Vibração torcional - Torsional vibration

A vibração de torção é a vibração angular de um objeto - comumente um eixo ao longo de seu eixo de rotação. A vibração de torção é frequentemente uma preocupação em sistemas de transmissão de energia que usam eixos rotativos ou acoplamentos, onde pode causar falhas se não for controlada. Um segundo efeito das vibrações de torção se aplica aos automóveis de passageiros. As vibrações de torção podem causar vibrações ou ruído no assento em certas velocidades. Ambos reduzem o conforto.

Em sistemas ideais de geração, ou transmissão de energia, que usam peças rotativas, não apenas os torques aplicados ou reagidos são "suaves" levando a velocidades constantes, mas também o plano de rotação onde a energia é gerada (ou entrada) e o plano em que é retirada (saída) são os mesmos. Na realidade, este não é o caso. Os torques gerados podem não ser suaves (por exemplo, motores de combustão interna ) ou o componente sendo acionado pode não reagir ao torque suavemente (por exemplo, compressores alternativos ), e o plano de geração de energia está normalmente a alguma distância do plano de tomada de força. Além disso, os componentes que transmitem o torque podem gerar torques não suaves ou alternados (por exemplo, correias de transmissão elásticas, engrenagens gastas, eixos desalinhados). Como nenhum material pode ser infinitamente rígido, esses torques alternados aplicados a alguma distância em um eixo causam vibração de torção em torno do eixo de rotação.

Fontes de vibração torcional

A vibração de torção pode ser introduzida em um trem de força pela fonte de alimentação. Mas mesmo um trem de força com uma entrada de rotação muito suave pode desenvolver vibrações de torção por meio de componentes internos. Fontes comuns são:

  • Motor de combustão interna : As vibrações de torção da combustão não contínua e a própria geometria do eixo de manivela causam vibrações de torção
  • Compressor alternativo : Os pistões sofrem forças descontínuas da compressão.
  • Junta universal : A geometria desta junta causa vibrações de torção se os eixos não forem paralelos.
  • Stick-slip : durante o engate de um elemento de fricção, as situações de stick-slip criam vibrações de torção.
  • Chicotada : A amarração do trem de força pode causar vibrações de torção se a direção de rotação for alterada ou se o fluxo de força, ou seja, do motorista vs. acionado, for invertido.

Vibração torcional do virabrequim

A vibração de torção é uma preocupação nos virabrequins dos motores de combustão interna porque pode quebrar o próprio virabrequim; cortar o volante; ou fazer com que correias acionadas, engrenagens e componentes conectados falhem, especialmente quando a frequência da vibração corresponde à frequência de ressonância de torção do virabrequim. As causas da vibração de torção são atribuídas a vários fatores.

  • Torques alternados são gerados pelo mecanismo deslizante-manivela do virabrequim, biela e pistão.
    • A pressão do cilindro devido à combustão não é constante ao longo do ciclo de combustão.
    • O mecanismo de manivela deslizante não produz um torque suave, mesmo se a pressão for constante (por exemplo, no ponto morto superior não há geração de torque)
    • O movimento da massa do pistão e a massa da biela geram torques alternados, muitas vezes referidos como torques de "inércia"
  • Motores com seis ou mais cilindros em configuração em linha reta podem ter virabrequins muito flexíveis devido ao seu comprimento longo.
  • Os motores de 2 tempos geralmente têm menor sobreposição de rolamento entre os rolamentos principal e de pino devido ao maior comprimento de curso, aumentando assim a flexibilidade do virabrequim devido à diminuição da rigidez.
  • Há inerentemente pouco amortecimento em um virabrequim para reduzir a vibração, exceto pela resistência ao cisalhamento do filme de óleo nos rolamentos principal e da biela.

Se a vibração de torção não for controlada em um virabrequim, pode causar falha do virabrequim ou de quaisquer acessórios que estão sendo acionados pelo virabrequim (normalmente na frente do motor; a inércia do volante normalmente reduz o movimento na parte traseira do motor ) Os acoplamentos transformam a energia vibratória em calor. Portanto, e para garantir que o acoplamento não seja danificado por isso (a temperatura pode ser muito alta, dependendo da carga), isso é verificado através do cálculo da vibração torcional.

