Torsionsanalyse verstehen
Torsionsanalyse ist die Messung, Auswertung und Modellierung von Torsionsschwingung — Torsionsschwingungen um die Wellenachse — in den Antriebssträngen rotierender Maschinen. Im Gegensatz zu Querschwingung (Biegung), das direkt vom Standard Beschleunigungsaufnehmer Da es an einem Lagergehäuse verschraubt ist, verursacht die Torsionsbewegung keinerlei seitliche Verschiebung und ist daher für gewöhnliche Schwingungsanalyse. Um dies zu erkennen, sind spezielle Techniken erforderlich – Dehnungsmessstreifen, Doppeltachometer oder Laser vibrometry — zusammen mit einer Analyse zur Ermittlung der Torsions-Eigenfrequenzen und zur Bewertung Ermüdung Risiken bei Wellen, Kupplungen und Getrieben.
Dieser Bereich ist von entscheidender Bedeutung für Antriebe mit Hubkolbenmotoren, lange Antriebswellen, Hochleistungsgetriebe und Motorsysteme mit Frequenzumrichtern (VFD), bei denen Torsionsschwingungen zu plötzlichen, katastrophalen Ausfällen der Welle oder der Kupplung führen können, selbst wenn seitliche Schwingungsintensität Das sieht völlig in Ordnung aus. Es handelt sich um eine spezialisierte, aber unverzichtbare Funktion, um unerwartete Ausfälle zu verhindern, die bei einer gewöhnlichen Überwachung niemals erkannt würden.
1. Warum eine Torsionsanalyse erforderlich ist
Torsionsschwingungen im Vergleich zu seitlichen Schwingungen
Die beiden Bewegungen sind mechanisch voneinander unabhängig, und genau diese Unabhängigkeit ist der Grund dafür, dass es eine eigene Disziplin gibt:
- Seitlich: Biegung, seitliche Schwingungen der Welle und der Lager – leicht mit einem handelsüblichen Beschleunigungsmesser zu erfassen oder Näherungssensor.
- Torsionssteifigkeit: sich um die Drehachse dreht, ohne dass eine seitliche Verschiebung feststellbar ist, wodurch es für herkömmlich montierte Sensoren unsichtbar bleibt.
- Unabhängigkeit: Eine Maschine kann starken Torsionsschwingungen ausgesetzt sein, während die seitlichen Schwingungen gering sind, und umgekehrt – die beiden Größen stehen in keinem Zusammenhang miteinander.
- Beschädigung: Torsionsschwingungen können Wellen und Kupplungen ohne jegliche Vorwarnung durch seitliche Messungen zum Bruch bringen, und genau das macht sie so gefährlich.
Typische Ausfallarten
Da Torsionsanregungen zyklische Scherbeanspruchungen auf den Antriebsstrang ausüben, weisen deren Ausfälle ein charakteristisches Muster auf:
- Ermüdungsbrüche an Wellen: typischerweise ein glatter Bruch, der in einem Winkel von etwa 45° zur Wellenachse verläuft, der Ebene der maximalen Scherspannung.
- Ausfall des Kupplungselements: Rissige Zahnradzähne bei Zahnkupplungen oder gerissene elastische Elemente bei Elastomer- und Scheibenkupplungen.
- Zahnbruch: angetrieben durch oszillierende, wechselnde Zahnbelastungen anstatt durch ein konstantes Drehmoment.
- Beschädigungen an Keil und Keilnut: Reibung und Lockerung, während die Verbindung durch die wechselnde Drehung hin und her bewegt wird.
2. Messverfahren
Da es keine geeignete Oberfläche gibt, auf die man einen Sensor richten könnte, haben sich vier praktische Methoden herausgebildet, bei denen Genauigkeit gegen Kosten und Frequenzbereich abgewogen wird.
Dehnungsmessstreifen-Methode
Der direkteste Weg – Messung der Torsionsspannung direkt an der Quelle:
- Die Dehnungsmessstreifen sind in einem Winkel von 45° zur Wellenachse angebracht, da in dieser Ausrichtung die maximale Scherspannung erfasst wird.
- Sie erfassen die durch Verdrehung entstehende Scherspannung, die sich direkt in Drehmoment und Wechselbeanspruchung umwandelt.
- Eine rotierende Welle erfordert entweder Schleifringe oder eine drahtlose Übertragung Telemetrie um das Signal vom rotierenden Teil zu erfassen.
- Es ist die genaueste Methode, aber auch die komplexeste und teuerste, weshalb sie vor allem in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit zum Einsatz kommt.
Doppelte Drehzahlmesser-Methode
- Zwei optische Sensoren – in der Regel zwei Laser-Tachometer — sind auf verschiedene axiale Positionen an der Welle ausgerichtet.
- Das Gerät misst den momentanen Phase Unterschied zwischen den beiden Stationen.
- Diese Phasendifferenz entspricht der Winkelverschiebung der Welle zwischen den beiden, was der Torsionsschwingung selbst entspricht.
