Разбиране на резонанса в механичните системи
Резонанс е физическо явление, което възниква, когато дадена система е подложена на периодична сила с честота, съответстваща на нейната собствена собствени честоти. Когато се постигне това съвпадение на честотите, системата започва да вибрира с изключително големи амплитуди: енергията от входната сила се предава в системата с голяма ефективност, така че вибрация се увеличава драстично цикъл след цикъл. Единственият фактор, който в крайна сметка ограничава амплитудата при резонанс, е системата затихване. Разбирането и предотвратяването на резонанса е една от основните задачи на динамиката на роторите и диагностиката на машините, тъй като малко други състояния могат да унищожат оборудването толкова бързо.
1. Определение: Какво е резонанс?
Резонансът най-добре се разглежда като въпрос за синхронизация, а не сила. Скромно възбуждане, приложено в синхрон със собствения ритъм на конструкцията, ще предизвика много по-голяма реакция, отколкото значително по-силна сила, приложена извън синхрон. Всяко навременно въздействие добавя малко повече енергия, отколкото може да отнеме затихването през този цикъл, така че амплитудата нараства, докато енергията, разсеяна от затихването на цикъл, най-накрая не се балансира с подадената енергия. В система с леко затихване тази точка на равновесие се достига само при много висока амплитуда — ето защо резонансът е опасен. Честотата, при която той възниква, е собствената честота, определена изцяло от масата на системата и скованост.
2. Връзката между собствената 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.
Класическата аналогия е като да буташ дете на люлка:
- Люлката, с детето на борда, има определена собствена честота, която се определя от дължината на въжето (неговата твърдост) и масата на детето.
- Едно единствено натискане го кара да започне да вибрира с тази собствена честота и бавно да затихне поради затихването — въздушното съпротивление и триенето.
- Ако синхронизирате всяко тласкане с естествената честота на люлката, всяко тласкане добавя енергия и люлката се издига все по-високо. Това е резонанс.
- Ако бутате с неправилна скорост — твърде бързо или твърде бавно — движенията ви излизат от синхрон с хода и не може да се постигне голяма амплитуда.
Същата зависимост между масата и твърдостта важи и за компонентите на машините. Можете да я проучите количествено с помощта на нашия Калкулатор за собствена честота за проста система „маса-пружина“ или за въртящи се валове, при които собствената честота съвпада с работната скорост, Калкулатор за критичната скорост на ротора.
3. Защо резонансът представлява проблем при машините?
При въртящите се машини резонансът е изключително разрушително и опасно състояние. „Тласъкът“ се осигурява от всяка периодична сила, която машината генерира при нормална работа — дисбаланс, несъответствиеили преминаване на острието сили, действащи върху тях. Ако честотата на някоя от тези сили съвпадне с естествената честота на ротора, основата, носещата конструкция или прикрепените тръбопроводи, последствията могат да бъдат тежки:
- Изключително високи нива на вибрации: амплитудите могат да бъдат усилвани десет, петдесет или дори стотици пъти, в зависимост от това колко малко е затихването.
- Високи динамични натоварвания: големите отклонения подлагат компонентите на огромно циклично напрежение, което води до бързо умора.
- Катастрофална повреда: резонансът може да предизвика напукани валове, износени лагери, счупени заварки и пълна конструктивна повреда в изключително кратък срок.
- Прекален шум: високата вибрация се проявява като силен, често тонален шум.
Особен и особено важен случай е критична скорост — скорост на ротора, при която възбуждането при работна скорост (1×) съвпада с естествената честота на ротора. Машините са специално проектирани така, че да се движат далеч от критичните си скорости и да ги преминават бързо по време на ускоряване и забавяне.
4. Симптоми и разпознаване на резонанса
Резонансът се характеризира с определен набор от симптоми, които улесняват диагностицирането и го отличават от обикновения принудителна вибрация проблем като обикновен дисбаланс:
- Силно насочена вибрация: вибрацията обикновено е много по-силна в една посока — често хоризонтална — отколкото в останалите, тъй като конструктивната твърдост варира в зависимост от посоката.
- Рязък пик на вибрациите в зависимост от скоростта: вибрацията е силна само в тесен диапазон на оборотите; когато машината ускори или забави скоростта си извън този диапазон, амплитудата намалява драстично.
- Фазово изместване от 180 градуса: когато скоростта преминава през резонансната честота, фаза фазата на вибрацията се измества с 180 градуса. Това обръщане на фазата е окончателното потвърждение за наличието на резонанс.
- Трудно е да се намери баланс: Опитът да се балансира ротор, работещ в резонанс, често е безрезултатен или дори може да влоши положението — необходимите коригиращи тежести се оказват необичайно големи или малки, а вибрациите просто могат да се преместят на друго място.
Резонансът се потвърждава експериментално по два взаимно допълващи се начина. А изпитване на удар възбужда неподвижната конструкция, за да разкрие непосредствено нейните собствени честоти. Като алтернатива, Разбег или спускане по крайбрежието тест записва амплитудата и фазата, докато уредът преминава през предполагаемия резонанс, като характерният пик на амплитудата и фазовото отместване от 180 градуса се отразяват на Диаграма на Боде.
5. Как да решим задача за резонанс
Тъй като резонансът по същество е проблем, свързан със съгласуването на честотите, всяко решение се свежда до промяна на честотата или на „тласкащия“, или на „тласкания“ — или до по-бързото разсейване на енергията:
- Променете честотата на въздействието. Обикновено това означава промяна на работната скорост на машината. Това е най-простото решение, когато процесът го позволява, а при задвижвания с променлива скорост забранената скоростна зона може да бъде премахната чрез програмиране.
- Променете собствената честота. Това е най-често срещаното решение.
- За увеличение собствената честота, увеличаване на твърдостта на резонансния елемент — например чрез добавяне на подпорка или усилваща пластина.
- За намаляване собствената честота, или намаляване на твърдостта или добавете маса към компонента.
- Добавете демпфериране. Когато нито една от честотите не може да бъде променена, добавянето на амортизация — вискоеластични материали или специализирани амортисьори — намалява височината на резонансния пик до приемливо ниво. Ползата от добавената амортизация може да бъде измерена с Калкулатор на коефициента на затихване.
Следва да се отбележи, че резонансът, засягащ носещата конструкция — структурен резонанс или слаб твърдост на основата — често е причината за проблема и се решава по същия начин: чрез укрепване, добавяне на маса или амортизиране на проблемния елемент.
6. Резонанс и балансиране на полето
Връзката между резонанса и балансирането е практическа клопка, която е добре да се избягва. Тъй като ротор, работещ в близост до резонанс, дава подвеждащи и нестабилни показания за амплитудата и фазата, преди да се опитате да го балансирате, трябва първо да се уверите, че машината не работи в резонанс. На място това се прави лесно с преносим двуканален анализатор, като например Балансет-1а: измерването на ускорението и забавянето улавя амплитудата и фазата в целия диапазон на скоростта, като разкрива всеки резонансен пик и фазово отместване от 180 градуса, докато лазерният тахометър осигурява фазовата референция. След като се потвърди, че машината работи стабилно извън резонансния диапазон, същият уред изчислява коригиращите тежести и сравнява резултата със съответните балансиране толерантност — докато опитът за корекция на резонанса би довел само до премахване на симптома.