Essa vibração potencialmente prejudicial é freqüentemente controlada por um amortecedor de torção localizado na ponta dianteira do virabrequim (em automóveis, ele costuma ser integrado à polia dianteira). Existem dois tipos principais de amortecedores de torção.

  • Os amortecedores viscosos consistem em um anel de inércia em um fluido viscoso. A vibração de torção do virabrequim força o fluido através de passagens estreitas que dissipam a vibração como calor. O amortecedor de torção viscoso é análogo ao amortecedor hidráulico da suspensão de um carro.
  • Tipo de amortecedor sintonizado de "amortecedores", muitas vezes referido como amortecedores harmônicos ou balanceadores harmônicos (embora tecnicamente não amortece ou equilibra o virabrequim). Este amortecedor usa um elemento de mola (geralmente de borracha em motores de automóveis) e um anel de inércia que normalmente é ajustado para a primeira frequência natural de torção do virabrequim. Este tipo de amortecedor reduz a vibração em velocidades específicas do motor quando um torque de excitação excita a primeira frequência natural do virabrequim, mas não em outras velocidades. Este tipo de amortecedor é análogo aos amortecedores de massa sintonizados usados ​​em arranha-céus para reduzir o movimento do edifício durante um terremoto.

Vibrações de torção em sistemas de acionamento eletromecânico

As vibrações de torção de sistemas de acionamento geralmente resultam em uma flutuação significativa da velocidade de rotação do rotor do motor elétrico de acionamento. Tais oscilações da velocidade angular sobreposta à velocidade rotacional média do rotor causam perturbação mais ou menos severa do fluxo eletromagnético e, portanto, oscilações adicionais das correntes elétricas nos enrolamentos do motor. Então, o torque eletromagnético gerado também é caracterizado por variáveis ​​adicionais em componentes de tempo que induzem vibrações de torção do sistema de acionamento. De acordo com o exposto acima, as vibrações mecânicas do sistema de acionamento são acopladas às vibrações elétricas das correntes nos enrolamentos do motor. Tal acoplamento é freqüentemente complicado em caráter e, portanto, computacionalmente problemático. Por esse motivo, até o presente momento a maioria dos autores costumava simplificar a questão a respeito das vibrações mecânicas dos sistemas de acionamento e das vibrações da corrente elétrica nos enrolamentos do motor como mutuamente desacopladas. Em seguida, os engenheiros mecânicos aplicaram os torques eletromagnéticos gerados pelos motores elétricos como funções de excitação assumidas 'a priori' do tempo ou do deslizamento rotor-estator, por exemplo, em papel, geralmente com base em numerosas medições experimentais realizadas para o motor elétrico fornecido comportamentos dinâmicos. Para tanto, por meio de resultados de medição, foram desenvolvidas fórmulas aproximadas próprias, que descrevem as respectivas excitações externas eletromagnéticas produzidas pelo motor elétrico. No entanto, os eletricistas modelaram exaustivamente os fluxos de corrente elétrica nos enrolamentos do motor elétrico, mas eles geralmente reduziram o sistema de acionamento mecânico para um ou raramente para no máximo alguns corpos rígidos rotativos, como por exemplo em. Em muitos casos, tais simplificações produzem resultados suficientemente úteis para aplicações de engenharia, mas muitas vezes podem levar a imprecisões notáveis, uma vez que muitas propriedades dinâmicas qualitativas dos sistemas mecânicos, por exemplo, sua distribuição de massa, flexibilidade de torção e efeitos de amortecimento, estão sendo negligenciadas. Assim, a influência do comportamento vibratório do sistema de acionamento na flutuação da velocidade angular do rotor da máquina elétrica, e desta forma nas oscilações da corrente elétrica nos enrolamentos do rotor e do estator, não pode ser investigada com precisão satisfatória.

Vibrações e deformações mecânicas são fenômenos associados à operação da maioria das estruturas de transmissão de veículos ferroviários. O conhecimento sobre vibrações torcionais em sistemas de transmissão de veículos ferroviários é de grande importância no campo da dinâmica de sistemas mecânicos. As vibrações de torção no trem de força do veículo ferroviário são geradas por vários fenômenos. Geralmente, esses fenômenos são muito complexos e podem ser divididos em duas partes principais.

