الاهتزازات الخطية وغير الخطية، خصائصها، وطرق موازنتها
تُحيط بنا الآليات الدوارة في كل مكان، من المراوح الصغيرة في أجهزة الكمبيوتر إلى التوربينات العملاقة في محطات الطاقة. يعتمد تشغيلها الموثوق والفعال بشكل مباشر على الموازنة، وهي عملية إزالة اختلالات الكتلة التي تُسبب اهتزازات غير مرغوب فيها. هذه الاهتزازات، بدورها، لا تُضعف أداء المعدات وعمرها الافتراضي فحسب، بل قد تُسبب أيضًا حوادث وإصابات خطيرة. لذلك، تُعدّ الموازنة إجراءً بالغ الأهمية في إنتاج المعدات الدوارة وتشغيلها وصيانتها.
يتطلب تحقيق التوازن الناجح فهم كيفية تفاعل الجسم مع إضافة كتلة أو إزالتها. وفي هذا السياق، يلعب مفهوما الأجسام الخطية وغير الخطية دورًا محوريًا. ففهم ما إذا كان الجسم خطيًا أم غير خطي يُمكّن من اختيار استراتيجية الموازنة الصحيحة، ويساعد على تحقيق النتيجة المرجوة.
تحتل الأجسام الخطية مكانةً خاصة في هذا المجال بفضل سهولة التنبؤ بها واستقرارها. فهي تتيح استخدام أساليب تشخيص وموازنة بسيطة وموثوقة، مما يجعل دراستها خطوةً مهمةً في تشخيص الاهتزازات.
ما هي الأشياء الخطية؟
الجسم الخطي هو نظام حيث يكون الاهتزاز متناسبًا بشكل مباشر مع حجم الخلل.
الجسم الخطي، في سياق الموازنة، هو نموذج مثالي يتميز بعلاقة تناسبية طردية بين مقدار اختلال التوازن (الكتلة غير المتوازنة) وسعة الاهتزاز. هذا يعني أنه إذا تضاعف اختلال التوازن، فإن سعة الاهتزاز ستتضاعف أيضًا، شريطة ثبات سرعة دوران الدوار. وعلى العكس، فإن تقليل اختلال التوازن سيؤدي إلى انخفاض الاهتزازات بشكل متناسب.
على عكس الأنظمة غير الخطية، حيث قد يختلف سلوك الكائن اعتمادًا على العديد من العوامل، تسمح الكائنات الخطية بمستوى عالٍ من الدقة مع الحد الأدنى من الجهد.
بالإضافة إلى ذلك، تُشكّل هذه المبادئ أساسًا لتدريب وممارسة الموازنات. يُساعد فهم مبادئ الأجسام الخطية على تطوير مهارات يُمكن تطبيقها لاحقًا على أنظمة أكثر تعقيدًا.
التمثيل البياني للخطية
تخيل رسمًا بيانيًا يُمثل فيه المحور الأفقي مقدار الكتلة غير المتوازنة (عدم التوازن)، ويمثل المحور الرأسي سعة الاهتزاز. بالنسبة لجسم خطي، سيكون هذا الرسم البياني خطًا مستقيمًا يمر بنقطة الأصل (النقطة التي يكون فيها مقدار عدم التوازن وسعة الاهتزاز صفرًا). يُميز ميل هذا الخط حساسية الجسم لعدم التوازن: كلما زاد انحدار الميل، زادت الاهتزازات الناتجة عن نفس عدم التوازن.
الرسم البياني 1: العلاقة بين سعة الاهتزاز (ميكرومتر) والكتلة غير المتوازنة (جم)
يوضح الرسم البياني 1 العلاقة بين سعة الاهتزاز (ميكرومتر) لجسم موازنة خطي والكتلة غير المتوازنة (جم) للدوار. معامل التناسب هو 0.5 ميكرومتر/جم. بقسمة 300 على 600 نحصل على 0.5 ميكرومتر/جم. بالنسبة لكتلة غير متوازنة كتلتها 800 جم (وحدة الكتلة = 800 جم)، يكون الاهتزاز 800 جم × 0.5 ميكرومتر/جم = 400 ميكرومتر. تجدر الإشارة إلى أن هذا ينطبق عند سرعة دوران ثابتة للدوار. يختلف المعامل عند سرعة دوران مختلفة.
