Inzicht in torsietrillingen in roterende machines
Torsietrilling is de hoektrilling van een draaiende as om zijn eigen as — een draai- en ontdraaiende beweging waarbij verschillende delen van de as tijdelijk met iets verschillende snelheden draaien. In tegenstelling tot laterale trilling (zijwaartse beweging) of axiale trilling (heen-en-weerbeweging langs de as), terwijl bij torsietrillingen helemaal geen lineaire verplaatsing optreedt; de as versnelt en vertraagt eenvoudigweg rond de gemiddelde rotatiesnelheid, waarbij hij afwisselend een positieve en negatieve hoekversnelling ondergaat. Hoewel de amplitudes doorgaans veel kleiner zijn dan die van laterale trillingen en het notoir moeilijk te detecteren is, kan het enorme wisselende spanningen opbouwen in assen, koppelingen en tandwielen — en het is een van de weinige storingsmodi die een aandrijflijn vrijwel zonder waarschuwing kan vernietigen.
1. Het fysische mechanisme
Hoe torsietrillingen ontstaan
Je kunt je dit mechanisme het beste voorstellen als een veer-massasysteem dat rond de draaias is gewikkeld:
- Stel je een lange as voor die een motor verbindt met een aangedreven last
- De as gedraagt zich als een torsieveer en slaat energie op en geeft deze weer vrij wanneer hij verdraait.
- Wanneer een wisselend koppel de as verstoort, gaat deze trillen, waarbij sommige delen sneller en andere langzamer draaien dan de gemiddelde snelheid.
- Deze trillingen nemen sterk toe als de excitatiefrequentie samenvalt met een torsionele eigenfrequentie — een torsionele resonantie.
Torsiefrekwenties
Elk asstelsel heeft torsie-eigenfrequenties die worden bepaald door:
- Torsiestijfheid van de as: een functie van de asdiameter, de lengte en de afschuifmodulus van het materiaal.
- Systeemtraagheid: de traagheidsmomenten van de gekoppelde roterende onderdelen — motorrotor, koppelingen, tandwielen en de belasting.
- Meerdere modi: Complexe aandrijflijnen hebben meerdere torsietrillingsfrequenties, niet slechts één.
- Koppelingseffecten: Flexibele koppelingen zorgen voor torsie-flexibiliteit, waardoor de natuurlijke frequenties worden verlaagd
Omdat deze frequenties uitsluitend afhangen van stijfheid en traagheid — en nooit van de lagers of de fundering — kan een machine die in radiale zin mechanisch stil is, toch op een gevaarlijke torsieresonantie staan.
2. Belangrijkste oorzaken van torsietrillingen
1. Variabel koppel van zuigermotoren
De meest voorkomende bron in veel toepassingen:
- Diesel- en benzinemotoren: elke verbrandingscyclus levert een koppelpiek op in plaats van een gelijkmatige kracht.
- Ontstekingsvolgorde: produceert harmonische trillingen van het motortoerental.
- Aantal cilinders: minder cilinders zorgen voor een grotere variatie in het koppel per omwenteling.
- Resonantierisico: de bedrijfssnelheid kan samenvallen met een torsie kritische snelheid.
2. Tandwielmeskrachten
Tandwieloverbrengingen veroorzaken nu eenmaal torsietrillingen:
- De tandwielingrijpfrequentie (aantal tanden × toerental) zorgt voor een oscillerend koppel.
- Daarnaast spelen ook fouten in de tandafstand en onnauwkeurigheden in het profiel een rol.
- Gear backlash kan leiden tot stootbelasting wanneer de tanden uit elkaar gaan en weer in elkaar grijpen.
- Meerdere tandwieltrappen zorgen voor complexe torsiesystemen met meerdere modi.
3. Problemen met de elektromotor
Elektromotoren kunnen zelf torsiestoringen veroorzaken:
- Frequentie van het doorgeven van de stok: Interactie tussen rotor en stator creëert pulserend koppel
- Gebroken rotorstaven: koppelpulsen genereren bij de slipfrequentie.
- Frequentieregelaars (VFD's): PWM-schakeling kan torsiemodi rechtstreeks in gang zetten.
- Opstarttransiënten: Bij het starten van een motor treden er grote koppelschommelingen op terwijl de rotor versnelt.
4. Procesbelastingvariaties
Door variabele belasting op de aangedreven apparatuur worden koppelpulsen teruggekoppeld naar de aandrijflijn:
- Compressor piek events.
- Pomp cavitatie waardoor er koppelpieken ontstaan.
- Cyclische belastingen in brekers, molens en persen.
- Blade-passing krachten in ventilatoren en turbines.
5. Problemen met de koppeling en de aandrijflijn
- Versleten of beschadigde koppelingen met speling of speling — zie koppelingsfouten.
