation
• Remdrevet glider og vibrerer
• Kædedrev polygonfunktion

Udfordringer ved detektion og måling

Hvorfor torsionsvibrationer er vanskelige at detektere

I modsætning til lateral vibration præsenterer torsionsvibration unikke måleudfordringer:

• Ingen radial forskydning: Standard accelerometre på lejehuse registrerer ikke ren torsionsbevægelse
• Små vinkelamplituder: Typiske amplituder er brøkdele af en grad
• Nødvendigt specialudstyr: Kræver torsionsvibrationssensorer eller sofistikeret analyse
• Ofte overset: Ikke inkluderet i rutinemæssige vibrationsovervågningsprogrammer

Målemetoder

1. Tøjningsmålere

• Monteret 45° i forhold til akselaksen for at måle forskydningsspænding
• Kræver telemetrisystem til at transmittere signal fra roterende aksel
• Direkte måling af torsionsspænding
• Den mest præcise metode, men kompleks og dyr

2. Torsionsvibrationssensorer med dobbelt sonde

• To optiske eller magnetiske sensorer måler hastigheden på forskellige akselplaceringer
• Faseforskel mellem signaler indikerer torsionsvibration
• Berøringsfri måling
• Kan installeres midlertidigt eller permanent

3. Lasertorsionsvibrometre

• Optisk måling af variationer i akselvinkelhastighed
• Kontaktløs, ingen akselforberedelse nødvendig
• Dyr, men effektiv til fejlfinding

4. Indirekte indikatorer

• Motorstrømssignaturanalyse (MCSA) kan afsløre torsionsproblemer
• Slidmønstre for koblinger og tandhjul
• Placering og orientering af akseludmattelsesrevner
• Usædvanlige laterale vibrationsmønstre, der kan være koblet til torsionstilstande

Konsekvenser og skademekanismer

Træthedsfejl

Den primære fare ved torsionsvibrationer:

• Akselfejl: Udmattelsesrevner typisk ved 45° i forhold til akselaksen (maksimale forskydningsspændingsplaner)
• Koblingsfejl: Slid på tænderne i gearkoblingen, træthed i det fleksible element
• Geartandbrud: Accelereret af torsionssvingninger
• Skade på nøgle og nøglehul: Slid og slid fra oscillerende drejningsmoment

Karakteristika for torsionsfejl

• Ofte pludselige og katastrofale uden varsel
• Brudflader i en vinkel på cirka 45° i forhold til skaftaksen
• Strandmærker på brudfladen, der indikerer træthedsprogression
• Kan forekomme selv når laterale vibrationsniveauer er acceptable

Problemer med ydeevnen

• Problemer med hastighedsstyring i præcisionsdrev
• Overdreven slitage i gearkasser og koblinger
• Støj fra gearraslen og koblingsstød
• Ineffektivitet i kraftoverførslen

Analyse og modellering

Torsionsanalyse under design

Korrekt design kræver torsionsanalyse:

• Beregning af naturlig frekvens: Bestem alle kritiske torsionshastigheder
• Analyse af tvungen reaktion: Forudsig torsionsamplituder under driftsforhold
• Campbell-diagram: Vis torsionelle naturlige frekvenser vs. driftshastighed
• Stressanalyse: Beregn alternerende forskydningsspændinger i kritiske komponenter
• Forudsigelse af træthed i livet: Estimer komponentlevetid under vridningsbelastning

Softwareværktøjer

Specialiseret software udfører torsionsanalyse:

• Multi-inerti klumpede massemodeller
• Finite element torsionsanalyse
• Tidsdomæne-simulering af transiente hændelser
• Frekvensdomæne harmonisk analyse

Afbødnings- og kontrolmetoder

Designløsninger

• Separationsmargener: Sørg for, at torsionelle naturlige frekvenser er ±20% væk fra excitationsfrekvenser
• Dæmpning: Inkorporer torsionsdæmpere (viskøse dæmpere, friktionsdæmpere)
• Fleksible koblinger: Tilføj torsionel eftergivenhed til lavere naturlige frekvenser under excitationsområdet
• Masseindstilling: Tilføj svinghjul eller modificer inertier for at ændre naturlige frekvenser
• Ændringer i stivhed: Ændre akseldiametre eller koblingsstivhed

Operationelle løsninger

• Hastighedsbegrænsninger: Undgå kontinuerlig drift ved kritiske torsionshastigheder
• Hurtig acceleration: Overskrid kritiske hastigheder hurtigt under opstart
• Belastningsstyring: Undgå forhold, der exciterer torsionstilstande
• VFD-tuning: Juster drevparametrene for at minimere torsionsexcitation

Komponentvalg

• Højdæmpende koblinger: Elastomere eller hydrauliske koblinger, der afleder torsionsenergi
• Torsionsdæmpere: Specialiserede anordninger til frem- og tilbagegående motordrev
• Gearkvalitet: Præcisionsgear med snævre tolerancer reducerer excitation
• Skaftmateriale: Materialer med høj udmattelsesstyrke til vridningskritiske aksler

Industriapplikationer og standarder

Kritiske applikationer

Torsionsanalyse er især vigtig for:

• Stempelmotordrev: Dieselgeneratorer, gasmotorkompressorer
• Lange drivaksler: Marinefremdrift, valseværker
• Højtydende gearkasser: Vindmøller, industrielle geardrev
• Drev med variabel hastighed: VFD-motorapplikationer, servosystemer
• Flerkropssystemer: Komplekse drivlinjer med flere forbundne maskiner

Relevante standarder

• API 684: Rotordynamik inklusive torsionsanalyseprocedurer
• API 617: Krav til torsion af centrifugalkompressorer
• API 672: Torsionsanalyse af pakket stempelkompressor
• ISO 22266: Torsionsvibrationer i roterende maskiner
• VDI 2060: Torsionsvibrationer i drivsystemer

Forhold til andre vibrationstyper

Selvom torsionsvibrationer adskiller sig fra laterale og aksiale vibrationer, kan de kobles sammen med dem:

• Lateral-torsionskobling: I visse geometrier interagerer torsionelle og laterale tilstande
• Gearnet: Torsionsvibrationer skaber varierende tandbelastninger, der kan udløse laterale vibrationer
• Universalled: Vinkelforskydning kobler torsionsindgang til lateral udgang
• Diagnostisk udfordring: Komplekse vibrationssignaturer kan have bidrag fra flere vibrationstyper

Forståelse og håndtering af torsionsvibrationer er afgørende for pålidelig drift af kraftoverføringssystemer. Selvom det får mindre opmærksomhed end lateral vibration i rutinemæssig overvågning, er torsionsvibrationsanalyse kritisk under design og fejlfinding af højtydende eller præcisionsdrevsystemer, hvor torsionsfejl kan have katastrofale konsekvenser.

---

← Tilbage til hovedindekset