يُسمى معامل التناسب هذا معامل التأثير (معامل الحساسية)، وله بُعد ميكرومتر/جم، أو في حالات عدم التوازن، ميكرومتر/(جم*مم)، حيث (جم*مم) هي وحدة قياس عدم التوازن. بمعرفة معامل التأثير (IC)، يُمكن أيضًا حل المسألة العكسية، أي تحديد الكتلة غير المتوازنة (UM) بناءً على مقدار الاهتزاز. للقيام بذلك، اقسم سعة الاهتزاز على معامل التأثير (IC).
على سبيل المثال، إذا كان الاهتزاز المقاس 300 ميكرومتر وكان المعامل المعروف هو IC=0.5 ميكرومتر/جم، اقسم 300 على 0.5 للحصول على 600 جم (UM=600 جم).
معامل التأثير (IC): المعلمة الرئيسية للأجسام الخطية
من الخصائص الأساسية للأجسام الخطية معامل التأثير (IC). وهو يساوي عدديًا ظل زاوية ميل الخط على منحنى الاهتزاز مقابل عدم التوازن، ويشير إلى مدى تغير سعة الاهتزاز (بالميكرون، µm) عند إضافة وحدة كتلة (بالجرام، g) في مستوى تصحيح محدد بسرعة دوار محددة. بمعنى آخر، معامل التأثير (IC) هو مقياس لحساسية الجسم لعدم التوازن. وحدة قياسه هي µm/g، أو عند التعبير عن عدم التوازن كحاصل ضرب الكتلة في نصف القطر، µm/(g*mm).
الدائرة المتكاملة (IC) هي في الأساس سمة "جواز السفر" للجسم الخطي، مما يُمكّن من التنبؤ بسلوكه عند إضافة كتلة أو إزالتها. تُتيح معرفة الدائرة المتكاملة حل كلٍّ من المسألة المباشرة - تحديد مقدار الاهتزاز لاختلال توازن مُعين - والمسألة العكسية - حساب مقدار الاختلال من الاهتزاز المُقاس.
المشكلة المباشرة:
• سعة الاهتزاز (ميكرومتر) = IC (ميكرومتر/جم) * الكتلة غير المتوازنة (جم)
المشكلة العكسية:
• الكتلة غير المتوازنة (جم) = سعة الاهتزاز (ميكرومتر) / IC (ميكرومتر/جم)
مرحلة الاهتزاز في الأجسام الخطية
بالإضافة إلى السعة، يتميز الاهتزاز أيضًا بطوره، الذي يُشير إلى موضع الدوار عند أقصى انحراف عن موضع توازنه. بالنسبة للأجسام الخطية، يُمكن التنبؤ بطور الاهتزاز أيضًا. وهو مجموع زاويتين:
- الزاوية التي تُحدد موضع كتلة الدوار الكلية غير المتوازنة. تشير هذه الزاوية إلى اتجاه تركيز الخلل الأساسي.
- معامل التأثير. زاوية ثابتة تُميّز الخصائص الديناميكية للجسم، ولا تعتمد على مقدار أو زاوية تركيب الكتلة غير المتوازنة.
وبالتالي، من خلال معرفة مُعامل الدائرة المتكاملة (IC) وقياس طور الاهتزاز، يُمكن تحديد زاوية تركيب الكتلة غير المتوازنة. وهذا لا يسمح فقط بحساب مقدار الكتلة التصحيحية، بل يسمح أيضًا بتثبيتها بدقة على الدوار لتحقيق التوازن الأمثل.
موازنة الأجسام الخطية
من المهم ملاحظة أنه بالنسبة للأجسام الخطية، لا يعتمد معامل التأثير (IC) المُحدد بهذه الطريقة على مقدار أو زاوية تركيب كتلة الاختبار، ولا على الاهتزاز الابتدائي. وهذه سمة أساسية للخطية. إذا ظل معامل التأثير (IC) ثابتًا عند تغيير معلمات كتلة الاختبار أو الاهتزاز الابتدائي، فيمكن الجزم بثقة بأن الجسم يتصرف خطيًا ضمن نطاق الاختلالات المدروس.