- Die Methode ist berührungslos und im Praxiseinsatz äußerst praktisch, beschränkt sich jedoch in der Regel auf Torsionsanteile im niedrigen Frequenzbereich unterhalb von etwa 100 Hz.
Laser-Torsionsvibrometer
- Ein spezielles Laser-Doppler-System, das auf die Wellenoberfläche gerichtet ist.
- Es misst Winkelgeschwindigkeitsschwankungen direkt, ohne dass eine Vorbereitung der Welle erforderlich ist.
- Berührungslos, mit einem breiten nutzbaren Frequenzbereich.
- Leistungsstarke, aber teure Messgeräte, die für anspruchsvolle Untersuchungen reserviert sind.
Motorstromanalyse
- Die Torsionsschwingungen eines motorbetriebenen Zuges beeinflussen die Last und verursachen dadurch geringe Schwankungen im Motorstrom.
- Analyse des Motorstroms Spektrum zeigt diese Schwankungen indirekt auf.
- Es ist vollkommen nicht-invasiv – kein Sensor kommt auch nur in die Nähe der Welle.
- Am besten als Screening-Instrument zu betrachten, das auf ein Problem hinweist, das mit einer direkten Methode bestätigt werden sollte.
3. Analytische Torsionsanalyse
Messungen geben Aufschluss darüber, was eine Maschine gerade tut; Modellierungen zeigen, wie sie sich über ihren gesamten Drehzahlbereich verhält, und ermöglichen es Ingenieuren, Probleme bereits vor dem ersten Schnitt zu beseitigen.
Mathematische Modellierung
- Der Antriebsstrang wird auf ein Torsionsmodell mit konzentrierten Massen reduziert – Trägheitsscheiben, die durch Torsionsfedern (die Wellenabschnitte und Kupplungen) miteinander verbunden sind.
- Daraus werden die Torsions-Eigenfrequenzen berechnet.
- Das Modell sagt die Reaktion auf jede Anregungsquelle voraus und ermittelt die Torsions kritische Geschwindigkeiten und Resonanzen.
Anregungsquellen
Torsionsresonanzen werden erst dann gefährlich, wenn sie durch eine Kraft mit der richtigen Frequenz angeregt werden. Die üblichen Auslöser sind:
- Hubkolbenmotoren: Die Zündimpulse aus jedem Zylinder erzeugen eine starke Torsionsanregung bei den Motorordnungen.
- Zahneingriff: Der Zahneingriff erzeugt ein oszillierendes Drehmoment an der Zahneingriffsfrequenz.
- Frequenzumrichter: Beim PWM-Schalten entstehen Oberschwingungen, die auf eine Torsionsschwingung treffen können.
- Elektrisch: Motor pole-passing und Schlupffrequenzen eine zusätzliche Torsionskraft aufbringen.
Das Campbell-Diagramm für Torsion
Das gängige grafische Hilfsmittel, um Frequenzen mit der Drehzahl in Beziehung zu setzen, ist das Campbell-Diagramm:
- Die Torsions-Eigenfrequenzen sind in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit dargestellt.
- Die Reihenfolgen der Anregung (1×, 2×, Zündreihenfolge, Maschenreihenfolge) werden übereinandergelegt.
- Wenn eine Ordnungslinie eine Eigenfrequenz schneidet, liegt eine kritische Torsionsdrehzahl vor – ein Interferenzpunkt, der vermieden werden muss.
- Anhand der Abbildung lassen sich dann die Betriebsdrehzahlen und etwaige eingeschränkte Drehzahlbereiche festlegen. Sie können dieselbe Interferenzkarte für eine bestimmte Antriebslinie mit der Campbell-Diagrammrechner.
4. Kritische Anwendungen
Eine Torsionsanalyse ist nicht überall erforderlich, aber bei einigen wenigen Maschinenfamilien ist sie praktisch unverzichtbar.
- Antriebe mit Kolbenmotor: Dieselaggregate, Gasmotor-Kompressoren und Schiffsantriebe, bei denen starke Drehmomentschwankungen eine Analyse unumgänglich machen.
- Lange Antriebswellen: Walzwerksantriebe, Schiffsantriebswellen und Papiermaschinenantriebe, bei denen die schiere Länge die Torsionssteifigkeit verringert und die Eigenfrequenzen in den Betriebsbereich absenkt.
- Hochleistungsgetriebe: Getriebe für Windkraftanlagen und Industriegetriebe mit einer Leistung von über etwa 1.000 PS, bei denen die Anregung durch den Zahneingriff eine Torsionsschwingung auslösen kann.
- Frequenzumrichter-Motorsysteme: ein schnell wachsendes Problem, da sich Antriebe immer weiter verbreiten, weil PWM-Oberschwingungen Torsionsresonanzen anregen können, was bei einem Motor mit konstanter Drehzahl niemals der Fall wäre.
