Razumijevanje torzijskih vibracija u rotirajućim strojevima

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

Parts

Vibration sensor

$107.47

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

Devices

Balanset-4

$8,123.32

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

Parts

Reflective tape

$11.94

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

Definicija: Što je torzijska vibracija?

Torzijske vibracije je kutno osciliranje rotirajućeg vratila oko svoje osi rotacije - u biti kretanje uvijanja i odvrtanja gdje se različiti dijelovi vratila okreću neznatno različitim brzinama u bilo kojem trenutku. Za razliku od bočne vibracije (pomicanje s jedne strane na drugu) ili aksijalne vibracije (naprijed-natrag kretanje), torzijske vibracije ne uključuju linearni pomak; umjesto toga, osovina doživljava naizmjenično pozitivno i negativno kutno ubrzanje.

Iako torzijske vibracije obično imaju mnogo manje amplitude od bočnih vibracija i često ih je teško otkriti, mogu stvoriti ogromna izmjenična naprezanja u osovinama, spojnicama i zupčanicima, što potencijalno može dovesti do katastrofalnih lomova zbog zamora materijala bez upozorenja.

Fizički mehanizam

Kako nastaju torzijske vibracije

Torzijske vibracije mogu se vizualizirati na sljedeći način:

• Zamislite dugu osovinu koja spaja motor s pogonskim opterećenjem
• Osovina djeluje poput torzijske opruge, pohranjujući i oslobađajući energiju dok se okreće
• Kada je poremećena različitim momentima, osovina oscilira, pri čemu se dijelovi okreću brže i sporije od prosječne brzine
• Ove oscilacije se mogu pojačati ako frekvencija pobude odgovara prirodnoj torzijskoj frekvenciji

Torzijske prirodne frekvencije

Svaki sustav osovina ima torzijske prirodne frekvencije određene sa:

• Torzijska krutost osovine: Ovisi o promjeru osovine, duljini i modulu smicanja materijala
• Inercija sustava: Momenti tromosti spojenih rotirajućih komponenti (rotor motora, spojke, zupčanici, opterećenja)
• Više načina rada: Složeni sustavi imaju nekoliko torzijskih prirodnih frekvencija
• Učinci spajanja: Fleksibilne spojnice dodaju torzijsku podnošljivost, snižavajući prirodne frekvencije

Primarni uzroci torzijskih vibracija

1. Promjenjivi okretni moment klipnih motora

Najčešći izvor u mnogim primjenama:

• Dizelski i benzinski motori: Događaji izgaranja stvaraju pulsirajući moment
• Redoslijed paljbe: Stvara harmonike brzine motora
• Broj cilindara: Manji broj cilindara proizvodi veću varijaciju okretnog momenta
• Rizik od rezonancije: Radna brzina motora može se podudarati s kritičnim torzijskim brzinama

2. Sile mreže zupčanika

Zupčanički sustavi generiraju torzijsko uzbuđenje:

• Frekvencija zahvata zupčanika (broj zuba × okretaji u minuti) stvara oscilirajući moment
• Pogreške u razmaku zuba i netočnosti profila doprinose
• Zazor zupčanika može uzrokovati udarno opterećenje
• Višestruki stupnjevi prijenosa stvaraju složene torzijske sustave

3. Problemi s električnim motorom

Elektromotori mogu proizvesti torzijske poremećaje:

• Frekvencija prolaska preko pola: Interakcija između rotora i statora stvara pulsirajući moment
• Slomljene rotorske šipke: Stvara impulse momenta na frekvenciji klizanja
• Frekvencijski pogoni (VFD): PWM preključivanje može pobuditi torzijske modove
• Početni prijelazni procesi: Velike oscilacije momenta tijekom pokretanja motora

4. Varijacije opterećenja procesa

Promjenjivo opterećenje na pogonjenoj opremi:

