Крутильная вибрация

Крутильная вибрация — это угловая вибрация объекта (обычно вала) вдоль его оси вращения. Крутильная вибрация часто является проблемой в системах передачи мощности , использующих вращающиеся валы или муфты, где она может привести к сбоям, если ее не контролировать. Второй эффект крутильных колебаний относится к легковым автомобилям. Крутильные колебания могут привести к вибрации сиденья или шуму на определенных скоростях. И то, и другое снижает комфорт.

В идеальных системах выработки (или передачи) энергии, использующих вращающиеся детали, прикладываемые или реагирующие крутящие моменты являются «плавными», что приводит к постоянным скоростям, а плоскость вращения, в которой генерируется мощность (вход), и плоскость, в которой она отводится (выход), равны одинаковый. На самом деле это не так. Создаваемые крутящие моменты могут быть неравномерными (например, двигатели внутреннего сгорания ) или приводной компонент может не реагировать на крутящий момент неравномерно (например, поршневые компрессоры ), а плоскость генерации энергии обычно находится на некотором расстоянии от плоскости отбора мощности. Кроме того, компоненты, передающие крутящий момент, могут создавать неплавные или переменные крутящие моменты (например, эластичные приводные ремни, изношенные шестерни, несоосные валы). Поскольку ни один материал не может быть бесконечно жестким, эти переменные крутящие моменты, приложенные на некотором расстоянии к валу, вызывают скручивающую вибрацию вокруг оси вращения.

Источники крутильных колебаний

Крутильная вибрация может быть внесена в трансмиссию источником питания. Но даже трансмиссия с очень плавным вращением может создавать крутильные вибрации через внутренние компоненты. Общие источники:

Двигатель внутреннего сгорания : Крутильные колебания системы непрерывного сгорания и сама геометрия коленчатого вала вызывают крутильные колебания. ^[1]
Поршневой компрессор : Поршни испытывают прерывистую силу сжатия. ^[2]
Универсальный шарнир : геометрия этого шарнира вызывает крутильные колебания, если валы не параллельны.
Прерывистое проскальзывание : во время взаимодействия с фрикционным элементом ситуации прерывистого проскальзывания создают крутильные вибрации.
Зазор : зазор в трансмиссии может вызвать крутильные колебания, если направление вращения изменено или если поток мощности, т. е. ведущий против ведомого, меняется на противоположный.

Крутильная вибрация коленчатого вала

Крутильная вибрация представляет собой проблему для коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, поскольку она может привести к поломке самого коленчатого вала; срезать маховик; или привести к выходу из строя ведомых ремней, шестерен и навесных компонентов, особенно когда частота вибрации соответствует крутильной резонансной частоте коленчатого вала. Причины крутильных колебаний объясняются несколькими факторами.

Переменные крутящие моменты создаются ползунково-кривошипным механизмом коленчатого вала, шатуна и поршня.
- Давление в цилиндре из-за сгорания не является постоянным в течение цикла сгорания.
- Кривошипно-ползунковый механизм не обеспечивает плавный крутящий момент, даже если давление постоянно (например, в верхней мертвой точке крутящий момент не создается).
- Движение поршневой массы и массы шатуна создает переменные крутящие моменты, часто называемые «моментами инерции».
Двигатели с шестью и более цилиндрами в прямолинейной конфигурации могут иметь очень гибкие коленчатые валы из-за их большой длины.
Двухтактные двигатели обычно имеют меньшее перекрытие между коренными подшипниками и подшипниками пальцев из-за большей длины хода, что увеличивает гибкость коленчатого вала из-за уменьшения жесткости.
Коленчатый вал по своей природе имеет небольшое демпфирование для снижения вибрации, за исключением сопротивления сдвигу масляной пленки в коренных и шатунных подшипниках.

Если крутильная вибрация коленчатого вала не контролируется, это может привести к выходу из строя коленчатого вала или любого вспомогательного оборудования, приводимого в движение коленчатым валом (обычно в передней части двигателя; инерция маховика обычно уменьшает движение в задней части двигателя). ). Муфты преобразуют энергию вибрации в тепло. Поэтому, чтобы гарантировать, что муфта не будет повреждена из-за этого (температура может быть очень высокой, в зависимости от нагрузки), это проверяется путем расчета крутильных колебаний. ^[3]

Эта потенциально опасная вибрация часто контролируется демпфером крутильных колебаний, расположенным в передней части коленчатого вала (в автомобилях он часто встроен в передний шкив). Существует два основных типа торсионных демпферов.