5. Auswertung der Ergebnisse
Eine Torsionsanalyse liefert drei Ergebnisse, die gemeinsam darüber entscheiden, ob ein Antriebsstrang sicher betrieben werden kann.
Torsionseigenfrequenzen
- Ermittelt durch Messung, Berechnung oder beides.
- Verglichen mit jeder plausiblen Anregungsfrequenz.
- Es wurde geprüft, ob ein ausreichender Abstand besteht – ein ausreichender Spielraum zwischen Eigenfrequenz und Erregerfrequenz über den gesamten Betriebsbereich.
Stresslevel
- Die wechselnde Scherspannung wird aus der gemessenen Torsionsamplitude berechnet.
- Dies wird mit der Dauerfestigkeitsgrenze des Werkstoffs verglichen.
- Es wird geschätzt, wie viel der Ermüdungslebensdauer pro Stunde oder pro Start verbraucht wird.
- Es folgt die Beurteilung: Sind die Spannungen für die geforderte Lebensdauer akzeptabel?
Dämpfung
- Gemessen anhand der Schärfe der Antwort bei jeder Torsionsresonanz.
- Torsions Dämpfung ist in der Regel sehr gering – oft unter 1 % des kritischen Wertes.
- Eine geringe Dämpfung führt zu hohen, schmalen Resonanzspitzen und einer starken Verstärkung, wenn eine Anregungsordnung mit einem Modus zusammenfällt.
6. Abhilfestrategien
Wenn bei der Analyse ein Problem festgestellt wird, stehen drei Maßnahmen zur Verfügung, die in der Regel in dieser Reihenfolge angewendet werden.
Frequenztrennung
- Die Eigenfrequenzen der Torsion müssen von jeder Anregungsfrequenz ferngehalten werden.
- Passen Sie den Wellendurchmesser oder die Wellenlänge an oder ändern Sie die Torsionssteifigkeit der Kupplung Steifheit, um die Modi neu abzustimmen.
- Die Trägheit verändern – beispielsweise durch Einbau eines Schwungrades –, um die Eigenfrequenzen zu verschieben.
Adding Damping
- Bauen Sie einen Torsionsdämpfer (Viskos- oder Reibungsdämpfer) ein, um die Resonanzenergie abzuleiten.
- Schreiben Sie flexible Kupplungen mit hoher Dämpfung anstelle von starren Kupplungen vor.
- Beide verringern die Verstärkung bei Resonanz, selbst wenn eine vollständige Trennung nicht möglich ist.
Änderungen der Betriebsdrehzahl
- Vermeiden Sie einen Dauerbetrieb bei festgestellten torsionskritischen Drehzahlen.
- Legen Sie gesperrte Drehzahlbereiche fest, durch die die Maschine schnell hindurchfährt, und setzen Sie diese durch.
- Stellen Sie den Frequenzumrichter so ein, dass die Erregung bei den problematischen Oberschwingungen minimiert wird.
7. Torsionsanalyse im Rahmen eines Feldprogramms
Die Torsionsprüfung ist eine Spezialaufgabe, steht jedoch nicht für sich allein – sie ergänzt die routinemäßigen Auswucht- und Querschwingungsprüfungen, die den Antriebsstrang in gutem Zustand halten, und ein einwandfreies Querschwingungsbild bildet die Grundlage, vor deren Hintergrund eine Torsionsanomalie deutlich wird. In der täglichen Praxis vor Ort vergewissert sich ein Ingenieur zunächst, dass der Rotor selbst gut ausgewuchtet ist und dass 1× Unwucht unter Kontrolle ist, da die verbleibende Unwucht und Fehlausrichtung fügen dem Antriebsstrang ihre eigene Drehmomentschwankung hinzu. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A kümmert sich vor Ort um diesen Bereich – misst 1×-Amplitude und Phase, wuchtet den Rotor in seinen eigenen Lagern aus und überprüft Restunwucht — damit verbleibende Torsionsenergie eindeutig echten Torsionsquellen zugeordnet werden kann und nicht einer seitlichen Verformung, die sich als solche tarnt. Ist der Rotor ausgewuchtet und ausgerichtet, lässt sich das tatsächliche Torsionsverhalten durch eine spezielle Torsionsmessung (mit einem Doppeltachometer oder Dehnungsmessstreifen) isoliert erfassen.
Kurz gesagt ist die Torsionsanalyse ein spezieller Bereich der Schwingungsanalyse, der sich mit Torsionsschwingungen befasst, die zu katastrophalen Ausfällen führen können, die bei einer herkömmlichen seitlichen Überwachung nicht erkennbar sind. Obwohl sie speziell entwickelte Mess- und Modellierungsverfahren erfordert, ist sie für Antriebe mit Hubkolbenmotoren, lange Wellen, Hochleistungsgetriebe und Frequenzumrichtersysteme unverzichtbar, bei denen Torsionsschwingungen ein echtes Risiko für die Zuverlässigkeit und Sicherheit darstellen.
