重新思考变速时代的扭转刚度

史蒂夫·彭宁顿，约翰·克兰公司全球工程联轴器经理。（图片：约翰·克兰公司）

几十年来，传动系统扭转分析一直依赖于一个基本假设：联轴器的扭转刚度是一个固定值。

这种假设对旋转设备行业来说一直相当有利，但随着压缩机组变得越来越复杂——特别是随着变频驱动器 (VFD)、电动机和更宽运行范围的广泛采用——它也成为了该行业最大的限制之一。

据约翰·克莱恩公司全球工程联轴器经理史蒂夫·彭宁顿称，模型性能与实际运行行为之间的差距越来越明显。

彭宁顿说：“我们发现，关于变频驱动的扭转刚度及其计算精度的问题越来越多。传统上，我们和整个联轴器行业都提供一个扭转刚度值，但我们在一些应用中发现，该值在现场的相关性并不像我们希望的那样准确。”

这一认识促使约翰·克莱恩公司开展了为期三年的研究，最终研发出业内首创的、经过验证的传动系统分析方法。与以往将联轴器刚度视为常数不同，新方法将刚度建模为随扭矩和运行条件变化的动态特性。该方法已通过分析建模、实验室测试和多次现场安装验证，显著提高了预测传动系统性能与实测性能之间的相关性。

据约翰·克莱恩公司称，改进后的传动系统模型可以降低调试风险，提高可靠性，并有助于在设备投入使用前识别潜在的共振问题。

为什么传统模式无法满足需求

扭转分析是旋转设备组设计中的关键环节。工程师需要评估电机、涡轮机、齿轮箱、联轴器和驱动设备之间的协同工作情况，以确保系统的固有频率与运行速度不重合。

从历史上看，联轴器制造商一直提供一个单一的扭转刚度值用于这些分析。

彭宁顿解释说，问题在于耦合实际上并非如此运作。

他说：“我们偶然发现了一种非线性响应。这让我们相信，我们应该给出多个扭转刚度值，而不是只有一个。”

进一步的测试发现了一个更为重要的结果。

他说：“当扭矩变化非常小时，联轴器就开始利用其滞后特性来抑制系统。这意味着我们可以准确预测特定扭矩值下的扭转刚度，从而使客户能够在更接近固有频率的条件下运行，同时利用联轴器自身的阻尼能力。”

彭宁顿表示，实际上，联轴器的刚度在其整个工作范围内都会发生变化。它不像刚性弹簧那样具有单一的恒定特性，而是在启动、稳态运行和负载变化等不同工况下表现出不同的响应。

John Crane 现在将这些区域分开定义，区分初始的“动态刚度”区域和正常运行期间使用的传统“静态刚度”值。

变速系统提高了风险

Pennington 表示，天然气行业对变频驱动器的日益广泛应用，增加了对更精确的传动系统分析的需求，因为压缩机组现在需要在更广泛的速度和扭矩条件下运行。

约翰·克莱恩公司表示，其全新的动态耦合方法通过考虑扭矩相关的刚度，改进了传动系统建模，从而帮助原始设备制造商降低调试风险并提高可靠性。（图片：约翰·克莱恩）

与定速压缩机组不同，变速系统可在很宽的转速和扭矩范围内运行。这种灵活性提高了效率和过程控制，但也增加了设备在启动、停机或负载变化期间接近扭转固有频率的可能性。

彭宁顿说：“对于更复杂的驱动装置——例如低速、高速联轴器应用以及多传动系统——我们才能真正受益。我们现在可以精确确定特定扭矩在工作范围内的扭转刚度。”

Pennington 表示，该方法提供了多个工作点，而不是强迫工程师使用平均刚度值，从而能够建立更具代表性的系统模型。

“我们可以使扭转分析非常精确，”他说。“现在唯一的限制是，目前的分析软件实际能够利用多少信息。”

从实验室到田野

约翰·克莱恩直到该方法在实际运行的设备中得到验证后才将其引入市场。

研发工作最初采用传统的静态测试方法，之后工程师设计了一种独特的动态测试装置，能够在联轴器旋转时测量其扭转刚度。

彭宁顿说：“我们找到了一种非常独特的动态测量扭转刚度的方法。利用动态测试台上的光学测量技术，我们能够动态地测量扭转刚度，这非常独特。”