- Kruiskoppelingen die onder een hoek werken en een dubbele torsiebelasting veroorzaken.
- Slippen en trillen van de riemaandrijving.
- Kettingaandrijving met polygonmechanisme.
3. Uitdagingen op het gebied van detectie en meting
Waarom torsietrillingen moeilijk te detecteren zijn
In tegenstelling tot zijdelingse trillingen zijn torsietrillingen niet te meten met de standaardmeetapparatuur:
- Geen radiale verplaatsing: ordinary versnellingsmeters op lagerhuizen kunnen een zuiver torsiebeweging simpelweg niet detecteren.
- Kleine hoekamplitudes: De typische amplitudes bedragen slechts enkele graden.
- Benodigde speciale apparatuur: zijn er speciale torsiesensoren of geavanceerde analyses nodig.
- Wat vaak over het hoofd wordt gezien: het komt zelden voor in een dagelijkse routine trillingsbewaking programma, dus het eerste teken is vaak een mislukking.
Meetmethoden
1. Rekstrookjes
- Onder een hoek van 45° ten opzichte van de as van de schacht gemonteerd om de afschuifvervorming te meten.
- Require a telemetrie systeem om het signaal vanaf de draaiende as door te geven.
- Geef een directe meting van de torsiespanning.
- De meest nauwkeurige methode, maar complex en duur.
2. Torsievibratiesensoren met dubbele sonde
- Twee optische of magnetische sensoren meten de snelheid op verschillende punten op de as.
- Het faseverschil tussen de twee signalen geeft de torsietrilling weer.
- Contactloze meting.
- Kan tijdelijk of permanent worden gemonteerd.
3. Lasertorsievibrometers
- Optische meting van de variaties in de hoeksnelheid van de as.
- Contactloos, zonder dat de as hoeft te worden voorbereid.
- Duur, maar zeer effectief bij het oplossen van problemen.
4. Indirecte indicatoren
- Motorstroomsignatuuranalyse (MCSA) kan torsieproblemen aan de elektrische kant aan het licht brengen.
- Slijtagepatronen bij koppelingen en tandwielen.
- Schacht vermoeidheid-locaties en oriëntaties van scheuren.
- Ongebruikelijke laterale trillingspatronen die mogelijk gepaard gaan met torsiemodi
4. Gevolgen en schademechanismen
Vermoeidheidsfouten
Het grootste gevaar van torsietrillingen is vermoeidheidsbreuk door herhaalde belasting:
- Asbreuken: Vermoeidheidsscheuren lopen doorgaans onder een hoek van 45° ten opzichte van de as van de schacht, langs de vlakken met de grootste schuifspanning.
- Defecten aan koppelingen: slijtage van de tanden van tandwielkoppelingen en vermoeidheid van flexibele elementen.
- Breuk van tandwieltanden: versneld door torsietrillingen, wat bijdraagt aan tandwieldefecten.
- Schade aan pen en sleuf: slijtage door de voortdurend wisselende draaimomentbelasting.
Kenmerken van torsiefouten
- Vaak plotseling en rampzalig, zonder enige voorafgaande waarschuwing.
- Breukvlakken onder een hoek van ongeveer 45° ten opzichte van de schachtas.
- Strandafdrukken op het breukvlak die de voortgang van de vermoeidheidsscheur laten zien.
- Dit kan zelfs voorkomen wanneer de zijdelingse trillingswaarden volkomen acceptabel zijn — de reden waarom torsieproblemen zo vaak over het hoofd worden gezien.
Prestatieproblemen
- Problemen met de snelheidsregeling bij precisieaandrijvingen.
- Overmatige slijtage in versnellingsbakken en koppelingen.
- Geluid door het rammelen van tandwielen en schokken van de koppeling.
- Inefficiëntie bij de krachtoverbrenging.
5. Analyse en modellering
Torsieanalyse tijdens ontwerp
Geluidsontwerp vereist een toegewijde torsieanalyse:
- Berekening van de eigenfrequentie: bepaal alle kritische torsiesnelheden.
- Analyse van gedwongen reacties: de torsieamplitudes onder bedrijfsomstandigheden voorspellen.
- Campbell-diagram: A Campbell-diagram zet de torsie-eigenfrequenties uit tegen het toerental om overeenkomsten aan het licht te brengen.
- Spanningsanalyse: de wisselende schuifspanningen in de kritieke onderdelen berekenen.
- Voorspelling van de levensduur bij vermoeidheid: de levensduur van een onderdeel bij torsiebelasting schatten — a levensduurcalculator zet de wisselende belasting en een S-N-curve om in een verwacht aantal cycli.
