ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนแบบบิดในเครื่องจักรหมุน

อุปกรณ์

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,358.31

อะไหล่

Vibration sensor

$107.47

อะไหล่

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$148.07

อุปกรณ์

Balanset-4

$8,123.32

อะไหล่

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$54.93

อะไหล่

Reflective tape

$11.94

อุปกรณ์

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,071.73

คำจำกัดความ: การสั่นสะเทือนแบบบิดคืออะไร?

การสั่นสะเทือนแบบบิด คือการแกว่งเชิงมุมของเพลาที่หมุนรอบแกนหมุน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการเคลื่อนที่แบบบิดและคลายการบิด โดยส่วนต่างๆ ของเพลาจะหมุนด้วยความเร็วที่ต่างกันเล็กน้อย ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ซึ่งแตกต่างจาก การสั่นสะเทือนด้านข้าง (การเคลื่อนที่แบบข้างไปข้างหนึ่ง) หรือ การสั่นสะเทือนตามแนวแกน (การเคลื่อนที่ไปมา) การสั่นแบบบิดตัวไม่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่เชิงเส้น แต่เพลาจะประสบกับการเร่งความเร็วเชิงมุมบวกและลบสลับกัน.

แม้ว่าการสั่นสะเทือนแบบบิดจะมีแอมพลิจูดที่เล็กกว่าการสั่นสะเทือนด้านข้างมาก และมักตรวจจับได้ยาก แต่การสั่นสะเทือนแบบบิดสามารถสร้างความเค้นสลับกันมหาศาลในเพลา ข้อต่อ และเฟือง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวจากความล้าอย่างร้ายแรงโดยไม่ได้แจ้งเตือน.

กลไกทางกายภาพ

การสั่นสะเทือนแบบบิดเกิดขึ้นได้อย่างไร

การสั่นสะเทือนแบบบิดตัวสามารถมองเห็นได้ดังนี้:

• ลองนึกภาพเพลาที่ยาวเชื่อมต่อมอเตอร์กับโหลดที่ขับเคลื่อน
• เพลาทำหน้าที่เหมือนสปริงบิด โดยเก็บและปล่อยพลังงานขณะบิด
• เมื่อถูกรบกวนจากแรงบิดที่เปลี่ยนแปลง เพลาจะสั่น โดยส่วนต่างๆ จะหมุนเร็วขึ้นและช้าลงกว่าความเร็วเฉลี่ย
• การสั่นเหล่านี้อาจสร้างขึ้นได้หากความถี่การกระตุ้นตรงกับความถี่ธรรมชาติของการบิด

ความถี่ธรรมชาติแบบบิด

ระบบเพลาทุกระบบมีความถี่ธรรมชาติของแรงบิดที่กำหนดโดย:

• ความแข็งของแรงบิดของเพลา: ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา ความยาว และโมดูลัสเฉือนของวัสดุ
• ความเฉื่อยของระบบ: โมเมนต์ความเฉื่อยของส่วนประกอบหมุนที่เชื่อมต่อกัน (โรเตอร์มอเตอร์ ข้อต่อ เฟือง โหลด)
• หลายโหมด: ระบบที่ซับซ้อนมีความถี่ธรรมชาติแบบบิดหลายความถี่
• ผลกระทบจากการเชื่อมโยง: ข้อต่อแบบยืดหยุ่นช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการบิดตัว ช่วยลดความถี่ธรรมชาติ

สาเหตุหลักของการสั่นสะเทือนแบบบิด

1. แรงบิดแปรผันจากเครื่องยนต์ลูกสูบ

แหล่งที่มาที่พบบ่อยที่สุดในแอปพลิเคชั่นมากมาย:

• เครื่องยนต์ดีเซลและเบนซิน: เหตุการณ์การเผาไหม้สร้างแรงบิดแบบเต้นเป็นจังหวะ
• ลำดับการยิง: สร้างฮาร์โมนิกของความเร็วเครื่องยนต์
• จำนวนกระบอกสูบ: กระบอกสูบที่น้อยลงทำให้แรงบิดแปรผันมากขึ้น
• ความเสี่ยงจากเรโซแนนซ์: ความเร็วการทำงานของเครื่องยนต์อาจสอดคล้องกับความเร็ววิกฤตของแรงบิด

2. แรงของเฟืองเกียร์

ระบบเฟืองสร้างการกระตุ้นแบบบิด:

