Comprensione delle vibrazioni torsionali nelle macchine rotanti

Dispositivi

Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

$2,358.31

Parti di ricambio

Sensore di vibrazioni

$107.47

Parti di ricambio

Sensore ottico (tachimetro laser)

$148.07

Dispositivi

Balanset-4

$8,123.32

Parti di ricambio

Standard magnetico Insize-60-kgf

$54.93

Parti di ricambio

Nastro riflettente

$11.94

Dispositivi

Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definizione: Che cosa sono le vibrazioni torsionali?

Vibrazione torsionale è l'oscillazione angolare di un albero rotante attorno al suo asse di rotazione, essenzialmente un movimento di torsione e distorsione in cui diverse sezioni dell'albero ruotano a velocità leggermente diverse in un dato istante. A differenza di vibrazione laterale (movimento laterale) o vibrazione assiale (movimento avanti e indietro), la vibrazione torsionale non comporta alcuno spostamento lineare; al contrario, l'albero subisce un'accelerazione angolare alternata positiva e negativa.

Sebbene le vibrazioni torsionali abbiano in genere ampiezze molto inferiori rispetto alle vibrazioni laterali e siano spesso difficili da rilevare, possono creare enormi sollecitazioni alternate in alberi, giunti e ingranaggi, portando potenzialmente a guasti da fatica catastrofici senza preavviso.

Meccanismo fisico

Come si verifica la vibrazione torsionale

La vibrazione torsionale può essere visualizzata come segue:

• Immagina un lungo albero che collega un motore a un carico azionato
• L'albero agisce come una molla di torsione, immagazzinando e rilasciando energia mentre si torce
• Quando disturbato da coppie variabili, l'albero oscilla, con sezioni che ruotano più velocemente e più lentamente della velocità media
• Queste oscillazioni possono accumularsi se la frequenza di eccitazione corrisponde alla frequenza naturale torsionale

Frequenze naturali torsionali

Ogni sistema di alberi ha frequenze naturali torsionali determinate da:

• Rigidità torsionale dell'albero: Dipende dal diametro dell'albero, dalla lunghezza e dal modulo di taglio del materiale
• Inerzia del sistema: Momenti di inerzia dei componenti rotanti collegati (rotore del motore, giunti, ingranaggi, carichi)
• Modalità multiple: I sistemi complessi hanno diverse frequenze naturali torsionali
• Effetti di accoppiamento: I giunti flessibili aggiungono flessibilità torsionale, riducendo le frequenze naturali

Cause primarie delle vibrazioni torsionali

1. Coppia variabile dai motori alternativi

La fonte più comune in molte applicazioni:

• Motori diesel e benzina: Gli eventi di combustione creano una coppia pulsante
• Ordine di fuoco: Crea armoniche della velocità del motore
• Numero di cilindri: Meno cilindri producono più variazioni di coppia
• Rischio di risonanza: La velocità di funzionamento del motore può coincidere con le velocità critiche torsionali

2. Forze di accoppiamento degli ingranaggi

I sistemi di ingranaggi generano eccitazione torsionale:

• La frequenza di accoppiamento degli ingranaggi (numero di denti × giri/min) crea una coppia oscillante
• Gli errori di spaziatura dei denti e le imprecisioni del profilo contribuiscono
• Il gioco degli ingranaggi può causare carichi d'impatto
• Più stadi di ingranaggi creano sistemi torsionali complessi

3. Problemi al motore elettrico

I motori elettrici possono produrre disturbi torsionali:

• Frequenza di passaggio del polo: L'interazione tra rotore e statore crea una coppia pulsante
• Barre del rotore rotte: Crea impulsi di coppia alla frequenza di slittamento
• Azionamenti a frequenza variabile (VFD): La commutazione PWM può eccitare le modalità torsionali
• Transitori di avviamento: Grandi oscillazioni di coppia durante l'avviamento del motore

4. Variazioni del carico di processo

Carico variabile sulle apparecchiature azionate:

• Eventi di sovratensione del compressore
• Cavitazione della pompa che crea picchi di coppia
• Carichi ciclici in frantoi, mulini e presse
• Forze di passaggio delle pale nei ventilatori e nelle turbine

5. Problemi di accoppiamento e trasmissione

• Giunti usurati o danneggiati con gioco o contraccolpo
• Giunti universali che operano ad angoli creando un'eccitazione torsionale 2×
• Slittamento e vibrazione della cinghia di trasmissione
• Azione poligonale della trasmissione a catena

Sfide di rilevamento e misurazione

Perché le vibrazioni torsionali sono difficili da rilevare

A differenza delle vibrazioni laterali, le vibrazioni torsionali presentano sfide di misurazione uniche:

• Nessuno spostamento radiale: Gli accelerometri standard sugli alloggiamenti dei cuscinetti non rilevano il movimento puramente torsionale
• Piccole ampiezze angolari: Le ampiezze tipiche sono frazioni di grado
• Attrezzatura specializzata richiesta: Richiede sensori di vibrazione torsionale o analisi sofisticate
• Spesso trascurato: Non incluso nei programmi di monitoraggio delle vibrazioni di routine

Metodi di misurazione

1. Estensimetri

• Montato a 45° rispetto all'asse dell'albero per misurare la deformazione di taglio
• Richiede un sistema di telemetria per trasmettere il segnale dall'albero rotante
• Misurazione diretta dello stress torsionale
• Metodo più accurato ma complesso e costoso

2. Sensori di vibrazione torsionale a doppia sonda

• Due sensori ottici o magnetici misurano la velocità in diverse posizioni dell'albero
• La differenza di fase tra i segnali indica vibrazioni torsionali
• Misurazione senza contatto
• Può essere installato temporaneamente o permanentemente

3. Vibrometri torsionali laser

• Misurazione ottica delle variazioni di velocità angolare dell'albero
• Senza contatto, non è richiesta alcuna preparazione dell'albero
• Costoso ma potente per la risoluzione dei problemi

4. Indicatori indiretti

• L'analisi della firma della corrente del motore (MCSA) può rivelare problemi torsionali
• Modelli di usura dei giunti e dei denti degli ingranaggi
• Posizioni e orientamenti delle cricche da fatica dell'albero
• Modelli di vibrazione laterale insoliti che potrebbero essere accoppiati con modalità torsionali

Conseguenze e meccanismi di danno

Guasti da fatica

Il pericolo principale delle vibrazioni torsionali:

• Guasti all'albero: Le crepe da fatica si formano tipicamente a 45° rispetto all'asse dell'albero (piani di sollecitazione di taglio massima)
• Guasti di accoppiamento: Usura dei denti del giunto a ingranaggi, affaticamento degli elementi flessibili
• Rottura dei denti degli ingranaggi: Accelerato dalle oscillazioni torsionali
• Danni alle chiavi e alle sedi delle chiavi: Sfregamento e usura dovuti alla coppia oscillante

Caratteristiche dei guasti torsionali

• Spesso improvviso e catastrofico senza preavviso
• Superfici di frattura a circa 45° di angolo rispetto all'asse dell'albero
• Segni di spiaggia sulla superficie della frattura che indicano la progressione della fatica
• Può verificarsi anche quando i livelli di vibrazione laterale sono accettabili

Problemi di prestazioni

• Problemi di controllo della velocità negli azionamenti di precisione
• Usura eccessiva di riduttori e giunti
• Rumore dovuto al tintinnio degli ingranaggi e agli impatti degli accoppiamenti
• Inefficienza nella trasmissione di potenza

Analisi e modellazione

Analisi torsionale durante la progettazione

Una progettazione corretta richiede un'analisi torsionale:

• Calcolo della frequenza naturale: Determinare tutte le velocità critiche torsionali
• Analisi della risposta forzata: Prevedere ampiezze torsionali in condizioni operative
• Diagramma di Campbell: Mostra le frequenze naturali torsionali rispetto alla velocità operativa
• Analisi dello stress: Calcolare le sollecitazioni di taglio alternate nei componenti critici
• Previsione della durata della fatica: Stima della durata del componente sotto carico torsionale

