理解扭转分析
扭转分析 是指对……的测量、评估和建模 扭转振动 — 围绕轴心的扭转振动 — 在旋转机械的传动系统中。与……不同 横向振动 (弯曲)，该参数可被标准直接读取 加速度计 固定在轴承座上时，扭转运动不会产生任何侧向位移，因此普通传感器无法检测到它 振动分析. 检测它需要采用专门的技术——应变片、双转速计或激光 振动测量 — 并辅以分析以确定扭转固有频率并评估 疲劳 轴、联轴器和齿轮中的风险。
该技术对于往复式发动机传动系统、长传动轴、大功率减速机以及变频驱动（VFD）电机系统至关重要，因为在这些系统中，即使横向振动较小，扭转振动仍可能导致轴或联轴器发生突然且灾难性的故障。 振动严重程度 看起来完全没问题。这是一项专业但必不可少的能力，能够防止普通监控无法预见的意外故障。
1. 为什么需要进行扭转分析
扭转振动与横向振动
这两个动作在机械上是相互独立的，而正是这种独立性，才使得这一独立学科得以存在：
- 侧： 轴和轴承的弯曲及左右摆动——使用标准加速度计即可轻松检测到 接近探头.
- 扭转： 围绕旋转轴扭转，且无法检测到横向位移，因此传统安装的传感器无法探测到它。
- 独立： 一台机器可能在横向振动水平较低的情况下仍遭受严重的扭转振动，反之亦然——这两者之间并不存在关联。
- 损坏： 扭转振动可能导致轴和联轴器断裂，而横向测量却完全无法预示这一情况，这正是其危险之处。
典型失效模式
由于扭转激励会在传动轴上产生周期性剪切应力，因此其故障具有明显的特征：
- 轴疲劳断裂： 通常表现为与轴线成约45°角的完全断裂，该方向即最大剪应力平面。
- 联轴器元件失效： 齿轮联轴器中的齿轮齿开裂，或弹性联轴器和盘式联轴器中的柔性元件断裂。
- 齿轮齿断裂： 由交变且方向交替的齿面载荷驱动，而非稳态扭矩。
- 键和键槽的损坏： 随着交替扭转使接头来回移动，接头逐渐磨损并松动。
2. 测量技术
由于没有合适的表面供传感器对准，因此出现了四种实用方法，这些方法在精度、成本和频率范围之间进行了权衡。
应变片法
最直接的方法——在扭转应力的源头进行测量：
- 应变片以45°角粘贴在轴线上，这种安装方向能捕捉到最大的剪应力。
- 它们测量由扭转产生的剪切应变，该应变可直接转换为扭矩和交变应力。
- 旋转轴需要使用滑环或无线技术 遥测 从旋转部件上获取信号。
- 这是最精确的方法，但也是最复杂、成本最高的方法，因此主要应用于研发工作。
双转速表法
- 两个光学传感器——通常是两个 激光转速表 — 针对轴上的不同轴向位置。
- 该仪器测量瞬时 相位 两个测点之间的差值。
- 这种相位差就是它们之间轴的角扭转，也就是扭转振动本身。
- 该方法属于非接触式，在实际应用中确实非常实用，但通常仅限于低频扭转成分，频率大致在100赫兹以下。
激光扭转振动计
- 一套专门用于测量轴表面的激光多普勒系统。
- 它能够直接测量角速度波动，无需对轴进行任何预处理。
- 非接触式，具有宽广的有效频率范围。
- 功能强大但价格昂贵的仪器，仅用于要求严苛的调查。
电机电流分析
- 电机驱动列车的扭转振动会引起负载变化，从而导致电机电流出现微小波动。
- 分析电机电流 频谱 间接揭示了这些波动。
- 该技术完全是非侵入性的——没有任何传感器会接触到轴体。
- 最好将其视为一种筛查工具，用于提示存在需要通过直接检测方法进行确认的问题。
3. 扭转分析
测量能告诉你机器当前的状态；建模则能预示其在整个转速范围内将如何运行，并让工程师在开始加工之前就将潜在问题消除。
数学建模
激发源
只有当某种因素以恰当的频率驱动扭转共振时，它才会变得危险。常见的诱因包括：
- 往复式发动机： 每个气缸的点火脉冲会在发动机转速下产生强烈的扭转激励。
- 齿轮啮合： 齿轮啮合会在 齿轮啮合频率.
