Крутильные колебания - Torsional vibration

Крутильные колебания угловатый вибрация объекта - обычно вала вдоль оси вращения. Крутильные колебания часто вызывают беспокойство в передача энергии системы, использующие вращающиеся валы или муфты, где они могут вызвать отказы, если их не контролировать. Второй эффект крутильных колебаний касается легковых автомобилей. Крутильные колебания могут вызывать вибрацию или шум сиденья на определенных скоростях. Оба снижают комфорт.

В идеальных системах выработки или передачи электроэнергии, в которых используются вращающиеся части, а не только крутящие моменты применяются или реагируют "плавно", что приводит к постоянным скоростям, но также плоскость вращения, в которой генерируется (или вводится) мощность, и плоскость, в которой она выводится (выводится), одинаковы. На самом деле это не так. Создаваемый крутящий момент может быть не плавным (например, двигатель внутреннего сгорания ) или ведомый компонент может не реагировать на крутящий момент плавно (например, поршневые компрессоры ), а самолет, генерирующий мощность, обычно находится на некотором расстоянии от плоскости отбора мощности. Кроме того, компоненты, передающие крутящий момент, могут создавать негладкие или переменные крутящие моменты (например, эластичные приводные ремни, изношенные шестерни, смещенные валы). Поскольку ни один материал не может быть бесконечно жестким, эти переменные крутящие моменты, приложенные на некотором расстоянии к валу, вызывают крутильную вибрацию вокруг оси вращения.

Источники крутильных колебаний

Крутильные колебания могут быть внесены в трансмиссию от источника энергии. Но даже в трансмиссии с очень плавным входом вращения могут возникать крутильные колебания через внутренние компоненты. Общие источники:

  • Двигатель внутреннего сгорания: Крутильные колебания из-за прерывания сгорания и сама геометрия коленчатого вала вызывают крутильные колебания[1]
  • Поршневой компрессор: Поршни испытывают разрывные усилия от сжатия.[2]
  • универсальный шарнир: Геометрия этого шарнира вызывает крутильные колебания, если валы не параллельны.
  • Придерживайтесь скольжения: Во время зацепления фрикционного элемента ситуации прерывистого скольжения создают крутильные колебания.
  • Плеть: Люфт трансмиссии может вызвать крутильные колебания при изменении направления вращения или изменении направления потока мощности, т. Е. Привод против ведомого.

Крутильные колебания коленчатого вала

Крутильная вибрация - это проблема коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, потому что это могло сломать сам коленчатый вал; срезать маховик; или привести к выходу из строя приводных ремней, шестерен и прикрепленных компонентов, особенно когда частота вибрации совпадает с крутильной резонансная частота коленчатого вала. Причины крутильных колебаний объясняются несколькими факторами.

  • Переменный крутящий момент создается кривошипно-шатунным механизмом коленчатого вала, шатуна и поршня.
    • Давление в цилиндре из-за сгорания не является постоянным в течение всего цикла сгорания.
    • Кривошипно-ползунковый механизм не выдает плавный крутящий момент даже при постоянном давлении (например, при верхняя мертвая точка крутящий момент не создается)
    • Движение массы поршня и массы шатуна генерирует переменные крутящие моменты, часто называемые «инерционными» моментами.
  • Двигатели с шестью и более цилиндрами в прямой конфигурации могут иметь очень гибкие коленчатые валы из-за их большой длины.
  • Двухтактные двигатели, как правило, имеют меньшее перекрытие подшипников между коренным и шкворневым подшипниками из-за большей длины хода, что увеличивает гибкость коленчатого вала из-за уменьшения жесткости.
  • Коленчатый вал по своей сути имеет небольшое демпфирование для уменьшения вибрации, за исключением сопротивления сдвигу масляной пленки в коренных и шатунных подшипниках.

Если крутильные колебания в коленчатом валу не контролируются, это может вызвать выход из строя коленчатого вала или каких-либо дополнительных устройств, которые приводятся в движение коленчатым валом (обычно в передней части двигателя; инерция маховика обычно снижает движение в задней части двигателя ).