Вязкие демпферы состоят из инерционного кольца в вязкой жидкости. Крутильная вибрация коленчатого вала проталкивает жидкость через узкие каналы, которые рассеивают вибрацию в виде тепла. Вязкий демпфер крутильных колебаний аналогичен гидравлическому амортизатору в подвеске автомобиля.
Настроенный амортизатор типа «демпфера», часто называемый гармоническим демпфером или гармоническим балансиром (хотя технически он не демпфирует и не балансирует коленчатый вал). В этом демпфере используется пружинный элемент (часто резиновый в автомобильных двигателях) и инерционное кольцо, которое обычно настроено на первую собственную частоту вращения коленчатого вала. Этот тип демпфера снижает вибрацию на определенных оборотах двигателя, когда момент возбуждения возбуждает первую собственную частоту коленчатого вала, но не на других скоростях. Этот тип демпфера аналогичен настроенным демпферам массы, используемым в небоскребах для уменьшения движения здания во время землетрясения.

Крутильные колебания в электромеханических системах привода.

Крутильные колебания систем привода обычно приводят к колебанию частоты вращения ротора приводного электродвигателя. Такие колебания угловой скорости, наложившиеся на среднюю скорость вращения ротора, вызывают возмущения электромагнитного потока, приводящие к дополнительным колебаниям электрических токов в обмотках двигателя. Затем на генерируемый электромагнитный момент также влияют дополнительные изменяющиеся во времени электромеханические взаимодействия, которые приводят к дальнейшим крутильным колебаниям системы привода. Согласно вышеизложенному, механические вибрации/колебания системы привода соединяются с электрическими колебаниями токов обмоток двигателя. Такая связь обычно нелинейна и требует больших вычислительных затрат.

Из-за сильно нелинейного и связанного характера электромеханических колебаний часто используются аппроксимации, позволяющие охарактеризовать такие колебания аналитически. Чтобы упростить характеристику колебаний между механическими и электрическими системами, принято предполагать, что механические и электрические компоненты не связаны. Затем, удерживая механический или электрический аспект в установившемся состоянии, можно рассчитать характеристики другого. Распространенный метод заключается в применении электромагнитных моментов, генерируемых электродвигателями, в качестве предполагаемых функций возбуждения времени или скольжения ротор-статор. ^[4]^[5]^[6] которые обычно основаны на многочисленных экспериментальных измерениях, проведенных для конкретного динамического поведения электродвигателя. Для этого на основе результатов измерений, т. е. эмпирическим путем, были разработаны формулы, обеспечивающие хорошие аппроксимации внешних электромагнитных возбуждений, создаваемых электродвигателем. ^[7] Хотя электрические токи, протекающие в обмотках электродвигателя, являются точными, система механического привода обычно сводится к одному или, реже, к нескольким вращающимся твердым телам. ^[8] Во многих случаях такие упрощения дают достаточно полезные результаты для инженерных приложений, но могут привести к неточностям, поскольку игнорируются многие качественные динамические свойства механических систем, например их распределение массы, крутильная гибкость и эффекты демпфирования. Таким образом, влияние колебательного поведения систем привода на колебания угловой скорости ротора электрической машины, а тем самым и на колебания электрического тока в обмотках ротора и статора, не может быть исследовано с удовлетворительной точностью, за исключением численных методов, которые могут быть исследованы с достаточной точностью. обеспечивают сколь угодно высокую точность.

