Разбиране на принудителните вибрации
Принудителна вибрация е колебателно движение, причинено от външна периодична сила, действаща върху механична система. Трептенията се появяват с честотата на приложената сила - честотата на форсиране - и тяхната амплитуда е пропорционална на големината на тази сила и обратно пропорционална на съпротивлението на системата при движение с тази честота. Преобладаващата част от вибрация във въртящите се машини е принудителната вибрация, като обичайните виновници за това са дисбаланс (въртяща се центробежна сила), несъответствие (сили на свързване), както и аеродинамични или хидравлични пулсации. Принудителните вибрации са коренно различни от самовъзбуждаща се вибрация, при която системата генерира и поддържа собствените си колебания, и от свободните вибрации - преходното затихване на звъненето, което следва импулса. Усвояването на тези принципи е важно, защото те обясняват как амплитудата на вибрациите се отнася към сериозността на неизправността и как вибрациите могат да бъдат контролирани - или чрез намаляване на форсирането, или чрез промяна на реакцията на системата.
1. Характеристики на принудителните вибрации
Честотно съвпадение
- Честотата на вибрациите е равна на честотата на форсиране - форсирайте системата при 30 Hz и тя ще вибрира при 30 Hz.
- Това е различно от самовъзбуждащите се вибрации, които се фиксират върху естествена честота независимо от скоростта на шофиране.
- Следователно честотата може да се предвиди директно от източника на въздействие.
Пропорционалност на амплитудата
- Амплитудата е пропорционална на силата: удвоете силата и (в линейна система) удвоите вибрациите.
- Премахнете форсирането и вибрациите ще спрат - именно затова те са контролируеми.
Връзка между фазите
- Съществува определена фаза връзката между сила и реакция.
- Тази фаза зависи от честотата на форсиране спрямо собствената честота:
- Под резонанса: вибрацията е по същество във фаза със силата.
- В резонанс: с 90° фазово забавяне.
- Над резонанса: с фазов лаг от 180°.
Стабилност
- Системата е стабилна: вибрациите са ограничени и не нарастват неограничено.
- Амплитудата се определя от форсирането и реакцията на системата заедно - обратното на нестабилните самовъзбудени вибрации, които могат да се разбягат, докато нелинейността не ги спре.
2. Общи форсиращи функции в машините
Разбалансиране - 1× форсиране
- Сила: въртяща се центробежна сила от ексцентрицитета на масата.
- Честота: веднъж на оборот (1× скорост на вала).
- Величина: F = m-r-ω², така че тя се издига с квадрат на скоростта.
- Значение: основен източник на вибрации в повечето въртящи се съоръжения.
Заслужава си да се спрем на тази зависимост ω²: удвояването на скоростта на движение увеличава четирикратно силата на дисбаланса, поради което ротор, който работи спокойно при ниска скорост, може да се разклати силно, когато се включи в работа. Можете да я изразите с цифри чрез нашия Центробежна сила от калкулатор за дисбаланс.
Другите основни източници
- Несъответствие - 2× форсиране: сили на свързване от ъглово или паралелно отместване, което води до вибрации при двойна скорост на вала и характерно висока аксиален компонент.
- Аеродинамични/хидравлични (преминаване на лопатки или перки): пулсации на налягането от взаимодействието между лопатките и статора при броя на лопатките × скоростта на вала - характерна черта на вентилатори, помпи и компресори, задвижвани от аеродинамичен и хидравлични сили.
- Сили на зъбната мрежа: зацепване на зъбите, което създава периодично натоварване при броя на зъбите × скоростта на вала (числото честота на зацепване на зъбното колело), като големината е свързана с предаваните въртящи моменти и качеството на зъбите.
- Електромагнитни сили: пулсации на магнитното поле в двигатели и генератори при 2 пъти по-висока честота на мрежата (120 Hz при захранване 60 Hz, 100 Hz при 50 Hz) - особено независимо от механичната скорост, асинхронно форсиране.
3. Реакция на форсиране: Как се държи системата
Една и съща сила предизвиква коренно различни амплитуди в зависимост от това къде се намира честотата на форсиране спрямо собствената честота на системата. Описват го три режима.