خطوات موازنة جسم خطي
- قياس الاهتزاز الأولي:
الخطوة الأولى هي قياس الاهتزاز في حالته الابتدائية. يتم تحديد سعة الاهتزاز وزاويته، اللتين تشيران إلى اتجاه الخلل. - تركيب كتلة تجريبية:
تُثبَّت كتلة معروفة الوزن على الدوار. يُساعد هذا على فهم كيفية تفاعل الجسم مع الأحمال الإضافية، ويُتيح حساب معاملات الاهتزاز. - إعادة قياس الاهتزاز:
بعد تثبيت كتلة الاختبار، تُقاس معلمات اهتزاز جديدة. بمقارنتها بالقيم الأولية، يُمكن تحديد تأثير الكتلة على النظام. - حساب الكتلة التصحيحية:
بناءً على بيانات القياس، تُحدَّد كتلة وزاوية تثبيت الوزن التصحيحي. يُوضَع هذا الوزن على الدوار لإزالة الخلل. - التحقق النهائي:
بعد تثبيت الوزن التصحيحي، يُفترض أن ينخفض مستوى الاهتزاز بشكل ملحوظ. إذا تجاوز الاهتزاز المتبقي المستوى المقبول، يُمكن تكرار الإجراء.
تُعدّ الأجسام الخطية نماذج مثالية لدراسة وتطبيق أساليب الموازنة عمليًا. تُمكّن خصائصها المهندسين وأخصائيي التشخيص من التركيز على تطوير المهارات الأساسية وفهم المبادئ الأساسية للعمل مع أنظمة الدوارات. ورغم محدودية تطبيقها العملي، إلا أن دراسة الأجسام الخطية تُمثّل خطوةً مهمةً في تطوير تشخيص الاهتزازات والموازنة.
تُشكل هذه الأجهزة أساسًا لتطوير أساليب وأدوات تُكيّف لاحقًا للعمل مع أنظمة أكثر تعقيدًا، بما في ذلك الأجهزة غير الخطية. وفي نهاية المطاف، يُسهم فهم آلية عمل الأجهزة الخطية في ضمان أداء مستقر وموثوق للمعدات، وتقليل الاهتزازات، وإطالة عمرها الافتراضي.
الأشياء غير الخطية: عندما تتباعد النظرية عن التطبيق
ما هو الكائن غير الخطي؟
الجسم غير الخطي هو نظام لا تتناسب فيه سعة الاهتزاز مع مقدار اختلال التوازن. بخلاف الأجسام الخطية، حيث تُمثَّل العلاقة بين الاهتزاز وكتلة اختلال التوازن بخط مستقيم، يمكن أن تتبع هذه العلاقة في الأنظمة غير الخطية مسارات معقدة.
في الواقع، لا تتصرف جميع الأجسام بشكل خطي. تُظهر الأجسام غير الخطية علاقة بين عدم التوازن والاهتزاز لا تتناسب طرديًا. هذا يعني أن معامل التأثير ليس ثابتًا، وقد يختلف تبعًا لعدة عوامل، مثل:
- حجم الخلل: قد يؤدي زيادة عدم التوازن إلى تغيير صلابة دعامات الدوار، مما يؤدي إلى تغييرات غير خطية في الاهتزاز.
- سرعة الدوران: قد تثار ظواهر الرنين المختلفة عند سرعات دوران مختلفة، مما يؤدي أيضًا إلى سلوك غير خطي.
- وجود الخلوصات والفجوات: يمكن أن تؤدي الخلوصات والفجوات الموجودة في المحامل والوصلات الأخرى إلى حدوث تغييرات مفاجئة في الاهتزاز في ظل ظروف معينة.
- درجة حرارة: يمكن أن تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على خصائص المواد، وبالتالي على خصائص اهتزاز الجسم.
- الأحمال الخارجية: يمكن للأحمال الخارجية المؤثرة على الدوار أن تغير خصائصه الديناميكية وتؤدي إلى سلوك غير خطي.
لماذا تشكل الأجسام غير الخطية تحديًا؟
تُدخل اللاخطية العديد من المتغيرات في عملية الموازنة. يتطلب العمل الناجح مع الأجسام غير الخطية قياساتٍ أكثر وتحليلاتٍ أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، لا تُعطي الطرق القياسية المُطبقة على الأجسام الخطية نتائج دقيقة دائمًا للأنظمة غير الخطية. وهذا يتطلب فهمًا أعمق لفيزياء العملية واستخدام أساليب تشخيصية متخصصة.
علامات عدم الخطية
يمكن التعرف على الجسم غير الخطي من خلال العلامات التالية:
- تغيرات الاهتزاز غير المتناسبة: مع زيادة الخلل، قد ينمو الاهتزاز بشكل أسرع أو أبطأ مما هو متوقع بالنسبة لجسم خطي.
