Разбиране на рамковия резонанс
Резонанс на рамката е специфична форма на структурен резонанс при което самата рама, корпус, обшивка или камера на машината вибрира в едно от своите собствени честоти в отговор на възбуждане от въртящите се компоненти. За разлика от фундамента или pedestal резонансите, които засягат носещата конструкция под машината, резонансът на рамката се проявява в самата конструкция на машината — чугунената или стоманената конструкция, която обгражда въртящите се елементи. Когато честотата на въздействието съвпадне с естествената честота на рамката, резонанс усилва движението далеч над това, което би предизвикала само движещата сила.
Резонасът на корпуса е често срещан при машини с големи, относително леки корпуси — вентилатори, компресори, помпи и двигатели. Обикновено се проявява под формата на прекомерен шум, видима вибрация на капаците или панели и висока вибрация показанията на рамката, които са в явно несъответствие с действителните вибрации на ротора. Тъй като симптомът изглежда тревожен, резонансът на рамката е един от най-често погрешно диагностицираните проблеми в практиката: анализаторът вижда огромно отклонение и обявява за неизправен ротор, който всъщност е напълно балансиран.
1. Определение: Какво е резонанс на рамката?
Всяка конструкция има набор от собствени честоти и съответстващи им форми на вибрация, при които тя е склонна да се огъва. Рамката на машината не прави изключение. Нейните стени, крайни капаци, опори и панели имат свои режими на огъване и усукване, а един тънък покривен панел може да има няколко свои режима в чуваемия диапазон. Докато тези честоти не се припокриват с работните честоти на машината, рамката просто предава силата безшумно. Проблемите започват, когато работната честота съвпадне с режим на рамката и конструкцията започне да вибрира.
Характерната черта на резонанса на рамката е amplification: рамката се движи няколко пъти повече от лагерите, които обгражда. Енергията идва от ротора, но реакцията се проявява в конструкцията. Ето защо показанията, измерени върху рамката, могат да бъдат пет до десет пъти по-високи от тези при корпуса на лагера, намиращ се само на няколко сантиметра разстояние. Основното свойство, което определя къде се проявяват тези режими, е скованост в зависимост от масата — ако рамката се укрепи, честотите се повишават; ако се добави маса, те намаляват.
2. Типични случаи на резонанс на рамката
Рамки за двигатели и генератори
- Собствени честоти: обикновено 50–400 Hz в зависимост от размера и конструкцията.
- Възбуждане: 1× (дисбаланс), 2× честотата на мрежата (120 Hz при захранване с 60 Hz, 100 Hz при 50 Hz) и електромагнитни сили, свързани с електрическа честота.
- Симптоми: вибрациите на рамката са значително по-силни от тези на лагерите; чува се бръмчене или жужене.
- Тежест: напрежението в рамката може да бъде 5–10 пъти по-високо от това в лагерите.
Корпуси на вентилатори и нагнетатели
- Собствени честоти: 20–200 Hz за типични промишлени вентилатори.
- Възбуждане: честота на преминаване на лопатките (брой лопатки × обороти в минута).
- Симптоми: Панелите на корпуса вибрират силно; силен аеродинамичен шум
- Характеристика: може да се прояви само при определени скорости или условия на потока.
Pump casings
- Собствени честоти: 30–300 Hz в зависимост от конструкцията на корпуса.
- Възбуждане: честота на преминаване на лопатката и хидравлични пулсации.
- Симптоми: вибрации на корпуса, шум и риск от напукване вследствие на умора на материала.
- Хидравлична муфта: корпусът, изпълнен с течност, може да усилва вибрациите на ротора и корпуса, което допълнително усложнява ситуацията.
Корпуси на скоростни кутии
- Excited by честота на зацепване на зъбното колело.
- Собствените честоти на рамката често се припокриват с честотата на мрежата и нейните хармоници.
- Когато влезе в резонанс, издава характерно силно пищене на зъбните колела.
3. Характеристика и откриване на вибрациите
Характерни симптоми
- В зависимост от местоположението: Вибрациите варират значително по повърхността на рамката — често се наблюдават разлики от 10 пъти между отделните точки.
- Лагер срещу рамка: вибрациите на шасито значително надвишават вибрациите на лагерите (често 3–10 пъти).
- Специфично за честотата: проблемът се проявява само при резонансната честота; при останалите честоти всичко изглежда нормално.
- Чувствителен към скоростта: значително в тесен диапазон (±10–20 % от резонансната скорост).
- Visual motion: Движението на кадрите често се забелязва с невъоръжено око.
Тест за удароустойчивост
Окончателният тест. Ударете рамката с гумен чук или чук с вградени датчици и измерете реакцията с акселерометър, и отчетете собствените честоти на рамката по върховете на честотната характеристика. Сравнението на тези върхове с работните честоти (1×, 2×, честотата на преминаване на лопатката и т.н.) веднага разкрива всяко опасно съвпадение. Вижте тест за удар и изпитване на въздействието за пълната процедура.
Проучване с мобилен акселерометър
Докато машината работи, измерете вибрациите в множество точки по цялата рамка и съставете карта на вибрациите, показваща зоните с високи и ниски нива. Получената картина разкрива формата на колебателния режим — огъване, усукване или изкривяване на панелите — и определя антивъзлите (максимално движение) и възлите (минимално движение). Пълна анализ на оперативната форма на деформация (ODS) даде тласък на това предложение и официално модален анализ извлича основните режими.
