Разбиране на резонанса в механичните системи

Определение: Какво е резонанс?

Резонанс е физическо явление, което възниква, когато дадена система е подложена на периодична сила с честота, съответстваща на нейната собствена естествени честотиКогато се случи това честотно съгласуване, системата започва да вибрира с изключително големи амплитуди. Енергията от входната сила се предава на системата много ефективно, което води до драстично натрупване на вибрации. Единственият фактор, който ограничава амплитудата при резонанс, е системата... затихване.

Връзката между естествената честота и резонанса

За да разберете резонанса, първо трябва да разберете естествената честота. Всеки физически обект има набор от естествени честоти, при които ще вибрира, ако бъде смутен. Те се определят от неговата маса и твърдост. Резонансът е това, което се случва, когато непрекъснато „бутате“ обекта със същата скорост, както е една от неговите естествени честоти.

Класическа аналогия е бутането на дете на люлка:

• Люлката, с детето върху нея, има специфична естествена честота, базирана на дължината на въжетата (твърдост) и масата на детето.
• Ако бутнете люлката само веднъж, тя ще осцилира с естествената си честота и в крайна сметка ще спре поради затихване (съпротивление на въздуха и триене).
• Ако синхронизирате тласъците си така, че да съответстват идеално на естествената честота на замаха, всяко тласкане добавя повече енергия към системата и замахът става все по-висок и по-висок. Това е резонанс.
• Ако натискате с грешна честота (твърде бързо или твърде бавно), натисканията ви ще бъдат несинхронизирани с движението на люлеенето и няма да можете да развиете голяма амплитуда.

Защо резонансът е проблем в машините?

При въртящите се машини резонансът е силно разрушително и опасно състояние. „Тласъкът“ се осигурява от всяка периодична сила, генерирана от работата на машината, като например дисбаланс, несъосност или сили от преминаване на лопатките. Ако честотата на една от тези сили съвпадне с естествената честота на ротора, основата, носещата конструкция или прикрепените тръбопроводи на машината, последствията могат да бъдат тежки:

• Екстремни нива на вибрации: Амплитудите могат да бъдат усилени 10, 50 или дори стотици пъти, в зависимост от степента на затихване.
• Високи динамични напрежения: Големите отклонения причиняват огромно напрежение върху компонентите, което води до бърза умора на материала.
• Катастрофална повреда: Резонансът може да доведе до напукани валове, повредени лагери, счупени заварки и пълна структурна повреда за много кратко време.
• Прекомерен шум: Високите нива на вибрации се излъчват като силен и често тонален шум.

Симптоми и идентифициране на резонанс

Резонансът има много отчетлив набор от симптоми, които помагат при диагностицирането му:

• Силно насочени вибрации: Вибрацията обикновено е много по-силна в една посока (например хоризонтална), отколкото в други.
• Остър пик във вибрациите спрямо скоростта: Вибрацията е силна само в много тесен диапазон на скоростта. С ускоряването или забавянето на машината след тази точка, вибрацията намалява драстично.
• Фазово изместване на 180 градуса: С преминаването на скоростта на машината през резонансната честота, фазата на вибрацията ще се измести на 180 градуса. Това е окончателно потвърждение за резонанс.
• Трудно е да се балансира: Опитът за балансиране на ротор, който работи на резонанс, често е неефективен или дори може да влоши проблема. Коригиращите тежести за баланс ще бъдат необичайно големи или малки и вибрацията може да се премести на друго място.

Резонансът се потвърждава експериментално с помощта на тест за удар (или блъскане) за да се идентифицират естествените честоти на структурата или чрез извършване на тест за разгръщане/спускане по инерция да се наблюдават промените в амплитудата и фазата, докато машината преминава през предполагаемия резонанс.

Как да решим проблем с резонанса

Тъй като резонансът е проблем със съгласуването на честотите, решението винаги включва промяна на честотата или на „тласкача“, или на „тласкача“:

1. Промяна на честотата на форсиране: Това обикновено означава промяна на работната скорост на машината. Това е най-простото решение, ако е възможно.
2. Промяна на естествената честота: Това е най-често срещаното решение.
   • За увеличение естествената честота, трябва увеличаване на твърдостта на резонансния компонент (напр. чрез добавяне на скоба или клин).
   • За намаляване естествената честота, можете или намаляване на твърдостта или добавете маса към компонента.
3. Добавяне на затихване: В някои случаи, когато честотите не могат да бъдат променяни, добавянето на демпфиране (например с вискоеластични материали или специализирани демпфери) може да намали амплитудата на резонансния пик до приемливо ниво.

← Обратно към основния индекс