29.08.2024

Πώς να ξεπεράσετε τα προβλήματα στρεπτικής καταπόνησης στους συνδέσμους σας

Τα προβλήματα στρεπτικής καταπόνησης μπορεί να είναι ένας σιωπηλός δολοφόνος των μηχανημάτων σας, οπότε δράστε τώρα για να αποφύγετε ακόμη χειρότερες προκλήσεις στο μέλλον.

Οι μεταδόσεις κίνησης μηχανημάτων (όπως οι αντλίες ή οι σειρές συμπιεστών) αποτελούν τη ραχοκοκαλιά πολλών εγκαταστάσεων. Αυτές πρέπει να πληρούν την υψηλότερη απόδοση, την καλύτερη αξιοπιστία και την κατάλληλη ευελιξία στη λειτουργία. Συνήθως, απαιτούνται διαφορετικοί έλεγχοι και επαληθεύσεις για την αξιολόγηση και τη διαχείριση των κινδύνων από τυχόν μηχανικά, λειτουργικά και ηλεκτρικά ζητήματα, όπως ζητήματα στρεπτικών κραδασμών, προβλήματα δυναμικής του ρότορα, ελλείψεις απόδοσης, διάφορες δυναμικές αστάθειες, εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας ή περιπτώσεις συντονισμού.

Προβλήματα στρεπτικής καταπόνησης έχουν αναφερθεί για πολλά μηχανήματα. Μερικές φορές δρουν σαν σιωπηλός δολοφόνος. Για παράδειγμα, οι στρεπτικοί συντονισμοί μπορεί να καταστρέψουν το συγκρότημα άξονα μίας μετάδοσης κίνησης από κόπωση χωρίς σημαντικά ίχνη, μετρούμενες δονήσεις ή θορύβους. Οι στρεπτικοί κραδασμοί μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την αξιοπιστία και την ασφάλεια των μηχανημάτων. Αυτό το άρθρο πραγματεύεται τους στρεπτικούς κραδασμούς για τα μηχανήματα και τα σχετικά βασικά θέματα, όπως η επιλογή ζεύξης, οι στρεπτικές διεγέρσεις και η παρακολούθηση των στρεπτικών δονήσεων.

Στρεπτικές διεγέρσεις

Για τις μεταδόσεις κίνησης, υπάρχει μεγάλη ποικιλία διεγέρσεων και περιστατικών που σχετίζονται με ηλεκτρικές, μηχανικές και αερο-υδροδυναμικές δυνάμεις και φορτία, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν στρεπτικές δονήσεις. Η στρεπτική απόκριση σε αυτές τις διεγέρσεις θα είναι γενικά πολυτροπική με αργό ρυθμό εξασθένησης λόγω της ελαφριάς απόσβεσης.

Στρεπτική απόσβεση

Οι τιμές στρεπτικής απόσβεσης μπορούν να αυξηθούν ως αποτέλεσμα της αεροδυναμικής απόσβεσης (στο εσωτερικό μηχανημάτων όπως ένας συμπιεστής ή ένας στρόβιλος) ή με τη χρήση κάποιου είδους εύκαμπτων στοιχείων στις συνδέσεις, ιδίως μη μεταλλικών εύκαμπτων συνδέσμων. Μερικοί από τους πιο σημαντικούς μηχανισμούς απόσβεσης είναι οι εξής:

• δυνάμεις του ρευστού στις πτερωτές, τα πτερύγια, τους άξονες, τους ρότορες, τις τσιμούχες και άλλα εξαρτήματα,
• υστέρηση του υλικού του άξονα, ιδίως σε υψηλά επίπεδα ταλαντευόμενης παραμόρφωσης,
• διάχυση ενέργειας από τη σύζευξη, όπως ολίσθηση (τριβή) κατά τη διάρκεια υψηλής στρεπτικής ταλάντωσης ή απόσβεση σε μη μεταλλικά στοιχεία,
• απώλειες λιπαντικού ρουλεμάν ή αποτελέσματα ελεγχόμενης απόσβεσης μαγνητικού ρουλεμάν,
• διάφοροι μηχανισμοί ηλεκτρικής απόσβεσης.

Η απόσβεση της μορφής εξαρτάται κυρίως από τον τρόπο στρέψης, το φορτίο της μετάδοσης κίνησης και τη διαμόρφωση αυτής.

