Pochopení strukturální rezonance

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

$2,358.31

Díly

Snímač vibrací

$107.47

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

$148.07

Zařízení

Balanset-4

$8,123.32

Díly

Magnetický stojan Insize-60-kgf

$54.93

Díly

Reflexní páska

$11.94

Zařízení

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definice: Co je strukturální rezonance?

Strukturální rezonance je stav, kdy vibrace frekvence z rotujících strojů (například 1× rychlost chodu, 2× z nesouosost, nebo frekvence průchodu lopatky) odpovídá přirozená frekvence nerotační nosné konstrukce – včetně rámu stroje, základní desky, podstavce, základy nebo dokonce blízké stavby. Když k tomuto frekvenčnímu sladění dojde, rezonance zesiluje strukturální vibrace na úrovně daleko přesahující to, co zažívají samotné rotující součásti.

Strukturální rezonance je obzvláště problematická, protože může způsobit, že dobře vyvážený a správně seřízený stroj bude vypadat, jako by měl vážné problémy s vibracemi. Vysoké vibrace jsou v konstrukci, což nemusí nutně znamenat problémy s rotorem, ale strukturální pohyb může zpětně ovlivnit chování rotoru a časem způsobit skutečné mechanické poškození.

Jak dochází ke strukturální rezonanci

Rezonanční mechanismus

1. Zdroj buzení: Rotující stroje generují periodické síly (z nevyváženost, špatné zarovnání atd.)
2. Přenos síly: Tyto síly se přenášejí přes ložiska na nosnou konstrukci
3. Shoda frekvencí: Pokud budicí frekvence ≈ strukturální vlastní frekvence
4. Akumulace energie: Struktura absorbuje energii během několika cyklů
5. Zesílení: Amplituda vibrací se zvyšuje, je omezena pouze konstrukčními vlastnostmi tlumení
6. Pozorovaný účinek: Konstrukce vibruje s 5–50× vyšší amplitudou, než by vstupní síla normálně vytvářela.

Typické frekvenční rozsahy

• Základní režimy: Obvykle 5–30 Hz pro typické průmyslové základy
• Režimy základní desky: 20–100 Hz v závislosti na velikosti a konstrukci
• Režimy podstavce: 30–200 Hz pro typické ložiskové podpěry
• Režimy rámečku/obalu: 50–500 Hz pro plechové panely a kryty

Běžné rezonanční scénáře

1X Rezonance rychlosti běhu

• Příklad: Stroj běží při 1800 ot./min (30 Hz), základní vlastní frekvence 28–32 Hz
• Příznak: Velmi vysoké vibrace i přes dobré vyvážení
• Účinek: I malá zbytková nevyváženost vytváří velký strukturální pohyb
• Řešení: Změna tuhosti základů, přidání tlumení nebo změna provozní rychlosti

2X rezonance (frekvence nesouososti)

• Nesprávné zarovnání generuje 2× buzení s větší frekvencí
• Pokud 2× odpovídá strukturálnímu módu, dochází k amplifikaci
• Vysoké vibrace mohou být chybně diagnostikovány jako závažné vychýlení
• Zlepšení zarovnání pomáhá, ale neodstraňuje rezonanci

Rezonance frekvence procházející lopatkou/lopatkou

• Ventilátory, čerpadla, turbíny generují frekvenci otáčení lopatek (N × ot./min, kde N = počet lopatek)
• Často v rozsahu 50-500 Hz
• Může v tomto frekvenčním rozsahu excitovat strukturální módy
• Vysokofrekvenční chrastění nebo bzučení

Diagnostická identifikace

Příznaky strukturální rezonance

• Neúměrné vibrace: Vibrace konstrukce jsou mnohem vyšší než vibrace ložisek
• Úzký rozsah rychlostí: Vysoké vibrace pouze při specifické rychlosti (±5-10%)
• Směrová závislost: Silné v jednom směru, minimální v kolmém směru (tvar odpovídajícího módu)
• Závislost na umístění: Vibrace se na povrchu konstrukce značně liší (antinody vs. uzly)
• Minimální vliv ložiska: Ložiska a rotor mohou vykazovat přijatelné vibrace, i když je konstrukce těžká.

