Wibracje skrętne - Torsional vibration

Drgań skrętnych jest kątowe drgania przedmiotu-ściej wału wzdłuż jego osi obrotu. Drgania skrętne są często problemem w układach przenoszenia mocy wykorzystujących obracające się wały lub sprzęgła, gdzie mogą powodować awarie, jeśli nie są kontrolowane. Drugi efekt drgań skrętnych dotyczy samochodów osobowych. Drgania skrętne mogą przy pewnych prędkościach prowadzić do wibracji siedzenia lub hałasu. Oba obniżają komfort.

W idealnych systemach wytwarzania energii lub transmisji, wykorzystujących obracające się części, nie tylko przyłożone lub reagujące momenty obrotowe są „gładkie”, co prowadzi do stałych prędkości, ale także płaszczyzna obrotowa, w której moc jest generowana (lub podawana) i płaszczyzna, w której jest ona pobierana (wyjście) są takie same. W rzeczywistości tak nie jest. Generowane momenty obrotowe mogą nie być płynne (np. silniki spalinowe wewnętrznego spalania ) lub napędzany element może nie reagować gładko na moment obrotowy (np. sprężarki tłokowe ), a płaszczyzna wytwarzania energii znajduje się zwykle w pewnej odległości od płaszczyzny odbioru mocy. Ponadto elementy przenoszące moment obrotowy mogą generować niegładkie lub zmienne momenty obrotowe (np. elastyczne paski napędowe, zużyte koła zębate, niewspółosiowe wały). Ponieważ żaden materiał nie może być nieskończenie sztywny, te zmienne momenty obrotowe przyłożone w pewnej odległości na wale powodują drgania skręcające wokół osi obrotu.

Źródła drgań skrętnych

Wibracje skrętne mogą być wprowadzane do układu napędowego przez źródło zasilania. Ale nawet układ napędowy z bardzo płynnym momentem obrotowym może wytwarzać drgania skrętne przez wewnętrzne elementy. Typowe źródła to:

  • Silnik spalinowy : drgania skrętne nieciągłego spalania i sama geometria wału korbowego powodują drgania skrętne
  • Sprężarka tłokowa : Tłoki doświadczają nieciągłych sił ze sprężania.
  • Przegub uniwersalny : Geometria tego przegubu powoduje drgania skrętne, jeśli wały nie są równoległe.
  • Stick slip : Podczas zahaczania elementu ciernego, w sytuacjach drgania typu stick slip powstają drgania skrętne.
  • Luz : Luz w układzie napędowym może powodować drgania skrętne w przypadku zmiany kierunku obrotów lub odwrócenia przepływu mocy, tj. kierowca vs. napędzany.

Drgania skrętne wału korbowego

Wibracje skrętne są problemem w wałach korbowych silników spalinowych, ponieważ mogą uszkodzić sam wał korbowy; odciąć koło zamachowe; lub spowodować awarię napędzanych pasów, kół zębatych i dołączonych elementów, zwłaszcza gdy częstotliwość wibracji jest zgodna z częstotliwością rezonansu skrętnego wału korbowego. Przyczyny drgań skrętnych przypisuje się kilku czynnikom.

  • Naprzemienne momenty obrotowe są generowane przez mechanizm suwakowo-korbowy wału korbowego, korbowodu i tłoka.
    • Ciśnienie w cylindrze spowodowane spalaniem nie jest stałe w całym cyklu spalania.
    • Mechanizm suwakowo-korbowy nie generuje płynnego momentu obrotowego, nawet jeśli ciśnienie jest stałe (np. w górnym martwym punkcie moment nie jest generowany)
    • Ruch masy tłoka i masy korbowodu generuje przemienne momenty obrotowe często nazywane momentami „bezwładności”
  • Silniki z sześcioma lub więcej cylindrami w konfiguracji prostej mogą mieć bardzo elastyczne wały korbowe ze względu na ich dużą długość.
  • Silniki dwusuwowe zazwyczaj mają mniejsze nakładanie się łożysk między łożyskiem głównym a łożyskiem sworzniowym ze względu na większą długość skoku, co zwiększa elastyczność wału korbowego ze względu na zmniejszoną sztywność.
  • Wał korbowy ma z natury niewielkie tłumienie w celu zmniejszenia wibracji, z wyjątkiem odporności filmu olejowego na ścinanie w łożyskach głównych i korbowodów.

Jeśli drgania skrętne nie są kontrolowane w wale korbowym, mogą spowodować uszkodzenie wału korbowego lub jakichkolwiek akcesoriów napędzanych przez wał korbowy (zwykle z przodu silnika; bezwładność koła zamachowego zwykle zmniejsza ruch z tyłu silnika ). Do złączki obrócić energii drgań w ciepło. Dlatego, aby zapewnić, że sprzęgło nie zostanie z tego powodu uszkodzone (temperatura może być bardzo wysoka, w zależności od obciążenia), jest to weryfikowane poprzez obliczenia drgań skrętnych.

