Pochopení tuhosti

1. Definice: Co je to tuhost?

Ztuhlost je základní fyzikální vlastnost, která popisuje míru, do jaké objekt nebo konstrukce odolává deformaci nebo průhybu v reakci na aplikovanou sílu. V kontextu analýza vibrací, tuhost (často označovaná písmenem „k“) je jednou ze tří klíčových vlastností, spolu s hmotností (m) a tlumení (c), které řídí vibrační chování jakéhokoli mechanického systému.

Součást s vysokou tuhostí se při daném zatížení prohne jen velmi málo, zatímco součást s nízkou tuhostí se prohne výrazně. Například silná, krátká ocelová tyč má vysokou tuhost, zatímco dlouhá, tenká gumová páska má velmi nízkou tuhost.

2. Klíčová role tuhosti ve vibracích

Tuhost systému je primárním faktorem určujícím jeho přirozené frekvenceVlastní frekvence je frekvence, na které bude systém kmitat, pokud je narušen a poté je ponechán volně vibrovat. Vztah je definován základním vzorcem:

Vlastní frekvence (ωn) ≈ √(k/m)

Kde „k“ je tuhost a „m“ je hmotnost. Tento vztah ukazuje, že:

• Zvyšující se tuhost vůle zvýšení přirozená frekvence.
• Snižující se tuhost vůle pokles přirozená frekvence.
• Zvyšující se hmotnost vůle pokles přirozená frekvence.

3. Tuhost a rezonance

Tento vztah je kriticky důležitý kvůli fenoménu rezonanceRezonance nastává, když působí vynucovací frekvence (jako např. rychlost běhu (frekvence stroje) odpovídá jedné z vlastních frekvencí systému. Když k tomu dojde, amplituda vibrací se dramaticky zesílí, což často vede k předčasnému opotřebení a katastrofickému selhání.

Pochopení tuhosti je proto nezbytné pro diagnostiku a řešení problémů s rezonancí:

• Diagnóza problému: Pokud je stroj v rezonanci, analytik ví, že frekvence působení je příliš blízko vlastní frekvenci.
• Návrh řešení: Aby analytik problém vyřešil, musí změnit vlastní frekvenci systému. Protože je často obtížné změnit hmotnost stroje nebo frekvenci vynucování (jeho rychlost), nejběžnějším řešením je změna tuhosti. Přidáním výztuh, vyztužení nebo vylepšením základů stroje se zvyšuje tuhost systému. Tím se zvyšuje vlastní frekvence, oddaluje se od frekvence vynucování a eliminuje se rezonanční podmínka. Funkce frekvenční odezvy (FRF) Měření se používá k potvrzení změny vlastní frekvence.

4. Tuhost v diagnostice strojů

Změny tuhosti mohou být také přímým ukazatelem rozvíjející se poruchy:

• Vůle: Uvolněný montážní šroub nebo trhlina, která se vytvoří v rámu či základu stroje, představuje významnou ztrátu lokální tuhosti. To způsobí zvýšení amplitudy vibrací stroje. Spektrum FFT, mechanická vůle často generuje řadu harmonické (1X, 2X, 3X atd.) rychlosti běhu.
• Měkká noha: Tento stav, kdy patka stroje nesedí rovně na své základně, vytváří zkreslený a nelineární profil tuhosti, což může vést k vysokým vibracím a ztížit ustavení.
• Opotřebení ložiska: S opotřebením ložiska se zvětšuje vůle mezi valivými tělesy a oběžnými dráhami. To lze vnímat jako snížení celkové tuhosti nosného systému rotoru, což může snížit kritické otáčky rotoru.

← Zpět na hlavní index