Механические вибрации и деформации – явления, связанные с работой большинства конструкций трансмиссии железнодорожного транспорта. Знания о крутильных колебаниях в трансмиссионных системах железнодорожного транспорта имеют большое значение в области динамики механических систем. ^[9] Крутильные колебания в трансмиссиях железнодорожного транспорта создаются множеством сопряженных механизмов, которые очень сложны и могут быть разделены на две основные части:

Электромеханические взаимодействия в системе трансмиссии железнодорожного транспорта, включающей электродвигатель, зубчатые передачи, ведомые части дисковых и зубчатых муфт. ^[10]
Крутильные колебания гибких колес ^[11]^[12] и колесных пар, вызванные изменениями сил сцепления в зоне контакта колеса с рельсом. ^[13]

Взаимодействие сил сцепления имеет нелинейные особенности, связанные с величиной ползучести и сильно зависящие от состояния колесно-рельсовой зоны и геометрии пути (особенно при движении по кривым участкам пути). Во многих современных механических системах важную роль играет крутильная деформируемость конструкции. Часто при исследовании динамики железнодорожного подвижного состава используются методы жестких многотельных тел без крутильно-деформируемых элементов. ^[14] Такой подход не позволяет проанализировать автоколебания, оказывающие существенное влияние на продольное взаимодействие колеса с рельсом. ^[15]Динамическое моделирование систем электропривода, связанных с элементами ведомой машины. ^[16]^[17] или транспортного средства особенно важно, когда целью такого моделирования является получение информации о переходных явлениях работы системы, таких как разбег, выбег и потеря сцепления в зоне колеса с рельсом. Моделирование электромеханического взаимодействия электроприводного двигателя и машины также влияет на самовозбуждающиеся крутильные колебания в системе привода. ^[18]^[19]

Измерение крутильной вибрации физических систем

Наиболее распространенным способом измерения крутильной вибрации является использование эквидистантных импульсов за один оборот вала. Эти импульсы могут генерироваться специальными датчиками вала, а также датчиками датчиков зубьев шестерен (индукционными, на эффекте Холла, переменным сопротивлением и т. д.). Результирующая последовательность импульсов энкодера преобразуется либо в цифровое значение числа оборотов, либо в напряжение, пропорциональное числу оборотов в минуту.

Использование двухлучевого лазера — еще один метод измерения крутильных колебаний. Работа двухлучевого лазера основана на разнице частот отражения двух идеально выровненных лучей, направленных в разные точки вала. Несмотря на свои особые преимущества, этот метод имеет ограниченный частотный диапазон, требует прямой видимости от детали к лазеру и предполагает использование нескольких лазеров на случай, если необходимо параллельно измерить несколько точек измерения.

Программное обеспечение крутильной вибрации

Существует множество пакетов программного обеспечения, способных решать систему уравнений крутильных колебаний. Специальные коды крутильных колебаний более универсальны для целей проектирования и проверки систем и могут предоставлять данные моделирования, которые можно легко сравнить с опубликованными отраслевыми стандартами. Эти коды позволяют легко добавлять ветки системы, данные о массо-упругости, установившиеся нагрузки, переходные возмущения и многие другие элементы, которые могут понадобиться только специалисту по роторной динамике. Специальные коды крутильных колебаний:

AxSTREAM RotorDynamics ( SoftInWay ) — коммерческая программа на основе FEA для выполнения полного спектра крутильных анализов на всем спектре вращающегося оборудования. Может использоваться для анализа стационарных и переходных процессов, модальных, гармонических и возвратно-поступательных машин, а также для быстрого создания графика устойчивости и диаграмм Кэмпбелла.
ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) — коммерческое программное обеспечение на базе FEA для определения затухающих и незатухающих крутильных собственных частот, формы колебаний, установившегося и переходного режима механических приводных механизмов с входами различных типов внешнего возбуждения. , пусковой момент синхронного двигателя, крутящие моменты компрессора и помехи в электрической системе.

Графики Бонда можно использовать для анализа крутильных колебаний в генераторных установках, например тех, которые используются на борту кораблей. ^[20]

См. также

Библиография

Несторидес, Э.Дж., BICERA: Справочник по крутильным колебаниям , University Press, 1958, ISBN 0-521-04326-3
Парикян, Т. (2011). «Моделирование многоцикловых крутильных колебаний с помощью AVL EXCITE Designer». Осенняя техническая конференция Подразделения двигателей внутреннего сгорания ASME 2011 . Том. Бумага ASME ICEF2011-60091. стр. 1009–1018. дои : 10.1115/ICEF2011-60091 . ISBN 978-0-7918-4442-7 .

