在众多扭矩测量应用中，最有趣的应用之一是扭振的测量。扭振测量使工程师能够更好地了解其旋转设备的动力学，从而使他们能够排除故障和/或验证性能。虽然这仍然是一个主要的专业领域，但扭振测量背后的概念相对简单，并且可以由对振动原理及其与设备性能的关系有基本了解的人掌握。通过更好地了解测量扭振的原因和方法、正确的仪器以及有帮助的合作伙伴，您将能够更好地做出减少停机时间和提高生产力所需的决策。 在本指南中，我们解释了扭转振动分析背后的基本概念，包括它是什么、如何做以及为什么它很重要。
常见问题
什么是扭振
扭振是围绕轴的轴线发生的角振动。 它不同于横向振动（发生在径向）和轴向振动（发生在轴长度上）。 扭振涉及各种部件的速度波动和机械旋转时轴部分的扭曲。
过度的扭振会导致轴、联轴器、风扇、齿轮、发动机减震器和压缩机油泵等部件出现故障。 这些故障通常发生在与轴轴线成 45 度角的位置。 不幸的是，扭振问题在发生故障之前可能并不明显。
图 1. VFD 电机过度扭振导致联轴器破裂 – ID 风扇 [Courtesy of Engineering Dynamics Inc (EDI)]
什么是扭振分析 (TVA)？
有些人使用术语扭振分析 (TVA) 来表示进行测量。然而，TVA 更常见的是指使用计算机程序执行的计算。根据美国石油协会 (API)，石油和天然气等一些行业需要新设备的 TVA。例如，质量弹性数据用于计算扭转固有频率 (TNF) 和振型、干涉图和强制响应。市政当局等其他行业可能会在设计阶段指定分析，并在水泵调试期间进行测试。
为什么扭振分析和扭振测试很重要？
扭振分析和测试可能是必要的，以确定与扭转固有频率 (TNF) 的分离裕度或验证先前的计算。如果发现扭转问题，则可能需要修改系统。一旦质量弹性模型被标准化以匹配测量值，扭振分析软件就可以用来评估任何提出的解决方案。为了避免扭振，这可能需要改变联轴器的扭转刚度、飞轮的惯性等。
扭振测量有助于工程师提高旋转设备的可靠性和安全性。
图 2. 测量扭振的振动顾问 [由ED提供)]
扭振测试需要哪些设备？
加速度计用于测量横向振动，但需要特殊设备来测量扭振。 扭振可以使用扭转仪、编码器或激光测振仪来测量。 这些设备将确定角振荡和/或角速度。 有些人甚至使用简单的频闪灯检测到盘组耦合振动的高扭转，以查看操作过程中元件的翘曲或“爆破”。
遥测系统（例如 TorqueTrak 10K）可用于测量剪切扭转应变。 然后，通过了解轴部分的几何形状和材料特性，可以将扭转应变值转换为应力和/或扭矩。 例如，可以根据时间波形的平均值确定传递的扭矩。 交变转矩同样可以由时间波形确定。 峰峰值将是最大值 – 最小值。 交变转矩通常表示为零峰值或（最大-最小）/2。
然后可以将这些测量的扭矩水平与联轴器的额定值进行比较。
测量的最佳位置取决于扭振类型。 对于交变扭矩，最好在节点交叉点附近进行测量。 对于第一扭转固有频率 (TNF)，这通常在联轴器附近。 而在波腹（最大角振荡点）附近应使用扭转仪、编码器或激光测振仪。
图 3. 从左到右 – 扭转仪、编码器、遥测系统和激光测振仪，均用于测量扭振 [由 EDI 提供]
需要扭振分析和扭振测试的常见应用有哪些？
可能需要进行扭振测试的情况可能包括：
[摘自 T. Feese 和 C. Hill 的 2009 年涡轮机械论文“往复机械中扭振问题的预防”]
如果发生组件故障，建议对修复后的系统进行测试以调查原因。
如果系统对使用寿命、其他机械或工厂过程造成异常高的风险，则应进行测试以确保可靠运行。这可能包括原型机或以比以前更高的速度或压力运行的现有模型。
这可能包括具有扭转软橡胶联轴器和/或宽速度范围或运行的系统。如果由于缺乏图纸和技术信息而在扭转分析阶段必须做出许多假设，则应使用测试来确认结果。