Πώς να αξιολογήσετε τους στρεπτικούς κραδασμούς;

Για τον έλεγχο και την αξιολόγηση των στρεπτικών δονήσεων απαιτείται ακριβές στρεπτικό μοντέλο ολόκληρης της μηχανής. Θα πρέπει να προσδιοριστεί και να χρησιμοποιηθεί ο βέλτιστος αριθμός στρεπτικών στοιχείων. Οι καλύτερες κατευθυντήριες γραμμές προκύπτουν συχνά μέσω της εμπειρίας. Βασικά ζητήματα σε αυτούς τους ελέγχους είναι το εύρος συχνοτήτων απόκρισης σε δονήσεις, οι θέσεις που έχουν σαφώς διαφορετικές διαμέτρους και οι γεωμετρικές ασυνέχειες. Γενικά, οι περιοχές του κύριου σώματος ενός μεμονωμένου ρότορα/άξονα έχουν σημαντικά μεγαλύτερα τμήματα διαμέτρου από την προέκταση του ρότορα/άξονα σε κάθε άκρο. Αυτές οι προεκτάσεις άξονα συχνά περιέχουν τις τσιμούχες και τα έδρανα και μπορεί να καταλήγουν σε σύνδεση με άλλο άξονα ή ζεύξη.

Στρεπτική συμπεριφορά ηλεκτρικών μηχανών

Οι στρεπτικές συμπεριφορές των ηλεκτρικών μηχανών, χρειάζονται μεγάλη προσοχή. Μία από τις συναρτήσεις που επιβάλλουν τις στρεπτικές δονήσεις για τις ηλεκτρικές μηχανές είναι η ροπή του διάκενου αέρα. Οι ηλεκτρικές διεγέρσεις που δημιουργούνται στο ηλεκτρικό δίκτυο θα μπορούσαν να μεταφραστούν σε ροπές στρεπτικής διέγερσης, οι οποίες θα πρέπει να προσδιοριστούν με αρκετή ακρίβεια για κατάλληλες προσομοιώσεις και ελέγχους. Σε γενικές γραμμές, η ηλεκτρική ροπή στις ηλεκτρικές μηχανές θα μπορούσε να θεωρηθεί αποσυνδεδεμένη από τη στρεπτική δόνηση της μετάδοσης.

Επιλογή ζεύξης

Οι σύνδεσμοι είναι σημαντικά εξαρτήματα στις μεταδόσεις κίνησης και παίζουν σημαντικό ρόλο στη στρεπτική συμπεριφορά των μηχανημάτων. Θα πρέπει να επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη πολλούς παράγοντες και παραμέτρους, όπως η συμπεριφορά στρέψης και η δυναμική του ρότορα της μηχανής, οι λειτουργικές απαιτήσεις και πολλά άλλα.

Οι ειδικά επιλεγμένοι σύνδεσμοι θα πρέπει να προσαρμόζονται σε λειτουργικές παρεκκλίσεις. Πρόκειται κυρίως για θερμική απευθυγράμμιση καθώς αλλάζει η θερμοκρασία. Στην πραγματικότητα, ορισμένες μηχανές, όπως οι τουρμπίνες, θερμαίνονται κατά τη λειτουργία και ορισμένες άλλες (για παράδειγμα, οι συμπιεστές και οι αντλίες σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας) ψύχονται. Γενικά, υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες ζεύξεων που χρησιμοποιούνται σε περιστρεφόμενες μηχανές:

• Ζεύξεις υψηλής στρεπτικής ακαμψίας (συχνά γνωστές ως “οιονεί άκαμπτες ζεύξεις”, μερικές φορές αναφέρονται ως “μεταλλικές-εύκαμπτες ζεύξεις”): Αυτές είναι οι προτιμώμενες ζεύξεις για πολλά μηχανήματα. Οι πιο δημοφιλείς ζεύξεις για κρίσιμα μηχανήματα ανήκουν στην κατηγορία ζεύξεων υψηλής στρεπτικής δυσκαμψίας. Αυτές οι ζεύξεις μπορούν να υποδεχθούν λειτουργικές παραμορφώσεις, ενώ παρουσιάζουν τη δυσκαμψία και την ακαμψία που απαιτούνται για τη διατήρηση των φυσικών συχνοτήτων στρέψης σε υψηλά επίπεδα εκτός του εύρους ταχυτήτων λειτουργίας. Χρειάζονται ελάχιστη συντήρηση και προσφέρουν υψηλή αξιοπιστία. Ωστόσο, για ορισμένες ειδικές εφαρμογές, ενδέχεται να μην είναι διαθέσιμοι ή να μην μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλοι σύνδεσμοι αυτής της κατηγορίας.
• Εύκαμπτοι σύνδεσμοι (συχνά γνωστοί ως “εύκαμπτοι σύνδεσμοι μη μεταλλικών στοιχείων”): Αυτοί οι σύνδεσμοι πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις, όταν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλες κατάλληλες επιλογές. Απαιτούν σχετικά υψηλή συντήρηση και μερικές φορές οδηγούν σε προβλήματα λειτουργίας και χαμηλή αξιοπιστία. Για ορισμένες μεταδόσεις κίνησης, είναι απαραίτητο να καθοριστεί ένας μη μεταλλικός εύκαμπτος σύνδεσμος με σχετικά χαμηλή δυσκαμψία και σχετικά υψηλές τιμές απόσβεσης.

Ζεύξεις υψηλής στρεπτικής ακαμψίας (μεταλλικές-εύκαμπτες ζεύξεις)

Οι σύγχρονες μεταδόσεις κίνησης χρησιμοποιούν ζεύξεις υψηλής στρεπτικής δυσκαμψίας, οι οποίες προβλέπονται για άπειρη διάρκεια ζωής και απαιτούν σχετικά χαμηλή συντήρηση. Οι ζεύξεις υψηλής στρεπτικής ακαμψίας (μεταλλικές-εύκαμπτες ζεύξεις) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως αντλίες, αξονικοί συμπιεστές, φυγοκεντρικοί συμπιεστές, διάφοροι ηλεκτροκινητήρες, αεριοστρόβιλοι, ατμοστρόβιλοι κ.λπ. Οι ακραίες θερμοκρασίες μπορούν να αντιμετωπιστούν κάνοντας προβλέψεις στην αντοχή του υλικού και την ελαστικότητα των ζεύξεων. Οι σύνδεσμοι αυτοί μπορούν επίσης να προσαρμοστούν με πρόσθετα χαρακτηριστικά, όπως μια εφεδρική κίνηση που ενεργοποιείται σε περίπτωση αστοχίας ενός εύκαμπτου στοιχείου, ένα σύστημα παρακολούθησης της ροπής ή μια ηλεκτρική μόνωση.

Διατίθενται διάφοροι τύποι και μοντέλα αυτών των ζεύξεων, συμπεριλαμβανομένων των ζεύξεων τύπου δίσκου και των ζεύξεων τύπου διαφράγματος. Καθένα από αυτά μπορεί να διαχωριστεί περαιτέρω σε διαφορετικές μορφές και υποομάδες.

• Οι σύνδεσμοι τύπου δίσκου αντιμετωπίζουν την απευθυγράμμιση με τη χρήση εύκαμπτων δίσκων που συνδέονται με εναλλασσόμενους κοχλίες σε αντίθετες φλάντζες. Το πάχος των δίσκων και η απόσταση μεταξύ των κοχλιών καθορίζουν το μέγεθος της ευελιξίας της ζεύξης. Οι σύνδεσμοι τύπου δίσκου μπορεί να είναι κυκλικοί, κυματοειδείς ή ευθύγραμμοι, ανάλογα με το σχήμα των εύκαμπτων δίσκων.
• Οι σύνδεσμοι τύπου διαφράγματος προσαρμόζονται στην απευθυγράμμιση επιτρέποντας την μετακίνηση της εξωτερικής διαμέτρου τους σε σχέση με την εσωτερική διάμετρο (ή αντίστροφα). Το διάφραγμα έχει σχήμα πλάκας με διαμορφωμένο προφίλ που έχει κατασκευαστεί στη μία ή και στις δύο πλευρές. Το μέγεθος της ευελιξίας καθορίζεται από το πάχος του διαμορφωμένου προφίλ και τη διαφορά μεταξύ εξωτερικής και εσωτερικής διαμέτρου. Οι σύνδεσμοι τύπου διαφράγματος μπορεί να έχουν ευθύγραμμο ή κυματοειδές εύκαμπτο προφίλ, μπορεί να είναι συνεχείς ή να περιέχουν οπές, μπορεί να έχουν ένα ή πολλά διαφράγματα και μπορεί να κατασκευαστούν ως βιδωτό ή συγκολλητό συγκρότημα.