  • Ao primeiro pertence a interação eletromecânica entre o sistema de acionamento ferroviário incluindo: motor elétrico, engrenagens, a parte acionada da embreagem de disco e partes de acionamento da embreagem de engrenagem.
  • Ao segundo pertencem as vibrações de torção das rodas flexíveis e dos rodados causadas pela variação das forças de adesão na zona de contato roda-carril.

Uma interação das forças de adesão tem características não lineares que estão relacionadas ao valor de fluência e depende fortemente da condição da zona roda-trilho e da geometria da via (ao dirigir em uma seção curva da via). Em muitos sistemas mecânicos modernos, a deformabilidade estrutural por torção desempenha um papel importante. Freqüentemente, o estudo da dinâmica de veículos ferroviários utilizando os métodos multicorpos rígidos sem elementos torcionalmente deformáveis ​​é utilizado. Esta abordagem não permite analisar vibrações autoexcitadas que têm uma influência importante na interação longitudinal roda-trilho. Uma modelagem dinâmica dos sistemas de acionamento elétrico acoplado a elementos de uma máquina ou veículo acionado é particularmente importante quando o objetivo de tal modelagem é obter uma informação sobre os fenômenos transitórios da operação do sistema, como aceleração, desaceleração e perda de adesão na zona roda-carril. Modelagem de uma interação eletromecânica entre o motor elétrico de acionamento e a máquina, bem como a influência das vibrações torcionais autoexcitadas no sistema de acionamento.

Medindo vibração de torção em sistemas físicos

A maneira mais comum de medir a vibração de torção é a abordagem de usar pulsos equidistantes em uma revolução do eixo. Encoders de eixo dedicado, bem como transdutores pickup de dente de engrenagem (indução, efeito Hall, relutância variável, etc.) podem gerar esses pulsos. O trem de pulso do codificador resultante é convertido em uma leitura digital de rpm ou em uma tensão proporcional ao rpm.

O uso de um laser de duplo feixe é outra técnica usada para medir vibrações de torção. A operação do laser de feixe duplo é baseada na diferença na frequência de reflexão de dois feixes perfeitamente alinhados apontando para pontos diferentes em um eixo. Apesar de suas vantagens específicas, esse método produz uma faixa de frequência limitada, requer linha de visão da peça até o laser e representa vários lasers no caso de vários pontos de medição precisarem ser medidos em paralelo.

Software de vibração de torção

Existem muitos pacotes de software que são capazes de resolver o sistema de equações de vibração de torção. Os códigos específicos de vibração de torção são mais versáteis para fins de projeto e validação de sistema e podem produzir dados de simulação que podem ser facilmente comparados aos padrões da indústria publicados. Esses códigos facilitam a adição de ramificações do sistema, dados elásticos de massa, cargas em estado estacionário, distúrbios transitórios e muitos outros itens que apenas um rotordinamicista precisaria. Códigos específicos de vibração de torção:

  • AxSTREAM RotorDynamics, ( SoftInWay ) - Programa comercial baseado em FEA para realizar o escopo completo de análises de torção em uma gama completa de equipamentos rotativos. Pode ser usado para realizar análises de máquinas em estado estacionário e transiente, modal, harmônico e alternativo, e gera gráficos de estabilidade e diagramas de Campbell rapidamente.
  • ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) - Software comercial baseado em FEA para realizar frequências naturais de torção amortecidas e não amortecidas, formas de modo, estado estacionário e resposta transitória de tempo de trens de transmissão mecânica com entradas de vários tipos de excitação externa , torque de inicialização do motor síncrono, torques do compressor e distúrbios do sistema elétrico.

Os gráficos de ligações podem ser usados ​​para analisar vibrações de torção em grupos geradores, como os usados ​​a bordo de navios.

Veja também

Bibliografia

  • Nestorides, EJ, BICERA: A Handbook on Torsional Vibration , University Press, 1958, ISBN  0-521-04326-3
  • Parikyan, T. (2011). "Simulação de vibração de torção multiciclo com AVL EXCITE Designer". Papel ASME ICEF2011-60091. doi : 10.1115 / ICEF2011-60091 . Citar diário requer |journal=( ajuda )

Referências

links externos