Te potencjalnie szkodliwe wibracje są często kontrolowane przez tłumik drgań skrętnych, który znajduje się w przedniej części wału korbowego (w samochodach jest często zintegrowany z przednim kołem pasowym). Istnieją dwa główne typy amortyzatorów skrętnych.

  • Amortyzatory wiskotyczne składają się z pierścienia bezwładnościowego w lepkim płynie. Wibracje skrętne wału korbowego wymuszają przepływ płynu przez wąskie kanały, które rozpraszają drgania w postaci ciepła. Wiskotyczny amortyzator skrętny jest analogiczny do amortyzatora hydraulicznego w zawieszeniu samochodu.
  • Strojone amortyzatory typu „tłumiki” często określane jako amortyzatory harmoniczne lub równoważniki harmoniczne (chociaż technicznie nie tłumią ani nie wyważają wału korbowego). Ten amortyzator wykorzystuje element sprężynowy (często gumowy w silnikach samochodowych) i pierścień bezwładności, który jest zwykle dostrojony do pierwszej naturalnej częstotliwości skręcania wału korbowego. Ten typ tłumika redukuje drgania przy określonych prędkościach obrotowych silnika, gdy moment wzbudzenia wzbudza pierwszą naturalną częstotliwość wału korbowego, ale nie przy innych prędkościach. Ten typ amortyzatora jest analogiczny do strojonych amortyzatorów masowych stosowanych w wieżowcach w celu zmniejszenia ruchu budynku podczas trzęsienia ziemi.

Drgania skrętne w elektromechanicznych układach napędowych

Drgania skrętne układów napędowych powodują zwykle znaczne wahania prędkości obrotowej wirnika napędzającego silnika elektrycznego. Takie oscylacje prędkości kątowej nałożonej na średnią prędkość obrotową wirnika powodują mniej lub bardziej poważne zaburzenia strumienia elektromagnetycznego, a tym samym dodatkowe oscylacje prądów elektrycznych w uzwojeniach silnika. Wówczas generowany moment elektromagnetyczny charakteryzuje się również dodatkowymi, zmiennymi w czasie składowymi, które indukują drgania skrętne układu napędowego. Zgodnie z powyższym drgania mechaniczne układu napędowego zostają sprzężone z drganiami elektrycznymi prądów w uzwojeniach silnika. Takie sprzężenie ma często skomplikowany charakter, a przez to kłopotliwe obliczeniowo. Z tego powodu dotychczas większość autorów uprościła sprawę dotyczącą drgań mechanicznych układów napędowych oraz drgań prądu elektrycznego w uzwojeniach silników jako wzajemnie niesprzężonych. Następnie inżynierowie mechanicy zastosowali momenty elektromagnetyczne generowane przez silniki elektryczne jako „a priori” założone funkcje wzbudzenia czasu lub poślizgu wirnik-stojan, np. w artykule zwykle opartym na licznych pomiarach eksperymentalnych wykonywanych dla danego silnika elektrycznego zachowania dynamiczne. W tym celu na podstawie wyników pomiarów opracowano odpowiednie przybliżone wzory opisujące poszczególne elektromagnetyczne wzbudzenia zewnętrzne wytwarzane przez silnik elektryczny. Elektrycy jednak dokładnie zamodelowali przepływy prądu elektrycznego w uzwojeniach silnika elektrycznego, ale zwykle redukowali mechaniczny układ napędowy do jednego lub rzadko do co najwyżej kilku wirujących ciał sztywnych, jak np. w wielu przypadkach takie uproszczenia dają wystarczająco przydatne wyniki dla zastosowań inżynierskich, ale bardzo często mogą one prowadzić do znaczących niedokładności, ponieważ wiele jakościowych właściwości dynamicznych układów mechanicznych, np. ich rozkład masy, elastyczność skrętna i efekty tłumienia, jest pomijanych. Nie można zatem z zadowalającą dokładnością zbadać wpływu zachowania wibracyjnego układu napędowego na zmiany prędkości kątowej wirnika maszyny elektrycznej, a tym samym na oscylacje prądu elektrycznego w uzwojeniach wirnika i stojana.

Drgania mechaniczne i odkształcenia są zjawiskami związanymi z pracą większości konstrukcji układu napędowego pojazdów szynowych. Wiedza o drganiach skrętnych w układach przeniesienia napędu pojazdów szynowych ma duże znaczenie w dziedzinie dynamiki układów mechanicznych. Drgania skrętne w układzie napędowym pojazdu szynowego są generowane przez kilka zjawisk. Generalnie zjawiska te są bardzo złożone i można je podzielić na dwie główne części.

