Hva er torsjonsvibrasjon? Årsaker og virkninger • Bærbar balanseringsenhet, vibrasjonsanalysator "Balanset" for dynamisk balansering av knusere, vifter, mulchere, skruer på skurtreskere, aksler, sentrifuger, turbiner og mange andre rotorer Hva er torsjonsvibrasjon? Årsaker og virkninger • Bærbar balanseringsenhet, vibrasjonsanalysator "Balanset" for dynamisk balansering av knusere, vifter, mulchere, skruer på skurtreskere, aksler, sentrifuger, turbiner og mange andre rotorer

Hva er torsjonsvibrasjon? Årsaker og virkninger

Publisert av admin på

Forstå torsjonsvibrasjon i roterende maskiner

Definisjon: Hva er torsjonsvibrasjon?

Torsjonsvibrasjon er den vinkelmessige oscillasjonen til en roterende aksel rundt rotasjonsaksen – i hovedsak en vridnings- og utvridningsbevegelse der forskjellige deler av akselen roterer med litt forskjellige hastigheter til enhver tid. I motsetning til lateral vibrasjon (sideveis bevegelse) eller aksial vibrasjon (frem-og-tilbake-bevegelse), involverer torsjonsvibrasjon ingen lineær forskyvning; i stedet opplever akselen vekslende positiv og negativ vinkelakselerasjon.

Selv om torsjonsvibrasjoner vanligvis har mye mindre amplituder enn sideveis vibrasjoner og ofte er vanskelige å oppdage, kan de skape enorme vekslende spenninger i aksler, koblinger og gir, noe som potensielt kan føre til katastrofale utmattingsfeil uten forvarsel.

Fysisk mekanisme

Hvordan torsjonsvibrasjon oppstår

Torsjonsvibrasjon kan visualiseres som følger:

  • Tenk deg en lang aksel som kobler en motor til en drevet last
  • Skaftet fungerer som en torsjonsfjær, og lagrer og frigjør energi når den vrir seg
  • Når den forstyrres av varierende dreiemomenter, oscillerer akselen, med seksjoner som roterer raskere og saktere enn gjennomsnittshastigheten.
  • Disse svingningene kan bygge seg opp hvis eksitasjonsfrekvensen samsvarer med torsjonsegenfrekvensen.

Torsjonelle naturlige frekvenser

Hvert akselsystem har torsjonsmessige naturlige frekvenser bestemt av:

  • Skaftets torsjonsstivhet: Avhenger av akseldiameter, lengde og materialets skjærmodul
  • Systemtreghet: Treghetsmomenter for tilkoblede roterende komponenter (motorrotor, koblinger, gir, laster)
  • Flere moduser: Komplekse systemer har flere torsjonale naturlige frekvenser
  • Koplingseffekter: Fleksible koblinger gir vridningselastisitet og senker naturlige frekvenser

Primære årsaker til torsjonsvibrasjon

1. Variabelt dreiemoment fra stempelmotorer

Den vanligste kilden i mange applikasjoner:

  • Diesel- og bensinmotorer: Forbrenningshendelser skaper pulserende dreiemoment
  • Avfyringsordre: Skaper harmoniske svingninger i motorhastigheten
  • Antall sylindere: Færre sylindere gir mer variasjon i dreiemomentet
  • Resonansrisiko: Motorens driftshastighet kan sammenfalle med kritiske torsjonshastigheter

2. Girnettkrefter

Girsystemer genererer torsjonseksitasjon:

  • Girinngrepsfrekvens (antall tenner × o/min) skaper oscillerende dreiemoment
  • Feil i tannavstand og profilunøyaktigheter bidrar
  • Girslås kan forårsake støtbelastning
  • Flere girtrinn skaper komplekse torsjonssystemer

3. Problemer med elektriske motorer

Elektriske motorer kan forårsake torsjonsforstyrrelser:

  • Polpasseringsfrekvens: Samspill mellom rotor og stator skaper pulserende dreiemoment
  • Ødelagte rotorstenger: Skaper momentpulser ved slipfrekvens
  • Variable frekvensomformere (VFD-er): PWM-svitsjing kan eksitere torsjonsmoduser
  • Starte transienter: Store momentsvingninger under motoroppstart

4. Variasjoner i prosessbelastning

Variabel belastning på drevet utstyr:

  • Kompressor-overspenningshendelser
  • Pumpekavitation som skaper momenttopper
  • Sykliske belastninger i knusere, møller og presser
  • Bladpasseringskrefter i vifter og turbiner

5. Problemer med kobling og drivverk

  • Slitte eller skadede koblinger med slakk eller tilbakeslag
  • Universalledd som opererer i vinkler og skaper 2× torsjonseksitasjon
  • Beltedriftsslipp og vibrasjon
  • Kjededrift polygonfunksjon

Utfordringer med deteksjon og måling

Hvorfor torsjonsvibrasjoner er vanskelige å oppdage

I motsetning til lateral vibrasjon, byr torsjonsvibrasjon på unike måleutfordringer:

  • Ingen radial forskyvning: Standard akselerometre på lagerhus oppdager ikke ren torsjonsbevegelse
  • Små vinkelamplituder: Typiske amplituder er brøkdeler av en grad
  • Spesialisert utstyr som kreves: Krever torsjonsvibrasjonssensorer eller sofistikert analyse
  • Ofte oversett: Ikke inkludert i rutinemessige vibrasjonsovervåkingsprogrammer

Målemetoder

1. Strekkmålere

  • Montert 45° i forhold til akselaksen for å måle skjærspenning
  • Krever telemetrisystem for å overføre signal fra roterende aksel
  • Direkte måling av torsjonsspenning
  • Den mest nøyaktige metoden, men kompleks og dyr

2. Torsjonsvibrasjonssensorer med dobbel sonde

  • To optiske eller magnetiske sensorer måler hastighet på forskjellige akselposisjoner
  • Faseforskjell mellom signaler indikerer torsjonsvibrasjon
  • Berøringsfri måling
  • Kan installeres midlertidig eller permanent

3. Lasertorsjonsvibrometre

  • Optisk måling av variasjoner i vinkelhastigheten til akselen
  • Kontaktløs, ingen akselforberedelse nødvendig
  • Dyrt, men kraftig for feilsøking

4. Indirekte indikatorer

  • Motorstrømsignaturanalyse (MCSA) kan avdekke torsjonsproblemer
  • Slitasjemønstre for koblinger og gir
  • Plassering og orientering av utmattingssprekker i akselen
  • Uvanlige laterale vibrasjonsmønstre som kan kobles til torsjonsmoduser

Konsekvenser og skademekanismer

Utmattelsesfeil

Den primære faren ved torsjonsvibrasjoner:

  • Akselfeil: Utmattingssprekker vanligvis ved 45° i forhold til akselaksen (maksimale skjærspenningsplan)
  • Koblingsfeil: Slitasje på tannhjulkoblinger, utmatting av fleksible elementer
  • Brudd på girtann: Akselerert av torsjonssvingninger
  • Skade på nøkkel og kilespor: Slitasje og gnissing fra oscillerende dreiemoment

Kjennetegn ved torsjonsfeil

  • Ofte plutselig og katastrofalt uten forvarsel
  • Bruddflater i omtrent 45° vinkel i forhold til akselaksen
  • Strandmerker på bruddflaten som indikerer utmattingsprogresjon
  • Kan forekomme selv når vibrasjonsnivåene på siden er akseptable

Ytelsesproblemer

  • Problemer med hastighetskontroll i presisjonsdrev
  • Overdreven slitasje i girkasser og koblinger
  • Støy fra girrasling og støt fra koblingen
  • Ineffektivitet i kraftoverføring

Analyse og modellering

Torsjonsanalyse under design

Riktig design krever torsjonsanalyse:

  • Beregning av naturlig frekvens: Bestem alle kritiske torsjonshastigheter
  • Analyse av tvungen respons: Forutsi torsjonsamplituder under driftsforhold
  • Campbell-diagram: Vis torsjonsegenfrekvenser kontra driftshastighet
  • Stressanalyse: Beregn alternerende skjærspenninger i kritiske komponenter
  • Livsprognose for utmattelse: Estimer komponentlevetid under torsjonsbelastning

Programvareverktøy

Spesialisert programvare utfører torsjonsanalyse:

  • Multi-inerti klumpete massemodeller
  • Endelig element torsjonsanalyse
  • Tidsdomenesimulering av forbigående hendelser
  • Frekvensdomene harmonisk analyse

Avbøtende og kontrollmetoder

Designløsninger

  • Separasjonsmarginer: Sørg for at torsjonsegenfrekvensene er ±20% unna eksitasjonsfrekvensene
  • Demping: Innebær torsjonsdempere (viskøse dempere, friksjonsdempere)
  • Fleksible koblinger: Legg til torsjonseftergivenhet for å senke naturlige frekvenser under eksitasjonsområdet
  • Masseinnstilling: Legg til svinghjul eller modifiser treghetene for å endre naturlige frekvenser
  • Endringer i stivhet: Endre akseldiametere eller koblingsstivhet

Driftsløsninger

  • Fartsgrenser: Unngå kontinuerlig drift ved kritiske torsjonshastigheter
  • Rask akselerasjon: Kjør raskt gjennom kritiske hastigheter under oppstart
  • Lasthåndtering: Unngå forhold som eksiterer torsjonsmoduser
  • VFD-innstilling: Juster drivparametrene for å minimere torsjonseksitasjon

Komponentvalg

  • Høydempende koblinger: Elastomere eller hydrauliske koblinger som avleder torsjonsenergi
  • Torsjonsdempere: Spesialiserte enheter for frem- og tilbakegående motordrift
  • Utstyrskvalitet: Presisjonsgir med små toleranser reduserer eksitasjon
  • Akselmateriale: Materialer med høy utmattingsfasthet for vridningskritiske aksler

Bransjeapplikasjoner og standarder

Kritiske applikasjoner

Torsjonsanalyse er spesielt viktig for:

  • Stempelmotordrift: Dieselgeneratorer, bensinmotorkompressorer
  • Lange drivaksler: Marin fremdrift, valseverk
  • Høyeffektsgirkasser: Vindturbiner, industrielle girdrifter
  • Variabel hastighet: VFD-motorapplikasjoner, servosystemer
  • Flerkroppssystemer: Komplekse drivlinjer med flere tilkoblede maskiner

Relevante standarder

  • API 684: Rotordynamikk inkludert torsjonsanalyseprosedyrer
  • API 617: Torsjonskrav for sentrifugalkompressorer
  • API 672: Torsjonsanalyse av pakket stempelkompressor
  • ISO 22266: Torsjonsvibrasjon i roterende maskineri
  • VDI 2060: Torsjonssvingninger i drivsystemer

Forholdet til andre vibrasjonstyper

Selv om det er forskjellig fra lateral og aksial vibrasjon, kan torsjonsvibrasjon kobles til dem:

  • Lateral-torsjonskobling: I visse geometrier samhandler torsjons- og laterale moduser
  • Girnett: Torsjonsvibrasjoner skaper varierende tannbelastninger som kan eksitere sideveis vibrasjoner
  • Universalledd: Vinkelfeiljustering kobler torsjonsinngang til lateral utgang
  • Diagnostisk utfordring: Komplekse vibrasjonssignaturer kan ha bidrag fra flere vibrasjonstyper

Å forstå og håndtere torsjonsvibrasjoner er avgjørende for pålitelig drift av kraftoverføringssystemer. Selv om det får mindre oppmerksomhet enn lateral vibrasjon i rutinemessig overvåking, er torsjonsvibrasjonsanalyse kritisk under design og feilsøking av høyeffekts- eller presisjonsdrivsystemer der torsjonsfeil kan ha katastrofale konsekvenser.

← Tilbake til hovedindeksen

Kategorier:
WhatsApp