- تحول الطور في الاهتزاز: قد تتغير مرحلة الاهتزاز بشكل غير متوقع مع الاختلافات في عدم التوازن أو سرعة الدوران.
- وجود التوافقيات والتوافقيات الفرعية: قد يظهر طيف الاهتزاز توافقيات أعلى (مضاعفات التردد الدوراني) وتوافقيات فرعية (كسور التردد الدوراني)، مما يشير إلى تأثيرات غير خطية.
- الهستيريسيس: قد لا يعتمد سعة الاهتزاز على القيمة الحالية لاختلال التوازن فحسب، بل على تاريخه أيضًا. على سبيل المثال، عند زيادة اختلال التوازن ثم انخفاضه إلى قيمته الأصلية، قد لا تعود سعة الاهتزاز إلى مستواها الأصلي.
تُدخل اللاخطية العديد من المتغيرات في عملية الموازنة. يتطلب نجاح العملية إجراء المزيد من القياسات والتحليلات المعقدة. على سبيل المثال، لا تُعطي الطرق القياسية المُطبقة على الأجسام الخطية نتائج دقيقة دائمًا للأنظمة غير الخطية. وهذا يتطلب فهمًا أعمق لفيزياء العملية واستخدام أساليب تشخيصية متخصصة.
التمثيل البياني لللاخطية
في رسم بياني للاهتزاز مقابل عدم التوازن، يتضح عدم الخطية في الانحرافات عن الخط المستقيم. قد يتضمن الرسم البياني انحناءات، وانحناءً، وحلقات تباطؤ، وخصائص أخرى تشير إلى علاقة معقدة بين عدم التوازن والاهتزاز.
الرسم البياني 2. كائن غير خطي
50 جرام؛ 40 ميكرومتر (أصفر)،
100 جرام؛ 54.7 ميكرومتر (أزرق).
يُظهر هذا الجسم قطعتين، خطين مستقيمين. بالنسبة للاختلالات التي تقل عن 50 غرامًا، يعكس الرسم البياني خصائص الجسم الخطي، محافظًا على التناسب بين الاختلال بالغرام وسعة الاهتزاز بالميكرون. أما بالنسبة للاختلالات التي تزيد عن 50 غرامًا، فيتباطأ نمو سعة الاهتزاز.
أمثلة على الكائنات غير الخطية
تتضمن أمثلة الكائنات غير الخطية في سياق التوازن ما يلي:
- الدوارات ذات الشقوق: يمكن أن تؤدي الشقوق في الدوار إلى تغييرات غير خطية في الصلابة، ونتيجة لذلك، علاقة غير خطية بين الاهتزاز وعدم التوازن.
- الدوارات مع خلوص المحمل: يمكن أن تؤدي الخلوصات الموجودة في المحامل إلى حدوث تغييرات مفاجئة في الاهتزاز في ظل ظروف معينة.
- الدوارات ذات العناصر المرنة غير الخطية: قد تظهر بعض العناصر المرنة، مثل مخمدات المطاط، خصائص غير خطية، مما يؤثر على ديناميكيات الدوار.
أنواع اللاخطية
1. اللاخطية الناعمة-الصلبة
في مثل هذه الأنظمة، يُلاحظ وجود قسمين: ناعم وصلب. في القسم الناعم، يشبه السلوك الخطي، حيث تزداد سعة الاهتزاز تناسبيًا مع كتلة الاختلال. ومع ذلك، بعد حد معين (نقطة توقف)، ينتقل النظام إلى وضع صلب، حيث يتباطأ نمو السعة.
2. اللاخطية المرنة
تُعقّد التغيرات في صلابة الدعامات أو نقاط التلامس داخل النظام العلاقة بين الاهتزاز وعدم التوازن. على سبيل المثال، قد يزداد الاهتزاز أو ينخفض فجأةً عند تجاوز حدود حمل محددة.
3. اللاخطية الناتجة عن الاحتكاك
في الأنظمة ذات الاحتكاك الكبير (مثل المحامل)، قد تكون سعة الاهتزاز غير متوقعة. يمكن للاحتكاك أن يُخفِّف الاهتزاز في نطاق سرعة معين ويزيده في نطاق سرعة آخر.