• Događaji prenapona kompresora
• Kavitacija pumpe stvara skokove momenta
• Ciklička opterećenja u drobilicama, mlinovima i prešama
• Sile prolaska lopatica u ventilatorima i turbinama

5. Problemi sa spojnicom i pogonskim sklopom

• Istrošene ili oštećene spojnice sa zazorom ili zračnom rotacijom
• Univerzalni zglobovi koji rade pod kutovima stvarajući 2× torzijsko uzbuđenje
• Proklizavanje i vibriranje remenskog pogona
• Akcija poligona lančanog pogona

Izazovi detekcije i mjerenja

Zašto je torzijske vibracije teško otkriti

Za razliku od bočnih vibracija, torzijske vibracije predstavljaju jedinstvene izazove mjerenja:

• Bez radijalnog pomaka: Standardni akcelerometri na kućištima ležajeva ne detektiraju isključivo torzijsko gibanje
• Male kutne amplitude: Tipične amplitude su dijelovi stupnja
• Potrebna specijalizirana oprema: Zahtijeva senzore torzijskih vibracija ili sofisticiranu analizu
• Često zanemareno: Nije uključeno u rutinske programe praćenja vibracija

Metode mjerenja

1. Mjerači naprezanja

• Montirano pod kutom od 45° u odnosu na os osovine za mjerenje smicanja
• Zahtijeva telemetrijski sustav za prijenos signala s rotirajućeg vratila
• Izravno mjerenje torzijskog naprezanja
• Najtočnija metoda, ali složena i skupa

2. Senzori torzijskih vibracija s dvostrukom sondom

• Dva optička ili magnetska senzora mjere brzinu na različitim mjestima osovine
• Fazna razlika između signala ukazuje na torzione vibracije
• Beskontaktno mjerenje
• Može se instalirati privremeno ili trajno

3. Laserski torzijski vibrometri

• Optičko mjerenje promjena kutne brzine osovine
• Beskontaktno, nije potrebna priprema osovine
• Skupo, ali snažno za rješavanje problema

4. Neizravni pokazatelji

• Analiza strujnih potpisa motora (MCSA) može otkriti probleme s torzijom
• Uzorci trošenja zuba spojnice i zupčanika
• Mjesta i orijentacije pukotina uzrokovanih zamorom na osovini
• Neobični obrasci bočnih vibracija koji mogu biti povezani s torzijskim modovima

Posljedice i mehanizmi štete

Kvarovi uzrokovani zamorom

Glavna opasnost torzijskih vibracija:

• Kvarovi osovine: Pukotine od zamora obično pod kutom od 45° u odnosu na os osovine (ravnine maksimalnih naprezanja smicanja)
• Kvarovi spojnice: Trošenje zuba zupčaste spojnice, zamor fleksibilnog elementa
• Lom zuba zupčanika: Ubrzano torzijskim oscilacijama
• Oštećenje ključa i utora za ključ: Trenje i trošenje uzrokovano oscilirajućim momentom

Karakteristike torzijskih lomova

• Često iznenadno i katastrofalno bez upozorenja
• Površine prijeloma pod kutom od približno 45° u odnosu na os osovine
• Tragovi plaže na površini loma ukazuju na napredovanje zamora
• Može se pojaviti čak i kada su razine bočnih vibracija prihvatljive

Problemi s performansama

• Problemi s regulacijom brzine u preciznim pogonima
• Prekomjerno trošenje mjenjača i spojnica
• Buka od zveckanja mjenjača i udaraca spojnice
• Neučinkovitost prijenosa snage

Analiza i modeliranje

Torzijska analiza tijekom projektiranja

Pravilan dizajn zahtijeva torzijsku analizu:

• Izračun prirodne frekvencije: Odredite sve kritične torzijske brzine
• Analiza prisilnog odgovora: Predvidite amplitude torzije u radnim uvjetima
• Campbellov dijagram: Prikaži torzijske prirodne frekvencije u odnosu na radnu brzinu
• Analiza stresa: Izračunajte naizmjenične smične napone u kritičnim komponentama
• Predviđanje životnog vijeka umora: Procijenite vijek trajanja komponente pod torzijskim opterećenjem

