Zrozumienie drgań skrętnych w maszynach wirujących
Definicja: Czym są drgania skrętne?
Drgania skrętne to oscylacja kątowa obracającego się wału wokół jego osi obrotu – zasadniczo ruch skręcający i rozkręcający, w którym różne sekcje wału obracają się z nieznacznie różnymi prędkościami w danym momencie. W przeciwieństwie do drgania boczne (ruch z boku na bok) lub drgania osiowe (ruch posuwisto-zwrotny), drgania skrętne nie powodują przemieszczenia liniowego; zamiast tego wał doświadcza naprzemiennych dodatnich i ujemnych przyspieszeń kątowych.
Chociaż drgania skrętne mają zwykle znacznie mniejsze amplitudy niż drgania boczne i często trudno je wykryć, mogą one powodować ogromne naprężenia przemienne w wałach, sprzęgłach i przekładniach, co może prowadzić do katastrofalnych uszkodzeń zmęczeniowych bez ostrzeżenia.
Mechanizm fizyczny
Jak powstają drgania skrętne
Drgania skrętne można zobrazować w następujący sposób:
- Wyobraź sobie długi wał łączący silnik z napędzanym obciążeniem
- Wał działa jak sprężyna skrętna, gromadząc i uwalniając energię podczas skręcania
- W przypadku zakłóceń spowodowanych zmiennymi momentami obrotowymi wał zaczyna oscylować, przy czym poszczególne sekcje obracają się szybciej i wolniej niż wynosi średnia prędkość
- Oscylacje te mogą się kumulować, jeśli częstotliwość wzbudzenia jest zgodna z częstotliwością drgań własnych skrętnych
Częstotliwości własne skrętne
Każdy układ wałów ma własne częstotliwości skręcania określone przez:
- Sztywność skrętna wału: Zależy od średnicy wału, długości i modułu ścinania materiału
- Bezwładność układu: Momenty bezwładności połączonych elementów obrotowych (wirnik silnika, sprzęgła, przekładnie, obciążenia)
- Wiele trybów: Złożone systemy mają kilka częstotliwości drgań własnych torsyjnych
- Efekty sprzężenia: Elastyczne sprzęgła zwiększają podatność na skręcanie, obniżając częstotliwości drgań własnych
Główne przyczyny drgań skrętnych
1. Zmienny moment obrotowy silników tłokowych
Najczęstsze źródło w wielu zastosowaniach:
- Silniki Diesla i benzynowe: Wydarzenia spalania tworzą pulsujący moment obrotowy
- Rozkaz strzału: Tworzy harmoniczne prędkości obrotowej silnika
- Liczba cylindrów: Mniejsza liczba cylindrów powoduje większą zmienność momentu obrotowego
- Ryzyko rezonansu: Prędkość robocza silnika może pokrywać się z prędkościami krytycznymi przy skręcaniu
2. Siły zazębienia
Układy przekładniowe generują wzbudzenie skrętne:
- Częstotliwość zazębienia kół zębatych (liczba zębów × obr./min) powoduje powstanie momentu oscylacyjnego
- Błędy w rozstawie zębów i niedokładności profilu przyczyniają się
- Luz przekładni może powodować obciążenie udarowe
- Wielostopniowe przekładnie tworzą złożone układy skrętne
3. Problemy z silnikiem elektrycznym
Silniki elektryczne mogą wytwarzać zaburzenia skrętne:
- Częstotliwość mijania biegunów: Interakcja między wirnikiem i stojanem powoduje pulsujący moment obrotowy
- Złamane pręty wirnika: Tworzy impulsy momentu obrotowego z częstotliwością poślizgu
- Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD): Przełączanie PWM może wzbudzać tryby skrętne
- Uruchamianie stanów przejściowych: Duże wahania momentu obrotowego podczas rozruchu silnika
4. Zmiany obciążenia procesu
Zmienne obciążenie napędzanego sprzętu:
- Zdarzenia przepięciowe sprężarki
- Kawitacja pompy powodująca skoki momentu obrotowego
