Hiểu về rung động xoắn trong máy móc quay
Định nghĩa: Rung xoắn là gì?
Rung xoắn là dao động góc của trục quay quanh trục quay của nó—về cơ bản là chuyển động xoắn và duỗi xoắn trong đó các phần khác nhau của trục quay với tốc độ hơi khác nhau tại bất kỳ thời điểm nào. Không giống như rung động bên (chuyển động sang hai bên) hoặc rung động trục (chuyển động tới lui), dao động xoắn không liên quan đến chuyển động tuyến tính; thay vào đó, trục trải qua gia tốc góc dương và âm xen kẽ.
Mặc dù rung xoắn thường có biên độ nhỏ hơn nhiều so với rung ngang và thường khó phát hiện, nhưng nó có thể tạo ra ứng suất xen kẽ rất lớn trong trục, khớp nối và bánh răng, có khả năng dẫn đến hỏng hóc do mỏi nghiêm trọng mà không có cảnh báo trước.
Cơ chế vật lý
Rung động xoắn xảy ra như thế nào
Rung động xoắn có thể được hình dung như sau:
- Hãy tưởng tượng một trục dài kết nối động cơ với tải trọng được truyền động
- Trục hoạt động giống như một lò xo xoắn, lưu trữ và giải phóng năng lượng khi nó xoắn
- Khi bị tác động bởi các mô-men xoắn khác nhau, trục dao động, với các phần quay nhanh hơn và chậm hơn tốc độ trung bình
- Những dao động này có thể tích tụ nếu tần số kích thích khớp với tần số xoắn tự nhiên
Tần số tự nhiên xoắn
Mỗi hệ thống trục đều có tần số xoắn tự nhiên được xác định bởi:
- Độ cứng xoắn của trục: Phụ thuộc vào đường kính trục, chiều dài và mô đun cắt vật liệu
- Quán tính của hệ thống: Mômen quán tính của các thành phần quay được kết nối (rôto động cơ, khớp nối, bánh răng, tải)
- Nhiều chế độ: Các hệ thống phức tạp có một số tần số xoắn tự nhiên
- Hiệu ứng ghép nối: Các khớp nối linh hoạt tăng thêm độ tuân thủ xoắn, làm giảm tần số tự nhiên
Nguyên nhân chính gây ra rung động xoắn
1. Mô-men xoắn thay đổi từ động cơ pittông
Nguồn phổ biến nhất trong nhiều ứng dụng:
- Động cơ Diesel và Xăng: Sự kiện đốt cháy tạo ra mô-men xoắn xung động
- Thứ tự bắn: Tạo ra sóng hài của tốc độ động cơ
- Số lượng xi lanh: Ít xi-lanh hơn tạo ra nhiều biến thiên mô-men xoắn hơn
- Rủi ro cộng hưởng: Tốc độ hoạt động của động cơ có thể trùng với tốc độ xoắn tới hạn
2. Lực lưới bánh răng
Hệ thống bánh răng tạo ra sự kích thích xoắn:
- Tần số ăn khớp bánh răng (số răng × vòng/phút) tạo ra mô-men xoắn dao động
- Lỗi khoảng cách răng và độ không chính xác của hồ sơ góp phần
- Độ rơ của bánh răng có thể gây ra tải trọng va chạm
- Nhiều giai đoạn bánh răng tạo ra hệ thống xoắn phức tạp
3. Sự cố động cơ điện
Động cơ điện có thể tạo ra nhiễu loạn xoắn:
- Tần suất vượt cực: Sự tương tác giữa rôto và stato tạo ra mô-men xoắn dao động
- Thanh rotor bị hỏng: Tạo xung mô-men xoắn ở tần số trượt
- Biến tần (VFD): Chuyển mạch PWM có thể kích thích các chế độ xoắn
- Bắt đầu Transient: Dao động mô-men xoắn lớn trong quá trình khởi động động cơ
4. Biến thể tải quy trình
Tải trọng thay đổi trên thiết bị được dẫn động:
- Sự kiện tăng áp máy nén
- Hiện tượng sủi bọt của bơm tạo ra các xung mô-men xoắn
- Tải trọng tuần hoàn trong máy nghiền, máy xay và máy ép
- Lực đẩy cánh quạt và tua bin
5. Các vấn đề về khớp nối và hệ thống truyền động
