理解旋转机械的扭转振动

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

部件

振动传感器。

部件

光学传感器（激光转速计）。

设备

Balanset-4

部件

磁座尺寸-60-kgf。

部件

反射胶带。

设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

定义：什么是扭转振动？

扭转振动 旋转轴绕其旋转轴线的角往复运动——本质上是一种扭转和解旋运动，其中轴的不同部分在任何给定时刻的旋转速度略有不同。横向振动（左右摆动）或轴向振动（往复运动），扭转振动不涉及线性位移；相反，轴会经历正负交替的角加速度。.

虽然扭转振动的振幅通常比横向振动小得多，而且往往难以检测，但它会在轴、联轴器和齿轮中产生巨大的交变应力，可能导致灾难性的疲劳失效，且毫无预警。.

物理机制

扭转振动是如何发生的

扭转振动可以形象地描述如下：

想象一下，一根长轴将电机连接到驱动负载。
轴的作用就像一个扭转弹簧，在扭转过程中储存和释放能量。
当受到变化扭矩的干扰时，轴会发生振荡，其部分旋转速度快于平均速度，部分旋转速度慢于平均速度。
如果激励频率与扭转固有频率相匹配，这些振荡就会累积起来。

扭转固有频率

每个轴系都有扭转固有频率，该频率由以下因素决定：

轴扭转刚度： 取决于轴的直径、长度和材料剪切模量。
系统惯性： 连接旋转部件（电机转子、联轴器、齿轮、负载）的转动惯量
多种模式： 复杂系统具有多个扭转固有频率
耦合效应： 柔性联轴器增加了扭转柔度，降低了固有频率。

扭转振动的主要原因

1. 往复式发动机的可变扭矩

许多应用程序中最常见的来源：

柴油发动机和汽油发动机： 燃烧过程会产生脉动扭矩
射击顺序： 产生发动机转速的谐波
气缸数： 气缸数量越少，扭矩变化越大
共振风险： 发动机运行速度可能与扭转临界速度重合

2.齿轮啮合力

齿轮系统会产生扭转激励：

齿轮啮合频率（齿数×转速）产生振荡扭矩
牙齿间距误差和轮廓不准确会导致
齿轮间隙会导致冲击载荷
多级齿轮构成复杂的扭转系统

3. 电机问题

电动机可能会产生扭转扰动：

杆通过频率： 转子和定子之间的相互作用会产生脉动扭矩。
转子条断裂： 在滑差频率下产生扭矩脉冲
变频驱动器（VFD）： PWM开关可以激发扭转模式
起始瞬态： 电机启动过程中出现较大的扭矩波动

4. 工艺负荷变化

驱动设备的可变载荷：

压缩机喘振事件
泵空化产生扭矩峰值
破碎机、磨机和压机中的循环载荷
风扇和涡轮机叶片通过力

5. 联轴器和传动系统问题

磨损或损坏的联轴器存在间隙或反冲
万向节以一定角度运行，产生2倍扭转激励
皮带传动打滑和抖动
链传动多边形动作

检测和测量挑战

为什么扭转振动难以检测

与横向振动不同，扭转振动带来了独特的测量挑战：

无径向位移： 轴承座上的标准加速度计无法检测纯粹的扭转运动。
小角振幅： 典型振幅为一度的几分之一。
所需专用设备： 需要扭转振动传感器或复杂的分析方法
常被忽视的： 未纳入常规振动监测计划

测量方法

1. 应变计

以与轴线成 45° 角安装，用于测量剪切应变
需要遥测系统来传输来自旋转轴的信号
扭转应力的直接测量
最准确的方法，但复杂且昂贵。

2. 双探头扭转振动传感器

两个光学或磁传感器测量轴上不同位置的转速
信号间的相位差表明存在扭转振动
非接触式测量
可临时安装或永久安装

3. 激光扭转振动计

轴角速度变化的光学测量
非接触式，无需轴杆预处理
价格昂贵但功能强大，可用于故障排除。

4. 间接指标

电机电流特征分析（MCSA）可以揭示扭转问题。
联轴器和齿轮齿磨损模式
轴疲劳裂纹的位置和方向
异常的横向振动模式可能与扭转模式耦合

后果和损害机制

疲劳失效

扭转振动的主要危险：

轴故障： 疲劳裂纹通常与轴线成 45° 角（最大剪应力面）。
耦合失败： 齿轮联轴器齿磨损、柔性元件疲劳
齿轮断齿： 由扭转振荡加速
键和键槽损坏： 往复扭矩引起的微动磨损

扭转失效的特征

往往突如其来，灾难性，毫无预兆
断裂面与轴线呈约 45° 角
断裂面上的海滩痕迹表明疲劳进展
即使横向振动水平在可接受范围内，也可能发生这种情况。

性能问题

精密驱动中的速度控制问题
齿轮箱和联轴器过度磨损
齿轮嘎嘎作响和联轴器撞击产生的噪音
电力传输效率低下

分析与建模

设计过程中的扭转分析

合理的设计需要进行扭转分析：

固有频率计算： 确定所有扭转临界速度
强制反应分析： 预测运行条件下的扭转振幅
坎贝尔图： 显示扭转固有频率与运行速度的关系
压力分析： 计算关键部件中的交变剪应力
疲劳寿命预测： 估算扭转载荷作用下部件的寿命

软件工具

专用软件执行扭转分析：

多惯性集中质量模型
有限元扭转分析
瞬态事件的时域模拟
频域谐波分析

缓解和控制方法

设计解决方案

分离边距： 确保扭转固有频率与激励频率的偏差在±20%以内
减震： 加装扭转阻尼器（粘性阻尼器、摩擦阻尼器）
柔性联轴器： 增加扭转柔度以降低激励范围以下的固有频率
质量调谐： 增加飞轮或改变惯性以改变固有频率
刚度变化： 修改轴径或联轴器刚度

运营解决方案

速度限制： 避免在扭转临界转速下连续运行
快速加速： 启动过程中快速通过临界速度
负载管理： 避免激发扭转模式的条件
VFD调谐： 调整驱动参数以最大限度地减少扭转激励

组件选择

高阻尼联轴器： 耗散扭转能量的弹性体或液压联轴器
扭转阻尼器： 用于往复式发动机驱动的专用装置
装备质量： 精密齿轮具有严格的公差，可降低激励。
轴材质： 用于扭转关键轴的高疲劳强度材料

行业应用与标准

关键应用

扭转分析对于以下方面尤为重要：

往复式发动机驱动： 柴油发电机，燃气发动机压缩机
长传动轴： 船舶推进系统、轧钢机
大功率变速箱： 风力涡轮机、工业齿轮传动装置
变频驱动器： VFD电机应用、伺服系统
多体系统： 具有多台连接机器的复杂驱动系统

与其他振动类型的关系

扭转振动虽然不同于横向振动和轴向振动，但可以与它们耦合：

横向扭转耦合： 在某些几何形状中，扭转模态和横向模态会相互作用。
齿轮啮合： 扭转振动会产生变化的齿轮载荷，从而可能激发横向振动。
万向节： 角度偏差将扭转输入与横向输出耦合起来
诊断难题： 复杂的振动特征可能由多种振动类型共同构成。

理解和控制扭转振动对于动力传输系统的可靠运行至关重要。虽然在日常监测中，扭转振动受到的关注不如横向振动，但在高功率或精密驱动系统的设计和故障排除过程中，扭转振动分析至关重要，因为扭转故障可能造成灾难性后果。.

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什么是扭转振动？其成因和影响

由 admin 于 10 月 29, 2025 10 月 29, 2025 发布