Под собствената честота (с контрол на коравината)
- Амплитуда ≈ Сила ÷ Скованост.
- Реакцията е във фаза с форсирането.
- При силите, зависещи от скоростта, амплитудата нараства със скоростта.
- Типичният работен район за повечето твърди ротори.
При собствена честота (резонанс)
- Амплитуда ≈ Сила ÷ (демпфиране × естествена честота).
- Усилва се от Q-фактора, обикновено 10-50 пъти.
- Фазово изоставане от 90° и малки сили вече създават големи вибрации.
- Затихване е единственото нещо, което ограничава амплитудата - практическото значение на резонанс.
Над собствената честота (с контрол на масата)
- Амплитуда ≈ Сила ÷ (маса × честота²).
- Фазово изоставане от 180° - вибрацията се движи в посока, обратна на посоката на силата.
- Амплитудата намалява с увеличаване на честотата.
- Работната област за гъвкави ротори тече над техните критични скорости.
4. Принудителни вибрации спрямо други видове
Принудителни и свободни вибрации
- Принудително: Непрекъснато форсиране, вибрации, поддържани при честота на форсиране
- Безплатно: импулсен отговор, който се понижава при естествената честота.
- Пример: а тест за удар създава свободни вибрации; работеща машина създава принудителни вибрации.
Принудителни срещу самовъзбудени вибрации
- Принудително: външна сила, амплитуда, пропорционална на тази сила, стабилна.
- Самовъзбужда се: вътрешен източник на енергия, амплитуда, ограничена само от нелинейността, нестабилна.
- Примери: дисбалансът е принудителен; маслен вихър се самовъзбужда.
5. Контрол и смекчаване
Намаляване на принудата (обикновено това е най-добрият начин)
- Балансиране: намалява директно форсирането на дисбаланса и е най-често срещаното коригиращо действие.
- Подравняване: намалява силите на изместване.
- Отстраняване на дефекти: отстраняване на механичните проблеми, които пораждат силите.
- Най-ефективен: елиминиране или минимизиране на източника на принуда в неговия произход.
Промяна на реакцията на системата или избягване на резонанса
- Промяна на твърдостта или масата: Изместете естествените честоти далеч от форсиращите честоти
- Добавете демпфериране: притъпи резонансното усилване.
- Изолация: намаляване на предаването на сила в носещата конструкция.
- Избягвайте резонанса: да не се допускат принудителни честоти спрямо собствените честоти, с разделителен марж от около ±20-30%, проверен чрез фазов анализ на проекта и наложен с ограничения на скоростта, ако сблъсъкът е неизбежен.
6. Практическа значимост и диагностика
Тъй като почти всички вибрации на машините са принудителни - дисбаланс, несъосност, зацепване на зъбните колела и други - те са също така предвидими и контролируеми, а стандартните действия по поддръжката - балансиране и центриране - работят точно защото атакуват принудителните вибрации. Диагностичният подход следва директно: идентифицирайте честотата на форсиране от спектъра, съпоставете я с известен източник (1×, 2×, зъбно око, преминаване на лопатки), диагностицирайте този източник и намалете форсирането с подходяща поддръжка.
Тук е мястото на полевите уреди. Преносим двуканален анализатор, като например Балансет-1а измерва вибрациите амплитуда и фазата при скоростта на движение, позволява ви да прочетете спектъра, за да отделите пик на 1× дисбаланс от пик на 2× разминаване, и - след като е установил, че дисбалансът е доминиращата сила - го коригира на място чрез балансиране на полето ротора в собствените му лагери. Измерването на фазата, както и на амплитудата, е това, което отличава проблема с форсирането от проблема с резонанса, тъй като двете се държат много различно при промяна на скоростта.
Принудителните вибрации са основният тип вибрации във въртящите се машини, които възникват, когато върху системата действа външна периодична сила. Разбирането на нейните принципи - съгласуване на честотата, пропорционалност на амплитудата и области на реагиране, контролирани от коравината, демпфирането и масата - позволява правилна диагностика на източниците на вибрации, правилни коригиращи действия (намаляване на принудата или промяна на реагирането) и стратегии за проектиране, които поддържат ниски вибрации чрез намаляване на принудата и избягване на резонанса.
