Compreendendo a análise torcional
Análise torcional é a medição, avaliação e modelação de vibração torcional - oscilações de torção em torno do eixo do veio - nas unidades de tração de máquinas rotativas. Ao contrário de vibração lateral (dobragem), que é lido diretamente pela norma acelerómetros aparafusado a uma caixa de rolamentos, o movimento de torção não produz qualquer deslocamento lateral e é, por isso, invisível para o utilizador comum. análise de vibração. A sua deteção exige técnicas especializadas - extensómetros, tacómetros duplos ou laser vibrometria - juntamente com a análise para encontrar frequências naturais de torção e avaliar fadiga risco em veios, acoplamentos e engrenagens.
A disciplina é fundamental para accionamentos de motores alternativos, veios de transmissão longos, caixas de velocidades de alta potência e sistemas de motores de acionamento de frequência variável (VFD), em que a vibração de torção pode causar uma falha súbita e catastrófica do veio ou do acoplamento, mesmo quando a vibração lateral é muito forte. Intensidade de vibração parece perfeitamente aceitável. Trata-se de uma capacidade especializada, mas essencial para evitar o tipo de rutura inesperada que o controlo normal nunca prevê.
1. Porque é que a análise de torção é necessária
Vibração de torção versus vibração lateral
Os dois movimentos são mecanicamente independentes, e essa independência é a razão pela qual existe uma disciplina separada:
- Lateral: movimento de flexão, de um lado para o outro, do veio e dos rolamentos - facilmente captado com um acelerómetro standard ou sonda de proximidade.
- Torcional: torcendo em torno do eixo de rotação, sem deslocamento lateral para detetar, deixando-o invisível aos sensores montados convencionalmente.
- Independência: uma máquina pode sofrer fortes vibrações de torção enquanto apresenta baixos níveis laterais, e vice-versa - os dois não se acompanham.
- Danos: as vibrações de torção podem fraturar veios e acoplamentos sem qualquer aviso das medições laterais, e é precisamente por isso que são tão perigosas.
Modos de falha caraterísticos
Uma vez que a excitação torsional impõe uma tensão de corte cíclica na linha de transmissão, as suas falhas têm uma assinatura reconhecível:
- Fracturas por fadiga do veio: tipicamente uma rutura limpa orientada a cerca de 45° em relação ao eixo do veio, o plano de tensão de cisalhamento máxima.
- Falha do elemento de acoplamento: dentes de engrenagens rachados em acoplamentos de engrenagens, ou elementos flexíveis rasgados em acoplamentos de elastómeros e discos.
- Quebra de dentes da engrenagem: acionados por cargas dentárias oscilantes e reversíveis em vez de um binário constante.
- Danos na chave e na ranhura: fretting e afrouxamento à medida que a junta é trabalhada para a frente e para trás pela torção alternada.
2. Técnicas de medição
Uma vez que não existe uma superfície conveniente para apontar um sensor, surgiram quatro métodos práticos, que combinam a precisão com o custo e a gama de frequências.
Método do extensómetro
A via mais direta - medir a tensão de torção na sua origem:
- Os extensómetros são colados a 45° em relação ao eixo do veio, a orientação que capta a tensão de corte máxima.
- Lêem a tensão de corte produzida pela torção, que se converte diretamente em binário e tensão alternada.
- Um eixo rotativo exige anéis colectores ou sem fios telemetria para retirar o sinal do elemento giratório.
- É o método mais exato, mas também o mais complexo e dispendioso, pelo que é utilizado sobretudo em trabalhos de investigação e desenvolvimento.
Método do tacómetro duplo
- Dois sensores ópticos - normalmente dois tacômetros a laser - são direcionados para diferentes localizações axiais no eixo.
- O instrumento mede o valor instantâneo fase diferença entre as duas estações.
- Essa diferença de fase é a torção angular do veio entre eles, que é a própria vibração de torção.
- É sem contacto e genuinamente prático no terreno, mas normalmente limitado a conteúdos de torção de baixa frequência, abaixo de aproximadamente 100 Hz.
Vibrómetro de torção a laser
- Um sistema laser Doppler especializado apontado para a superfície do veio.
- Mede as flutuações da velocidade angular diretamente, sem preparação do eixo.
- Sem contacto, com uma vasta gama de frequências utilizáveis.
- Instrumentação potente, mas dispendiosa, reservada para investigações exigentes.
Análise da corrente do motor
- As vibrações de torção de um comboio motorizado modulam a carga e, por conseguinte, criam pequenas flutuações na corrente do motor.
- Análise da corrente do motor espectro revela essas flutuações de forma indireta.
- É totalmente não-invasivo - nenhum sensor se aproxima do eixo.
- É preferível tratá-lo como uma ferramenta de rastreio que assinala um problema que vale a pena confirmar com um método direto.
3. Análise analítica de torção
A medição diz-nos o que uma máquina está a fazer agora; a modelação diz-nos o que fará em toda a sua gama de velocidades e permite que os engenheiros concebam o problema antes de o metal ser cortado.
Modelação matemática
- A unidade de tração é reduzida a um modelo de massa fixa de torção - discos de inércia ligados por molas de torção (as secções do veio e os acoplamentos).
- A partir daí, são calculadas as frequências naturais de torção.
- O modelo prevê a resposta a cada fonte de excitação e identifica a torção velocidades críticas e ressonâncias.
Fontes de excitação
As ressonâncias de torção só se tornam perigosas quando algo as acciona na frequência certa. Os culpados habituais são:
- Motores alternativos: os impulsos de disparo de cada cilindro criam uma forte excitação de torção nas ordens do motor.
