Крутильные колебания - это угловые колебания объекта, обычно вала вдоль оси вращения. Вибрация кручения часто является проблемой в системах передачи энергии с вращающимися валами или муфтами, где она может вызвать отказы, если ее 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 энергии, использующих вращающиеся части, не только приложенные или реагирующие крутящие моменты являются «плавными», что приводит к постоянным скоростям, но также плоскость вращения, в которой генерируется (или вводится) мощность, и плоскость, в которой она снимается (вывод) такие же. На самом деле это не так. Создаваемый крутящий момент может быть не плавным (например, двигатели внутреннего сгорания ), или приводимый в действие 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 трансмиссия с очень плавным входом вращения может создавать крутильные колебания через внутренние компоненты. Общие источники:
- Двигатель внутреннего сгорания : крутильные колебания прерывистого сгорания и сама геометрия коленчатого вала вызывают крутильные колебания [1]
- Поршневой компрессор : поршни испытывают прерывистые силы сжатия. [2]
- Универсальный шарнир : Геометрия этого шарнира вызывает крутильные колебания, если валы не параллельны.
- Прерывистое скольжение : во время зацепления фрикционного элемента ситуации прерывистого скольжения создают крутильные колебания.
- Зазор : зазор трансмиссии может вызвать крутильные колебания, если направление вращения изменяется или если поток мощности меняется на противоположное, т. Е. Привод против ведомого.
Крутильные колебания коленчатого вала
Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания вызывают крутильные колебания, поскольку они могут сломать сам коленчатый вал; срезать маховик; или вызвать отказ приводных ремней, шестерен и прикрепленных компонентов, особенно когда частота вибрации соответствует крутильной резонансной частоте 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 обеспечивает плавный крутящий момент, даже если давление является постоянным (например, в верхней мертвой точке крутящий момент не создается).
- Движение массы поршня и массы шатуна создает переменные крутящие моменты, часто называемые «инерционными» крутящими моментами.
- Двигатели с шестью и более цилиндрами в прямолинейной конфигурации могут иметь очень гибкие коленчатые валы из-за их большой длины.
- Двухтактные двигатели, как правило, имеют меньшее перекрытие подшипников между коренным и штифтовым 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 привести к выходу из строя коленчатого вала или любых 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 контролируется 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 состоят из инерционного кольца 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 амортизатору в подвеске автомобиля.
- Настроенный поглотитель типа «демпферов» часто называют демпфером гармоник или гармоническим балансиром (хотя технически он не демпфирует и не уравновешивает 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 крутящий момент возбуждения возбуждает первую собственную частоту коленчатого вала, но не на других скоростях. Этот тип амортизатора аналогичен настроенным массовым амортизаторам, используемым в небоскребах для уменьшения движения 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 сильное возмущение 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 моменты, создаваемые электродвигателями, как «априори» предполагаемые функции возбуждения от времени или скольжения ротора по статору, например, в статье [3] [4] [5], обычно основанной на многочисленных экспериментальные измерения, проведенные 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, электрика тщательно смоделирована электрический ток в электрических обмотках двигателя, но они обычно уменьшают систему механического привода к одному или редко в большинстве несколько вращающихся твердые тела, как , например , в [7] Во многих случаях, например , 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 распределение массы, 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. Знания о крутильных колебаниях в трансмиссионных системах железнодорожного транспорта имеют 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 второй относятся крутильные колебания подвижных колес [10] [11] и колесных пар, вызванные изменением сил сцепления в зоне контакта колеса с рельсом. [12]
Взаимодействие сил адгезии 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 деформируемость конструкции при кручении. Часто для исследования динамики железнодорожного подвижного состава используются жесткие многотельные методы без крутильно-деформируемых элементов [13]. Такой подход не позволяет анализировать самовозбуждающиеся колебания, которые оказывают существенное влияние на продольное взаимодействие колеса и рельса. [14] Динамическое моделирование систем электропривода, соединенных с элементами ведомой машины [15] [16] или транспортного средства, особенно важно, когда целью такого моделирования является получение информации о переходных явлениях в работе системы, таких как разгон, износ 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 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 могут создавать данные моделирования, которые можно легко сравнить 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 анализа кручения на всем диапазоне вращающегося оборудования. Может использоваться для выполнения стационарного и переходного, модального, гармонического и возвратно-поступательного анализа машин, а также для быстрого создания графиков устойчивости и диаграмм Кэмпбелла.
- ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) - коммерческое программное обеспечение на основе метода FEA для определения демпфированных и незатухающих собственных частот крутильных колебаний, форм колебаний, установившихся и временных характеристик механических приводных механизмов с входами различных типов внешнего возбуждения. , пусковой момент синхронного двигателя, крутящий момент компрессора и нарушения в электрической системе.
Смотрите также
Библиография
- Несторидес, EJ, BICERA: Справочник по крутильной вибрации , University Press, 1958, ISBN 0-521-04326-3
- Парикян Т. (2011). «Многоцикловое моделирование крутильных колебаний с помощью AVL EXCITE Designer». Документ ASME ICEF2011-60091. DOI : 10.1115 / ICEF2011-60091 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )
Рекомендации
- ^ Ден Хартог, JP (1985). Механические колебания . Нинеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 174. ISBN 0-486-64785-4.
- ^ Физ, Хилл. «Предотвращение крутильных колебаний в поршневых машинах» (PDF) . Engineering Dynamics Incorporated . Проверено 17 октября 2013 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ↑ BF Evans, AJ Smalley, HR Simmons, Запуск синхронных приводов двигателей: применение переходного крутильного анализа оценки накопленной усталости, ASME Paper, 85-DET-122, 1985.
- ^ А. Laschet А. Моделирование фон Antriebssystemen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.
- ^ 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.
- ^ А. Laschet А. Моделирование фон Antriebssystemen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Токио, 1988.
- ^ Л. Харнефорс, Анализ подсинхронного торсионного взаимодействия с силовыми электронными преобразователями, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 1, 2007, pp. 305-313.
- ^ R. Bogacz, T. Szolc, H. Irretier, Применение анализа крутильных волн к отклику вала ротора турбогенератора, J.Vibr. Acou. -Транс. Асме, Vol. 114-2 (1992) 149-153.
- ^ О. Ахмедов, В. Земан, М. Быртус, Моделирование вибрации и модальных свойств привода электровоза, Инженер. Mech., Vol. 19: 2/3 (2012) 165–176.
- ^ 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.
- ^ Р. Bogacz, Р. Konowrocki, О новых эффектов колесо-рельс взаимодействия, Arch. Прил. Мех, Том 82 (2012) 1313-1323.
- ^ 5. В. Земан, З. Хлавац, Динамическая нагрузка привода колесной пары железнодорожного подвижного состава, вызванная коротким замыканием момента двигателя, Прил. И комп. Механика, Том 3, № 2 (2009) 423–434.
- ^ Бранислав Б.С. Моделирование крутящего момента в колесной паре железнодорожного подвижного состава тяговым электродвигателем на волнообразном постоянном токе // Изв. Пер. Com., Выпуск 3 (2008) 6-9
- ^ Дж. Лю, Х. Чжао, В. Чжай, Механизм самовозбуждающихся крутильных колебаний системы привода локомотива, Фронт. Мех. Англ. Китай, Том 5: 4 (2010,) 465-469.
- ^ Szolc T., Konowrocki R., Michajłow M., Pręgowska A., 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 г.
- ^ Konowrocki R., Szolc T., Pochanke A., Pręgowska A., Влияние управления шаговым двигателем и моделей трения на точное позиционирование сложной механической системы, Механические системы и обработка сигналов, ISSN 0888-3270 , doi : 10.1016 / j.ymssp.2015.09.030 , Vol.70-71, pp.397-413, 2016
- ^ Konowrocki R., Szolc T., Анализ самовозбужденных крутильных колебаний электромеханической приводной системы, Вибрации в физических системах, ISSN 0860-6897 , Том 27 , стр 187-194, 2016
- ^ Konowrocki Р., Анализ электромеханического взаимодействия в системе электроприводаиспользуемой в высокоскоростных поездах, АРТконференция 2016, Расширенная РАМПА ТЕХНОЛОГИЯ - 5я Международная конференция, 2016-11-09 / 11-11, Варшава (PL), стр. 1-2, 2016
Внешние ссылки
- Случай применения крутильной вибрации для дополнительного привода передней панели автомобиля
- [1]