Comprensione del guasto dell'elemento elastomerico di accoppiamento dovuto a vibrazioni torsionali / Understanding Coupling Elastomer Element Failure Due to Torsional Vibration

Comprensione del guasto dell'elemento elastomerico di accoppiamento dovuto a vibrazioni torsionali / Understanding Coupling Elastomer Element Failure Due to Torsional Vibration

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I picchi di coppia possono fondere gli elastomeri e danneggiare i giunti. Scopri come prevenirli.

Le vibrazioni torsionali sono un fenomeno che può avere un effetto negativo sugli elementi elastomerici del giunto. Possono anche avere un effetto catastrofico sui giunti e sui sistemi di trasmissione. Il grafico mostra un picco di coppia calcolato in una trasmissione; nel punto in cui il picco esce dal grafico, a circa 1200 giri/min, il valore è infinito e continuerà ad aggiungere energia al sistema fino a quando qualcosa non si rompe. In altre parole, se la macchina rappresentata da questo grafico fosse lasciata funzionare ininterrottamente a una qualsiasi delle velocità mostrate, l'elastomero del giunto si scioglierebbe e si romperebbe. Se l'elastomero fosse dimensionato sufficientemente bene da sopravvivere, il punto di rottura sarebbe il successivo punto debole, forse un albero con uno spigolo vivo lavorato od un elemento che genera stress.

Consideriamo un motore elettrico che aziona un dispositivo come una pompa idraulica a pistoni ad alta pressione tramite un giunto flessibile. Quando l'acqua in ciascun cilindro apre la valvola di scarico, può generare un picco di coppia o un'inversione di coppia nella trasmissione. Maggiore è il numero di cilindri e maggiore è la velocità, maggiore è la quantità di picchi di coppia. Ora non abbiamo un albero che ruota a velocità costante. Ogni volta che si verifica un picco di coppia, questo rallenta momentaneamente, poi accelera di nuovo, solo per essere colpito da un altro picco e così via.

Questa pulsazione continua nella trasmissione viene solitamente smorzata dall'elemento di accoppiamento, tuttavia se il livello aumenta oltre la capacità termica dell'elastomero, si verificano dei problemi.

Si pensi all'elastomero come ad una molla di plastica; a livello molecolare, quando la plastica viene compressa, le molecole sottoposte a questa compressione si sfregano tra loro generando calore. L'elemento ha un limite termico, ovvero la quantità di calore che può dissipare nell'aria e nel materiale di contatto. Se questo valore di apporto termico rientra nelle capacità dell'elemento, tutto procede bene; tuttavia, se l'apporto termico supera questo limite termico, la plastica all'interno delle aree interessate si scioglierà. Poiché il giunto ruota, la forza centrifuga fa sì che la plastica fusa estruda dalle superfici esterne. Quando la plastica fusa entra in contatto con l'aria più fredda, si solidifica formando le code a forma di stringa visibili nell'immagine.

Poiché le superfici delle aree interessate sono a contatto con il meccanismo di azionamento dell'accoppiamento, rimangono fredde e potrebbero non fondersi, creando così sezioni cave.

Sono molte le circostanze che possono generare vibrazioni torsionali, non solo le pompe idrauliche a pistoni. Anche le trasmissioni dei motori possono essere soggette a vibrazioni torsionali, soprattutto in presenza di un'elevata differenza di inerzia su entrambi i lati del giunto, o forse di una mancata accensione del motore.

Le vibrazioni torsionali sono responsabilità del costruttore della macchina; tuttavia, siamo in grado di consigliare ed esaminare i sistemi avvalendoci di uno dei nostri numerosi partner specializzati. Tuttavia, la quantità di dati necessari per eseguire un'analisi delle vibrazioni torsionali è considerevole. Per le trasmissioni motore, un diagramma massa-elasticità sarà essenziale, così come i valori di inerzia e rigidezza delle apparecchiature azionate, per citarne alcuni.

Velocità critica dovuta alla risonanza:

Selezionare la rigidità dell'accoppiamento in modo che il sistema non funzioni ad alta risonanza e che le normali velocità di funzionamento e di minimo non raggiungano o siano prossime alle velocità critiche.