Эта потенциально опасная вибрация часто регулируется демпфером крутильных колебаний, который расположен в передней части коленчатого вала (в автомобилях он часто встроен в передний шкив). Есть два основных типа демпферов крутильных колебаний.

  • Вязкие демпферы представляют собой инерционное кольцо в вязкой жидкости. Крутильные колебания коленчатого вала заставляют жидкость проходить через узкие каналы, которые рассеивают вибрацию в виде тепла. Вязкостной гаситель крутильных колебаний аналогичен гидравлическому. амортизатор в подвеске автомобиля.
  • Настроенный поглотитель типа «демпферов» часто называют демпферами гармоник или гармонические балансиры (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 крутильных колебаний коленчатого вала. Этот тип демпфера снижает вибрацию на определенных оборотах двигателя, когда крутящий момент возбуждения возбуждает первую собственную частоту коленчатого вала, но не на других скоростях. Этот тип демпфера аналогичен настроенные массовые демпферы используется в небоскребах, чтобы уменьшить движение здания во время землетрясения.

Крутильные колебания в электромеханических приводных системах

Крутильные колебания приводных систем обычно приводят к значительным колебаниям скорости вращения ротора приводного электродвигателя. Такие колебания угловой скорости, накладываемые на среднюю скорость вращения ротора, вызывают более или менее сильные возмущения электромагнитного потока и, следовательно, дополнительные колебания электрических токов в обмотках двигателя. Тогда генерируемый электромагнитный момент также характеризуется дополнительными переменными во времени компонентами, которые вызывают крутильные колебания приводной системы. Согласно вышеизложенному, механические колебания приводной системы связаны с электрическими колебаниями токов в обмотках двигателя. Такое соединение часто имеет сложный характер и, следовательно, требует больших вычислений. По этой причине до сих пор большинство авторов упрощали вопрос о механических колебаниях приводных систем и колебаниях электрического тока в обмотках двигателя как о взаимно несвязанных. Затем инженеры-механики применили электромагнитные крутящие моменты, создаваемые электродвигателями, как «априори» предполагаемые функции возбуждения от времени или скольжения ротора по статору, например в бумаге [3][4][5] обычно на основе многочисленных экспериментальных измерений, проводимых для данного динамического поведения электродвигателя. Для этого по результатам измерений были разработаны соответствующие приблизительные формулы, описывающие соответствующие электромагнитные внешние возбуждения, создаваемые электродвигателем.[6] Тем не менее, электрики тщательно смоделировали протекание электрического тока в обмотках электродвигателя, но обычно они сокращали систему механического привода до одного или редко до нескольких вращающихся твердых тел, например в [7] Во многих случаях такие упрощения дают достаточно полезные результаты для инженерных приложений, но очень часто они могут привести к заметным неточностям, поскольку многие качественные динамические свойства механических систем, например их массовое распределение, крутильная гибкость и демпфирующие эффекты не учитываются. Таким образом, влияние вибрационного поведения приводной системы на колебания угловой скорости ротора электрической машины и, таким образом, на колебания электрического тока в обмотках ротора и статора, не может быть исследовано с удовлетворительной точностью.

Механические колебания и деформации - это явления, связанные с работой большинства конструкций трансмиссии железнодорожного подвижного состава. Знание о крутильных колебаниях в трансмиссионных системах железнодорожного транспорта имеет большое значение в области динамики механических систем.[8] Крутильные колебания в трансмиссии железнодорожного подвижного состава возникают в результате нескольких явлений. Как правило, это очень сложные явления, и их можно разделить на две основные части.