  • Do pierwszego należy elektromechaniczne współdziałanie układu napędowego kolei obejmującego: silnik elektryczny, koła zębate, część napędzaną sprzęgła tarczowego i części napędowe sprzęgła zębatego.
  • Do drugiego należą drgania skrętne kół podatnych i zestawów kołowych wywołane zmiennością sił adhezji w strefie styku koło-szyna.

Oddziaływanie sił adhezji ma cechy nieliniowe, które są związane z wartością pełzania i silnie zależą od stanu strefy koło-szyna oraz geometrii toru (podczas jazdy po łuku toru). W wielu nowoczesnych układach mechanicznych ważną rolę odgrywa skrętna odkształcalność konstrukcji. Często stosuje się badania dynamiki pojazdów szynowych metodą sztywnych wieloczłonowych bez elementów odkształcalnych skrętnie. Podejście to nie pozwala na analizę drgań samowzbudnych, które mają istotny wpływ na oddziaływanie wzdłużne koło-szyna. Dynamiczne modelowanie elektrycznych układów napędowych sprzężonych z elementami napędzanej maszyny lub pojazdu jest szczególnie ważne, gdy celem takiego modelowania jest uzyskanie informacji o przejściowych zjawiskach pracy układu, takich jak rozbieg, wybieg i ubytek przyczepności w strefie koło-szyna. Modelowanie oddziaływania elektromechanicznego elektrycznego silnika napędowego z maszyną oraz wpływu samowzbudnych drgań skrętnych w układzie napędowym.

Pomiar drgań skrętnych w układach fizycznych

Najpopularniejszym sposobem pomiaru drgań skrętnych jest podejście polegające na wykorzystaniu impulsów równoodległych na jednym obrocie wału. Impulsy te mogą generować dedykowane enkodery wału, a także przetworniki przekładni zębatej (indukcja, efekt Halla, zmienna reluktancja itp.). Wynikowy ciąg impulsów enkodera jest przekształcany na cyfrowy odczyt prędkości obrotowej lub napięcie proporcjonalne do prędkości obrotowej.

Inną techniką stosowaną do pomiaru drgań skrętnych jest użycie lasera dwuwiązkowego. Działanie lasera dwuwiązkowego opiera się na różnicy częstotliwości odbicia dwóch idealnie ustawionych wiązek skierowanych w różne punkty na wale. Pomimo swoich szczególnych zalet, metoda ta zapewnia ograniczony zakres częstotliwości, wymaga linii widzenia od części do lasera i reprezentuje wiele laserów w przypadku, gdy kilka punktów pomiarowych musi być mierzonych równolegle.

Oprogramowanie do wibracji skrętnych

Istnieje wiele pakietów oprogramowania, które są w stanie rozwiązać układ równań drgań skrętnych. Specyficzne kody drgań skrętnych są bardziej wszechstronne do celów projektowania i walidacji systemu i mogą generować dane symulacyjne, które można łatwo porównać z opublikowanymi normami branżowymi. Kody te ułatwiają dodawanie gałęzi systemu, danych o elastyczności masy, obciążeń w stanie ustalonym, zakłóceń przejściowych i wielu innych elementów, których potrzebowałby tylko specjalista ds. dynamiki wirników. Specyficzne kody drgań skrętnych:

  • AxSTREAM RotorDynamics, ( SoftInWay ) — komercyjny program oparty na MES do wykonywania pełnego zakresu analiz skrętnych na całej gamie urządzeń wirujących. Może być używany do wykonywania analiz maszyn stacjonarnych i nieustalonych, modalnych, harmonicznych i tłokowych oraz szybkiego generowania wykresów stabilności i diagramów Campbella.
  • ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) — komercyjne oprogramowanie oparte na FEA do wykonywania tłumionych i nietłumionych częstotliwości drgań własnych skrętnych, kształtów modów, odpowiedzi stanu ustalonego i przejściowej w czasie mechanicznych układów napędowych z wejściami różnych typów wzbudzenia zewnętrznego , moment rozruchowy silnika synchronicznego, momenty obrotowe sprężarek i zakłócenia w układzie elektrycznym.

Wykresy wiązania można wykorzystać do analizy drgań skrętnych w zespołach prądotwórczych, takich jak te używane na statkach.

Zobacz też

Bibliografia

  • Nestorides, EJ, BICERA: Podręcznik o wibracjach skrętnych , University Press, 1958, ISBN  0-521-04326-3
  • Parikyan, T. (2011). „Wielocyklowa symulacja drgań skrętnych za pomocą AVL EXCITE Designer”. Papier ASME ICEF2011-60091. doi : 10.1115/ICEF2011-60091 . Cytowanie dziennika wymaga |journal=( pomoc )

Bibliografia

Linki zewnętrzne