• ความถี่ของเฟือง (จำนวนฟัน × รอบต่อนาที) สร้างแรงบิดที่แกว่ง
• ข้อผิดพลาดของระยะห่างระหว่างฟันและความไม่แม่นยำของโปรไฟล์มีส่วนทำให้เกิด
• การตีกลับของเกียร์อาจทำให้เกิดแรงกระแทกได้
• เกียร์หลายชุดสร้างระบบแรงบิดที่ซับซ้อน

3. ปัญหาเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถสร้างการรบกวนจากแรงบิดได้:

• ความถี่ในการผ่านเสา: ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์สร้างแรงบิดแบบสั่น
• แท่งโรเตอร์หัก: สร้างพัลส์แรงบิดที่ความถี่สลิป
• ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) การสลับ PWM สามารถกระตุ้นโหมดแรงบิดได้
• การเริ่มต้นชั่วคราว: การแกว่งแรงบิดขนาดใหญ่ในระหว่างการสตาร์ทมอเตอร์

4. การเปลี่ยนแปลงภาระกระบวนการ

การโหลดแบบแปรผันบนอุปกรณ์ขับเคลื่อน:

• เหตุการณ์ไฟกระชากของคอมเพรสเซอร์
• ปั๊มเกิดโพรงอากาศทำให้เกิดแรงบิดพุ่งสูง
• โหลดแบบเป็นรอบในเครื่องบด โรงสี และเครื่องอัด
• แรงที่ใบพัดผ่านในพัดลมและกังหัน

5. ปัญหาข้อต่อและระบบส่งกำลัง

• ข้อต่อที่สึกหรอหรือชำรุดพร้อมการเคลื่อนตัวหรือระยะยืด
• ข้อต่ออเนกประสงค์ที่ทำงานในมุมที่สร้างแรงกระตุ้นแบบบิด 2 เท่า
• สายพานขับลื่นไถลและสั่น
• การทำงานของโซ่ขับเคลื่อนแบบหลายเหลี่ยม

ความท้าทายในการตรวจจับและการวัด

เหตุใดการสั่นสะเทือนแบบบิดจึงตรวจจับได้ยาก

การสั่นสะเทือนแบบบิดทำให้เกิดความท้าทายในการวัดที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งแตกต่างจากการสั่นสะเทือนด้านข้าง:

• ไม่มีการเคลื่อนตัวในแนวรัศมี: เครื่องวัดความเร่งมาตรฐานบนตัวเรือนลูกปืนไม่สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่แบบบิดได้เพียงอย่างเดียว
• แอมพลิจูดเชิงมุมขนาดเล็ก: แอมพลิจูดทั่วไปคือเศษส่วนขององศา
• อุปกรณ์เฉพาะทางที่ต้องการ: ต้องใช้เซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือนแบบบิดหรือการวิเคราะห์ที่ซับซ้อน
• มักมองข้าม: ไม่รวมอยู่ในโปรแกรมตรวจสอบการสั่นสะเทือนตามปกติ

วิธีการวัด

1. เกจวัดความเครียด

• ติดตั้งที่ 45° กับแกนเพลาเพื่อวัดความเครียดเฉือน
• ต้องใช้ระบบโทรมาตรเพื่อส่งสัญญาณจากเพลาหมุน
• การวัดแรงบิดโดยตรง
• วิธีที่แม่นยำที่สุดแต่ซับซ้อนและมีราคาแพง

2. เซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือนแบบบิดคู่

• เซ็นเซอร์ออปติคัลหรือแม่เหล็กสองตัววัดความเร็วที่ตำแหน่งเพลาที่แตกต่างกัน
• ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณบ่งชี้การสั่นสะเทือนแบบบิด
• การวัดแบบไม่สัมผัส
• สามารถติดตั้งได้ทั้งชั่วคราวและถาวร

3. เครื่องวัดการสั่นสะเทือนแบบเลเซอร์

• การวัดการเปลี่ยนแปลงความเร็วเชิงมุมของเพลาด้วยแสง
• ไม่ต้องสัมผัส ไม่ต้องเตรียมเพลา
• ราคาแพงแต่ทรงพลังสำหรับการแก้ไขปัญหา

4. ตัวบ่งชี้ทางอ้อม

• การวิเคราะห์ลายเซ็นกระแสมอเตอร์ (MCSA) สามารถเปิดเผยปัญหาแรงบิดได้
• รูปแบบการสึกหรอของข้อต่อและฟันเฟือง
• ตำแหน่งและทิศทางของรอยแตกร้าวจากความล้าของเพลา
• รูปแบบการสั่นสะเทือนด้านข้างที่ผิดปกติซึ่งอาจมีการจับคู่กับโหมดแรงบิด

ผลที่ตามมาและกลไกความเสียหาย

ความล้มเหลวจากความเหนื่อยล้า

อันตรายหลักของการสั่นสะเทือนแบบบิด:

• ความล้มเหลวของเพลา: รอยแตกจากความล้าโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 45° กับแกนเพลา (ระนาบความเค้นเฉือนสูงสุด)
• ความล้มเหลวของการเชื่อมต่อ: การสึกหรอของฟันข้อต่อเฟือง ความล้าขององค์ประกอบที่ยืดหยุ่น
• การแตกหักของฟันเฟือง: เร่งความเร็วโดยการสั่นแบบบิด
• ความเสียหายของกุญแจและช่องกุญแจ: การสึกหรอและการสึกหรอจากแรงบิดแกว่ง

ลักษณะเฉพาะของความล้มเหลวแบบบิด

• มักจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหันและหายนะโดยไม่ได้คาดคิด
• พื้นผิวแตกหักที่มุมประมาณ 45° กับแกนเพลา
• รอยชายหาดบนพื้นผิวรอยแตกบ่งบอกถึงความก้าวหน้าของความล้า
• อาจเกิดขึ้นได้แม้ระดับการสั่นสะเทือนด้านข้างจะยอมรับได้

ปัญหาประสิทธิภาพการทำงาน

• ปัญหาการควบคุมความเร็วในระบบขับเคลื่อนความแม่นยำ
• การสึกหรอมากเกินไปในกระปุกเกียร์และข้อต่อ
• เสียงดังจากการสั่นสะเทือนของเฟืองและแรงกระแทกของข้อต่อ
• ประสิทธิภาพการส่งกำลังที่ไม่มีประสิทธิภาพ

การวิเคราะห์และการสร้างแบบจำลอง

การวิเคราะห์แรงบิดระหว่างการออกแบบ

การออกแบบที่เหมาะสมต้องมีการวิเคราะห์แรงบิด:

• การคำนวณความถี่ธรรมชาติ: กำหนดความเร็ววิกฤตของแรงบิดทั้งหมด
• การวิเคราะห์การตอบสนองแบบบังคับ: ทำนายแอมพลิจูดของแรงบิดภายใต้สภาวะการทำงาน
• แผนภาพแคมป์เบลล์: แสดงความถี่ธรรมชาติของการบิดตัวเทียบกับความเร็วในการทำงาน
• การวิเคราะห์ความเครียด: คำนวณความเค้นเฉือนสลับกันในส่วนประกอบที่สำคัญ
• การทำนายอายุความเหนื่อยล้า: ประมาณอายุการใช้งานของส่วนประกอบภายใต้การรับแรงบิด

เครื่องมือซอฟต์แวร์

ซอฟต์แวร์เฉพาะทางทำการวิเคราะห์แรงบิด:

• แบบจำลองมวลรวมแบบความเฉื่อยหลายระดับ
• การวิเคราะห์แรงบิดขององค์ประกอบไฟไนต์
• การจำลองโดเมนเวลาของเหตุการณ์ชั่วคราว
• การวิเคราะห์ฮาร์มอนิกโดเมนความถี่

วิธีการบรรเทาและควบคุม

โซลูชั่นการออกแบบ

• ระยะขอบแยก: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความถี่ธรรมชาติของแรงบิดอยู่ห่างจากความถี่การกระตุ้น ±20%
• การลดแรงสั่นสะเทือน: รวมตัวหน่วงแรงบิด (ตัวหน่วงหนืด ตัวหน่วงแรงเสียดทาน)
• ข้อต่อแบบยืดหยุ่น: เพิ่มความยืดหยุ่นในการบิดตัวให้กับความถี่ธรรมชาติที่ต่ำกว่าช่วงการกระตุ้น
• การปรับมวล: เพิ่มล้อหมุนหรือปรับเปลี่ยนความเฉื่อยเพื่อเปลี่ยนความถี่ธรรมชาติ
• การเปลี่ยนแปลงความแข็ง: ปรับเปลี่ยนเส้นผ่านศูนย์กลางเพลาหรือความแข็งของข้อต่อ

โซลูชันการดำเนินงาน

• ข้อจำกัดความเร็ว: หลีกเลี่ยงการทำงานต่อเนื่องที่ความเร็ววิกฤตบิด
• การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว: ผ่านความเร็วที่สำคัญอย่างรวดเร็วในระหว่างการเริ่มต้น
• การจัดการโหลด: หลีกเลี่ยงสภาวะที่กระตุ้นโหมดบิด
• การปรับแต่ง VFD: ปรับพารามิเตอร์ไดรฟ์เพื่อลดการกระตุ้นแรงบิดให้น้อยที่สุด

การเลือกส่วนประกอบ

• ข้อต่อลดแรงสั่นสะเทือนสูง: ข้อต่อยางหรือไฮดรอลิกที่กระจายพลังงานแรงบิด
• โช้คอัพแบบบิด: อุปกรณ์เฉพาะสำหรับระบบขับเคลื่อนเครื่องยนต์ลูกสูบ
• คุณภาพเกียร์: เกียร์แม่นยำพร้อมความคลาดเคลื่อนที่แคบช่วยลดการกระตุ้น
• วัสดุเพลา: วัสดุที่มีความแข็งแรงต่อความล้าสูงสำหรับเพลาที่มีแรงบิดวิกฤต

การประยุกต์ใช้และมาตรฐานอุตสาหกรรม

แอปพลิเคชันที่สำคัญ

การวิเคราะห์แรงบิดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ:

• ระบบขับเคลื่อนเครื่องยนต์ลูกสูบ: เครื่องปั่นไฟดีเซล, คอมเพรสเซอร์เครื่องยนต์แก๊ส
• เพลาขับยาว: ระบบขับเคลื่อนทางทะเล โรงงานรีดเหล็ก
• กระปุกเกียร์กำลังสูง: กังหันลม, ระบบขับเคลื่อนเฟืองอุตสาหกรรม
• ไดรฟ์ความเร็วตัวแปร: การใช้งานมอเตอร์ VFD ระบบเซอร์โว
• ระบบหลายร่างกาย: ระบบขับเคลื่อนที่ซับซ้อนพร้อมเครื่องจักรที่เชื่อมต่อกันหลายเครื่อง

มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง

• API 684: ไดนามิกของโรเตอร์ รวมถึงขั้นตอนการวิเคราะห์แรงบิด
• API 617: ข้อกำหนดแรงบิดของคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยง
• API 672: การวิเคราะห์แรงบิดของคอมเพรสเซอร์ลูกสูบแบบบรรจุภัณฑ์
• ใบรับรอง ISO 22266: การสั่นสะเทือนแบบบิดของเครื่องจักรหมุน
• วีดีไอ 2060: การสั่นสะเทือนแบบบิดในระบบขับเคลื่อน

ความสัมพันธ์กับประเภทการสั่นสะเทือนอื่น ๆ

แม้ว่าจะแตกต่างจากการสั่นสะเทือนด้านข้างและแนวแกน แต่การสั่นสะเทือนแบบบิดสามารถเกิดขึ้นควบคู่กันได้ด้วย:

• ข้อต่อแบบแรงบิดด้านข้าง: ในรูปทรงเรขาคณิตบางแบบ โหมดบิดและโหมดด้านข้างจะโต้ตอบกัน
• เฟืองตาข่าย: การสั่นสะเทือนแบบบิดสร้างภาระฟันที่แตกต่างกันซึ่งสามารถกระตุ้นการสั่นสะเทือนด้านข้างได้
• ข้อต่ออเนกประสงค์: การจัดตำแหน่งเชิงมุมที่ไม่ถูกต้องเชื่อมโยงอินพุตแรงบิดเข้ากับเอาต์พุตด้านข้าง
• ความท้าทายในการวินิจฉัย: ลายเซ็นการสั่นสะเทือนที่ซับซ้อนอาจมีส่วนสนับสนุนจากการสั่นสะเทือนหลายประเภท

การทำความเข้าใจและการจัดการการสั่นสะเทือนแบบบิดเป็นสิ่งสำคัญต่อการทำงานที่เชื่อถือได้ของระบบส่งกำลัง แม้ว่าการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบบิดจะได้รับความสนใจน้อยกว่าการสั่นสะเทือนด้านข้างในการตรวจสอบตามปกติ แต่การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบบิดก็มีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบและแก้ไขปัญหาระบบขับเคลื่อนกำลังสูงหรือระบบขับเคลื่อนความแม่นยำสูง ซึ่งความล้มเหลวจากแรงบิดอาจส่งผลร้ายแรงได้.

---

← กลับสู่ดัชนีหลัก