《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械_轉子系統的「頻率」有哪些?(4)皮帶傳動系統有甚麼特徵頻率?

 這個單元要來探討的主題是:「轉動機械」(rotary machinery) /「轉子系統」(rotor system)的「頻率」(frequency)有哪些?(4)「皮帶傳動系統」(Belt Drive System)有甚麼「特徵頻率」(characteristic frequency)?

 

這是這個系列的第4篇,著重在介紹「皮帶傳動系統」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「皮帶傳動系統」實體架構,就是有兩個「皮帶輪」(Pulley / Sheave)。參閱「皮帶傳動系統」的示意圖,主要的組成:

 

1.      驅動的輸入皮帶輪/槽輪(Input Pulley/Sheave):一般是由馬達(motor)所驅動。

2.      被動的輸出皮帶輪/槽輪(Output Pulley/Sheave):通常在帶動風機(fan)、泵(pump)、或是壓縮機(compressor)等。

3.      皮帶(Belt):主要在連接驅動和被動皮帶輪之間的重要組件。

 

「皮帶傳動系統」的主要參數,參閱「皮帶傳動系統」的示意圖,包括:

 

1.      驅動Input皮帶輪:𝑺𝟏= 輸入軸轉速,可以表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)或CPM (cycle per minute);也可以表示為「轉速頻率」(rotating frequency),單位:Hz。𝑫𝟏 = 輸入皮帶輪直徑。

2.      被動Output皮帶輪:𝑺𝟐= 輸出軸轉速,以及𝑫𝟐= 輸出皮帶輪直徑。

3.      皮帶:𝑩𝑳= 皮帶長度(belt length, BL),𝑩𝑹 =「皮帶通過頻率」(belt pass frequency / belt rate, BR)。

 

「皮帶傳動系統」(Belt Drive System)的「特徵頻率」(characteristic frequency),綜合下來可得到以下三個「特徵頻率」:

 

1.      𝑺𝟏=𝟏𝑿:輸入軸的「轉速頻率」(rotating frequency)。𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次」(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。

2.      𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿:輸出軸的「轉速頻率」(rotating frequency),會是輸入與輸出皮帶輪的直徑比值,乘以𝑺𝟏=𝟏𝑿。因為,「皮帶傳動系統」的傳動比關係: 𝑺𝟏 𝑫𝟏=𝑺𝟐 𝑫𝟐。所以,可以推算:𝑺𝟐 = (𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑺𝟏 = (𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑿。因此,輸出軸的轉速「階次」(order),就是𝑺𝟐=( 𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿。由此可知,如果𝑫𝟏 < 𝑫𝟐,輸出軸轉速,就是減速。反之,𝑫𝟏 > 𝑫𝟐,輸出軸轉速,就是增速。

3.      𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏:就是「皮帶通過頻率」(belt rate, BR)。其中,𝝅 𝑫𝟏是驅動Input皮帶輪的圓週。由於,𝝅 𝑫𝟏一定小於𝑩𝑳,所以,𝑩𝑹 < 𝟏𝑿。也就是𝑩𝑹「皮帶通過頻率」(belt rate, BR)必定是小於𝑺𝟏=𝟏𝑿。𝑩𝑹的物理意義,如果在皮帶上,有一個點位的缺陷損傷,此缺陷損傷點,隨著皮帶旋轉,在經過皮帶輪時,會產生一個撞擊波(impact wave)。皮帶旋轉一週,會撞擊主動輪一次。所以,𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏=(輸入皮帶輪直徑/皮帶長度)*輸入軸的「轉速頻率」。

 

接著,就取一個數值案例,來說明。假設已知:𝑺𝟏 = 1800 RPM,𝑫𝟏 = 100 mm,𝑫𝟐 = 200 mm,𝑩𝑳 = 1100 mm。推算求得「皮帶傳動系統」(Belt Drive System)的「特徵頻率」(characteristic frequency),如下:

 

1.      𝑺𝟏 = 1800 RPM = 𝟑𝟎 𝐇𝐳 = 𝟏𝑿。輸入軸的轉速,可以表示為:RPM、Hz「轉速頻率」、𝑿「階次」。

2.      𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑺𝟏 = (100 / 200) 𝑺𝟏 = 𝟎.𝟓𝑿。所以,𝑺𝟐 = 𝟎.𝟓𝑿 = 900 RPM = 𝟏𝟓 𝐇𝐳。同樣,可以表示為:RPM、Hz「轉速頻率」、𝑿「階次」。

3.      𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏 =[(𝟑.𝟏𝟒)(𝟏𝟎𝟎) / 𝟏𝟏𝟎𝟎] 𝑺𝟏 = 𝟎.𝟐𝟖𝟓𝑿<𝟏𝑿。所以,𝑩𝑹 = 𝟎.𝟐𝟖𝟓𝑿 = 513 RPM = 𝟖.𝟓𝟔 𝐇𝐳。也是,可以表示為:RPM、Hz「轉速頻率」、𝑿「階次」。

 

綜合一下這個單元的討論,有關「皮帶傳動系統」(Belt Drive System)的「特徵頻率」(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      「皮帶傳動系統」的主要組成:(1) 輸入皮帶輪/槽輪(Input Pulley/Sheave),(2) 輸出皮帶輪/槽輪(Output Pulley/Sheave),(3) 皮帶(Belt)。

2.      「皮帶傳動系統」的主要參數:(1) 驅動Input皮帶輪:𝑺𝟏= 輸入軸轉速,𝑫𝟏 = 輸入皮帶輪直徑。(2) 被動Output皮帶輪:𝑺𝟐= 輸出軸轉速,𝑫𝟐= 輸出皮帶輪直徑。(3) 皮帶:𝑩𝑳= 皮帶長度(belt length, BL),𝑩𝑹 =「皮帶通過頻率」(belt pass frequency / belt rate, BR)。

3.      「皮帶傳動系統」(Belt Drive System)的「特徵頻率」(characteristic frequency),有3個,其關係如下:(1) 𝑺𝟏=𝟏𝑿。(2) 𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿。(3) 𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.07

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