- Malha de engrenagens: O engate do dente produz um binário oscilante no frequência de engrenamento.
- VFDs: A comutação PWM produz harmónicas que podem aterrar num modo de torção.
- Elétrica: motor passagem de bastão e frequências de deslizamento acrescentar mais força de torção.
O diagrama de Campbell para torção
A ferramenta gráfica padrão para associar frequências à velocidade é a Diagrama de Campbell:
- As frequências naturais de torção são representadas em função da velocidade de deslocação.
- As linhas de ordem de excitação (1×, 2×, ordem de disparo, ordem de malha) são sobrepostas.
- Quando uma linha de ordem cruza uma frequência natural, existe uma velocidade crítica de torção - um ponto de interferência a ser evitado.
- A imagem orienta então a escolha das velocidades de funcionamento e de quaisquer bandas restritas. É possível esboçar o mesmo mapa de interferências para uma determinada linha de transmissão com o Calculadora de Diagrama de Campbell.
4. Aplicações críticas
A análise de torção não é necessária em todo o lado, mas numa série de famílias de máquinas é efetivamente obrigatória.
- Sistemas de acionamento com motor alternativo: grupos electrogéneos diesel, compressores de motores a gás e propulsão marítima, em que as grandes pulsações de binário tornam a análise inevitável.
- Eixos de transmissão longos: accionamentos de laminadores, veios de hélices marítimas e accionamentos de máquinas de papel, em que o comprimento reduz a rigidez de torção e faz baixar as frequências naturais para a gama de funcionamento.
- Caixas de velocidades de alta potência: caixas de engrenagens de turbinas eólicas e redutores industriais acima de cerca de 1.000 HP, onde a excitação da malha de engrenagens pode tocar um modo de torção.
- Sistemas de motores VFD: uma preocupação que cresce rapidamente à medida que as unidades proliferam, porque os harmónicos PWM podem provocar ressonâncias de torção que um motor de velocidade fixa nunca provocaria.
5. Interpretação dos resultados
Um estudo de torção produz três resultados que, em conjunto, decidem se uma unidade de tração é segura para funcionar.
Frequências Naturais Torsionais
- Identificado a partir de medições, cálculos ou ambos.
- Comparado com todas as frequências de excitação credíveis.
- Verificou-se a existência de uma separação adequada - uma margem confortável entre o modo e a frequência forçada em toda a gama de funcionamento.
Níveis de estresse
- A tensão de cisalhamento alternada é calculada a partir da amplitude de torção medida.
- É comparado com o limite de resistência (fadiga) do material.
- É estimada a fração da vida à fadiga consumida por hora ou por arranque.
- Segue-se um veredito: as tensões são aceitáveis para a vida útil exigida?
Amortecimento
- Medido a partir da nitidez da resposta em cada ressonância de torção.
- Torção amortecimento é normalmente muito baixo - frequentemente inferior a 1% de valor crítico.
- Um baixo amortecimento significa picos de ressonância altos e estreitos e uma grande amplificação se uma ordem de excitação coincidir com um modo.
6. Estratégias de mitigação
Quando a análise assinala um problema, estão disponíveis três alavancas, que são normalmente aplicadas por esta ordem de preferência.
Separação de Frequência
- Afastar os naturais de torção de todas as frequências de excitação.
- Ajustar o diâmetro ou o comprimento do veio, ou alterar a torção do acoplamento rigidez, para sintonizar novamente os modos.
- Alterar as inércias - por exemplo, adicionando um volante - para mudar as frequências naturais.
Adição de amortecimento
- Instalar um amortecedor de torção (do tipo viscoso ou de fricção) para retirar energia da ressonância.
- Especificar acoplamentos flexíveis de elevado amortecimento em vez de acoplamentos rígidos.
- Ambos reduzem a amplificação na ressonância, mesmo quando a separação perfeita é impossível.
Alterações da velocidade de funcionamento
- Evitar o funcionamento contínuo a velocidades críticas de torção identificadas.
- Definir e aplicar faixas de velocidade restritas pelas quais a máquina passa rapidamente.
- Num VFD, afine o conversor de frequência para minimizar a excitação nos harmónicos problemáticos.
7. Análise de torção num programa de campo
O trabalho de torção é especializado, mas não é autónomo - é realizado em conjunto com as verificações de rotina da equilibragem e das vibrações laterais que mantêm uma unidade de tração saudável, e uma imagem lateral limpa é a base contra a qual uma anomalia de torção se destaca. Na prática quotidiana no terreno, um engenheiro começa por confirmar que o próprio rotor está bem equilibrado e que 1× desequilíbrio está sob controlo, porque o desequilíbrio residual e desalinhamento acrescentam a sua própria variação de binário à linha. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A trata desse lado lateral no local - medindo 1× a amplitude e a fase, equilibrando o rotor nos seus próprios rolamentos e verificando desequilíbrio residual - de modo a que qualquer energia de torção remanescente possa ser atribuída claramente a verdadeiras fontes de torção e não a uma falha lateral mascarada como tal. Com o rotor equilibrado e alinhado, uma medição de torção dedicada (tacómetro duplo ou extensómetro) pode então isolar o verdadeiro comportamento de torção.
Em suma, a análise torsional é uma disciplina de vibração especializada que visa as oscilações de torção que podem causar falhas catastróficas invisíveis à monitorização lateral padrão. Embora exija medições e modelação específicas, é indispensável para accionamentos de motores alternativos, veios longos, caixas de velocidades de alta potência e sistemas VFD, onde a vibração torsional acarreta um risco real de fiabilidade e segurança.