  • К первому относится электромеханическое взаимодействие между приводной системой железнодорожного транспорта, включающей в себя: электродвигатель, шестерни, ведомую часть дисковой муфты и ведущие части зубчатой ​​муфты.[9]
  • Ко второму относятся крутильные колебания гибких колес,[10][11] колесные пары, вызванные изменением сил сцепления в зоне контакта колеса с рельсом.[12]

Взаимодействие сил сцепления имеет нелинейные особенности, которые связаны со значением ползучести и сильно зависят от состояния зоны между колесами и рельсами и геометрии пути (при движении по кривому участку пути). Во многих современных механических системах важную роль играет крутильная деформируемость конструкции. Часто для исследования динамики железнодорожного подвижного состава используются жесткие многотельные методы без крутильно-деформируемых элементов. [13] Такой подход не позволяет анализировать самовозбуждающиеся колебания, которые существенно влияют на продольное взаимодействие колеса и рельса.[14]Динамическое моделирование систем электропривода в сочетании с элементами ведомой машины. [15][16] или транспортное средство особенно важно, когда целью такого моделирования является получение информации о переходных явлениях в работе системы, таких как разбег, выбег и потеря сцепления в зоне колеса с рельсом. Моделирование электромеханического взаимодействия между приводным электродвигателем и машиной, а также влияния самовозбуждающихся крутильных колебаний в системе привода.[17][18]

Измерение крутильных колебаний физических систем

Наиболее распространенный способ измерения крутильных колебаний - это использование эквидистантных импульсов за один оборот вала. Специализированные энкодеры вала, а также датчики для снятия зубьев шестерен (индукционные, на эффекте Холла, с переменным сопротивлением и т. Д.) Могут генерировать эти импульсы. Результирующая последовательность импульсов энкодера преобразуется либо в цифровое значение частоты вращения, либо в напряжение, пропорциональное частоте вращения.

Использование двухлучевого лазера - еще один метод, который используется для измерения крутильных колебаний. Работа двухлучевого лазера основана на разнице в частоте отражения двух идеально выровненных лучей, направленных в разные точки на валу. Несмотря на свои особые преимущества, этот метод дает ограниченный частотный диапазон, требует прямой видимости от детали до лазера и предусматривает использование нескольких лазеров в случае, если необходимо измерить несколько точек измерения параллельно.

Программное обеспечение крутильных колебаний

Существует множество программных пакетов, которые позволяют решать систему уравнений крутильных колебаний. Специальные коды крутильных колебаний более универсальны для целей проектирования и проверки системы и позволяют получать данные моделирования, которые легко сравнивать с опубликованными отраслевыми стандартами. Эти коды упрощают добавление ветвей системы, данных по упругой массе, установившихся нагрузок, переходных возмущений и многих других элементов, которые могут понадобиться только специалисту по ротородинамике. Специальные коды крутильных колебаний:

  • AxSTREAM RotorDynamics, ( SoftInWay ) - Коммерческая программа на основе FEA для выполнения полного объема анализов на кручение для всего диапазона вращающегося оборудования. Может использоваться для выполнения анализа установившихся и переходных, модальных, гармонических и возвратно-поступательных машин, а также для быстрого создания графиков устойчивости и диаграмм Кэмпбелла.
  • КРУЧЕНИЕ РУКОЯТКИ (Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) - Коммерческое программное обеспечение на основе FEA для определения демпфированных и незатухающих собственных частот крутильных колебаний, форм колебаний, установившейся и временной характеристики механических приводных механизмов с входами различных типов внешнего возбуждения, пусковым моментом синхронного двигателя, крутящими моментами компрессора, и нарушения в электрической системе.

