ねじり解析の理解
ねじり解析 の測定、評価、モデル化である。 ねじり振動 - 回転機械のドライブトレインでは、シャフトの軸を中心としたねじれ振動が発生する。とは異なり 横方向の振動 (曲げ)は、標準の 加速度センサー ベアリング・ハウジングにボルトで固定された標準的な振動計では、ねじり運動は横方向への変位を全く生じないため、まったく検出できない。 振動解析これを検出するには、ストレインゲージ、デュアルタコメーター、レーザーといった特殊な技術が必要になる。 振動測定 - ねじり固有振動数を求め、評価するための解析も併用する。 疲労 シャフト、カップリング、ギアのリスク。
この分野は、レシプロエンジンドライブ、長いドライブシャフト、ハイパワーギアボックス、可変周波数ドライブ（VFD）モーターシステムにとって非常に重要です。 振動強度 はまったく問題なさそうに見える。これは特殊な能力ではあるが、通常の監視では思いもよらないような予期せぬ破損を防ぐために不可欠な能力である。
1.ねじり解析が必要な理由
ねじり振動と横振動
この2つの運動は力学的に独立しており、その独立性こそが別分野が存在する理由なのだ：
- 横方向: シャフトとベアリングの曲げ、左右の動き - 標準的な加速度センサーで簡単に捉えることができます。 近接プローブ.
- ねじり: 回転軸を中心にねじれ、横方向の変位が検出されないため、従来取り付けられていたセンサーからは見えない。
- 独立： 機械は、横振動レベルが低いのに激しいねじり振動を受けることがあり、その逆もある。
- 損傷： ねじり振動は、横方向からの測定では何の前触れもなくシャフトやカップリングを破壊する可能性があり、それこそが非常に危険な理由である。.
特徴的な故障モード
ねじりによる加振はドライブラインに周期的なせん断応力を与えるため、その故障には特徴的な特徴があります：
- シャフトの疲労骨折： 一般的に、最大せん断応力の面であるシャフト軸に対してほぼ45°の方向できれいに破断する。
- カップリングエレメントの故障： ギヤカップリングではギヤの歯に亀裂が入り、エラストマーカップリングやディスクカップリングではフレキシブルエレメントが破れる。
- 歯車の歯の破損： 定常的なトルクではなく、振動や反転する歯の負荷によって駆動される。
- キーとキー溝の損傷： 交互にひねりを加えることで、関節が前後に動くため、フレッティングや緩みが生じる。
2.測定技術
センサーを向けるのに便利な面がないため、コストや周波数範囲と精度を交換しながら、4つの実用的な方法が登場した。
ストレインゲージ法
最も直接的な方法は、ねじり応力をその発生源で測定することである：
- ひずみゲージは、最大せん断応力を捉える方向であるシャフト軸に対して45°で接着されている。
- ねじれによって生じるせん断ひずみを読み取り、トルクと交番応力に直接変換する。
- 回転シャフトには、スリップリングかワイヤレスが必要です。 テレメトリー 回転しているメンバーから信号を得るために。
- 最も正確な方法だが、同時に最も複雑で高価な方法でもある。.
デュアル・タコメーター方式
- 2つの光学センサー - 通常は2つ レーザータコメーター — は、シャフトの異なる軸方向位置を狙っている。
- この測定器は、瞬時の 位相 両局の差。
- その位相差は、その間のシャフトの角度のねじれであり、ねじり振動そのものである。
- 非接触で、現場での実用性は高いが、通常はおよそ100Hz以下の低周波のねじれ内容に限られる。
レーザーねじり振動計
- シャフトの表面を狙う特殊なレーザードップラーシステム。
- シャフトの準備をすることなく、角速度変動を直接測定する。
- 非接触で、使用可能な周波数範囲が広い。.
- 強力だが高価な装置であり、要求の厳しい調査用に確保されている。
モーター電流解析
- モーター駆動列車のねじり振動は負荷を変調させるため、モーター電流に小さな変動を生じさせる。
- モーター電流の分析 スペクトラム は間接的にその変動を明らかにする。
- 完全に非侵襲的で、センサーがシャフトに近づくことはない。
- 直接的な方法で確認する価値のある問題を示すスクリーニング・ツールとして扱うのが最適である。
3.解析的ねじり解析
測定は、機械が現在何をしているかを教えてくれる。モデリングは、全速度範囲にわたって機械が何をするかを教えてくれ、エンジニアは金属を切断する前に問題を設計上取り除くことができる。
数学的モデリング
- ドライブトレインは、ねじりバネ（シャフト部分とカップリング）で連結された集中質量ねじりモデルに縮約される。
- そこからねじり固有振動数が計算される。.
- このモデルは、各加振源に対する応答を予測し、ねじり臨界速度を特定する。 臨界速度 そして 共振.
励起源
ねじり共振が危険になるのは、何かが適切な周波数でそれを励起する場合のみである。よくある原因は次のとおりである：
- 往復動エンジン： 各シリンダーからの点火パルスは、エンジンオーダーで強いねじり加振を発生させる。
- ギアメッシュ： 歯が噛み合うと、振動トルクが発生する。 ギア噛み合い周波数.