- Khớp nối bị mòn hoặc hư hỏng có độ rơ hoặc độ rơ ngược
- Các khớp vạn năng hoạt động ở các góc tạo ra lực xoắn gấp 2 lần
- Dây đai truyền động trượt và rung
- Hành động đa giác truyền động xích
Thách thức phát hiện và đo lường
Tại sao rung động xoắn khó phát hiện
Không giống như rung động ngang, rung động xoắn đặt ra những thách thức đo lường độc đáo:
- Không có sự dịch chuyển hướng tâm: Máy đo gia tốc tiêu chuẩn trên vỏ ổ trục không phát hiện được chuyển động xoắn thuần túy
- Biên độ góc nhỏ: Biên độ điển hình là các phân số của một độ
- Thiết bị chuyên dụng cần thiết: Yêu cầu cảm biến rung xoắn hoặc phân tích phức tạp
- Thường bị bỏ qua: Không bao gồm trong các chương trình giám sát rung động thường xuyên
Phương pháp đo lường
1. Máy đo biến dạng
- Được lắp ở góc 45° so với trục để đo độ biến dạng cắt
- Yêu cầu hệ thống đo từ xa để truyền tín hiệu từ trục quay
- Đo trực tiếp ứng suất xoắn
- Phương pháp chính xác nhất nhưng phức tạp và tốn kém
2. Cảm biến rung xoắn đầu dò kép
- Hai cảm biến quang học hoặc từ tính đo tốc độ tại các vị trí trục khác nhau
- Độ lệch pha giữa các tín hiệu cho thấy rung động xoắn
- Đo lường không tiếp xúc
- Có thể cài đặt tạm thời hoặc vĩnh viễn
3. Máy đo độ rung xoắn laser
- Đo quang học các biến thiên vận tốc góc trục
- Không tiếp xúc, không cần chuẩn bị trục
- Đắt tiền nhưng mạnh mẽ để khắc phục sự cố
4. Các chỉ số gián tiếp
- Phân tích dấu hiệu dòng điện động cơ (MCSA) có thể phát hiện các vấn đề về xoắn
- Các kiểu mòn của khớp nối và răng bánh răng
- Vị trí và hướng vết nứt mỏi trục
- Các mẫu rung động bên bất thường có thể kết hợp với các chế độ xoắn
Hậu quả và cơ chế gây hại
Lỗi mỏi
Mối nguy hiểm chính của rung động xoắn:
- Hỏng trục: Các vết nứt do mỏi thường ở góc 45° so với trục (mặt phẳng ứng suất cắt tối đa)
- Lỗi ghép nối: Răng khớp nối bánh răng bị mòn, phần tử linh hoạt bị mỏi
- Răng bánh răng bị gãy: Được tăng tốc bởi dao động xoắn
- Hư hỏng chìa khóa và rãnh chìa khóa: Sự mài mòn và rung động do mô-men xoắn dao động
Đặc điểm của sự cố xoắn
- Thường xảy ra đột ngột và thảm khốc mà không có cảnh báo trước
- Bề mặt gãy ở góc khoảng 45° so với trục trục
- Dấu vết bãi biển trên bề mặt gãy xương cho thấy sự tiến triển mỏi
- Có thể xảy ra ngay cả khi mức độ rung động ngang được chấp nhận
Các vấn đề về hiệu suất
- Các vấn đề về kiểm soát tốc độ trong truyền động chính xác
- Sự mài mòn quá mức ở hộp số và khớp nối
- Tiếng ồn từ bánh răng kêu lạch cạch và va chạm khớp nối
- Truyền tải điện kém hiệu quả
Phân tích và mô hình hóa
Phân tích xoắn trong quá trình thiết kế
Thiết kế đúng đòi hỏi phải phân tích xoắn:
- Tính toán tần số tự nhiên: Xác định tất cả các tốc độ xoắn tới hạn
- Phân tích phản ứng cưỡng bức: Dự đoán biên độ xoắn ở điều kiện vận hành
- Biểu đồ Campbell: Hiển thị tần số xoắn tự nhiên so với tốc độ hoạt động
- Phân tích ứng suất: Tính toán ứng suất cắt xen kẽ trong các thành phần quan trọng
- Dự đoán tuổi thọ mệt mỏi: Ước tính tuổi thọ của linh kiện dưới tải trọng xoắn
Công cụ phần mềm