Softwarehulpmiddelen
Gespecialiseerde software voert de zwaardere analyses uit:
- Modellen met meerdere traagheidsmassa’s.
- Torsieanalyse met eindige elementen.
- Tijddomeinsimulatie van tijdelijke gebeurtenissen, zoals het starten van motoren en kortsluitingen.
- Harmonische analyse in het frequentiedomein.
6. Maatregelen ter beperking en beheersing
Ontwerpoplossingen
- Scheidingsmarges: zorg ervoor dat de natuurlijke torsiefrequenties ten minste ±20% verwijderd blijven van de excitatiefrequenties.
- Demping: torsiedempers (van het viskeuze of wrijvings-type) inbouwen om energie af te voeren — de praktische kant van de mechanica demping.
- Flexibele koppelingen: zorg voor torsie-elasticiteit om de eigenfrequenties onder het excitatiebereik te brengen.
- Mass tuning: Voeg vliegwielen toe of wijzig de traagheid om de natuurlijke frequenties te verschuiven
- Veranderingen in stijfheid: de asdiameters of de stijfheid van de koppeling aanpassen.
Operationele oplossingen
- Snelheidsbeperkingen: Vermijd continu gebruik bij een kritische torsiesnelheid.
- Snelle acceleratie: tijdens het opstarten snel de kritische snelheden passeren.
- Belastingsbeheer: Vermijd bedrijfsomstandigheden die de torsiemodi in gang zetten.
- VFD tuning: pas de aandrijfparameters aan om torsie-opwekking tot een minimum te beperken.
Componentselectie
- Koppelingen met hoge demping: elastomere of hydraulische koppelingen die torsiekrachten opvangen.
- Torsiedempers: speciaal ontworpen apparaten voor aandrijvingen met zuigermotoren.
- Tandwielkwaliteit: precisietandwielen met nauwe toleranties verminderen de trilling bij de bron.
- Asmateriaal: Materialen met hoge vermoeiingssterkte voor torsiekritieke assen
7. Toepassingen en normen in de industrie
Kritische toepassingen
Een torsieanalyse is met name van belang voor:
- Aandrijvingen met zuigermotoren: dieselgeneratoren en compressoren met gasmotor.
- Lange aandrijfassen: scheepsvoortstuwing en walserijen.
- Krachtige tandwielkasten: windturbines en industriële tandwielaandrijvingen.
- Frequentieregelaars: Toepassingen van VFD-motoren en servosystemen.
- Systemen met meerdere lichamen: complexe aandrijfsystemen met meerdere gekoppelde machines.
Relevante normen
- API 684: rotor-dynamica, met inbegrip van procedures voor torsieanalyse.
- API 617: torsie-eisen voor centrifugaalcompressoren.
- API 672: torsieanalyse voor compacte zuigercompressoren.
- ISO 22266: torsietrillingen van roterende machines.
- VDI 2060: torsietrillingen in aandrijfsystemen.
8. Verband met andere soorten trillingen
Hoewel torsietrillingen zich onderscheiden van laterale en axiale trillingen, blijven ze niet altijd op zichzelf — ze kunnen koppelen aan de andere trillingsmodi:
- Laterale-torsiekoppeling: Bij bepaalde geometrieën werken de torsie- en laterale modi op elkaar in en wisselen ze energie uit.
- Versnellingsnet: Torsietrillingen zorgen voor variaties in de belasting op de tanden, wat op zijn beurt zijdelingse trillingen veroorzaakt.
- Kruiskoppelingen: angular verkeerde uitlijning zet een torsie-input om in een laterale output.
- Diagnostische uitdaging: Een complex trillingspatroon kan bijdragen van meerdere trillingssoorten tegelijk bevatten; daarom blijkt een storing die niet met balanceren of uitlijnen kan worden verholpen, soms van torsionele aard te zijn.
Bij routinewerk in het veld is de praktijkervaring dat er achter ogenschijnlijk normale radiale meetwaarden torsieproblemen schuilgaan. Wanneer een draagbare analysator zoals de Balans-1a bevestigt dat 1X onevenwicht en verkeerde uitlijning Als de afmetingen binnen de tolerantie vallen, maar de aandrijflijn toch herhaaldelijk te maken heeft met defecten aan assen, koppelingen of tandwielen, is een onderzoek naar torsietrillingen de logische volgende stap. Inzicht in en beheersing van torsietrillingen is essentieel voor een betrouwbare werking van krachtoverbrengingssystemen: bij routinecontroles krijgt dit minder aandacht dan zijdelingse trillingen, maar het is van cruciaal belang bij het ontwerp en het oplossen van storingen in aandrijvingen met een hoog vermogen of precisieaandrijvingen, waar defecten als gevolg van torsietrillingen catastrofale gevolgen kunnen hebben.