- VFD: PWMスイッチングは、ねじりモードと一致する可能性のある高調波を発生させる。
- 電気: モーター 極通過周波数 そして スリップ周波数 さらにねじり加振を加える。
キャンベル・ダイアグラム
周波数を回転速度に結びつけるための標準的なグラフィカルツールは、次のとおりである。 キャンベル図:
- ねじり固有振動数を回転速度に対してプロットする。
- 励振次数線（1×、2×、点火次数、噛み合い次数）が重ねて表示される。
- 次数線が固有振動数と交差する箇所には、ねじり危険速度が存在し、これは避けるべき干渉点である。
- この図は、運転速度の選択と、制限すべき帯域の指針となる。同じ干渉マップを特定のドライブラインについてスケッチするには キャンベル図計算機.
4.重要なアプリケーション
ねじり解析はどこでも必要というわけではないが、一部の機械群では事実上必須である。
- レシプロエンジン・ドライブ ディーゼル発電機セット、ガスエンジン・コンプレッサー、船舶推進など、大きなトルク脈動により解析が避けられない用途。
- 長いドライブシャフト： 圧延機駆動部、船舶用プロペラシャフト、製紙機械駆動部など、極端な長さがねじり剛性を低下させ、固有振動数を運転範囲まで低下させる用途。
- ハイパワーギアボックス： 風力タービンのギアボックスや約1,000馬力を超える産業用減速機では、ギアメッシュの加振がねじりモードを共振させることがある。
- VFDモーターシステム： 駆動装置が急増する中で急速に高まっている懸念であり、PWM高調波は固定速モーターでは決して起こらないねじり共振を励起する可能性があるためである。
5.結果の解釈
ねじり試験は、ドライブトレインが安全に運転できるかどうかを決定する3つの成果物を生み出す。
ねじり固有振動数
- 測定、計算、またはその両方から特定される。.
- 信頼できるすべての加振周波数と比較。.
- 適切な余裕（運転範囲全体でモードと強制周波数の間に十分なマージンがあるか）をチェックする。
ストレスレベル
- 交番せん断応力は、測定されたねじり振幅から計算される。
- これは材料の耐久（疲労）限界と比較される。
- 1時間あたり、または1回の始動あたりに消費される疲労寿命の割合が推定される。
- 必要な耐用年数に対して許容できる応力なのか？
減衰
- 各ねじり共振における応答の鋭さから測定される。
- ねじり 減衰 一般的には非常に低く、臨界の1%以下であることが多い。.
- 減衰が小さいということは、高くて狭い共振ピークを意味し、励起次数がモードと一致すれば大きな増幅を意味する。
6.緩和戦略
解析が問題を示した場合、3つの手段が利用可能であり、通常はこの優先順位で適用される。
周波数分離
- ねじり固有振動数をすべての加振周波数から遠ざける。
- シャフトの直径または長さを調整するか、カップリングのねじり剛性を変更して 剛性, モードを再チューニングする。.
- フライホイールを追加するなどして慣性を変化させ、固有振動数をシフトさせる。
ダンピングの追加
- ねじりダンパー（粘性または摩擦タイプ）を取り付け、共振からエネルギーを逃がす。
- 硬いカップリングの代わりに、高減衰のフレキシブル・カップリングを指定する。
- どちらも、完全な分離が不可能な場合でも、共振時の増幅を減少させる。
運転速度の変化
- 特定されたねじり限界速度での連続運転は避けてください。
- マシンが素早く通過できる制限速度帯を定めて実施する。
- VFDの場合は、問題となる高調波での励磁を最小化するようにドライブを調整します。
7.フィールドプログラムにおけるねじり解析
ねじり作業は専門的ですが、単独で行うものではありません。ドライブトレインを健全な状態に保つための日常的なバランシングや横振動チェックと並行して行うもので、きれいな横方向の画像が、ねじり異常が目立つ基準となります。日々の現場での実践では、エンジニアはまずローター自体のバランスが取れていることを確認し、1× アンバランス がコントロールされている。 ずれ は、独自のトルク変動をラインに加える。ポータブル2チャンネル測定器 バランセット-1A 1×振幅と位相を測定し、ローターをベアリングでバランスさせ、次のことを確認する。 残留アンバランス — そうすることで、残っているねじれエネルギーは、横方向の故障に見せかけたものでなく、真のねじれ要因に明確に帰することができます。ローターのバランスとアライメントを整えた状態で、専用のねじり測定（デュアルタコメーターまたはひずみゲージ）を行うことで、本当のねじり挙動を分離することができます。
つまり、ねじり解析は、標準的な横方向監視では見えない致命的な故障を引き起こす可能性のあるねじれ振動を対象とした特殊な振動分野です。専用の測定とモデリングが必要ですが、レシプロエンジン駆動、長いシャフト、ハイパワーギアボックス、VFDシステムなど、ねじり振動が真の信頼性と安全性のリスクをもたらす場合には不可欠です。