Phần mềm chuyên dụng thực hiện phân tích xoắn:
- Các mô hình khối lượng cục bộ đa quán tính
- Phân tích xoắn phần tử hữu hạn
- Mô phỏng miền thời gian của các sự kiện thoáng qua
- Phân tích sóng hài miền tần số
Phương pháp giảm thiểu và kiểm soát
Giải pháp thiết kế
- Khoảng cách phân cách: Đảm bảo tần số xoắn tự nhiên cách tần số kích thích ±20%
- Giảm chấn: Kết hợp bộ giảm chấn xoắn (bộ giảm chấn nhớt, bộ giảm chấn ma sát)
- Khớp nối linh hoạt: Thêm sự tuân thủ xoắn để giảm tần số tự nhiên xuống dưới phạm vi kích thích
- Điều chỉnh hàng loạt: Thêm bánh đà hoặc sửa đổi quán tính để thay đổi tần số tự nhiên
- Thay đổi độ cứng: Sửa đổi đường kính trục hoặc độ cứng của khớp nối
Giải pháp vận hành
- Giới hạn tốc độ: Tránh vận hành liên tục ở tốc độ xoắn tới hạn
- Tăng tốc nhanh: Vượt qua tốc độ quan trọng một cách nhanh chóng trong quá trình khởi động
- Quản lý tải: Tránh các điều kiện kích thích chế độ xoắn
- Điều chỉnh VFD: Điều chỉnh các thông số truyền động để giảm thiểu kích thích xoắn
Lựa chọn thành phần
- Khớp nối giảm chấn cao: Khớp nối thủy lực hoặc đàn hồi phân tán năng lượng xoắn
- Bộ giảm chấn xoắn: Thiết bị chuyên dụng cho truyền động động cơ pittông
- Chất lượng bánh răng: Bánh răng chính xác với dung sai chặt chẽ làm giảm sự kích thích
- Vật liệu trục: Vật liệu có độ bền mỏi cao dành cho trục xoắn quan trọng
Ứng dụng và Tiêu chuẩn Công nghiệp
Ứng dụng quan trọng
Phân tích xoắn đặc biệt quan trọng đối với:
- Truyền động động cơ pittông: Máy phát điện diesel, máy nén khí
- Trục truyền động dài: Động cơ đẩy tàu biển, nhà máy cán
- Hộp số công suất cao: Tua bin gió, bộ truyền động bánh răng công nghiệp
- Ổ đĩa tốc độ thay đổi: Ứng dụng động cơ VFD, hệ thống servo
- Hệ thống đa vật thể: Hệ thống truyền động phức tạp với nhiều máy móc được kết nối
Tiêu chuẩn liên quan
- API 684: Động lực học rôto bao gồm các quy trình phân tích xoắn
- API 617: Yêu cầu về lực xoắn của máy nén ly tâm
- API 672: Phân tích xoắn máy nén pittông đóng gói
- Tiêu chuẩn ISO 22266: Rung xoắn của máy móc quay
- VDI 2060: Rung động xoắn trong hệ thống truyền động
Mối quan hệ với các loại rung động khác
Mặc dù khác biệt với rung động ngang và rung động dọc, rung động xoắn có thể kết hợp với chúng:
- Khớp nối xoắn ngang: Trong một số hình học nhất định, chế độ xoắn và chế độ ngang tương tác
- Lưới bánh răng: Rung xoắn tạo ra các tải trọng răng khác nhau có thể kích thích rung động ngang
- Khớp nối vạn năng: Sự lệch góc kết hợp đầu vào xoắn với đầu ra ngang
- Thách thức chẩn đoán: Các dấu hiệu rung động phức tạp có thể có sự đóng góp từ nhiều loại rung động khác nhau
Việc hiểu và quản lý rung động xoắn là điều cần thiết cho hoạt động đáng tin cậy của hệ thống truyền động. Mặc dù ít được quan tâm hơn rung động ngang trong giám sát thường xuyên, nhưng việc phân tích rung động xoắn lại rất quan trọng trong quá trình thiết kế và xử lý sự cố của các hệ thống truyền động công suất cao hoặc chính xác, nơi mà các hỏng hóc do xoắn có thể gây ra hậu quả thảm khốc.
Categories:
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 