ارتعاش پیچشی چیست؟ علل و اثرات • بالانسر قابل حمل، آنالیزور ارتعاش "Balanset" برای بالانس دینامیکی سنگ شکن ها، فن ها، مالچرها، حلزونی ها روی کمباین ها، شفت ها، سانتریفیوژها، توربین ها و بسیاری دیگر از روتورها ارتعاش پیچشی چیست؟ علل و اثرات • بالانسر قابل حمل، آنالیزور ارتعاش "Balanset" برای بالانس دینامیکی سنگ شکن ها، فن ها، مالچرها، حلزونی ها روی کمباین ها، شفت ها، سانتریفیوژها، توربین ها و بسیاری دیگر از روتورها

ارتعاش پیچشی چیست؟ علل و اثرات آن

منتشر شده توسط admin در

درک ارتعاشات پیچشی در ماشین آلات دوار

تعریف: ارتعاش پیچشی چیست؟

ارتعاش پیچشی نوسان زاویه‌ای یک شفت چرخان حول محور چرخش آن است - اساساً یک حرکت پیچشی و بازشونده که در آن بخش‌های مختلف شفت در هر لحظه با سرعت‌های کمی متفاوت می‌چرخند. برخلاف ارتعاش جانبی (حرکت از یک طرف به طرف دیگر) یا ارتعاش محوری (حرکت رفت و برگشتی)، ارتعاش پیچشی شامل جابجایی خطی نمی‌شود؛ در عوض، شفت شتاب زاویه‌ای مثبت و منفی متناوب را تجربه می‌کند.

اگرچه ارتعاش پیچشی معمولاً دامنه بسیار کمتری نسبت به ارتعاش جانبی دارد و اغلب تشخیص آن دشوار است، اما می‌تواند تنش‌های متناوب عظیمی در شفت‌ها، کوپلینگ‌ها و چرخ‌دنده‌ها ایجاد کند که به طور بالقوه منجر به شکست‌های فاجعه‌بار ناشی از خستگی بدون هشدار می‌شود.

مکانیسم فیزیکی

چگونگی وقوع ارتعاش پیچشی

ارتعاش پیچشی را می‌توان به صورت زیر نمایش داد:

  • یک شفت بلند را تصور کنید که یک موتور را به یک بار محرک متصل می‌کند.
  • شفت مانند یک فنر پیچشی عمل می‌کند و با پیچ خوردن، انرژی را ذخیره و آزاد می‌کند.
  • وقتی گشتاورهای متغیر به شفت وارد می‌شوند، آن نوسان می‌کند و بخش‌های آن سریع‌تر و کندتر از سرعت متوسط می‌چرخند.
  • اگر فرکانس تحریک با فرکانس طبیعی پیچشی مطابقت داشته باشد، این نوسانات می‌توانند افزایش یابند.

فرکانس‌های طبیعی پیچشی

هر سیستم شفت دارای فرکانس‌های طبیعی پیچشی است که توسط موارد زیر تعیین می‌شوند:

  • سختی پیچشی شفت: بستگی به قطر، طول و مدول برشی ماده دارد
  • اینرسی سیستم: گشتاورهای اینرسی اجزای چرخان متصل (روتور موتور، کوپلینگ‌ها، چرخ‌دنده‌ها، بارها)
  • حالت‌های چندگانه: سیستم‌های پیچیده دارای چندین فرکانس طبیعی پیچشی هستند
  • اثرات کوپلینگ: کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر، انطباق پیچشی را افزایش می‌دهند و فرکانس‌های طبیعی را کاهش می‌دهند

علل اصلی ارتعاش پیچشی

۱. گشتاور متغیر از موتورهای رفت و برگشتی

رایج‌ترین منبع در بسیاری از کاربردها:

  • موتورهای دیزلی و بنزینی: رویدادهای احتراق گشتاور ضربانی ایجاد می‌کنند
  • دستور شلیک: ایجاد هارمونیک در سرعت موتور
  • تعداد سیلندر: سیلندرهای کمتر، تغییرات گشتاور بیشتری ایجاد می‌کنند
  • خطر رزونانس: سرعت عملیاتی موتور ممکن است با سرعت‌های بحرانی پیچشی همزمان باشد

۲. نیروهای درگیری چرخ‌دنده‌ها

سیستم‌های چرخ‌دنده، تحریک پیچشی ایجاد می‌کنند:

  • فرکانس درگیری چرخ‌دنده (تعداد دندانه‌ها × دور در دقیقه) گشتاور نوسانی ایجاد می‌کند
  • خطاهای فاصله دندانه‌ها و عدم دقت در پروفیل دندانه‌ها در این امر نقش دارند.
  • لقی چرخ‌دنده می‌تواند باعث بارگذاری ضربه‌ای شود
  • مراحل دنده چندگانه، سیستم‌های پیچشی پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند

۳. مشکلات موتور الکتریکی

موتورهای الکتریکی می‌توانند اختلالات پیچشی ایجاد کنند:

  • فرکانس عبور قطب: تعامل بین روتور و استاتور گشتاور ضربانی ایجاد می‌کند
  • میله‌های روتور شکسته: پالس‌های گشتاور را در فرکانس لغزش ایجاد می‌کند
  • درایوهای فرکانس متغیر (VFD): سوئیچینگ PWM می‌تواند حالت‌های پیچشی را تحریک کند
  • شروع گذراها: نوسانات گشتاور زیاد در هنگام راه اندازی موتور

۴. تغییرات بار فرآیند

بارگذاری متغیر روی تجهیزات محرک:

  • حوادث افزایش ناگهانی فشار کمپرسور
  • کاویتاسیون پمپ باعث افزایش ناگهانی گشتاور می‌شود
  • بارهای چرخه‌ای در سنگ‌شکن‌ها، آسیاب‌ها و پرس‌ها
  • نیروهای عبور پره در فن‌ها و توربین‌ها

۵. مشکلات کوپلینگ و سیستم انتقال قدرت

  • کوپلینگ‌های فرسوده یا آسیب‌دیده با لقی یا لقی
  • مفاصل یونیورسال که در زوایایی عمل می‌کنند و باعث ایجاد ۲ برابر تحریک پیچشی می‌شوند
  • لغزش و لرزش تسمه
  • اکشن چندضلعی درایو زنجیری

چالش‌های تشخیص و اندازه‌گیری

چرا تشخیص ارتعاشات پیچشی دشوار است؟

برخلاف ارتعاش جانبی، ارتعاش پیچشی چالش‌های اندازه‌گیری منحصر به فردی را ارائه می‌دهد:

  • بدون جابجایی شعاعی: شتاب‌سنج‌های استاندارد روی محفظه یاتاقان، حرکت صرفاً پیچشی را تشخیص نمی‌دهند.
  • دامنه‌های زاویه‌ای کوچک: دامنه‌های معمول، کسری از یک درجه هستند
  • تجهیزات تخصصی مورد نیاز: نیاز به حسگرهای ارتعاش پیچشی یا تحلیل‌های پیچیده
  • اغلب نادیده گرفته می‌شود: در برنامه‌های معمول پایش ارتعاش گنجانده نشده است

روش‌های اندازه‌گیری

۱. کرنش‌سنج‌ها

  • برای اندازه‌گیری کرنش برشی، با زاویه ۴۵ درجه نسبت به محور شفت نصب می‌شود
  • برای انتقال سیگنال از شفت چرخان به سیستم تله متری نیاز دارد
  • اندازه‌گیری مستقیم تنش پیچشی
  • دقیق‌ترین روش اما پیچیده و گران‌قیمت

۲. حسگرهای ارتعاش پیچشی دو میله‌ای

  • دو حسگر نوری یا مغناطیسی سرعت را در مکان‌های مختلف شفت اندازه‌گیری می‌کنند.
  • اختلاف فاز بین سیگنال‌ها نشان‌دهنده ارتعاش پیچشی است
  • اندازه‌گیری غیر تماسی
  • قابل نصب موقت یا دائم

