Розуміння крутильних коливань у обертових машинах

Пристрої

Портативний балансир та віброаналізатор Balanset-1A.

$2,347.12 Оригінальна ціна: $2,347.12.$1,901.46Поточна ціна: $1,901.46.

Деталі

Датчик вібрації</trp-post-container

$106.96 Оригінальна ціна: $106.96.$71.30Поточна ціна: $71.30.

Деталі

Оптичний датчик (лазерний тахометр)</trp-post-container

$147.36 Оригінальна ціна: $147.36.$83.19Поточна ціна: $83.19.

Пристрої

Balanset-4</trp-post-container

$8,084.78

Деталі

Магнітна підставка Insize-60-kgf</trp-post-container

$54.67

Деталі

Світловідбиваюча стрічка</trp-post-container

$11.88

Пристрої

Динамічні ваги "Балансет-1А" OEM</trp-post-container

$2,061.90 Оригінальна ціна: $2,061.90.$1,663.78Поточна ціна: $1,663.78.

Визначення: Що таке крутильні коливання?

Крутільна коливання – це кутове коливання обертового вала навколо своєї осі обертання, по суті, скручувальний та розкручувальний рух, під час якого різні секції вала обертаються з дещо різною швидкістю в будь-який момент часу. На відміну від бічні коливання (рух з боку в бік) або осьова вібрація (поступальний рух), крутильні коливання не передбачають лінійного зміщення; натомість вал відчуває змінне позитивне та негативне кутове прискорення.

Хоча крутильні коливання зазвичай мають набагато менші амплітуди, ніж бічні коливання, і їх часто важко виявити, вони можуть створювати величезні змінні напруження у валах, муфтах та шестернях, що потенційно може призвести до катастрофічних втомних руйнувань без попередження.

Фізичний механізм

Як виникають крутильні коливання

Крутільну коливання можна візуалізувати наступним чином:

• Уявіть собі довгий вал, що з'єднує двигун із керованим навантаженням
• Вал діє як торсійна пружина, накопичуючи та вивільняючи енергію під час обертання
• Під впливом різних крутних моментів вал коливається, при цьому секції обертаються швидше та повільніше, ніж середня швидкість.
• Ці коливання можуть посилюватися, якщо частота збудження відповідає власній частоті кручення

Торсійні власні частоти

Кожна система валів має власні частоти кручення, що визначаються:

• Крутіння вала: Залежить від діаметра вала, довжини та модуля зсуву матеріалу
• Інерція системи: Моменти інерції з'єднаних обертових компонентів (ротор двигуна, муфти, шестерні, навантаження)
• Кілька режимів: Складні системи мають кілька власних частот кручення
• Ефекти зчеплення: Гнучкі муфти додають торсійної податливості, знижуючи власні частоти

Основні причини крутильних коливань

1. Змінний крутний момент від поршневих двигунів

Найпоширеніше джерело в багатьох застосуваннях:

• Дизельні та бензинові двигуни: Згоряння створює пульсуючий крутний момент
• Порядок стрільби: Створює гармоніки швидкості обертання двигуна
• Кількість циліндрів: Менша кількість циліндрів забезпечує більшу варіацію крутного моменту
• Ризик резонансу: Робоча швидкість двигуна може збігатися з критичними швидкостями кручення

2. Сили зубчастої сітки

Системи передач генерують крутильне збудження:

• Частота зачеплення шестерень (кількість зубців × об/хв) створює коливальний крутний момент
• Похибки відстані між зубами та неточності профілю сприяють
• Люфт шестерні може спричинити ударне навантаження
• Кілька ступенів передач створюють складні торсійні системи

3. Проблеми з електродвигуном

Електродвигуни можуть створювати крутильні збурення:

• Частота проходження полюса: Взаємодія між ротором і статором створює пульсуючий крутний момент
• Зламані роторні стрижні: Створює імпульси крутного моменту на частоті ковзання
• Частотні приводи (ЧРП): ШІМ-перемикання може збуджувати крутильні моди
• Початкові перехідні процеси: Значні коливання крутного моменту під час запуску двигуна

4. Варіації навантаження процесу

Змінне навантаження на приводне обладнання:

• Випадки помпування компресора
• Кавітація насоса, що створює піки крутного моменту
• Циклічні навантаження в дробарках, млинах та пресах
• Сили проходження лопатей у вентиляторах та турбінах

5. Проблеми зі зчепленням та трансмісією

• Зношені або пошкоджені муфти з люфтом або зворотним рухом
• Універсальні шарніри, що працюють під кутами, створюючи подвійне крутильне збудження
• Проковзування та деренчання ремінного приводу
• Дія полігону ланцюгового приводу

Проблеми виявлення та вимірювання

Чому крутильні коливання важко виявити

На відміну від бічної вібрації, крутильна вібрація створює унікальні проблеми вимірювання:

• Без радіального зміщення: Стандартні акселерометри на корпусах підшипників не виявляють суто крутильний рух
• Малі кутові амплітуди: Типові амплітуди є частками градуса
• Необхідне спеціалізоване обладнання: Потрібні датчики крутильних коливань або складний аналіз
• Часто недооцінюється: Не включено до рутинних програм моніторингу вібрації

Методи вимірювання

1. Тензодатчики

• Встановлено під кутом 45° до осі вала для вимірювання деформації зсуву
• Потрібна телеметрична система для передачі сигналу з обертового вала
• Пряме вимірювання крутильного напруження
• Найточніший метод, але складний і дорогий

2. Двозондові датчики крутильних коливань

• Два оптичні або магнітні датчики вимірюють швидкість у різних місцях вала
• Різниця фаз між сигналами вказує на крутильні коливання
• Безконтактне вимірювання
• Може бути встановлений тимчасово або постійно