Le velocità critiche sono correlate alla frequenza naturale del sistema ed al numero di impulsi o eccitazioni generate per giro ' i ' (ordine). Per l'analisi, se possibile, ridurre l'applicazione ad un sistema a 2 masse e applicare le equazioni. 

L'accoppiamento sarà modellato come la molla che controlla le oscillazioni torsionali del motore e del volano da un lato e dell'attrezzatura condotta dall'altro. 

Utilizzare i valori di rigidità torsionale dinamica ( C Tdyn ) riportati nelle tabelle dei dati prestazionali presenti nei cataloghi dei giunti rappresentativi. I valori del momento d'inerzia di massa possono essere richiesti ai rispettivi produttori di motori ed attrezzature.

Nota: per un funzionamento sicuro ed a bassa risonanza, le velocità operative del sistema in regime stazionario devono essere da 1,5 a 2 volte superiori alla velocità critica principale.

ENGLISH

Torque spikes can melt elastomers and damage couplings. Learn how to prevent it.

Torsional vibration is an occurrence that can have a negative effect on coupling elastomer elements. It can also have a catastrophic effect on couplings and drive systems. The graph shows a calculated torque spike in a drive, at the point the spike goes off the chart at around 1200rpm, the value is infinite and will go on adding energy to the system until something breaks. In other words, if the machine that this chart represents were allowed to run continuously at any of the speeds shown, the coupling elastomer would melt and fail. If the elastomer was sized well enough to survive, the failure point would be the next weakest point, perhaps a shaft with a machined sharp corner or stress raiser.

Consider an electric motor driving a device such as a high pressure piston water pump using a flexible shaft coupling. As the water in each cylinder opens the outlet valve, it can deliver a torque spike or torque reversal back into the drivetrain. The greater the number of cylinders and the higher the speed, the greater the quantity of torque spikes. We now don’t have a shaft rotating at a steady speed. Every time there is a torque spike it slows momentarily then speeds up again only to be hit by another spike and so on.

This continuous pulsing in the drive train will usually be damped by the coupling element however if the level increases above the thermal capability of the elastomer then problems result.

Think of the elastomer as a plastic spring; at a molecular level when the plastic is compressed the molecules subjected to this compression rub together generating heat. The element has a thermal limit of the amount of heat it can dissipate into the air and coupling drive material in contact. If this heat input value is within the element’s capability all is well, however, if the heat input exceeds this thermal rating the plastic inside the affected areas will melt, as the coupling is rotating centrifugal force causes this melted plastic to extrude from the outer surfaces, when the molten plastic comes into contact with cooler air it solidifies into the string like tails you can see in the picture.

As the surfaces of the affected areas are in contact with the coupling drive mechanism they remain cool and may not melt which can produce hollow sections.

There are many circumstances that can generate torsional vibration, not just piston water pumps. Engine drives can be susceptible especially if there is a large inertia differential either side of the coupling, or perhaps an engine misfiring.

Torsional vibration is the responsibility of the machine builder, however, we are able to advise and examine systems by the use of one of our many specialist partners but be warned, the amount of data required to perform a torsional vibration analysis is considerable. For engine drives a mass elastic diagram will be essential, driven equipment inertia and stiffness values to name a few more.

Critical speed due to resonance:

Select coupling stiffness so that the system does not run at high resonance as well as the normal running and idle speeds are not at or near critical speeds.

Critical speeds are related to the system natural frequency and the number of pulses or excitations generated per revolution ‘i’ (order). For analysis, if possible, reduce the application to a 2-mass system and apply the equations.

The coupling will be modelled as the spring controlling torsional oscillations of the engine and the flywheel on one side and the driven equipment on the other.

Use the dynamic torsional stiffness values (CTdyn) from the performance data tables which are found in representative coupling catalogues. Mass moment of inertia values may be obtained from the respective engine and equipment manufacturers.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/product/understanding-coupling-elastomer-element-failure-due-to-torsional-vibration?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic