Vad är torsionsvibrationer? Orsaker och effekter • Bärbar balanseringsenhet, vibrationsanalysator "Balanset" för dynamisk balansering av krossar, fläktar, mulchers, skruvar på skördetröskor, axlar, centrifuger, turbiner och många andra rotorer Vad är torsionsvibrationer? Orsaker och effekter • Bärbar balanseringsenhet, vibrationsanalysator "Balanset" för dynamisk balansering av krossar, fläktar, mulchers, skruvar på skördetröskor, axlar, centrifuger, turbiner och många andra rotorer

Vad är torsionsvibrationer? Orsaker och effekter

Publicerad av admin på

Förstå torsionsvibrationer i roterande maskiner

Definition: Vad är torsionsvibration?

Torsionsvibrationer är den vinkelmässiga oscillationen av en roterande axel kring sin rotationsaxel – i huvudsak en vridande och avvridande rörelse där olika sektioner av axeln roterar med något olika hastigheter vid varje given tidpunkt. Till skillnad från lateral vibration (rörelse från sida till sida) eller axiell vibration (fram-och-tillbaka-rörelse) involverar torsionsvibrationer ingen linjär förskjutning; istället upplever axeln alternerande positiv och negativ vinkelacceleration.

Även om torsionsvibrationer vanligtvis har mycket mindre amplituder än sidovibrationer och ofta är svåra att upptäcka, kan de skapa enorma alternerande spänningar i axlar, kopplingar och kugghjul, vilket potentiellt kan leda till katastrofala utmattningsfel utan förvarning.

Fysisk mekanism

Hur torsionsvibrationer uppstår

Torsionsvibrationer kan visualiseras enligt följande:

  • Föreställ dig en lång axel som kopplar en motor till en driven last
  • Axeln fungerar som en torsionsfjäder och lagrar och frigör energi när den vrids
  • När axeln störs av varierande vridmoment oscillerar den, med sektioner som roterar snabbare och långsammare än medelhastigheten.
  • Dessa svängningar kan byggas upp om excitationsfrekvensen matchar torsionsegenfrekvensen

Torsionella naturliga frekvenser

Varje axelsystem har torsionella naturliga frekvenser som bestäms av:

  • Axelns vridstyvhet: Beror på axeldiameter, längd och materialets skjuvmodul
  • Systemtröghet: Tröghetsmoment för anslutna roterande komponenter (motorrotor, kopplingar, kugghjul, laster)
  • Flera lägen: Komplexa system har flera torsionella naturliga frekvenser
  • Kopplingseffekter: Flexibla kopplingar ger ökad vridningsflexibilitet och sänker egenfrekvenserna

Primära orsaker till torsionsvibrationer

1. Variabelt vridmoment från kolvmotorer

Den vanligaste källan i många tillämpningar:

  • Diesel- och bensinmotorer: Förbränningshändelser skapar pulserande vridmoment
  • Avfyrningsorder: Skapar övertoner i motorvarvtalet
  • Antal cylindrar: Färre cylindrar ger större variation i vridmomentet
  • Resonansrisk: Motorns driftsvarvtal kan sammanfalla med kritiska vridningshastigheter

2. Kugghjulsnätets krafter

Växelsystem genererar torsionsexcitation:

  • Kugghjulsingreppsfrekvens (antal kuggar × varvtal) skapar oscillerande vridmoment
  • Fel i tandavståndet och felaktigheter i profilen bidrar
  • Kuggspel kan orsaka stötbelastning
  • Flera växelsteg skapar komplexa vridningssystem

3. Problem med elmotorer

Elmotorer kan orsaka vridningsstörningar:

  • Polpasseringsfrekvens: Samspelet mellan rotor och stator skapar pulserande vridmoment
  • Trasiga rotorstänger: Skapar momentpulser vid slirfrekvens
  • Frekvensomriktare (VFD): PWM-omkoppling kan excitera torsionslägen
  • Starta transienter: Stora momentsvängningar vid motorstart

4. Variationer i processbelastning

Variabel belastning på driven utrustning:

  • Kompressorns överspänningshändelser
  • Pumpkavitation som skapar momenttoppar
  • Cykliska belastningar i krossar, kvarnar och pressar
  • Krafter som passerar blad i fläktar och turbiner

5. Problem med koppling och drivlina

  • Slitna eller skadade kopplingar med glapp eller spel
  • Universalkopplingar som arbetar i vinklar och skapar 2× vridningsexcitation
  • Remdriften slirar och vibrerar
  • Kedjedrift polygonfunktion

Utmaningar vid detektion och mätning

Varför torsionsvibrationer är svåra att upptäcka

Till skillnad från lateral vibration presenterar torsionsvibration unika mätutmaningar:

  • Ingen radiell förskjutning: Standardaccelerometrar på lagerhus detekterar inte ren torsionsrörelse
  • Små vinkelamplituder: Typiska amplituder är bråkdelar av en grad
  • Specialutrustning som krävs: Kräver torsionsvibrationssensorer eller sofistikerad analys
  • Ofta förbisedd: Ingår inte i rutinmässiga vibrationsövervakningsprogram

Mätmetoder

1. Töjningsgivare

  • Monterad i 45° vinkel mot axelns axel för att mäta skjuvspänning
  • Kräver telemetrisystem för att överföra signal från roterande axel
  • Direkt mätning av vridspänning
  • Den mest exakta metoden men komplex och dyr

2. Torsionsvibrationssensorer med dubbla prober

  • Två optiska eller magnetiska sensorer mäter hastigheten vid olika axelpositioner
  • Fasskillnad mellan signaler indikerar torsionsvibration
  • Beröringsfri mätning
  • Kan installeras tillfälligt eller permanent

3. Lasertorsionsvibrometrar

  • Optisk mätning av axelvinkelhastighetsvariationer
  • Kontaktlös, ingen axelförberedelse krävs
  • Dyr men kraftfull för felsökning

4. Indirekta indikatorer

  • Motorströmssignaturanalys (MCSA) kan avslöja vridningsproblem
  • Slitningsmönster för kopplingar och kugghjul
  • Platser och orienteringar av utmattningssprickor i axlar
  • Ovanliga laterala vibrationsmönster som kan kopplas till torsionslägen

Konsekvenser och skademekanismer

Utmattningsfel

Den primära faran med torsionsvibrationer:

  • Axelfel: Utmattningssprickor vanligtvis vid 45° till axelaxeln (maximala skjuvspänningsplan)
  • Kopplingsfel: Slitage av kuggkopplingens tänder, utmattning av flexibla element
  • Kuggbrott i kugghjulet: Accelereras av torsionssvängningar
  • Skador på nyckel och nyckelspår: Nötning och slitage från oscillerande vridmoment

Kännetecken för torsionsfel

  • Ofta plötsliga och katastrofala utan förvarning
  • Sprickytor i ungefär 45° vinkel mot axeln
  • Strandmärken på brottytan indikerar utmattningsprogression
  • Kan förekomma även när sidovibrationsnivåerna är acceptabla

Prestandaproblem

  • Problem med hastighetsreglering i precisionsdrivningar
  • Överdrivet slitage på växellådor och kopplingar
  • Buller från skrammel i kugghjulet och stötar från kopplingen
  • Ineffektivitet i kraftöverföringen

Analys och modellering

Torsionsanalys under design

Korrekt design kräver vridningsanalys:

  • Beräkning av naturlig frekvens: Bestäm alla kritiska vridningshastigheter
  • Analys av påtvingad respons: Förutsäga torsionsamplituder vid driftsförhållanden
  • Campbell-diagram: Visa torsionella naturliga frekvenser kontra driftshastighet
  • Stressanalys: Beräkna alternerande skjuvspänningar i kritiska komponenter
  • Livsprognos för trötthet: Uppskatta komponentens livslängd under vridningsbelastning

Programvaruverktyg

Specialiserad programvara utför torsionsanalys:

  • Multi-inertia klumpmassmodeller
  • Finita element torsionsanalys
  • Tidsdomänsimulering av transienta händelser
  • Frekvensdomänens harmoniska analys

Metoder för begränsning och kontroll

Designlösningar

  • Separationsmarginaler: Säkerställ att torsionella naturliga frekvenser är ±20% borta från excitationsfrekvenser
  • Dämpning: Inkludera torsionsdämpare (viskösa dämpare, friktionsdämpare)
  • Flexibla kopplingar: Lägg till torsionseftergivlighet för att sänka naturliga frekvenser under excitationsområdet
  • Massinställning: Lägg till svänghjul eller modifiera tröghetsmoment för att ändra naturliga frekvenser
  • Styvhetsförändringar: Modifiera axeldiametrar eller kopplingsstyvhet

Operativa lösningar

  • Hastighetsbegränsningar: Undvik kontinuerlig drift vid kritiska vridningshastigheter
  • Snabb acceleration: Gå snabbt igenom kritiska hastigheter under uppstart
  • Lasthantering: Undvik förhållanden som exciterar torsionslägen
  • VFD-inställning: Justera drivparametrarna för att minimera torsionsexcitering

Komponentval

  • Högdämpande kopplingar: Elastomera eller hydrauliska kopplingar som avleder vridningsenergi
  • Torsionsdämpare: Specialiserade anordningar för fram- och återgående motordrifter
  • Växelkvalitet: Precisionsväxlar med snäva toleranser minskar excitationen
  • Axelmaterial: Material med hög utmattningshållfasthet för vridningskritiska axlar

Industritillämpningar och standarder

Kritiska applikationer

Torsionsanalys är särskilt viktig för:

  • Kolvmotordrivningar: Dieselgeneratorer, gasmotorkompressorer
  • Långa drivaxlar: Marin framdrivning, valsverk
  • Högpresterande växellådor: Vindkraftverk, industriella kugghjulsdrifter
  • Frekvensomriktare med variabel hastighet: VFD-motorapplikationer, servosystem
  • Flerkroppssystem: Komplexa drivlinor med flera anslutna maskiner

Relevanta standarder

  • API 684: Rotordynamik inklusive torsionsanalysprocedurer
  • API 617: Torsionskrav för centrifugalkompressorer
  • API 672: Torsionsanalys av paketerad kolvkompressor
  • ISO 22266: Torsionsvibrationer hos roterande maskiner
  • VDI 2060: Torsionsvibrationer i drivsystem

Förhållande till andra vibrationstyper

Även om den skiljer sig från lateral och axiell vibration, kan torsionsvibration kopplas till dem:

  • Lateral-torsionell koppling: I vissa geometrier samverkar torsions- och laterala lägen
  • Växelnät: Torsionsvibrationer skapar varierande tandbelastningar som kan excitera sidovibrationer
  • Universalkopplingar: Vinkelfeljustering kopplar vridningsingång till lateral utgång
  • Diagnostisk utmaning: Komplexa vibrationssignaturer kan ha bidrag från flera vibrationstyper

Att förstå och hantera torsionsvibrationer är avgörande för tillförlitlig drift av kraftöverföringssystem. Även om det får mindre uppmärksamhet än sidovibrationer vid rutinmässig övervakning, är torsionsvibrationsanalys avgörande vid design och felsökning av högeffekts- eller precisionsdrivsystem där torsionsfel kan få katastrofala konsekvenser.

← Tillbaka till huvudmenyn

Kategorier:
WhatsApp