Softverski alati

Specijalizirani softver provodi torzijsku analizu:

• Modeli s višestrukom inercijom i koncentriranom masom
• Torzijska analiza konačnih elemenata
• Simulacija prolaznih događaja u vremenskoj domeni
• Harmonijska analiza u frekvencijskoj domeni

Metode ublažavanja i kontrole

Dizajnerska rješenja

• Margine razdvajanja: Osigurajte da su torzijske prirodne frekvencije udaljene ±20% od frekvencija pobude
• Prigušenje: Ugraditi torzione prigušivače (viskozne prigušivače, prigušivače trenja)
• Fleksibilne spojnice: Dodajte torzijsku poddajnost za niže prirodne frekvencije ispod raspona pobude
• Masovno podešavanje: Dodajte zamašnjake ili modificirajte inercije kako biste pomaknuli prirodne frekvencije
• Promjene krutosti: Promijenite promjere osovina ili krutost spojke

Operativna rješenja

• Ograničenja brzine: Izbjegavajte kontinuirani rad pri kritičnim torzijskim brzinama
• Brzo ubrzanje: Brzo prođite kroz kritične brzine tijekom pokretanja
• Upravljanje opterećenjem: Izbjegavajte uvjete koji pobuđuju torzione modove
• Podešavanje VFD-a: Prilagodite parametre pogona kako biste smanjili torzijsku pobudu

Odabir komponenti

• Spojnice s visokim prigušenjem: Elastomerne ili hidraulične spojnice koje raspršuju torzijsku energiju
• Torzijski amortizeri: Specijalizirani uređaji za pogon klipnih motora
• Kvaliteta opreme: Precizni zupčanici s uskim tolerancijama smanjuju uzbuđenje
• Materijal osovine: Materijali visoke čvrstoće na zamor za torzijski kritična vratila

Industrijske primjene i standardi

Kritične aplikacije

Torzijska analiza je posebno važna za:

• Pogoni klipnih motora: Dizel generatori, kompresori plinskih motora
• Duga pogonska vratila: Brodski pogon, valjaonice
• Mjenjači velike snage: Vjetroturbine, industrijski zupčasti pogoni
• Pogoni s promjenjivom brzinom: Primjene VFD motora, servo sustavi
• Višetjelesni sustavi: Složeni pogonski sklopovi s više povezanih strojeva

Relevantni standardi

• API 684: Dinamika rotora uključujući postupke torzijske analize
• API 617: Zahtjevi za torziju centrifugalnog kompresora
• API 672: Torzijska analiza pakiranog klipnog kompresora
• ISO 22266: Torzijske vibracije rotirajućih strojeva
• VDI 2060: Torzijske vibracije u pogonskim sustavima

Odnos prema drugim vrstama vibracija

Iako se razlikuju od lateralnih i aksijalnih vibracija, torzione vibracije mogu se s njima povezati:

• Lateralno-torzijsko spajanje: U određenim geometrijama, torzijski i lateralni modovi međusobno djeluju
• Mreža zupčanika: Torzijske vibracije stvaraju različita opterećenja zuba koja mogu izazvati bočne vibracije
• Univerzalni zglobovi: Kutno neusklađenje spaja torzijski ulaz s lateralnim izlazom
• Dijagnostički izazov: Složeni vibracijski potpisi mogu imati doprinose više vrsta vibracija

Razumijevanje i upravljanje torzijskim vibracijama ključno je za pouzdan rad sustava za prijenos snage. Iako im se u rutinskom praćenju posvećuje manje pažnje nego bočnim vibracijama, analiza torzijskih vibracija ključna je tijekom projektiranja i rješavanja problema pogonskih sustava velike snage ili preciznih pogona gdje torzijski kvarovi mogu imati katastrofalne posljedice.

---

← Natrag na glavni indeks