Înțelegerea vibrațiilor torsionale în mașinile rotative
Definiție: Ce este vibrația torsională?
Vibrații torsionale este oscilația unghiulară a unui arbore rotativ în jurul axei sale de rotație - în esență o mișcare de răsucire și derăsucire în care diferite secțiuni ale arborelui se rotesc la viteze ușor diferite în orice moment dat. Spre deosebire de vibrații laterale (mișcare laterală) sau vibrații axiale (mișcare înainte și înapoi), vibrația torsională nu implică o deplasare liniară; în schimb, arborele experimentează o accelerație unghiulară alternativă pozitivă și negativă.
Deși vibrațiile torsionale au de obicei amplitudini mult mai mici decât vibrațiile laterale și sunt adesea dificil de detectat, acestea pot crea solicitări alternative enorme în arbori, cuplaje și angrenaje, ceea ce poate duce la defecțiuni catastrofale prin oboseală fără avertisment.
Mecanism fizic
Cum se produce vibrația torsională
Vibrațiile torsionale pot fi vizualizate după cum urmează:
- Imaginați-vă un arbore lung care conectează un motor la o sarcină acționată
- Arborele acționează ca un arc de torsiune, stocând și eliberând energie pe măsură ce se răsucește
- Când este perturbat de cupluri variabile, arborele oscilează, secțiunile rotindu-se mai repede și mai încet decât viteza medie.
- Aceste oscilații se pot acumula dacă frecvența de excitație se potrivește cu frecvența naturală de torsiune
Frecvențe naturale de torsiune
Fiecare sistem de arbori are frecvențe naturale de torsiune determinate de:
- Rigiditatea torsională a arborelui: Depinde de diametrul arborelui, lungimea și modulul de forfecare al materialului
- Inerția sistemului: Momentele de inerție ale componentelor rotative conectate (rotorul motorului, cuplajele, angrenajele, sarcinile)
- Moduri multiple: Sistemele complexe au mai multe frecvențe naturale de torsiune
- Efecte de cuplare: Cuplajele flexibile adaugă flexibilitate torsională, reducând frecvențele naturale
Cauzele principale ale vibrațiilor torsionale
1. Cuplu variabil de la motoarele cu piston
Cea mai comună sursă în multe aplicații:
- Motoare diesel și pe benzină: Evenimentele de combustie creează un cuplu pulsatoriu
- Ordin de declanșare: Creează armonice ale turației motorului
- Număr de cilindri: Mai puțini cilindri produc o variație mai mare a cuplului
- Risc de rezonanță: Turația de funcționare a motorului poate coincide cu turațiile critice de torsiune
2. Forțele de încadrare a angrenajului
Sistemele de angrenaje generează excitație torsională:
- Frecvența de angrenare a angrenajului (numărul de dinți × RPM) creează un cuplu oscilant
- Erorile de spațiere a dinților și inexactitățile profilului contribuie
- Jocul angrenajului poate provoca încărcări prin impact
- Mai multe trepte de transmisie creează sisteme torsionale complexe
3. Probleme ale motorului electric
Motoarele electrice pot produce perturbații de torsiune:
- Frecvența de trecere a polului: Interacțiunea dintre rotor și stator creează un cuplu pulsatoriu
- Bare de rotor rupte: Creează impulsuri de cuplu la frecvența de alunecare
- Acționări cu frecvență variabilă (VFD): Comutația PWM poate excita modurile torsionale
- Tranzitorii de pornire: Oscilații mari ale cuplului în timpul pornirii motorului
4. Variații ale încărcării procesului
Încărcare variabilă pe echipamentele acționate:
- Evenimente de supratensiune a compresorului
- Cavitația pompei creează vârfuri de cuplu
- Sarcini ciclice în concasoare, mori și prese
- Forțele de trecere a palelor în ventilatoare și turbine
5. Probleme legate de cuplaj și transmisie
- Cuplaje uzate sau deteriorate cu joc sau contracție
- Articulații universale care funcționează la unghiuri creând o excitație torsională de 2×
- Patinaj și vibrații ale transmisiei prin curea
- Acțiune poligonală cu acționare prin lanț
Provocări legate de detectare și măsurare
De ce vibrațiile torsionale sunt dificil de detectat
Spre deosebire de vibrațiile laterale, vibrațiile torsionale prezintă provocări unice în ceea ce privește măsurarea:
- Fără deplasare radială: Accelerometrele standard de pe carcasele rulmenților nu detectează mișcarea pur torsională
- Amplitudini unghiulare mici: Amplitudinile tipice sunt fracțiuni de grad
- Echipament specializat necesar: Necesită senzori de vibrații torsionale sau analize sofisticate
- Adesea trecute cu vederea: Nu este inclus în programele de monitorizare a vibrațiilor de rutină
Metode de măsurare
1. Tensometre
- Montat la 45° față de axa arborelui pentru măsurarea deformării la forfecare
- Necesită un sistem de telemetrie pentru a transmite semnalul de la arborele rotativ
- Măsurarea directă a tensiunii torsionale
- Cea mai precisă metodă, dar complexă și costisitoare
2. Senzori de vibrații torsionale cu sondă dublă
- Doi senzori optici sau magnetici măsoară viteza în poziții diferite ale arborelui
- Diferența de fază dintre semnale indică vibrații torsionale
- Măsurare fără contact
- Poate fi instalat temporar sau permanent
3. Vibrometre torsionale cu laser
- Măsurarea optică a variațiilor vitezei unghiulare a arborelui
- Fără contact, nu necesită pregătirea arborelui
- Scump, dar puternic pentru depanare
4. Indicatori indirecți
- Analiza semnăturii curentului motorului (MCSA) poate dezvălui probleme de torsiune
- Modele de uzură ale cuplajelor și dinților angrenajelor