Ссылки

^ Ден Хартог, JP (1985). Механические вибрации . Нинеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 174. ИСБН 0-486-64785-4 .
^ Физ, Хилл. «Предотвращение проблем крутильной вибрации в поршневых машинах» (PDF) . Инжиниринг Динамикс Инкорпорейтед . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 года . Проверено 17 октября 2013 г.
^ Компетенция в области систем муфт VULKAN — расчет крутильных колебаний , заархивировано из оригинала 22 декабря 2021 г. , получено 6 июня 2021 г.
^ Б. Ф. Эванс, А. Дж. Смолли, Х. Р. Симмонс, Запуск приводов синхронных двигателей: применение анализа переходного кручения для оценки совокупной усталости, документ ASME, 85-DET-122, 1985.
^ А. Лашет А., Моделирование приводных систем, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.
^ П. Швибингер, Р. Нордманн, Улучшение уменьшенной модели кручения посредством идентификации параметров, Труды ASME, Журнал вибрации, акустики, напряжения и надежности в проектировании, 111, 1989, стр. 17-26.
^ А. Лашет А., Моделирование приводных систем, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.
^ Л. Харнефорс, Анализ субсинхронного крутильного взаимодействия с силовыми электронными преобразователями, Транзакции IEEE по энергосистемам, Vol. 22, № 1, 2007, стр. 305-313.
^ Р. Богач, Т. Шольц, Х. Ирретье, Применение анализа крутильных волн для определения реакции вала ротора турбогенератора, J.Vibr. Аку. -Пер. из Асме, Vol. 114-2 (1992) 149-153.
^ О. Ахмедов, В. Земан, М. Биртус, Моделирование вибрационных и модальных свойств привода электровоза, Инж. Мех., Том. 19: 2/3 (2012) 165–176.
^ С. Нога, Р. Богач, Т. Марковски, Анализ вибрации колеса, состоящего из кольца и пластины колеса, смоделированного как трехпараметрическое упругое основание, J.Sound Vib., Vol. 333:24, (2014) 6706-6722.
^ Р. Богач, Р. Коновроцкий, О новых эффектах взаимодействия колеса с рельсом, Arch. Прил. Мех, Том 82 (2012) 1313-1323.
^ 5. Земан В., Главац З. Динамическая нагрузка привода колесной пары железнодорожного транспортного средства, вызываемая моментом двигателя короткого замыкания, Прил. & Комп. Механика, Том 3, № 2 (2009) 423–434.
^ Б. С. Бранислав, Моделирование крутящего момента на колесной паре железнодорожного транспортного средства с тяговым электродвигателем волнового постоянного тока, Мех. Пер. Ком., выпуск 3 (2008) 6-9
^ Дж. Лю, Х. Чжао, В. Чжай, Механизм самовозбуждающихся крутильных колебаний системы привода локомотива, Фронт. Мех. Рус.Китай, Том 5:4 (2010 г.), 465-469.
^ Шольц Т., Коновроцкий Р., Михайлов М., Преговска А., Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин с приводом от асинхронных двигателей, Механические системы и обработка сигналов, ISSN 0888-3270 , Том 49, стр. 118-134, 2014 г.
^ Коновроцкий Р., Шольц Т., Почанке А., Преговска А., Влияние моделей управления шаговым двигателем и трения на точное позиционирование сложной механической системы, Механические системы и обработка сигналов, ISSN 0888-3270 , doi : 10.1016/j.ymssp.2015.09.030 , Том 70-71, стр. 397-413, 2016 г.
^ Коновроцкий Р., Шольц Т., Анализ самовозбуждающихся крутильных колебаний электромеханической приводной системы, Вибрации в физических системах, ISSN 0860-6897 , Том 27, стр. 187-194, 2016 г.
^ Коновроцкий Р., Анализ электромеханического взаимодействия в системе электропривода, используемой в высокоскоростных поездах, ART Conference 2016, ADVANCED RAIL TECHNOLOGIES - 5-я Международная конференция, 11.11.2016, Варшава (Польша), стр. 1-2, 2016 г.
^ Херинга, Т. (03.10.2018). «Анализ крутильных колебаний с помощью моделирования Bondgraph. Практический подход» . Материалы Международной военно-морской инженерной конференции и выставки (INEC) . Том. 14. Глазго, Великобритания. дои : 10.24868/issn.2515-818X.2018.034 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

Внешние ссылки

[1] Ден Хартог, JP (1985). Механические вибрации . Нинеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 174. ИСБН 0-486-64785-4 .