Смотрите также

Библиография

  • Несторидес, Э.Дж., BICERA: Справочник по крутильной вибрации, University Press, 1958, ISBN  0-521-04326-3

[19]== Ссылки ==

  1. ^ Ден Хартог, Дж. П. (1985). Механические колебания. Нинеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 174. ISBN  0-486-64785-4.
  2. ^ Физ, Хилл. «Предотвращение проблем с крутильными колебаниями в поршневых машинах» (PDF). Engineering Dynamics Incorporated. Получено 17 октября 2013.
  3. ^ Б. Ф. Эванс, А. Дж. Смолли, Х. Р. Симмонс, Запуск приводных передач синхронного двигателя: применение переходного крутильного анализа для оценки накопленной усталости, Документ ASME, 85-DET-122, 1985.
  4. ^ A. Laschet A., Simulation von Antriebssystemen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, London, New-York, Paris, Tokio, 1988.
  5. ^ П. Швибингер, Р. Нордманн, Улучшение модели с уменьшенным скручиванием посредством идентификации параметров, Транзакции ASME, Журнал вибрации, акустики, напряжения и надежности в конструкции, 111, 1989, стр. 17-26.
  6. ^ A. Laschet A., Simulation von Antriebssystemen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, London, New-York, Paris, Tokio, 1988.
  7. ^ Л. Харнефорс, Анализ подсинхронного торсионного взаимодействия с силовыми электронными преобразователями, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 1, 2007, pp. 305-313.
  8. ^ Р. Богач, Т. Сольц, Х. Ирретье, Применение анализа крутильных волн к отклику вала ротора турбогенератора, J.Vibr. Acou. -Транс. Асме, Vol. 114-2 (1992) 149-153.
  9. ^ Ахмедов О., Земан В., Быртус М. Моделирование вибрационных и модальных свойств привода электровозов. Mech., Vol. 19: 2/3 (2012) 165–176.
  10. ^ С. Нога, Р. Богач, Т. Марковски, Анализ вибрации колеса, состоящего из кольца и колеса-пластины, смоделированного как трехпараметрическое упругое основание, J.Sound Vib., Vol. 333: 24, (2014) 6706-6722.
  11. ^ Р. Богач, Р. Коновроцки, О новых эффектах взаимодействия колеса и рельса, Arch. Appl. Mech, Том 82 (2012) 1313-1323.
  12. ^ 5. Земан В., Главац З. Динамическая нагрузка привода колесной пары железнодорожного подвижного состава от короткого замыкания момента двигателя // Прил. И комп. Механика, Том 3, № 2 (2009) 423–434.
  13. ^ Б.С. Бранислав, Моделирование крутящего момента в колесной паре железнодорожного подвижного состава тяговым электродвигателем на волнообразном постоянном токе, Изв. Пер. Com., Выпуск 3 (2008) 6-9
  14. ^ Дж. Лю, Х. Чжао, В. Чжай, Механизм самовозбуждающихся крутильных колебаний системы привода локомотива, Фронт. Мех. Англ. Китай, Том 5: 4 (2010,) 465-469.
  15. ^ Шолц Т., Коновроцкий Р., Михайлов М., Пренговска А., Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин, приводимых в действие асинхронными двигателями, Механические системы и обработка сигналов, ISSN  0888-3270, Vol.49, pp.118-134, 2014
  16. ^ Коновроцкий Р., Шолц Т., Почанке А., Пренговска А., Влияние управления шаговым двигателем и моделей трения на точное позиционирование сложной механической системы, Механические системы и обработка сигналов, ISSN  0888-3270, Дои:10.1016 / j.ymssp.2015.09.030, Vol.70-71, pp.397-413, 2016
  17. ^ Коновроцки Р., Шолц Т. Анализ самовозбуждающихся крутильных колебаний электромеханической приводной системы, Вибрации в физических системах, ISSN  0860-6897, Vol.27, pp.187-194, 2016 г.
  18. ^ Коновроцкий Р., Анализ электромеханического взаимодействия в системе электропривода, используемой в высокоскоростных поездах, Конференция ART 2016, ADVANCED RAIL TECHNOLOGIES - 5-я Международная конференция, 2016-11-09 / 11-11, Варшава (PL), стр.1 -2, 2016
  19. ^ Парикян Т. (2011). «Многоцикловое моделирование крутильных колебаний с помощью AVL EXCITE Designer». Документ ASME ICEF2011-60091. Дои:10.1115 / ICEF2011-60091. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

внешняя ссылка