- Locațiile și orientările fisurilor de oboseală la arbore
- Modele neobișnuite de vibrații laterale care pot fi cuplate cu moduri de torsiune
Consecințe și mecanisme de deteriorare
Defecțiuni la oboseală
Principalul pericol al vibrațiilor torsionale:
- Defecțiuni ale arborelui: Fisuri de oboseală de obicei la 45° față de axa arborelui (planuri maxime de solicitare prin forfecare)
- Defecțiuni de cuplare: Uzura dinților cuplajului angrenajului, oboseala elementului flexibil
- Ruperea dinților angrenajului: Accelerat de oscilații torsionale
- Deteriorarea cheii și a canelurii cheii: Frecare și uzură din cauza cuplului oscilant
Caracteristicile defecțiunilor torsionale
- Adesea brusc și catastrofal fără avertisment
- Suprafețele fracturii sunt la un unghi de aproximativ 45° față de axa arborelui
- Urme de plajă pe suprafața fracturii care indică progresia oboselii
- Poate apărea chiar și atunci când nivelurile de vibrații laterale sunt acceptabile
Probleme de performanță
- Probleme de control al vitezei în acționările de precizie
- Uzură excesivă a cutiilor de viteze și a cuplajelor
- Zgomot de la zdrăngănitul angrenajului și impactul cuplajului
- Ineficiența transmisiei de putere
Analiză și modelare
Analiza torsională în timpul proiectării
Proiectarea corectă necesită analiză torsională:
- Calculul frecvenței naturale: Determinați toate vitezele critice de torsiune
- Analiza răspunsului forțat: Prezicerea amplitudinilor torsionale în condiții de funcționare
- Diagrama Campbell: Afișați frecvențele naturale de torsiune în funcție de viteza de funcționare
- Analiza stresului: Calculați tensiunile de forfecare alternative în componentele critice
- Predicția vieții la oboseală: Estimarea duratei de viață a componentelor sub sarcină torsională
Instrumente software
Software specializat efectuează analiza torsională:
- Modele cu masă concentrată multi-inerțială
- Analiza torsională cu elemente finite
- Simularea în domeniul timp a evenimentelor tranzitorii
- Analiza armonică în domeniul frecvenței
Metode de atenuare și control
Soluții de design
- Margini de separare: Asigurați-vă că frecvențele naturale de torsiune sunt la o distanță de ±20% față de frecvențele de excitație
- Amortizare: Încorporează amortizoare torsionale (amortizoare vâscoase, amortizoare de frecare)
- Cuplaje flexibile: Adăugați flexibilitate torsionială pentru a reduce frecvențele naturale sub intervalul de excitație
- Reglare în masă: Adăugați volante sau modificați inerțiile pentru a schimba frecvențele naturale
- Modificări ale rigidității: Modificarea diametrelor arborelui sau a rigidității cuplajului
Soluții Operaționale
- Restricții de viteză: Evitați funcționarea continuă la viteze critice de torsiune
- Accelerare rapidă: Treceți rapid prin vitezele critice în timpul pornirii
- Gestionarea încărcăturii: Evitați condițiile care excită modurile de torsiune
- Reglarea VFD: Ajustați parametrii de acționare pentru a minimiza excitația torsională
Selectarea componentelor
- Cuplaje cu amortizare ridicată: Cuplaje elastomerice sau hidraulice care disipă energia torsională
- Amortizoare torsionale: Dispozitive specializate pentru acționarea motoarelor cu piston
- Calitatea echipamentului: Angrenajele de precizie cu toleranțe strânse reduc excitația
- Materialul axului: Materiale cu rezistență ridicată la oboseală pentru arbori critici din punct de vedere torsional
Aplicații și standarde industriale
Aplicații critice
Analiza torsională este deosebit de importantă pentru:
- Acționări ale motorului cu piston: Generatoare diesel, compresoare pentru motoare pe benzină
- Arbori de transmisie lungi: Propulsie marină, laminoare
- Cutii de viteze de mare putere: Turbine eoliene, transmisii industriale cu angrenaje
- Acționări cu viteză variabilă: Aplicații pentru motoare VFD, sisteme servo
- Sisteme cu mai multe corpuri: Sisteme de propulsie complexe cu mai multe mașini conectate
Standarde relevante
- API 684: Dinamica rotorului, inclusiv procedurile de analiză torsională
- API 617: Cerințe torsionale ale compresorului centrifugal
- API 672: Analiza torsională a compresorului cu piston compact
- ISO 22266: Vibrațiile torsionale ale mașinilor rotative
- VDI 2060: Vibrații torsionale în sistemele de acționare
Relația cu alte tipuri de vibrații
Deși distincte de vibrațiile laterale și axiale, vibrațiile torsionale se pot cupla cu acestea:
- Cuplare lateral-torsională: În anumite geometrii, modurile torsionale și laterale interacționează
- Plasă de angrenaj: Vibrațiile torsionale creează sarcini variabile pe dinți care pot excita vibrații laterale
- Articulații universale: Nealinierea unghiulară cuplează intrarea torsională cu ieșirea laterală
- Provocare diagnostică: Semnăturile vibraționale complexe pot avea contribuții din partea mai multor tipuri de vibrații
Înțelegerea și gestionarea vibrațiilor torsionale sunt esențiale pentru funcționarea fiabilă a sistemelor de transmisie a puterii. Deși primește mai puțină atenție decât vibrațiile laterale în monitorizarea de rutină, analiza vibrațiilor torsionale este esențială în timpul proiectării și depanării sistemelor de acționare de mare putere sau precizie, unde defecțiunile torsionale pot avea consecințe catastrofale.
Categorii:
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 