- 变频器： PWM 开关会产生谐波，这些谐波可能与扭转模态重合。
- 电气： 电机 过杆 和 滑移频率 施加额外的扭转激励。
扭转的坎贝尔图
将频率与速度相关联的标准图形工具是 坎贝尔图:
- 图中绘制了扭转固有频率与行驶速度的关系。
- 叠加了激发序线（1×、2×、点火序、网格序）。
- 当激励阶次线与固有频率相交时，便会出现扭转临界转速——这是一个应避免的干涉点。
- 该图可帮助确定工作转速及受限频段。您可以针对给定的传动系统，使用 坎贝尔图计算器.
4. 关键应用
扭转分析并非在所有情况下都必不可少，但在少数几类机械中，它实际上是必不可少的。
- 往复式发动机驱动装置： 柴油发电机组、燃气发动机压缩机以及船舶推进系统，在这些领域，由于存在巨大的转矩脉动，因此必须进行分析。
- 长传动轴： 轧机传动装置、船用螺旋桨轴和造纸机传动装置，由于其长度过大，导致扭转刚度降低，固有频率降至工作转速范围内。
- 大功率减速机： 功率在1,000马力以上的风力发电机齿轮箱和工业减速机，其中齿轮啮合激振可能引发扭转模态。
- 变频电机系统： 随着驱动器的普及，这已成为一个日益突出的问题，因为PWM谐波会激发扭转共振，而定速电机则绝不会引发这种现象。
5. 结果解读
扭转分析会产生三项成果，这些成果共同决定了传动系统是否安全运行。
扭转固有频率
- 通过测量、计算或两者结合确定。
- 与所有可信的激发频率进行对比。
- 已检查频带间隔是否充足——即在整个工作范围内，模态频率与激励频率之间留有足够的裕度。
压力水平
- 交变剪应力是根据测得的扭转振幅计算得出的。
- 将其与材料的耐久（疲劳）极限进行比较。
- 估算了每小时或每次启动消耗的疲劳寿命比例。
- 接下来需要做出判断：这些应力在要求的服役寿命内是否可以接受？
阻尼
- 根据各扭转共振点处响应的陡峭程度进行测量。
- 扭转 阻尼 通常非常低——往往低于临界值的1%。
- 低阻尼意味着，当激励阶数与模态重合时，会产生高而窄的共振峰，并产生较大的放大效应。
6. 缓解策略
当分析发现问题时，有三种应对措施可供选择，通常按以下优先顺序实施。
频率分离
- 将所有自然转动频率移至远离各激励频率的位置。
- 调整轴的直径或长度，或更换联轴器的扭转件 刚性，以重新调整模式。
- 改变惯性——例如通过添加飞轮——以改变固有频率。
增加阻尼
- 安装一个扭振阻尼器（粘性或摩擦式），以吸收共振产生的能量。
- 应选用高阻尼柔性联轴器，而非刚性联轴器。
- 即使无法实现完美的分离，这两种方法都能降低共振时的放大效应。
运行速度的变化
- 请避免在已知的扭转临界转速下持续运行。
- 定义并执行机器快速通过时的限速区间。
- 在变频器上，调整驱动器以尽量减少在问题谐波处的励磁。
7. 实地项目中的扭转分析
扭振检测虽属专项工作，但并非孤立存在——它与常规的动平衡和横向振动检测并行，这些检测共同保障传动系统的健康运行，而清晰的横向振动图正是识别扭振异常的基础。在日常现场实践中，工程师首先需确认转子本身已达到良好的平衡状态，并确保1× 不平衡 已得到控制，因为残余不平衡和 错位 在该线路上引入自身的扭矩变化。例如，一款便携式双通道仪器 Balanset-1A 负责现场处理该侧面的工作——测量1×的振幅和相位，对转子在轴承中的平衡进行校正，并验证 残余不平衡量 ——这样，任何残留的扭转能量都能明确归因于真正的扭转源，而非伪装成扭转源的侧向故障。在转子经过平衡和对中后，通过专门的扭转测量（双转速计或应变片），即可准确识别出真实的扭转行为。
简而言之，扭转分析是一门专门研究扭转振动的振动学科，旨在分析那些可能导致灾难性失效、却无法通过标准横向监测察觉的扭转振动。尽管它需要专门设计的测量和建模方法，但对于往复式发动机传动系统、长轴、大功率齿轮箱以及变频驱动系统而言，它却是不可或缺的，因为在这些系统中，扭转振动会带来切实的可靠性和安全风险。