将大规模生产的新设计系统应在以下条件下进行测试：在工厂纠正初始单元的问题比对已发运给客户的许多单元进行改造要容易得多。
已经修改或投入不同服务的系统，例如重新分级和/或改变运行条件，应重新分析。
许多城市都有规范要求由专业人士对新设备进行扭振测试
在工业应用中，扭振测试很重要的最常见设备是使用变频驱动 (VFD) 电机驱动大惯性风扇和往复式发动机/压缩机。 对于 VFD，由于驱动器的调整可能会出现问题。 往复式发动机和压缩机可以比旋转机械具有更高的激励。 具有较宽的运行速度范围将更有可能遇到扭转共振。
在船舶应用中，通常需要对传动轴进行扭振测试，以解决推进问题或量化计算机扭振模型中预测的过度振动。 扭振测量通常需要满足新建或改装船舶的某些分类。 ABS 船舶振动指导说明第 7.9 节强调：“如果按照 ABS 钢制船舶规则的 4-3-2/7.5.8 进行测量，则应在推进器的自由端进行扭振测量 机械，使用合适的扭振传感器，和/或在主轴上，使用应变仪。 或者，根据系统特性，从沿轴系或自由端的合适位置驱动的机械扭转计可用于此目的。 “
图 4. 瀑布图表明 20 Hz 的扭转固有频率。 [由 EDI 提供]
如何进行扭振测试？
测试应在启动、关闭期间和运行条件范围内进行。 时间波形有助于确定传递扭矩和总交变扭矩。 时间波形也可用于捕捉瞬态事件期间的峰值扭矩，例如往复式压缩机的同步电机启动或紧急停机 (ESD)。 需要使用适当的采样率来捕获数据。 例如，如果遥测系统设置为 0-500 Hz 范围，则数据通常使用数据采集 (DAQ) 系统以 5000 Hz 采样。 需要快速傅里叶变换 (FFT) 来确定信号的频率内容。通过改变运行速度并绘制瀑布图，可以确定 TNF。也可以在缓慢启动或空载滑行期间制作瀑布图。
使用扭矩遥测进行扭振分析
如前所述，遥测可以成为扭振分析中扭转应变测量的宝贵工具。 Binsfeld Engineering 推荐的配置是带有 OPDAQ Field Test 2 数据采集系统的 TorqueTrak 10K 遥测单元。 TorqueTrak 10K 将提供扭转测量，而 OPDAQ Field Test 2 数据采集系统将使用内置高频模式将数据存储在 PC 上，该模式能够以高达 2400 Hz 的速率采集数据。 然后，用户可以对数据进行频率分析 (FFT)，以确定扭转应变最大的共振频率，并在必要时实施纠正措施，将扭转应变降至安全水平。
图 5. Binsfeld Engineering 的扭振测试套件。
大多数情况下，扭振数据的幅度与轴速度 (RPM) 直接相关。扭振会导致过早磨损，有时甚至会损坏设备，例如轴承和联轴器。因此，如有必要，应对其进行识别和调整。在大型设备上，可以通过在特定位置的轴上放置额外的惯性来调节扭振。在船上，有所谓的“禁止速度范围”。 这是一个轴转速 (RPM) 范围，其中扭振最大，船长知道要尽快通过“禁止速度范围”。
Binsfeld 的TorqueTrak 10K遥测系统已用于扭振分析和测试的扭转系统的其他示例包括：
VFD 电机驱动各种类型的风扇（ID、FD 和 MVR）。
燃气管道用VFD电机驱动离心压缩机
用于淡水和污水处理厂的 VFD 电机驱动泵
由电机或发动机驱动的往复式压缩机系统
用于石油和天然气行业的皮带驱动多相压缩机
造纸厂的 VFD 电机驱动卷绕机
核设施的 VFD 电机驱动 310 吨起重机
发动机驱动的消防水泵
炼油厂的电机 – 变速箱 – 往复式压缩机系统
在车间进行背靠背电机测试
在水泥厂的窑驱动
塑料厂的混合器转子
船舶上的传动轴
图 6. Binsfeld 的 TorqueTrak 10K 用于各种设备的 TVA，包括转子、发动机驱动的泵和往复式压缩机。 [由 EDI 提供]
图 7. 使用 TorqueTrak 10K 装置在船舶传动轴上进行的扭振测试示例图。 [由 Lamalo 技术公司提供]