موازنة الأجسام غير الخطية: مهمة معقدة ذات حلول غير تقليدية
موازنة الأجسام غير الخطية مهمة صعبة تتطلب أساليب ومنهجيات متخصصة. قد تُعطي طريقة الكتلة التجريبية القياسية، المُطوّرة للأجسام الخطية، نتائج خاطئة أو تكون غير قابلة للتطبيق تمامًا.
طرق الموازنة للأجسام غير الخطية
- الموازنة خطوة بخطوة:
تتضمن هذه الطريقة تقليل اختلال التوازن تدريجيًا عن طريق تركيب أوزان تصحيحية في كل مرحلة. بعد كل مرحلة، تُؤخذ قياسات الاهتزاز، ويُحدد وزن تصحيحي جديد بناءً على الحالة الحالية للجسم. يُراعي هذا النهج التغيرات في معامل التأثير أثناء عملية الموازنة. - التوازن بسرعات متعددة:
تعالج هذه الطريقة آثار ظاهرة الرنين عند سرعات دوران مختلفة. تُجرى الموازنة عند عدة سرعات قريبة من الرنين، مما يُتيح تقليلًا أكثر انتظامًا للاهتزازات عبر نطاق سرعة التشغيل بأكمله. - استخدام النماذج الرياضية:
بالنسبة للأجسام غير الخطية المعقدة، يُمكن استخدام نماذج رياضية تصف ديناميكيات الدوار مع مراعاة التأثيرات غير الخطية. تُساعد هذه النماذج على التنبؤ بسلوك الأجسام في ظل ظروف مُختلفة، وتحديد مُعاملات التوازن المُثلى.
تلعب خبرة المتخصص وحدسه دورًا حاسمًا في موازنة الأجسام غير الخطية. يستطيع الموازن الخبير تمييز علامات عدم الخطية، واختيار الطريقة المناسبة، وتكييفها مع الوضع المحدد. يساعد تحليل أطياف الاهتزاز، وملاحظة تغيرات الاهتزاز مع تغير معلمات تشغيل الجسم، ومراعاة خصائص تصميم الدوار، في اتخاذ القرارات الصحيحة وتحقيق النتائج المرجوة.
كيفية موازنة الأجسام غير الخطية باستخدام أداة مصممة للأجسام الخطية
هذا سؤال وجيه. طريقتي الشخصية لموازنة هذه الأجسام تبدأ بإصلاح الآلية: استبدال المحامل، ولحام الشقوق، وشد البراغي، وفحص المراسي أو عوازل الاهتزاز، والتأكد من عدم احتكاك الدوار بالعناصر الهيكلية الثابتة.
بعد ذلك، أُحدِّد ترددات الرنين، إذ يستحيل موازنة الدوار بسرعات قريبة من الرنين. للقيام بذلك، أستخدم طريقة التصادم لتحديد الرنين أو رسمًا بيانيًا لانحدار الدوار.
ومن ثم أحدد موضع المستشعر على الآلية: عموديًا، أو أفقيًا، أو بزاوية.
بعد التشغيل التجريبي، يُشير الجهاز إلى زاوية ووزن الأحمال التصحيحية. أُخفّض وزن الحمل التصحيحي إلى النصف، لكنني أستخدم الزوايا التي يُقترحها الجهاز لوضع الدوار. إذا تجاوز الاهتزاز المتبقي بعد التصحيح المستوى المقبول، أُجري تشغيلًا آخر للدوار. بالطبع، يستغرق هذا وقتًا أطول، لكن النتائج تكون مُلهمة أحيانًا.
فن وعلم موازنة المعدات الدوارة
موازنة المعدات الدوارة عملية معقدة تجمع بين العلم والفن. بالنسبة للأجسام الخطية، تتضمن الموازنة حسابات بسيطة نسبيًا وأساليب قياسية. أما العمل مع الأجسام غير الخطية، فيتطلب فهمًا عميقًا لديناميكيات الدوار، والقدرة على تحليل إشارات الاهتزاز، والمهارة في اختيار استراتيجيات الموازنة الأكثر فعالية.
الخبرة والحدس والتطوير المستمر للمهارات هي ما يجعل فني الموازنة بارعًا في حرفته. فجودة الموازنة لا تحدد كفاءة وموثوقية تشغيل المعدات فحسب، بل تضمن أيضًا سلامة الأشخاص.
AR 
EN 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI
تعليقات 0