Strumenti software

Un software specializzato esegue l'analisi torsionale:

• Modelli a massa concentrata multi-inerzia
• Analisi torsionale agli elementi finiti
• Simulazione nel dominio del tempo di eventi transitori
• Analisi armonica nel dominio della frequenza

Metodi di mitigazione e controllo

Soluzioni di progettazione

• Margini di separazione: Assicurarsi che le frequenze naturali torsionali siano distanti ±20% dalle frequenze di eccitazione
• Smorzamento: Incorporare smorzatori torsionali (smorzatori viscosi, smorzatori ad attrito)
• Giunti flessibili: Aggiungere la conformità torsionale per abbassare le frequenze naturali al di sotto dell'intervallo di eccitazione
• Sintonizzazione di massa: Aggiungere volani o modificare le inerzie per spostare le frequenze naturali
• Cambiamenti di rigidità: Modificare i diametri degli alberi o la rigidità del giunto

Soluzioni operative

• Limitazioni di velocità: Evitare il funzionamento continuo a velocità critiche torsionali
• Accelerazione rapida: Superare rapidamente le velocità critiche durante l'avvio
• Gestione del carico: Evitare condizioni che eccitano modalità torsionali
• Regolazione VFD: Regolare i parametri di azionamento per ridurre al minimo l'eccitazione torsionale

Selezione dei componenti

• Giunti ad alto smorzamento: Giunti elastomerici o idraulici che dissipano l'energia torsionale
• Smorzatori torsionali: Dispositivi specializzati per azionamenti di motori alternativi
• Qualità dell'attrezzatura: Ingranaggi di precisione con tolleranze strette riducono l'eccitazione
• Materiale dell'albero: Materiali ad alta resistenza alla fatica per alberi torsionalmente critici

Applicazioni e standard industriali

Applicazioni critiche

L'analisi torsionale è particolarmente importante per:

• Azionamenti a motore alternativo: Generatori diesel, compressori per motori a gas
• Alberi di trasmissione lunghi: Propulsione marina, laminatoi
• Riduttori ad alta potenza: Turbine eoliche, trasmissioni industriali
• Azionamenti a velocità variabile: Applicazioni di motori VFD, servosistemi
• Sistemi multi-corpo: Gruppi di trasmissione complessi con più macchine collegate

Standard rilevanti

• API 684: Dinamica del rotore, comprese le procedure di analisi torsionale
• API 617: Requisiti torsionali del compressore centrifugo
• API 672: Analisi torsionale del compressore alternativo confezionato
• ISO 22266: Vibrazione torsionale delle macchine rotanti
• VDI 2060: Vibrazioni torsionali nei sistemi di azionamento

Relazione con altri tipi di vibrazioni

Sebbene distinta dalle vibrazioni laterali e assiali, la vibrazione torsionale può accoppiarsi ad esse:

• Accoppiamento laterale-torsionale: In alcune geometrie, le modalità torsionali e laterali interagiscono
• Maglia degli ingranaggi: La vibrazione torsionale crea carichi variabili sui denti che possono eccitare vibrazioni laterali
• Giunti universali: Il disallineamento angolare accoppia l'input torsionale all'output laterale
• Sfida diagnostica: Le firme di vibrazione complesse possono avere contributi da più tipi di vibrazione

Comprendere e gestire le vibrazioni torsionali è essenziale per il funzionamento affidabile dei sistemi di trasmissione di potenza. Sebbene riceva meno attenzione rispetto alle vibrazioni laterali nel monitoraggio di routine, l'analisi delle vibrazioni torsionali è fondamentale durante la progettazione e la risoluzione dei problemi di sistemi di trasmissione ad alta potenza o di precisione, dove i guasti torsionali possono avere conseguenze catastrofiche.

---

← Torna all'indice principale