Comprensione dell'analisi torsionale
Definizione: Che cos'è l'analisi torsionale?
Analisi torsionale è la misurazione, la valutazione e la modellazione di vibrazione torsionale—oscillazioni torcenti attorno all'asse dell'albero—nei gruppi di trasmissione delle macchine rotanti. A differenza vibrazione laterale (flessione) che è facilmente misurabile con lo standard accelerometri, le vibrazioni torsionali richiedono tecniche di misurazione specializzate (estensimetri, doppi tachimetri, vibrometria laser) e analisi per rilevare le oscillazioni angolari, determinare le frequenze naturali torsionali e valutare il rischio di fatica in alberi, giunti e ingranaggi.
L'analisi torsionale è fondamentale per le trasmissioni dei motori alternativi, gli alberi di trasmissione lunghi, i riduttori ad alta potenza e le applicazioni con motori VFD, dove le vibrazioni torsionali possono causare guasti catastrofici all'albero o al giunto, nonostante livelli di vibrazione laterale accettabili. Si tratta di una capacità diagnostica specializzata ma essenziale per prevenire guasti improvvisi e imprevisti nei sistemi di trasmissione di potenza.
Perché è necessaria l'analisi torsionale
Vibrazione torsionale vs. laterale
- Laterale: Flessione, movimento laterale, misurato con accelerometri standard
- Torsionale: Torsione attorno all'asse, nessuno spostamento laterale, invisibile ai sensori standard
- Indipendenza: Può avere una torsione grave con una laterale bassa (e viceversa)
- Danni: La torsione può causare guasti all'albero/giunto senza preavviso dalle misurazioni laterali
Modalità di guasto
- Fratture da fatica dell'albero (tipicamente a 45° rispetto all'asse)
- Guasto dell'elemento di accoppiamento (denti degli ingranaggi, elementi flessibili)
- Rottura dei denti degli ingranaggi a causa di carichi oscillanti
- Danni alla chiave e alla sede della chiave dovuti all'usura
Tecniche di misurazione
1. Metodo dell'estensimetro
Misurazione diretta dello stress torsionale:
- Estensimetri incollati a 45° rispetto all'asse dell'albero (orientamento della sollecitazione di taglio massima)
- Misura la deformazione di taglio dovuta alla torsione
- Richiede anelli collettori o telemetria wireless per alberi rotanti
- Molto preciso ma complesso e costoso
- Ricerca e sviluppo uso primario
2. Metodo del doppio tachimetro
- Due sensori ottici in diverse posizioni dell'albero
- Misura la differenza di fase tra le posizioni
- Differenza di fase = torsione angolare = vibrazione torsionale
- Senza contatto e pratico
- Limitato a torsioni a bassa frequenza (< 100 Hz in genere)
3. Vibrometro torsionale laser
- Sistema laser Doppler specializzato
- Misura le fluttuazioni della velocità angolare
- Senza contatto
- Ampia gamma di frequenza
- Costoso ma potente
4. Analisi della corrente del motore
- La vibrazione torsionale crea fluttuazioni di corrente
- Analizza lo spettro della corrente del motore
- Indiretto ma non invasivo
- Strumento di screening utile
Analisi torsionale analitica
Modellazione matematica
- Modello torsionale a massa concentrata della trasmissione
- Calcola le frequenze naturali torsionali
- Prevedere la risposta alle fonti di eccitazione
- Identificare velocità critiche e risonanze
Fonti di eccitazione
- Motori alternativi: Gli impulsi di accensione creano eccitazione torsionale
- Maglia degli ingranaggi: L'innesto dei denti crea una coppia oscillante
- VFD: Armoniche di frequenza di commutazione PWM
- Elettrico: Frequenze di passaggio dei poli e di scorrimento del motore
Diagramma di Campbell per torsione
- Tracciare le frequenze naturali torsionali in funzione della velocità
- Sovrapposizione delle linee di ordine di eccitazione
- Identificare le velocità critiche torsionali (punti di interferenza)
- Guida alla selezione della velocità operativa
Applicazioni critiche
Azionamenti a motore alternativo
- Generatori diesel
- Compressori per motori a gas
- Propulsione marina
- Le grandi pulsazioni di coppia richiedono un'analisi
Alberi di trasmissione lunghi
- Azionamenti per laminatoi
- Alberi portaelica marini
- Azionamenti per macchine per la carta
- La lunghezza crea una bassa rigidità torsionale
Riduttori ad alta potenza
- Riduttori per turbine eoliche
- Riduttori industriali > 1000 CV
- Eccitazione della maglia degli ingranaggi delle modalità torsionali
Sistemi motore VFD
- Gli azionamenti a frequenza variabile creano eccitazione torsionale
- Le armoniche PWM possono eccitare risonanze torsionali
- Crescente preoccupazione per la proliferazione dei VFD
Risultati dell'analisi
Frequenze naturali torsionali
- Identificare tramite misurazione o calcolo
- Confronta con le frequenze di eccitazione
- Verificare la separazione adeguata
Livelli di stress
- Calcolare lo sforzo di taglio alternato dalle vibrazioni misurate
- Confronta con i limiti di resistenza del materiale
- Valutare il consumo di vita a fatica
- Determinare se le sollecitazioni sono accettabili
Smorzamento
- Misura dalla risposta alle risonanze torsionali
- Tipicamente molto basso (< 1% di critico)
- Un basso smorzamento significa risonanze acute
Strategie di mitigazione
Separazione di frequenza
- Assicurare che le correnti torsionali naturali siano separate dalle frequenze di eccitazione
- Modificare il diametro dell'albero, la lunghezza o la rigidità del giunto
- Modificare le inerzie (aggiungere volano)
Aggiunta di smorzamento
- Smorzatori torsionali (viscosi o ad attrito)
- Giunti ad alto smorzamento
- Riduce l'amplificazione della risonanza
Modifiche della velocità operativa
- Evitare il funzionamento continuo a velocità critiche torsionali
- Limitare gli intervalli di velocità
- Regolazione VFD per ridurre al minimo l'eccitazione
L'analisi torsionale è una disciplina specializzata in vibrazioni che si occupa delle oscillazioni torsionali che possono causare guasti catastrofici invisibili al monitoraggio standard delle vibrazioni laterali. Pur richiedendo tecniche di misurazione e analisi specializzate, l'analisi torsionale è essenziale per azionamenti di motori alternativi, alberi lunghi, riduttori ad alta potenza e sistemi VFD, dove le vibrazioni torsionali rappresentano rischi significativi per l'affidabilità e la sicurezza.
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