Pochopenie torzných vibrácií v rotujúcich strojoch
Definícia: Čo je to torzné vibrovanie?
Torzné vibrácie je uhlové kmitanie rotujúceho hriadeľa okolo jeho osi otáčania – v podstate ide o krútiaci a roztáčací pohyb, pri ktorom sa rôzne časti hriadeľa otáčajú v danom okamihu mierne odlišnými rýchlosťami. Na rozdiel od bočné vibrácie (pohyb zo strany na stranu) alebo axiálne vibrácie (pohyb tam a späť), torzné vibrácie nezahŕňajú lineárny posun; namiesto toho hriadeľ zažíva striedavé kladné a záporné uhlové zrýchlenie.
Hoci torzné vibrácie majú zvyčajne oveľa menšie amplitúdy ako priečne vibrácie a je často ťažké ich zistiť, môžu vytvárať obrovské striedavé napätia v hriadeľoch, spojkách a ozubených kolesách, čo môže viesť ku katastrofickým únavovým poruchám bez varovania.
Fyzikálny mechanizmus
Ako dochádza k torzným vibráciám
Torzné vibrácie možno znázorniť takto:
- Predstavte si dlhý hriadeľ spájajúci motor s poháňanou záťažou
- Hriadeľ funguje ako torzná pružina, ktorá pri otáčaní ukladá a uvoľňuje energiu
- Keď je hriadeľ narušený rôznymi krútiacimi momentmi, kmitanie sa prejavuje v častiach, ktoré sa otáčajú rýchlejšie a pomalšie ako je priemerná rýchlosť.
- Tieto oscilácie sa môžu zosilniť, ak sa budiaca frekvencia zhoduje s torznou vlastnou frekvenciou
Torzné vlastné frekvencie
Každý hriadeľový systém má torzné vlastné frekvencie určené:
- Torzná tuhosť hriadeľa: Závisí od priemeru hriadeľa, dĺžky a modulu šmyku materiálu
- Zotrvačnosť systému: Momenty zotrvačnosti pripojených rotujúcich komponentov (rotor motora, spojky, ozubené kolesá, záťaže)
- Viacero režimov: Komplexné systémy majú niekoľko torzných vlastných frekvencií
- Spojovací efekt: Flexibilné spojky zvyšujú torznú poddajnosť a znižujú vlastné frekvencie
Primárne príčiny torzných vibrácií
1. Variabilný krútiaci moment z piestových motorov
Najbežnejší zdroj v mnohých aplikáciách:
- Dieselové a benzínové motory: Spaľovacie udalosti vytvárajú pulzujúci krútiaci moment
- Poradie streľby: Vytvára harmonické otáčky motora
- Počet valcov: Menej valcov vytvára väčšiu variabilitu krútiaceho momentu
- Riziko rezonancie: Prevádzkové otáčky motora sa môžu zhodovať s kritickými torznými otáčkami
2. Sily v zábere ozubených kolies
Prevodové systémy generujú torzné budenie:
- Frekvencia záberu ozubených kolies (počet zubov × otáčky za minútu) vytvára oscilačný krútiaci moment
- Chyby rozstupu zubov a nepresnosti profilu prispievajú
- Vôľa ozubeného kolesa môže spôsobiť nárazové zaťaženie
- Viaceré stupne prevodov vytvárajú zložité torzné systémy
3. Problémy s elektrickým motorom
Elektromotory môžu spôsobovať torzné poruchy:
- Frekvencia prechodu pólu: Interakcia medzi rotorom a statorom vytvára pulzujúci krútiaci moment
- Zlomené rotorové tyče: Vytvára krútiaci moment pri sklzovej frekvencii
- Frekvenčné meniče (VFD): PWM prepínanie môže excitovať torzné režimy
- Spúšťanie prechodových javov: Veľké oscilácie krútiaceho momentu počas rozbehu motora
4. Zmeny zaťaženia procesu
Premenlivé zaťaženie poháňaného zariadenia:
- Udalosti prepätia kompresora
- Kavitácia čerpadla spôsobujúca krútiace momenty
- Cyklické zaťaženia v drvičoch, mlynoch a lisoch