- Obciążenia cykliczne w kruszarkach, młynach i prasach
- Siły przechodzące przez łopatki wentylatorów i turbin
5. Problemy ze sprzęgłem i układem napędowym
- Zużyte lub uszkodzone sprzęgła z luzem lub odchyleniem
- Przeguby uniwersalne pracujące pod kątem, wytwarzające 2-krotne wzbudzenie skrętne
- Poślizg i drgania napędu pasowego
- Działanie wielokąta napędu łańcuchowego
Wyzwania związane z wykrywaniem i pomiarem
Dlaczego drgania skrętne są trudne do wykrycia
W przeciwieństwie do drgań bocznych drgania skrętne stwarzają wyjątkowe wyzwania pomiarowe:
- Brak przemieszczenia promieniowego: Standardowe akcelerometry w obudowach łożysk nie wykrywają wyłącznie ruchu skrętnego
- Małe amplitudy kątowe: Typowe amplitudy to ułamki stopnia
- Wymagany specjalistyczny sprzęt: Wymaga czujników drgań skrętnych lub zaawansowanej analizy
- Często pomijane: Nieobjęte rutynowymi programami monitorowania drgań
Metody pomiaru
1. Tensometry
- Zamontowany pod kątem 45° do osi wału w celu pomiaru odkształcenia ścinającego
- Wymaga systemu telemetrycznego do przesyłania sygnału z obracającego się wału
- Bezpośredni pomiar naprężenia skrętnego
- Najdokładniejsza metoda, ale skomplikowana i droga
2. Czujniki drgań skrętnych z podwójną sondą
- Dwa czujniki optyczne lub magnetyczne mierzą prędkość w różnych miejscach wału
- Różnica faz między sygnałami wskazuje na drgania skrętne
- Pomiar bezkontaktowy
- Można zainstalować tymczasowo lub na stałe
3. Wibrometry skrętne laserowe
- Pomiar optyczny zmian prędkości kątowej wału
- Bezkontaktowy, nie wymaga przygotowania wału
- Drogi, ale skuteczny w rozwiązywaniu problemów
4. Wskaźniki pośrednie
- Analiza sygnatury prądu silnika (MCSA) może ujawnić problemy związane ze skręcaniem
- Wzory zużycia sprzęgieł i zębów przekładni
- Lokalizacje i orientacje pęknięć zmęczeniowych wału
- Nietypowe wzorce drgań bocznych, które mogą być sprzężone z trybami skrętnymi
Konsekwencje i mechanizmy uszkodzeń
Awarie zmęczeniowe
Główne zagrożenie związane z drganiami skrętnymi:
- Awarie wału: Pęknięcia zmęczeniowe powstają zwykle pod kątem 45° do osi wału (płaszczyzny maksymalnego naprężenia ścinającego)
- Awarie sprzęgieł: Zużycie zębów sprzęgła przekładniowego, zmęczenie elementu elastycznego
- Złamanie zęba koła zębatego: Przyspieszone przez drgania skrętne
- Uszkodzenia klucza i wpustu: Zużycie i zużycie spowodowane oscylującym momentem obrotowym
Charakterystyka uszkodzeń skrętnych
- Często nagłe i katastrofalne bez ostrzeżenia
- Powierzchnie pęknięć pod kątem około 45° do osi trzonu
- Ślady na powierzchni pęknięcia wskazujące na postęp zmęczenia
- Może wystąpić nawet wtedy, gdy poziomy drgań bocznych są akceptowalne
Problemy z wydajnością
- Problemy z kontrolą prędkości w napędach precyzyjnych
- Nadmierne zużycie przekładni i sprzęgieł
- Hałas z grzechotania przekładni i uderzeń sprzęgła
- Nieefektywność przesyłu mocy
Analiza i modelowanie
Analiza skrętna podczas projektowania
Prawidłowy projekt wymaga analizy skrętnej:
- Obliczanie częstotliwości naturalnej: Określ wszystkie krytyczne prędkości skrętne
- Analiza wymuszonej odpowiedzi: Przewidywanie amplitud skrętnych w warunkach pracy
- Diagram Campbella: Pokaż częstotliwości naturalne skręcania w funkcji prędkości roboczej
- Analiza naprężeń: Obliczanie naprężeń ścinających naprzemiennych w elementach krytycznych
- Prognoza żywotności zmęczeniowej: Oszacowanie żywotności podzespołów pod obciążeniem skrętnym
