Hiện tượng Xoắn (Torsional Vibration) là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra hỏng hóc sớm và mỏi vật liệu (Fatigue Failure) trong hệ thống truyền động cơ khí, đặc biệt là vòng bi, hộp số và chính khớp nối. Đây là hiện tượng rung động xoắn (quay) xung quanh trục của các chi tiết quay (trục, bánh đà, khớp nối). Việc hiểu rõ hiện tượng này và biết cách kiểm soát nó thông qua Độ cứng Xoắn (Torsional Stiffness) của khớp nối là yêu cầu bắt buộc đối với các kỹ sư.
I. Hiện Tượng Xoắn (Torsional Vibration) là gì?
Rung động Xoắn là những dao động angular (theo góc) của các khối lượng quay (masses) dọc theo trục. Không giống như rung động tuyến tính (Linear Vibration) gây ra bởi sự mất cân bằng hay sai lệch trục, rung động xoắn thường phát sinh từ Mô-men Xoắn Gây Xoắn (Torsional Excitation Torque).
1.1. Nguồn Gốc Phát Sinh Torsional Vibration
Nguồn gốc chính của hiện tượng xoắn đến từ sự không đồng đều của mô-men xoắn trong quá trình vận hành:
- Động cơ Đốt trong (Internal Combustion Engines): Phát sinh rung động xoắn rất cao do bản chất xung lực không đều của các xi-lanh.
- Motor Điện (AC/DC Motors): Phát sinh các xung mô-men xoắn nhỏ do các rãnh stator hoặc từ trường không đều, đặc biệt khi khởi động (Starting Torque Spike).
- Tải Lớn và Thay đổi (Reciprocating Loads): Máy nén khí (Compressors), bơm piston, máy nghiền hoặc máy ép tạo ra các xung tải lớn và lặp lại.
1.2. Hiện tượng Cộng Hưởng (Resonance)
Torsional Vibration trở nên nguy hiểm nhất khi tần số kích thích (excitation frequency) trùng với một trong các Tần số Tự nhiên Xoắn (Torsional Natural Frequencies – TNFs) của hệ thống. Lúc này, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, dẫn đến biên độ xoắn tăng đột ngột, có thể gây nứt hoặc phá hủy trục, bánh răng và khớp nối trong thời gian ngắn.
II. Tầm Quan Trọng Của Độ Cứng Xoắn (Torsional Stiffness – C_T)
Độ cứng Xoắn (Torsional Stiffness – C_T) là khả năng của khớp nối chống lại sự biến dạng xoắn dưới tác dụng của mô-men xoắn. Đây là thông số kỹ thuật then chốt giúp kiểm soát Torsional Vibration.
2.1. Phân Loại Độ Cứng Xoắn
- Khớp nối Cứng Xoắn (Torsionally Stiff / Rigid Couplings): Có C_T rất cao (Ví dụ: Khớp nối Đĩa, Khớp nối Răng). Những khớp nối này truyền gần như toàn bộ rung động xoắn qua trục. Chúng phù hợp với ứng dụng cần độ chính xác định vị cao (Servo Drive) hoặc tải ổn định.
- Khớp nối Mềm Xoắn (Torsionally Soft / Flexible Couplings): Có C_T thấp (Ví dụ: Khớp nối Lốp, Khớp nối Vấu Elastomer). Những khớp nối này hoạt động như bộ giảm chấn (Damper), hấp thụ một phần rung động xoắn thông qua vật liệu đàn hồi.
2.2. Mối liên hệ giữa Độ cứng Xoắn và Tần số Cộng hưởng
Tần số tự nhiên xoắn (TNF) của hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp từ độ cứng xoắn của khớp nối theo công thức đơn giản (dạng cơ bản):
Tần số tự nhiên (f) tỉ lệ thuận với căn bậc hai của (Độ cứng Xoắn / Mô-men Quán tính)
Trong đó C_T là Độ cứng Xoắn và $I$ là Mô-men Quán tính. Việc điều chỉnh C_T bằng cách chọn khớp nối có độ cứng khác nhau là phương pháp hiệu quả nhất để di chuyển tần số cộng hưởng ra khỏi phạm vi tốc độ vận hành của motor, từ đó bảo vệ hệ thống.
Ví dụ: Nếu một hệ thống có nguy cơ cộng hưởng ở 1500 v/phút, việc chọn một khớp nối mềm hơn (C_T thấp hơn) sẽ làm giảm TNF, đẩy điểm cộng hưởng xuống 1000 v/phút (ngoài phạm vi vận hành chính), loại bỏ nguy cơ hỏng hóc.
III. Vai trò Giảm Chấn (Damping) của Khớp nối Mềm
Đối với các khớp nối mềm (Elastomeric Couplings), ngoài Độ cứng Xoắn, một yếu tố quan trọng khác là Khả năng Giảm Chấn (Damping Capacity).
- Giảm Biên độ Rung động: Khả năng giảm chấn của vật liệu đàn hồi (cao su, polyurethane) giúp hấp thụ năng lượng rung động xoắn, chuyển hóa nó thành nhiệt và tản đi. Điều này làm giảm đáng kể biên độ rung động khi hệ thống đi qua hoặc vận hành gần điểm cộng hưởng.
- Vật liệu Giảm chấn: Các vật liệu có độ trễ cao (High Hysteresis) như cao su thường có khả năng giảm chấn tốt hơn vật liệu cứng (như nylon hoặc thép).
IV. Kết Luận: Quy tắc Lựa chọn
Lựa chọn khớp nối không chỉ là khớp nối phải chịu được Mô-men Xoắn Yêu cầu (T Required) mà còn phải đảm bảo khả năng Điều khiển Torsional Vibration và Tránh Cộng Hưởng.
- Ứng dụng Tải Động cao (Máy nén, Động cơ Diesel): Bắt buộc phải sử dụng Khớp nối Mềm Xoắn (Low C_T) và có khả năng giảm chấn cao (ví dụ: Khớp nối Lốp, Khớp nối Vấu có đệm mềm).
- Ứng dụng Tải ổn định, Tốc độ cao (Tháp giải nhiệt, Máy nén ly tâm): Sử dụng Khớp nối Cứng Xoắn (High C_T) như Khớp nối Đĩa để duy trì độ chính xác định vị và hiệu suất cao.
Liên Kết Thương Mại và Hành Động
Để đảm bảo tuổi thọ hệ thống, đặc biệt khi kết hợp Motor điện với Hộp số và Tải có xung lực, cần phải thực hiện phân tích rung động xoắn (Torsional Analysis).
Để được tư vấn chuyên sâu về Phân tích Độ cứng Xoắn, lựa chọn khớp nối KTR Rotex hoặc Lovejoy Jaw Coupling với độ cứng Shore phù hợp, vui lòng liên hệ đội ngũ kỹ thuật của Minh Quân TTI.