۳. ویبرومترهای پیچشی لیزری

  • اندازه‌گیری نوری تغییرات سرعت زاویه‌ای شفت
  • بدون تماس، بدون نیاز به آماده‌سازی شفت
  • گران اما قدرتمند برای عیب‌یابی

۴. شاخص‌های غیرمستقیم

  • تحلیل امضای جریان موتور (MCSA) می‌تواند مشکلات پیچشی را آشکار کند
  • الگوهای سایش کوپلینگ و دندانه چرخ دنده
  • مکان‌ها و جهت‌های ترک خستگی شفت
  • الگوهای ارتعاش جانبی غیرمعمول که ممکن است با مدهای پیچشی مرتبط باشند

پیامدها و مکانیسم‌های آسیب

شکست‌های ناشی از خستگی

خطر اصلی ارتعاش پیچشی:

  • خرابی شفت: ترک‌های ناشی از خستگی معمولاً در زاویه ۴۵ درجه نسبت به محور شفت (حداکثر صفحات تنش برشی) رخ می‌دهند.
  • خرابی کوپلینگ: سایش دندانه‌های کوپلینگ دنده‌ای، خستگی المان انعطاف‌پذیر
  • شکستگی دندانه چرخ دنده: شتاب گرفته توسط نوسانات پیچشی
  • آسیب کلید و جای کلید: سایش و فرسایش ناشی از گشتاور نوسانی

ویژگی‌های شکست‌های پیچشی

  • اغلب ناگهانی و فاجعه‌بار بدون هشدار قبلی
  • سطوح شکست با زاویه تقریبی ۴۵ درجه نسبت به محور شفت
  • علائم ساحلی روی سطح شکستگی که نشان‌دهنده پیشرفت خستگی است
  • ممکن است حتی زمانی که سطح ارتعاش جانبی قابل قبول است، رخ دهد

مشکلات عملکرد

  • مشکلات کنترل سرعت در درایوهای دقیق
  • سایش بیش از حد در گیربکس‌ها و کوپلینگ‌ها
  • صدای تق تق چرخ دنده و ضربات کوپلینگ
  • ناکارآمدی انتقال قدرت

تحلیل و مدل‌سازی

تحلیل پیچشی در طول طراحی

طراحی مناسب نیاز به تحلیل پیچشی دارد:

  • محاسبه فرکانس طبیعی: تعیین تمام سرعت‌های بحرانی پیچشی
  • تحلیل پاسخ اجباری: پیش‌بینی دامنه‌های پیچشی در شرایط عملیاتی
  • نمودار کمپبل: نمایش فرکانس‌های طبیعی پیچشی در مقابل سرعت عملیاتی
  • تحلیل تنش: محاسبه تنش‌های برشی متناوب در اجزای بحرانی
  • پیش‌بینی عمر خستگی: تخمین عمر قطعات تحت بارگذاری پیچشی

ابزارهای نرم‌افزاری

نرم‌افزارهای تخصصی، تحلیل پیچشی را انجام می‌دهند:

  • مدل‌های جرم متمرکز چند اینرسی
  • تحلیل پیچشی المان محدود
  • شبیه‌سازی حوزه زمان رویدادهای گذرا
  • تحلیل هارمونیک حوزه فرکانس

روش‌های کاهش و کنترل

راهکارهای طراحی

  • حاشیه‌های جدایی: اطمینان حاصل کنید که فرکانس‌های طبیعی پیچشی ±20TP3T از فرکانس‌های تحریک فاصله دارند.
  • میرایی: استفاده از میراگرهای پیچشی (میراگرهای ویسکوز، میراگرهای اصطکاکی)
  • کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر: برای کاهش فرکانس‌های طبیعی پایین‌تر از محدوده تحریک، انطباق پیچشی را اضافه کنید
  • تنظیم انبوه: اضافه کردن چرخ طیار یا تغییر اینرسی برای تغییر فرکانس‌های طبیعی
  • تغییرات سختی: قطر شفت یا سختی کوپلینگ را تغییر دهید

راهکارهای عملیاتی

  • محدودیت‌های سرعت: از کارکرد مداوم در سرعت‌های بحرانی پیچشی خودداری کنید
  • شتاب سریع: در هنگام راه اندازی به سرعت از سرعت های بحرانی عبور کنید
  • مدیریت بار: از شرایطی که باعث تحریک مودهای پیچشی می‌شوند، اجتناب کنید.
  • تنظیم VFD: پارامترهای درایو را برای به حداقل رساندن تحریک پیچشی تنظیم کنید

انتخاب قطعه

  • کوپلینگ‌های با میرایی بالا: کوپلینگ‌های الاستومری یا هیدرولیکی که انرژی پیچشی را مستهلک می‌کنند
  • میراگرهای پیچشی: دستگاه‌های تخصصی برای درایوهای موتورهای رفت و برگشتی
  • کیفیت دنده: چرخ‌دنده‌های دقیق با تلرانس‌های کم، تحریک را کاهش می‌دهند
  • جنس شفت: مواد با مقاومت خستگی بالا برای شفت‌های پیچشی بحرانی

کاربردها و استانداردهای صنعتی

کاربردهای حیاتی

تحلیل پیچشی به ویژه برای موارد زیر مهم است:

  • درایوهای موتورهای رفت و برگشتی: دیزل ژنراتورها، کمپرسورهای موتور گازسوز
  • شفت‌های محرک بلند: نیروی محرکه دریایی، آسیاب‌های نورد
  • گیربکس‌های پرقدرت: توربین‌های بادی، چرخ‌دنده‌های صنعتی
  • درایوهای سرعت متغیر: کاربردهای موتور VFD، سیستم‌های سروو
  • سیستم‌های چندبدنی: قطارهای محرک پیچیده با چندین دستگاه متصل

استانداردهای مرتبط

  • API 684: دینامیک روتور شامل روش‌های تحلیل پیچشی
  • API 617: الزامات پیچشی کمپرسور گریز از مرکز
  • API 672: تحلیل پیچشی کمپرسور رفت و برگشتی بسته‌بندی‌شده
  • ایزو ۲۲۲۶۶: ارتعاشات پیچشی ماشین آلات دوار
  • وی‌دی‌آی ۲۰۶۰: ارتعاشات پیچشی در سیستم‌های محرکه

ارتباط با سایر انواع ارتعاش

اگرچه ارتعاش پیچشی با ارتعاش جانبی و محوری متفاوت است، اما می‌تواند با آنها جفت شود:

  • کوپلینگ جانبی-پیچشی: در هندسه‌های خاص، مدهای پیچشی و جانبی با هم برهمکنش دارند.
  • مش دنده: ارتعاش پیچشی بارهای متفاوتی را در دندانه ایجاد می‌کند که می‌تواند ارتعاش جانبی را تحریک کند.
  • مفاصل یونیورسال: ناهم‌ترازی زاویه‌ای، ورودی پیچشی را به خروجی جانبی کوپل می‌کند.
  • چالش تشخیصی: امضاهای ارتعاشی پیچیده ممکن است از انواع مختلف ارتعاش ناشی شوند

درک و مدیریت ارتعاشات پیچشی برای عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های انتقال قدرت ضروری است. اگرچه در پایش‌های معمول، توجه کمتری نسبت به ارتعاشات جانبی به آن می‌شود، اما تحلیل ارتعاشات پیچشی در طراحی و عیب‌یابی سیستم‌های محرکه با توان بالا یا دقیق که در آن‌ها خرابی‌های پیچشی می‌تواند عواقب فاجعه‌باری داشته باشد، بسیار مهم است.

← بازگشت به فهرست اصلی

Categories:
واتساپ