Diagnostické testy

1. Zkouška nárazem (Bump Test)

• Udeřte na strukturu kladivem, změřte odezvu
• Identifikuje všechny strukturální vlastní frekvence
• Porovnejte s provozními frekvencemi stroje
• Nejpřesvědčivější test pro strukturální rezonanci

2. Porovnání umístění měření

• Změřte vibrace na ložiskovém tělese (blízko zdroje)
• Měření na základně podstavce, základové desce a základech
• Pokud vibrace konstrukce >> vibrace ložiska, indikuje to rezonanci konstrukce
• Přenosnost > 2-3 naznačuje rezonanční zesílení

3. Provozní tvar průhybu (ODS)

• Měření vibrací na více místech konstrukce současně
• Vytvořte animovanou vizualizaci strukturálního pohybu
• Zobrazuje, který strukturální režim je aktivní
• Identifikuje uzly a antinody

Řešení a zmírňování následků

Frekvenční separace

Změna provozní rychlosti

• Pokud je zařízení s proměnnou rychlostí, pracujte mimo rezonanci
• Změna velikosti řemenic motoru pro nastavení rychlosti
• Použijte VFD k výběru nerezonanční rychlosti
• Nemusí být praktické, pokud je rychlost určena požadavky procesu

Upravit strukturální přirozenou frekvenci

• Přidat hmotu: Snižuje vlastní frekvenci (f ∝ 1/√m)
• Přidat tuhost: Zvyšuje vlastní frekvenci (f ∝ √k)
• Odstraňte materiál: V některých případech může snížení hmotnosti posunout rezonanci
• Strukturální úprava: Přidání výztuh, klínů nebo výztuhy

Přidání tlumení

Tlumení omezených vrstev

• Viskoelastický tlumicí materiál spojený s konstrukcí
• Účinné pro plechové panely a rámy
• Snižuje amplitudu rezonančního píku
• Komerčně dostupné tlumicí úpravy

Vyladěné tlumiče hmotnosti

• Přidejte sekundární systém hmoty a pružiny naladěný na problematickou frekvenci
• Absorbuje energii, snižuje vibrace hlavní konstrukce
• Efektivní, ale vyžaduje pečlivý návrh a ladění

Tlumicí materiály pro konstrukce

• Gumové podložky nebo izolátory na strategických místech
• Tlumicí směsi aplikované na povrchy
• Tlumiče tření v kloubech

Izolace

• Instalace vibračních izolátorů mezi stroj a základy
• Odděluje vibrace stroje od konstrukce
• Účinné, pokud je izolátor vlastní frekvence < 0,5× budicí frekvence
• Vyžaduje pečlivý návrh, aby se zabránilo vzniku nových problémů s rezonancí

Snížení excitace

• Zlepšit kvalita rovnováhy pro snížení 1× excitace
• Přesné zarovnání pro snížení 2× buzení
• Oprava mechanických problémů snížením amplitudy síly
• Snižuje příznaky, ale neodstraňuje rezonanční potenciál

Prevence v designu

Kritéria pro návrh základů

• Vlastní frekvence základu > 2× maximální provozní frekvence (vyhněte se rezonanci nad touto hodnotou)
• Nebo < 0,5× minimální provozní frekvence (izolovaný základ)
• Vyhněte se rozsahu 0,5–2,0, kde je pravděpodobná rezonance
• Zahrnutí dynamické analýzy do fáze návrhu

Konstrukční návrh

• Návrh pro adekvátní tuhost vzhledem k frekvencím působení
• Vyhněte se lehce zatíženým konstrukcím náchylným k rezonanci
• Pro zvýšení frekvence použijte žebrování a klínky
• Zvažte přidání inherentního tlumení (kompozitní materiály, spoje s třením)

Strukturální rezonance může proměnit drobné zdroje vibrací ve velké problémy prostřednictvím zesilovacích efektů. Identifikace strukturálních rezonancí pomocí rázových zkoušek a provozních měření v kombinaci se správnými strategiemi pro jejich zmírnění je nezbytná pro dosažení přijatelných úrovní vibrací v instalacích, kde strukturální dynamika významně ovlivňuje celkové vibrační chování stroje.

---

← Zpět na hlavní index