- Sily prechádzajúce lopatkami vo ventilátoroch a turbínach
5. Problémy so spojkou a pohonom
- Opotrebované alebo poškodené spojky s vôľou alebo mŕtvym chodom
- Univerzálne kĺby pracujúce pod uhlami vytvárajúce 2× torzné budenie
- Prešmykovanie a chvenie remeňového pohonu
- Polygonálna akcia reťazového pohonu
Problémy s detekciou a meraním
Prečo je ťažké zistiť torzné vibrácie
Na rozdiel od bočných vibrácií predstavujú torzné vibrácie jedinečné výzvy pri meraní:
- Žiadne radiálne posunutie: Štandardné akcelerometre na ložiskových telesách nedetekujú čisto torzný pohyb
- Malé uhlové amplitúdy: Typické amplitúdy sú zlomky stupňa
- Požadované špecializované vybavenie: Vyžaduje torzné vibračné senzory alebo sofistikovanú analýzu
- Často prehliadané: Nie je zahrnuté v bežných programoch monitorovania vibrácií
Metódy merania
1. Tenzometre
- Montované pod uhlom 45° k osi hriadeľa na meranie šmykového napätia
- Vyžaduje telemetrický systém na prenos signálu z rotujúceho hriadeľa
- Priame meranie torzného napätia
- Najpresnejšia metóda, ale zložitá a drahá
2. Dvojsondové torzné vibračné senzory
- Dva optické alebo magnetické senzory merajú rýchlosť na rôznych miestach hriadeľa
- Fázový rozdiel medzi signálmi indikuje torzné vibrácie
- Bezkontaktné meranie
- Môže byť nainštalovaný dočasne alebo trvalo
3. Laserové torzné vibrometre
- Optické meranie zmien uhlovej rýchlosti hriadeľa
- Bezkontaktné, nevyžaduje sa žiadna príprava hriadeľa
- Drahý, ale výkonný na riešenie problémov
4. Nepriame ukazovatele
- Analýza prúdových charakteristík motora (MCSA) môže odhaliť problémy s torziou
- Vzory opotrebovania zubov spojky a ozubeného kolesa
- Miesta a orientácie únavových trhlín na hriadeli
- Nezvyčajné bočné vibračné vzorce, ktoré môžu byť spojené s torznými módmi
Dôsledky a mechanizmy poškodenia
Únavové poruchy
Hlavné nebezpečenstvo torzných vibrácií:
- Poruchy hriadeľa: Únavové trhliny typicky pod uhlom 45° k osi hriadeľa (roviny maximálneho šmykového napätia)
- Poruchy spojky: Opotrebovanie zubov ozubenej spojky, únava pružných prvkov
- Zlomenie zuba ozubeného kolesa: Zrýchlené torznými osciláciami
- Poškodenie kľúča a drážky kľúča: Opotrebovanie a trenie spôsobené oscilačným krútiacim momentom
Charakteristiky torzných porúch
- Často náhle a katastrofálne bez varovania
- Lomové plochy zvierajú s osou hriadeľa uhol približne 45°
- Stopy po pláži na povrchu lomu naznačujúce postup únavy
- Môže sa vyskytnúť aj vtedy, keď sú úrovne bočných vibrácií prijateľné
Problémy s výkonom
- Problémy s reguláciou rýchlosti v presných pohonoch
- Nadmerné opotrebovanie prevodoviek a spojok
- Hluk z hrkotania prevodov a nárazov spojky
- Neefektívnosť prenosu energie
Analýza a modelovanie
Torzná analýza počas návrhu
Správny návrh vyžaduje torznú analýzu:
- Výpočet prirodzenej frekvencie: Určte všetky kritické torzné rýchlosti
- Analýza nútenej reakcie: Predpovedať torzné amplitúdy za prevádzkových podmienok
- Campbellov diagram: Zobraziť torzné vlastné frekvencie v závislosti od prevádzkovej rýchlosti
- Analýza stresu: Výpočet striedavých šmykových napätí v kritických komponentoch
- Predpoveď únavy a životnosti: Odhad životnosti komponentu pri torznom zaťažení