Измерване на предавателната функция
Измерете кохерентност между вибрациите на лагера (входът) и вибрациите на корпуса (изходът). Високата кохерентност при определена честота потвърждава, че движението на корпуса се задвижва от въздействието на ротора и е в резонанс с него. предавателна функция само по себе си определя коефициента на усилване.
4. Потвърждаване на резонанса на място
Преди да се пристъпи към укрепване на конструкцията или към каквато и да е намеса върху ротора, диагнозата трябва да бъде потвърдена — а това означава да се измери действителното поведение на ротора отделно от това на рамката. Преносим двуканален анализатор като Балансет-1а това го прави ясно: един анализатор може да улови амплитуда и фаза и пълния спектър в корпуса на лагера, след което преместете сензора върху проблемния панел и наблюдавайте как нивото се повишава при резонансната честота, докато фазата се измества през структурния режим. Ако вибрацията 1× на ротора е слаба при лагера, но силна върху рамката, заключението е резонанс, а не дисбаланс. Същият инструмент ви позволява да извършите пробно балансиране на ротора, за да изключите или потвърдите наличието на дисбаланс, и да проведете тест за изтичане на инерцията, така че резонансният пик да се появи, когато скоростта преминава през него.
5. Решения и мерки за смекчаване на последиците
Модификации за укрепване
- Добавете укрепващи ребра или ъглови подсилвания: повишава устойчивостта на огъване, издига собствената честота над обхвата на възбуждане, е икономично решение и може да се монтира на съществуващо оборудване.
- Увеличаване на дебелината на материала: Удебеляването на стените или панелите на рамката значително повишава твърдостта и честотата, макар че това може да наложи изработването на нови отливки или детайли.
- Конструктивни връзки и укрепвания: Свързването на противоположните страни на рамката предотвратява изкривяването; напречните укрепвания осигуряват устойчивост на усукване и често могат да се монтират отвън.
Mass addition
- Намалете собствената честота: увеличете масата, за да свалите честотата под обхвата на възбуждане.
- Стратегическо разположение: добавете маса в точките на антивъзел за максимален ефект.
- Tuned mass: внимателно изчислено преместване на масата премахва конкретен проблем.
- Компромис: Допълнителното тегло не е желателно във всички случаи.
Независимо дали решите да увеличите или да намалите честотата, едно бързо изчисление ще ви предпази от попадане в следващата резонансна лента. А калкулатор за собствена честота на фундамента и един калкулатор за степен на амортизация да ви помогне да прецените къде ще се разположи модифицираната конструкция, преди да започнете да режете метал.
Процедури за облекчаване на болките
- Амортизация с ограничаващ слой: вискоеластичен слой, поставен между метални обшивки, който се използва при големи плоски панели и капаци. Намалява резонансния пик с 50–80% и работи ефективно в диапазона от около 20 до 500 Hz.
- Затихване в свободния слой: амортизиращ материал, залепен директно върху вибриращата повърхност — по-прост от метода с ограничаващ слой, но по-малко ефективен; подходящ за случаи, в които достъпът е ограничен.
Оперативни промени
- Промяна на скоростта: да работи при скорост, при която не възниква резонанс.
- Намаляване на възбуждащата сила: подобряване на баланс и подравняване за да се намали амплитудата на възбуждането, което захранва резонанса.
- Промени в процесите: Променете потока, налягането или натоварването, за да изместите честотите на възбуждане
6. Превенция още при проектирането
Принципи на проектиране
- Подходяща твърдост: проектирайте рамката така, че нейните собствени честоти да са над 2× най-високата честота на възбуждане.
- Масово разпространение: избягвайте струпвания на хора, които създават нискочестотни колебания.
- Ребра и укрепване: да се предвидят укрепващи елементи още от самото начало.
- Модален анализ: използвайте метода на крайните елементи (FEA) по време на проектирането, за да предвидите и оптимизирате собствените честоти.
Проверка на проекта
- Тестване на прототипи с анализ на въздействието.
- Измерване на формата на деформацията при експлоатация на първите произведени агрегати.
- Ако се установят резонанси, преработете проекта преди производството.
7. Примерен случай
Ситуация: 75-конски двигател, задвижващ центробежен вентилатор, който генерира прекалено много шум и вибрации.
- Симптоми: вибрация на корпуса на двигателя от 12 мм/с; вибрация на лагера само 2,5 мм/с.
- Честота: 120 Hz (двойна честота на мрежата при захранване с 60 Hz).
- Impact test: показа, че собствената честота на рамката е 118 Hz — почти точно на честотата на въздействието.
- Основна причина: рамката резонираше на честотата на електромагнитното въздействие.
- Решение: Бяха добавени четири ъглови усилващи елементи, свързващи опорите на двигателя с крайните капаци.
- Резултат: собствената честота на рамката се измести до 165 Hz, а амплитудата на вибрациите спадна до 3,2 mm/s — което я връща с лекота в допустимия диапазон съгласно ISO 20816-3 (съвременният наследник на ISO 10816-3).
- Цена: около 200 долара за материали, в сравнение с около 8000 долара за подмяна на двигателя.
Резонансът на шасито е често срещан, но често неправилно диагностициран проблем, свързан с вибрациите. Разпознаването на характерните симптоми — силни вибрации на шасито в сравнение с вибрациите на лагерите, с ясно определена честота и силно зависими от местоположението — и прилагането на подходящи диагностични методи (изпитване с удар и ODS анализ) води до целенасочени решения, които могат да намалят вибрациите значително при много ниски разходи.