Narzędzia programowe
Specjalistyczne oprogramowanie wykonuje analizę skrętną:
- Modele wieloinercyjne o skupionej masie
- Analiza skręcania metodą elementów skończonych
- Symulacja zdarzeń przejściowych w dziedzinie czasu
- Analiza harmoniczna w dziedzinie częstotliwości
Metody łagodzenia i kontroli
Rozwiązania projektowe
- Marginesy separacji: Upewnij się, że częstotliwości drgań własnych torsyjnych są oddalone o ±20% od częstotliwości wzbudzenia
- Tłumienie: Włącz tłumiki drgań skrętnych (tłumiki lepkie, tłumiki cierne)
- Elastyczne sprzęgła: Dodaj zgodność skrętną do niższych częstotliwości naturalnych poniżej zakresu wzbudzenia
- Strojenie masowe: Dodaj koła zamachowe lub zmodyfikuj bezwładności, aby zmienić częstotliwości naturalne
- Zmiany sztywności: Modyfikuj średnice wałów lub sztywność sprzęgła
Rozwiązania operacyjne
- Ograniczenia prędkości: Unikaj ciągłej pracy przy prędkościach krytycznych dla skręcania
- Szybkie przyspieszenie: Szybkie przechodzenie przez prędkości krytyczne podczas uruchamiania
- Zarządzanie obciążeniem: Unikaj warunków, które wzbudzają tryby skrętne
- Strojenie VFD: Dostosuj parametry napędu, aby zminimalizować wzbudzenie skrętne
Wybór komponentów
- Sprzęgła o wysokim tłumieniu: Sprzęgła elastomerowe lub hydrauliczne rozpraszające energię skrętną
- Tłumiki skrętne: Urządzenia specjalistyczne do napędów silników tłokowych
- Jakość sprzętu: Precyzyjne koła zębate o ciasnych tolerancjach redukują wzbudzenie
- Materiał wału: Materiały o wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej do wałów o krytycznym momencie skręcania
Zastosowania i standardy branżowe
Krytyczne aplikacje
Analiza skrętna jest szczególnie istotna w przypadku:
- Napędy silników tłokowych: Generatory diesla, sprężarki silników gazowych
- Długie wały napędowe: Napęd morski, walcownie
- Przekładnie dużej mocy: Turbiny wiatrowe, przekładnie przemysłowe
- Napędy o zmiennej prędkości: Zastosowania silników VFD, systemy serwo
- Systemy wieloczłonowe: Złożone układy napędowe z wieloma połączonymi maszynami
Odpowiednie normy
- API 684: Dynamika wirnika, w tym procedury analizy skrętnej
- API 617: Wymagania dotyczące skręcania sprężarki odśrodkowej
- API 672: Analiza skręcania sprężarki tłokowej w opakowaniu
- ISO 22266: Drgania skrętne maszyn wirujących
- VDI 2060: Drgania skrętne w układach napędowych
Związek z innymi typami wibracji
Choć drgania skrętne różnią się od drgań bocznych i osiowych, mogą się z nimi łączyć:
- Sprzęgło skrętno-boczne: W niektórych geometriach mody skrętne i boczne oddziałują na siebie
- Siatka przekładni: Wibracje skrętne powodują zmienne obciążenia zębów, które mogą powodować drgania boczne
- Przeguby uniwersalne: Niewspółosiowość kątowa łączy wejście skrętne z wyjściem bocznym
- Wyzwanie diagnostyczne: Złożone sygnatury drgań mogą zawierać elementy pochodzące z wielu typów drgań
Zrozumienie i zarządzanie drganiami skrętnymi jest kluczowe dla niezawodnej pracy układów przeniesienia napędu. Chociaż poświęca się im mniej uwagi niż drganiom bocznym w rutynowym monitorowaniu, analiza drgań skrętnych ma kluczowe znaczenie podczas projektowania i rozwiązywania problemów w układach napędowych dużej mocy lub precyzyjnych, w których awarie skrętne mogą mieć katastrofalne skutki.
Kategorie:
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 