回転機械におけるねじり振動の理解
定義: ねじり振動とは何ですか?
ねじり振動 回転軸を中心とした回転軸の角振動であり、本質的には、軸の異なる部分が特定の瞬間にわずかに異なる速度で回転するねじれとねじれの戻りの動きです。 横方向の振動 （左右の動き）または 軸方向振動 （前後運動）ねじり振動では直線変位は発生せず、代わりにシャフトは正と負の角加速度を交互に経験します。.
ねじり振動は、通常、横方向の振動よりも振幅がはるかに小さく、検出が難しい場合が多いですが、シャフト、カップリング、ギアに非常に大きな交番応力を発生させ、警告なしに壊滅的な疲労破損を引き起こす可能性があります。.
物理的メカニズム
ねじり振動の発生原理
ねじり振動は次のように視覚化できます。
- モーターと駆動負荷を接続する長いシャフトを想像してください
- シャフトはねじりバネのように機能し、ねじれるときにエネルギーを蓄えたり放出したりする。
- 変化するトルクによって乱されると、シャフトは振動し、平均速度よりも速くまたは遅く回転するセクションが発生します。
- これらの振動は、励起周波数がねじり固有周波数と一致する場合に発生する可能性がある。
ねじり固有振動数
すべてのシャフト システムには、次の要素によって決まるねじり固有振動数があります。
- シャフトねじり剛性: シャフトの直径、長さ、材料のせん断弾性率によって異なります
- システム慣性: 接続された回転部品（モーターローター、カップリング、ギア、負荷）の慣性モーメント
- 複数のモード: 複雑なシステムには複数のねじり固有振動数がある
- カップリング効果: フレキシブルカップリングはねじりコンプライアンスを高め、固有振動数を下げる
ねじり振動の主な原因
1. 往復動エンジンからの可変トルク
多くのアプリケーションで最も一般的なソース:
- ディーゼルエンジンとガソリンエンジン: 燃焼イベントは脈動トルクを生み出す
- 発射順序: エンジン速度の倍音を生成する
- シリンダー数: シリンダー数が少ないほどトルク変動が大きくなる
- 共鳴リスク: エンジンの運転速度はねじりの危険速度と一致する可能性がある
2. ギアの噛み合い力
ギアシステムはねじり励起を生成します。
- ギアの噛み合い周波数（歯数×回転数）が振動トルクを生み出す
- 歯間隔の誤差とプロファイルの不正確さが原因
- ギアのバックラッシュは衝撃荷重を引き起こす可能性がある
- 複数のギア段により複雑なねじりシステムが形成される
3. 電気モーターの問題
電気モーターはねじり外乱を発生する可能性があります。
- ポール通過周波数: ローターとステーターの相互作用により脈動トルクが生成される
- 破損したローターバー: スリップ周波数でトルクパルスを生成する
- 可変周波数ドライブ（VFD）： PWMスイッチングはねじりモードを励起することができる
- 過渡現象の開始: モーター始動時の大きなトルク振動
4. プロセス負荷の変動
駆動装置への可変負荷:
- コンプレッサーサージイベント
- ポンプのキャビテーションによるトルクスパイクの発生
- 破砕機、粉砕機、プレス機における周期的な負荷
- ファンとタービンのブレード通過力
5. カップリングとドライブトレインの問題
- 摩耗または損傷したカップリング（遊びまたはバックラッシュあり）
- 2倍のねじり励起を生み出す角度で動作するユニバーサルジョイント
- ベルトドライブのスリップとチャタリング
- チェーンドライブポリゴンアクション
検出と測定の課題
ねじり振動の検出が難しい理由
横方向の振動とは異なり、ねじり振動には独特の測定上の課題があります。
- ラジアル変位なし: ベアリングハウジングの標準的な加速度計は、純粋なねじり運動を検出しません。
- 小さな角振幅: 典型的な振幅は1度未満である
- 必要な特殊装備: ねじり振動センサーまたは高度な分析が必要
- 見落とされがちなこと: 定期的な振動監視プログラムには含まれません
測定方法
1. ひずみゲージ
- せん断ひずみを測定するためにシャフト軸に対して45°で取り付けます
- 回転軸からの信号を送信するためのテレメトリシステムが必要
- ねじり応力の直接測定
- 最も正確な方法ですが、複雑で高価です
2. デュアルプローブねじり振動センサー
- 2つの光学式または磁気式センサーが異なるシャフト位置で速度を測定
- 信号間の位相差はねじり振動を示す
- 非接触測定
- 一時的または恒久的に設置可能
3. レーザーねじり振動計
- シャフト角速度変動の光学測定
- 非接触、シャフトの準備は不要
- 高価だがトラブルシューティングには強力
4. 間接的な指標
- モータ電流シグネチャ解析（MCSA）はねじりの問題を明らかにすることができます
- カップリングとギア歯の摩耗パターン
- シャフト疲労亀裂の位置と方向
- ねじりモードと結合している可能性のある異常な横方向振動パターン
結果と被害のメカニズム
疲労破壊
ねじり振動の主な危険性：
- シャフトの故障: 疲労亀裂は通常、シャフト軸に対して45°（最大せん断応力面）で発生します。
- カップリング障害: ギアカップリングの歯の摩耗、フレキシブルエレメントの疲労
- ギアの歯の破損: ねじり振動によって加速される
- キーとキー溝の損傷: 振動トルクによるフレッティングと摩耗
ねじり破壊の特徴
- 多くの場合、予告なく突然、壊滅的な事態を引き起こす
- シャフト軸に対して約45°の角度で破断面
- 疲労の進行を示す破面のビーチマーク
- 横方向の振動レベルが許容範囲内であっても発生する可能性がある
パフォーマンスの問題
- 精密駆動における速度制御の問題
- ギアボックスとカップリングの過度の摩耗
- ギアのガタガタ音やカップリングの衝撃による騒音
- 電力伝送の非効率性
分析とモデリング
設計中のねじり解析
適切な設計にはねじり解析が必要です。
- 固有振動数計算: すべてのねじり臨界速度を決定する
- 強制応答解析: 動作条件におけるねじり振幅を予測する
- キャンベル図: ねじり固有振動数と動作速度の関係を表示します。
- 応力解析: 重要なコンポーネントの交番せん断応力を計算する
- 疲労寿命予測: ねじり荷重下での部品寿命の推定
ソフトウェアツール
専用ソフトウェアでねじり解析を実行します。
- 多慣性集中質量モデル
- 有限要素ねじり解析
- 過渡事象の時間領域シミュレーション
- 周波数領域高調波解析
緩和および制御方法
デザインソリューション
- 分離マージン: ねじり固有振動数が励起振動数から±20%離れていることを確認する
- ダンピング: ねじりダンパー（粘性ダンパー、摩擦ダンパー）を組み込む
- フレキシブルカップリング: 励起範囲以下の低い固有振動数にねじりコンプライアンスを追加
- マスチューニング: フライホイールを追加したり、慣性を変更して固有振動数をシフトする
- 硬さの変更: シャフト径またはカップリングの剛性を変更する
運用ソリューション
- 速度制限: ねじり危険速度での連続運転を避ける
- 急加速： 起動時に危険な速度を素早く通過
- 負荷管理: ねじりモードを励起する条件を避ける
- VFDチューニング: ねじり励起を最小限に抑えるために駆動パラメータを調整する
コンポーネントの選択
- 高減衰カップリング: ねじりエネルギーを消散させるエラストマーまたは油圧カップリング
- ねじりダンパー: 往復エンジン駆動用の特殊装置
- ギアの品質: 厳しい公差を持つ精密ギアが励起を低減
- シャフト材質: ねじりが重要なシャフト用の高疲労強度材料
業界のアプリケーションと標準
重要なアプリケーション
ねじり解析は特に次の場合に重要です。
- 往復エンジン駆動: ディーゼル発電機、ガスエンジンコンプレッサー
- ロングドライブシャフト： 船舶推進、圧延機
- 高出力ギアボックス: 風力タービン、産業用ギアドライブ
- 可変速ドライブ: VFDモーターアプリケーション、サーボシステム
- マルチボディシステム: 複数の機械が接続された複雑なドライブトレイン
関連規格
- API 684: ねじり解析手順を含むローターダイナミクス
- API 617: 遠心圧縮機のねじり要件
- API 672: パッケージ型往復動圧縮機のねじり解析
- ISO 22266: 回転機械のねじり振動
- VDI 2060: 駆動システムにおけるねじり振動
他の振動タイプとの関係
ねじり振動は横方向振動や軸方向振動とは異なりますが、これらと結合することがあります。
- 横方向ねじりカップリング: 特定の形状では、ねじりモードと横モードが相互作用する。
- ギアメッシュ: ねじり振動は歯にかかるさまざまな負荷を生み出し、横方向の振動を刺激する可能性がある。
- ユニバーサルジョイント: 角度のずれはねじり入力と横方向出力を結合する
- 診断上の課題: 複雑な振動シグネチャには複数の振動タイプが寄与している可能性がある
ねじり振動の理解と管理は、動力伝達システムの信頼性の高い運用に不可欠です。日常的な監視においては横振動ほど注目されることはありませんが、ねじり振動解析は、ねじり故障が壊滅的な結果をもたらす可能性のある高出力または高精度の駆動システムの設計およびトラブルシューティングにおいて非常に重要です。.
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