然后，该公司将这些结果与分析模型进行比较，并在操作机械的过程中验证了该方法的有效性。

“我们进行了静态和动态测试，并与有限元分析结果进行了对比，更重要的是，与现场实际情况的对比也极其精确，”彭宁顿说道。“我们在现场安装了应变计来测量扭转力，结果与我们的预测值相差不到几个百分点。对于传动系统分析而言，这已经是非常非常接近实际情况了。”

迄今为止，该方法已成功部署在四个客户应用程序中。

在某个案例中，传动系统在运行过程中反复遇到扭转临界速度。

“以前，我们正接近第一个自然临界频率，不得不停止机器运转，”彭宁顿说。“我们采用新方法调整了参数，现在设备以完全相同的速度运行，而不会达到临界频率。”

减少调试过程中的意外情况

对于压缩机组制造商和EPC承包商而言，调试阶段往往是传动系统建模缺陷显露无疑的时候。

启动过程中发现的意外共振问题可能会延误项目进度，需要重新设计联轴器，或者在实施永久解决方案之前，迫使实施运行限制。

约翰·克莱恩公司表示，在实际运行设备中验证该方法后，才将其引入市场。研发工作最初采用传统的静态测试方法，之后工程师设计了一种独特的动态测试装置，能够在联轴器旋转时测量其扭转刚度。（图片：静态测试装置）

彭宁顿认为，提高预测准确率可以显著降低这些风险。

他说：“到了调试阶段，我们提供的产品已经确保能够正常工作。过去，我们曾遇到过需要重新制造不同联轴器来改变扭转特性的情况。现在，我们在调试之前就已经验证了设计的有效性。”

彭宁顿表示，信心对于大型液化天然气、管道压缩和发电项目尤其重要，因为延误可能会造成巨大的经济损失。

他还表示，该方法通过在设计阶段提供更具代表性的传动系统信息来改善 OEM 之间的协作，有助于减少设备投入使用前的集成问题。

现有设备的情况如何？

约翰·克莱恩在介绍该方法后收到的第一个问题就与遗留设备有关。

如果工程师多年来一直使用简化的刚度模型，这是否意味着现有的压缩机组存在风险？

彭宁顿认为，答案是否定的。

“现有设备运行良好，”他说。“我们不会改变任何现有的东西。我们只是加强对设备的理解，并提供更高的精度。”

他表示，相反，当运营商升级设备、改造变频器或改变运行条件时，这些额外信息才最有价值。

他说：“如果你想提高效率、改变传动系统或在不同的范围内运行，我们现在对扭转刚度有了更多的了解，可以更加精确地进行操作。”

Pennington表示，改造项目尤其能从这种方法中受益，因为历史传动系统信息往往不完整。

更多数据，更多机遇

在首位客户成功实施后，该方法目前正在推广给其他 OEM 厂商。

不出所料，准确性的提高也带来了一个新的挑战：信息过载。

彭宁顿说：“我们实际上在扭矩曲线上有四个不同的点。现在的挑战是，我们几乎给原始设备制造商提供了过多的信息，因为目前的软件并非总能利用所有这些信息。”

即便如此，彭宁顿仍然期望分析工具能够随着方法论的发展而不断演进。

展望未来，他表示人工智能最终可以帮助工程师解读日益复杂的传动系统数据，但眼下的重点仍然是进一步完善底层模型。

“我们计划再进行一年的测试，”他说。“我们想审查另外三个参数。这一切都是为了进一步提高准确率。”

传动系统工程的转变

展望未来，彭宁顿认为，随着压缩机组采用变速电机、电驱动装置和更先进的控制策略，日益精密的传动系统分析将变得更加重要。他表示，模型预测与实际运行行为之间更佳的相关性，有助于原始设备制造商和运营商减少调试问题，同时提高长期可靠性。

彭宁顿还表示，这项研究挑战了旋转设备行业长期以来的一个假设——即联轴器的扭转刚度可以用一个单一的常数值来表示。他认为，将多个工作点纳入传动系统模型，能够更真实地反映联轴器在实际运行条件下的性能。

约翰·克莱恩公司表示，该方法旨在为工程师在设计过程中提供更精确的传动系统信息，尤其适用于新安装、设备升级和变速应用。该公司称，其目标是减少调试过程中的意外情况，提高系统性能，并让原始设备制造商和最终用户更加确信，模拟的传动系统行为将与实际运行条件高度吻合。