3. Лазерні торсійні віброметри

• Оптичне вимірювання змін кутової швидкості вала
• Безконтактний, не потребує підготовки вала
• Дорогий, але потужний для вирішення проблем

4. Непрямі показники

• Аналіз сигнатури струму двигуна (MCSA) може виявити проблеми з крученням
• Знос муфт та зубів шестерень
• Розташування та орієнтація втомних тріщин вала
• Незвичайні поперечні коливальні структури, які можуть бути пов'язані з торсійними модами

Наслідки та механізми пошкодження

Втомні руйнування

Основна небезпека крутильних коливань:

• Поломки валів: Втомні тріщини, як правило, розташовані під кутом 45° до осі вала (площини максимального напруження зсуву)
• Несправності зчеплення: Знос зубів зубчастої муфти, втома гнучких елементів
• Поломка зуба шестерні: Прискорюється крутильними коливаннями
• Пошкодження шпонки та шпонкової канавки: Фреттінг та знос від коливального крутного моменту

Характеристики крутильних руйнувань

• Часто раптове та катастрофічне без попередження
• Поверхні зламу розташовані під кутом приблизно 45° до осі вала
• Сліди від пляжу на поверхні зламу, що вказують на прогресування втоми
• Може виникати навіть за прийнятних рівнів бічної вібрації

Проблеми з продуктивністю

• Проблеми керування швидкістю в прецизійних приводах
• Надмірний знос коробок передач та муфт
• Шум від брязкання шестерень та ударів муфти
• Неефективність передачі енергії

Аналіз та моделювання

Крутний аналіз під час проектування

Правильне проектування вимагає аналізу на кручення:

• Розрахунок власної частоти: Визначити всі критичні швидкості кручення
• Аналіз вимушеного реагування: Прогнозування амплітуд кручення за робочих умов
• Діаграма Кемпбелла: Показати залежність власних частот кручення від робочої швидкості
• Аналіз стресу: Розрахунок знакозмінних напружень зсуву в критичних компонентах
• Прогноз тривалості життя від втоми: Оцінка терміну служби компонента під крутильним навантаженням

Програмні інструменти

Спеціалізоване програмне забезпечення виконує крутильний аналіз:

• Багатоінерційні моделі зосередженої маси
• Крутійний аналіз методом скінченних елементів
• Моделювання перехідних подій у часовій області
• Аналіз гармонік у частотній області

Методи пом'якшення та контролю

Дизайнерські рішення

• Роздільні поля: Переконайтеся, що власні частоти кручення знаходяться на відстані ±20% від частот збудження
• Демпфування: Включити торсійні демпфери (в'язкі демпфери, фрикційні демпфери)
• Гнучкі муфти: Додайте крутильну податливість для зниження власних частот нижче діапазону збудження
• Масове налаштування: Додайте маховики або змініть інерції для зміщення власних частот
• Зміни жорсткості: Зміна діаметрів валів або жорсткості муфти

Операційні рішення

• Обмеження швидкості: Уникайте безперервної роботи на критичних швидкостях кручення
• Швидке прискорення: Швидке проходження критичних швидкостей під час запуску
• Управління навантаженням: Уникайте умов, що збуджують торсійні моди
• Налаштування частотного перетворювача: Налаштуйте параметри приводу, щоб мінімізувати крутильне збудження

Вибір компонентів

• Муфти з високим ступенем демпфування: Еластомерні або гідравлічні муфти, що розсіюють енергію крутіння
• Торсійні амортизатори: Спеціалізовані пристрої для поршневих двигунів
• Якість спорядження: Прецизійні шестерні з жорсткими допусками зменшують збудження
• Матеріал вала: Матеріали з високою міцністю на втому для валів, що піддаються крутінню

Галузеві застосування та стандарти

Критично важливі програми

Торсійний аналіз особливо важливий для:

• Приводи поршневих двигунів: Дизельні генератори, газові компресори
• Довгі карданні вали: Суднові рушійні установки, прокатні стани
• Потужні коробки передач: Вітрові турбіни, промислові зубчасті приводи
• Приводи зі змінною швидкістю: Застосування двигунів частотно-регульованого перетворювача, сервосистеми
• Багатокорпусні системи: Складні трансмісії з кількома підключеними машинами

Відповідні стандарти

• API 684: Динаміка ротора, включаючи процедури крутильного аналізу
• АРІ 617: Вимоги до крутильного зусилля відцентрового компресора
• АРІ 672: Аналіз кручення поршневого компресора в комплекті
• ISO 22266: Крутільна коливання обертових машин
• VDI 2060: Крутні коливання в системах приводів

Зв'язок з іншими типами вібрацій

Хоча крутильні коливання відрізняються від бічних та осьових коливань, вони можуть поєднуватися з ними:

• Поперечно-торсійне зчеплення: У певних геометріях торсійні та латеральні моди взаємодіють
• Сітка шестерень: Крутільна коливання створює різні навантаження на зубці, що може викликати поперечну коливання
• Універсальні шарніри: Кутове зміщення пов'язує вхідне торсійне навантаження з вихідним латеральним навантаженням
• Діагностичне завдання: Складні вібраційні сигнатури можуть мати внески від кількох типів вібрацій

Розуміння та управління крутильними коливаннями є важливим для надійної роботи систем передачі енергії. Хоча їм приділяється менше уваги, ніж поперечним коливанням, під час регулярного моніторингу аналіз крутильних коливань є критично важливим під час проектування та усунення несправностей потужних або точних приводних систем, де крутильні пошкодження можуть мати катастрофічні наслідки.

---

← Назад до головного індексу