Ανακρίβειες στις εκτιμήσεις στρεπτικής καταπόνησης

Μελέτες και αξιολογήσεις στρεπτικής καταπόνησης έχουν χρησιμοποιηθεί για την επαλήθευση της στρεπτικής συμπεριφοράς των μεταδόσεων κίνησης, ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή και απρόσκοπτη λειτουργία. Ωστόσο, η πραγματική στρεπτική συμπεριφορά είναι συχνά εντελώς διαφορετική από τις αναλυτικές προβλέψεις στρέψης. Ως εκ τούτου, μερικές φορές τα πράγματα πάνε στραβά παρά τους υπολογισμούς στρέψης.

Μια άλλη ανησυχία είναι η μη γραμμική συμπεριφορά της σύζευξης των στρεπτικών χαρακτήρων με τη μεταβολή της ροπής (φορτίο). Πολλές μέθοδοι και εργαλεία μελέτης της στρέψης είναι γραμμικές και δεν μπορούν να φιλοξενήσουν τις πολύπλοκες εξαιρετικά μη γραμμικές στρεπτικές συμπεριφορές των ζεύξεων και των συγκροτημάτων αξόνων, ιδίως των μη μεταλλικών εύκαμπτων ζεύξεων.

Οι μεταβολές των στρεπτικών χαρακτηριστικών της ζεύξης με τη ροπή (φορτίο) χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Σε πολλές ζεύξεις όπου η μεταφερόμενη ροπή (δηλαδή το φορτίο του μηχανήματος) αυξάνεται, οι φυσικές συχνότητες στρέψης μετατοπίζονται ελαφρώς σε διαφορετικές τιμές. Συχνά, οι φυσικές συχνότητες στρέψης μετακινούνται σε υψηλότερες τιμές επειδή οι εύκαμπτοι σύνδεσμοι γίνονται πιο δύσκαμπτοι με την αύξηση του φορτίου ροπής σύζευξης.

Ένα σημαντικό πρόβλημα αξιοπιστίας προκύπτει όταν μια μετατοπισμένη φυσική συχνότητα στρέψης συμπίπτει με μια συχνότητα διέγερσης. Μπορεί να εμφανιστούν υψηλά επίπεδα κραδασμών και η ζεύξη ή άλλο στοιχείο μετάδοσης φορτίου μπορεί να αποτύχει λόγω κόπωσης ή άλλων καταστροφικών μηχανισμών. Αυτή η αστοχία μπορεί να έρθει με αρχικές ρωγμές στα μεταλλικά ή μη μεταλλικά εξαρτήματα. Στη σύζευξη σε κατάσταση ακινησίας, πολύ συχνά αυτές οι ρωγμές δεν είναι ορατές. Συνήθως, υπάρχουν λίγες ευκαιρίες για τη μέτρηση, την παρακολούθηση και την ανίχνευση αυτών των τύπων προβλημάτων.

Παρακολούθηση στρεπτικής καταπόνησης

Υπάρχουν διάφορα μοντέλα και τύποι συστημάτων παρακολούθησης στρεπτικής καταπόνησης. Το ένα βασίζεται στη μέτρηση ενός συνόλου μαγνητικών ανιχνευτών στα γρανάζια των δοντιών ή στους κωδικοποιητές του άξονα. Οι σύγχρονες, προηγμένες μέθοδοι χρησιμοποιούν οπτικά λέιζερ για την παρακολούθηση της στρέψης ή παρακολούθηση απορροφούμενης ισχύος με μέτρηση υψηλής ταχύτητας τάσης – έντασης ηλεκτρικού φορτίου.

Οι μετρήσεις στρεπτικών δονήσεων είναι σημαντικές και μπορούν να παρέχουν ανατροφοδότηση στο μοντέλο και στις μελέτες στρεπτικής καταπόνησης.