Softvérové nástroje
Špecializovaný softvér vykonáva torznú analýzu:
- Multi-inercívne modely so sústredenou hmotnosťou
- Torzná analýza metódou konečných prvkov
- Simulácia prechodných udalostí v časovej doméne
- Harmonická analýza vo frekvenčnej doméne
Metódy zmierňovania a kontroly
Dizajnové riešenia
- Oddeľovacie okraje: Zabezpečte, aby torzné vlastné frekvencie boli od budicích frekvencií vzdialené ±20%
- Tlmenie: Zahrňte torzné tlmiče (viskózne tlmiče, trecie tlmiče)
- Flexibilné spojky: Pridajte torznú poddajnosť na zníženie vlastných frekvencií pod rozsahom excitácie
- Hromadné ladenie: Pridajte zotrvačníky alebo upravte zotrvačnosti na posun vlastných frekvencií
- Zmeny tuhosti: Úprava priemerov hriadeľov alebo tuhosti spojky
Prevádzkové riešenia
- Obmedzenia rýchlosti: Zabráňte nepretržitej prevádzke pri kritických torzných rýchlostiach
- Rýchle zrýchlenie: Rýchle prechádzanie kritickými rýchlosťami počas štartu
- Riadenie záťaže: Vyhnite sa podmienkam, ktoré vyvolávajú torzné módy
- Ladenie frekvenčného meniča: Upravte parametre pohonu, aby sa minimalizovalo torzné budenie
Výber komponentu
- Vysoko tlmiace spojky: Elastomérové alebo hydraulické spojky, ktoré rozptyľujú torznú energiu
- Torzné tlmiče: Špecializované zariadenia pre pohony piestových motorov
- Kvalita výstroja: Presné ozubené kolesá s úzkymi toleranciami znižujú budenie
- Materiál hriadeľa: Materiály s vysokou únavovou pevnosťou pre hriadele s kritickým torzným zaťažením
Priemyselné aplikácie a štandardy
Kritické aplikácie
Torzná analýza je obzvlášť dôležitá pre:
- Pohony piestových motorov: Dieselové generátory, kompresory s plynovým motorom
- Dlhé hnacie hriadele: Lodný pohon, valcovacie stolice
- Vysokovýkonné prevodovky: Veterné turbíny, priemyselné prevodové pohony
- Pohony s premenlivou rýchlosťou: Aplikácie VFD motorov, servosystémy
- Viactelesové systémy: Komplexné pohonné ústrojenstvá s viacerými prepojenými strojmi
Relevantné normy
- API 684: Dynamika rotora vrátane postupov torznej analýzy
- API 617: Torzné požiadavky odstredivého kompresora
- API 672: Torzná analýza baleného piestového kompresora
- Norma ISO 22266: Torzné vibrácie rotujúcich strojov
- VDI 2060: Torzné vibrácie v pohonných systémoch
Vzťah k iným typom vibrácií
Hoci sa torzné vibrácie líšia od priečnych a axiálnych vibrácií, môžu sa s nimi spájať:
- Bočná torzná spojka: V určitých geometriách interagujú torzné a laterálne režimy
- Ozubená sieť: Torzné vibrácie vytvárajú rôzne zaťaženia zubov, ktoré môžu vyvolať bočné vibrácie
- Univerzálne kĺby: Uhlové vychýlenie spája torzný vstup s bočným výstupom
- Diagnostická výzva: Komplexné vibračné podpisy môžu mať príspevky z viacerých typov vibrácií
Pochopenie a riadenie torzných vibrácií je nevyhnutné pre spoľahlivú prevádzku systémov prenosu energie. Hoci sa im pri bežnom monitorovaní venuje menej pozornosti ako bočným vibráciám, analýza torzných vibrácií je kľúčová pri návrhu a odstraňovaní problémov vysokovýkonných alebo presných pohonných systémov, kde torzné poruchy môžu mať katastrofálne následky.
Kategórie:
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 