[2] Физ, Хилл. «Предотвращение проблем крутильной вибрации в поршневых машинах» (PDF) . Инжиниринг Динамикс Инкорпорейтед . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 года . Проверено 17 октября 2013 г.

[3] Компетенция в области систем муфт VULKAN — расчет крутильных колебаний , заархивировано из оригинала 22 декабря 2021 г. , получено 6 июня 2021 г.

[4] Б. Ф. Эванс, А. Дж. Смолли, Х. Р. Симмонс, Запуск приводов синхронных двигателей: применение анализа переходного кручения для оценки совокупной усталости, документ ASME, 85-DET-122, 1985.

[5] А. Лашет А., Моделирование приводных систем, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.

[6] П. Швибингер, Р. Нордманн, Улучшение уменьшенной модели кручения посредством идентификации параметров, Труды ASME, Журнал вибрации, акустики, напряжения и надежности в проектировании, 111, 1989, стр. 17-26.

[7] А. Лашет А., Моделирование приводных систем, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.

[8] Л. Харнефорс, Анализ субсинхронного крутильного взаимодействия с силовыми электронными преобразователями, Транзакции IEEE по энергосистемам, Vol. 22, № 1, 2007, стр. 305-313.

[9] Р. Богач, Т. Шольц, Х. Ирретье, Применение анализа крутильных волн для определения реакции вала ротора турбогенератора, J.Vibr. Аку. -Пер. из Асме, Vol. 114-2 (1992) 149-153.

[10] О. Ахмедов, В. Земан, М. Биртус, Моделирование вибрационных и модальных свойств привода электровоза, Инж. Мех., Том. 19: 2/3 (2012) 165–176.

[11] С. Нога, Р. Богач, Т. Марковски, Анализ вибрации колеса, состоящего из кольца и пластины колеса, смоделированного как трехпараметрическое упругое основание, J.Sound Vib., Vol. 333:24, (2014) 6706-6722.

[12] Р. Богач, Р. Коновроцкий, О новых эффектах взаимодействия колеса с рельсом, Arch. Прил. Мех, Том 82 (2012) 1313-1323.

[13] 5. Земан В., Главац З. Динамическая нагрузка привода колесной пары железнодорожного транспортного средства, вызываемая моментом двигателя короткого замыкания, Прил. & Комп. Механика, Том 3, № 2 (2009) 423–434.

[14] Б. С. Бранислав, Моделирование крутящего момента на колесной паре железнодорожного транспортного средства с тяговым электродвигателем волнового постоянного тока, Мех. Пер. Ком., выпуск 3 (2008) 6-9

[15] Дж. Лю, Х. Чжао, В. Чжай, Механизм самовозбуждающихся крутильных колебаний системы привода локомотива, Фронт. Мех. Рус.Китай, Том 5:4 (2010 г.), 465-469.

[16] Шольц Т., Коновроцкий Р., Михайлов М., Преговска А., Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин с приводом от асинхронных двигателей, Механические системы и обработка сигналов, ISSN 0888-3270 , Том 49, стр. 118-134, 2014 г.

[17] Коновроцкий Р., Шольц Т., Почанке А., Преговска А., Влияние моделей управления шаговым двигателем и трения на точное позиционирование сложной механической системы, Механические системы и обработка сигналов, ISSN 0888-3270 , doi : 10.1016/j.ymssp.2015.09.030 , Том 70-71, стр. 397-413, 2016 г.

[18] Коновроцкий Р., Шольц Т., Анализ самовозбуждающихся крутильных колебаний электромеханической приводной системы, Вибрации в физических системах, ISSN 0860-6897 , Том 27, стр. 187-194, 2016 г.

[19] Коновроцкий Р., Анализ электромеханического взаимодействия в системе электропривода, используемой в высокоскоростных поездах, ART Conference 2016, ADVANCED RAIL TECHNOLOGIES - 5-я Международная конференция, 11.11.2016, Варшава (Польша), стр. 1-2, 2016 г.

[20] Херинга, Т. (03.10.2018). «Анализ крутильных колебаний с помощью моделирования Bondgraph. Практический подход» . Материалы Международной военно-морской инженерной конференции и выставки (INEC) . Том. 14. Глазго, Великобритания. дои : 10.24868/issn.2515-818X.2018.034 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]