Resonanz in mechanischen Systemen verstehen

Definition: Was ist Resonanz?

Resonanz ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn ein System einer periodischen Kraft mit einer Frequenz ausgesetzt wird, die einer seiner eigenen Frequenzen entspricht. Eigenfrequenzen. Wenn diese Frequenzanpassung eintritt, beginnt das System mit extrem großen Amplituden zu schwingen. Die Energie der Eingangskraft wird sehr effizient auf das System übertragen, wodurch die Schwingung dramatisch zunimmt. Der einzige Faktor, der die Amplitude bei Resonanz begrenzt, ist die des Systems Dämpfung.

Der Zusammenhang zwischen Eigenfrequenz und Resonanz

Um Resonanz zu verstehen, muss man zunächst die Eigenfrequenz verstehen. Jeder physikalische Gegenstand hat eine Reihe von Eigenfrequenzen, mit denen er bei Störungen schwingt. Diese werden durch seine Masse und Steifigkeit bestimmt. Resonanz entsteht, wenn man den Gegenstand kontinuierlich mit genau der gleichen Geschwindigkeit „anstößt“, die einer seiner Eigenfrequenzen entspricht.

Eine klassische Analogie ist das Anschubsen eines Kindes auf einer Schaukel:

• Die Schaukel mit dem Kind darauf hat eine bestimmte Eigenfrequenz, die von der Länge der Seile (Steifigkeit) und der Masse des Kindes abhängt.
• Wenn Sie der Schaukel einen einzigen Schubs geben, schwingt sie mit ihrer Eigenfrequenz und kommt schließlich aufgrund der Dämpfung (Luftwiderstand und Reibung) zum Stillstand.
• Wenn Sie den Zeitpunkt Ihrer Stöße so wählen, dass er perfekt zur Eigenfrequenz der Schaukel passt, führt jeder Stoß dem System mehr Energie zu und die Schaukel wird immer höher. Das ist Resonanz.
• Wenn Sie mit der falschen Frequenz (zu schnell oder zu langsam) drücken, sind Ihre Stöße nicht mit der Bewegung der Schaukel synchron und Sie können keine große Amplitude aufbauen.

Warum ist Resonanz bei Maschinen ein Problem?

In rotierenden Maschinen ist Resonanz ein äußerst zerstörerischer und gefährlicher Zustand. Der „Schub“ wird durch periodische Kräfte erzeugt, die durch den Betrieb der Maschine entstehen, wie z. B. Unwucht, Fehlausrichtung oder Blattpassierkräfte. Wenn die Frequenz einer dieser Kräfte mit der Eigenfrequenz des Rotors, des Fundaments, der Stützstruktur oder der angeschlossenen Rohrleitungen der Maschine übereinstimmt, können die Folgen schwerwiegend sein:

• Extreme Vibrationspegel: Je nach Dämpfungsgrad können Amplituden um das 10-, 50- oder sogar Hundertfache verstärkt werden.
• Hohe dynamische Belastungen: Die großen Auslenkungen verursachen enorme Belastungen für die Bauteile und führen zu einer schnellen Ermüdung.
• Katastrophaler Fehler: Resonanz kann innerhalb kürzester Zeit zu Wellenrissen, Lagerschäden, gebrochenen Schweißnähten und einem vollständigen Strukturversagen führen.
• Übermäßiger Lärm: Die hohen Vibrationspegel werden als laute und oft tonale Geräusche abgestrahlt.

Symptome und Identifizierung von Resonanz

Bei der Resonanz treten ganz bestimmte Symptome auf, die bei der Diagnose hilfreich sind:

• Stark gerichtete Vibration: Die Vibration ist in einer Richtung (z. B. horizontal) typischerweise viel stärker als in anderen.
• Scharfer Peak bei Vibration im Vergleich zur Geschwindigkeit: Die Vibration ist nur in einem sehr engen Geschwindigkeitsbereich hoch. Wenn die Maschine über diesen Punkt hinaus beschleunigt oder verlangsamt, nimmt die Vibration drastisch ab.
• Eine 180-Grad-Phasenverschiebung: Wenn die Drehzahl der Maschine die Resonanzfrequenz durchläuft, verschiebt sich die Phase der Schwingung um 180 Grad. Dies ist eine eindeutige Bestätigung der Resonanz.
• Schwierig auszubalancieren: Der Versuch, einen Rotor auszuwuchten, der in Resonanz läuft, ist oft wirkungslos oder verschlimmert das Problem sogar. Die Ausgleichsgewichte sind ungewöhnlich groß oder klein und die Vibration kann sich an eine andere Stelle verlagern.

Die Resonanz wird experimentell bestätigt durch eine Aufprall- (oder Stoß-)Test um die Eigenfrequenzen der Struktur zu ermitteln, oder durch die Durchführung einer Hochlauf-/Auslauftest um die Amplituden- und Phasenänderungen zu beobachten, wenn die Maschine die vermutete Resonanz durchläuft.

So lösen Sie ein Resonanzproblem

Da es sich bei der Resonanz um ein Frequenzanpassungsproblem handelt, besteht die Lösung immer darin, die Frequenz entweder des „Anschiebers“ oder des „Angeschobenen“ zu ändern:

1. Ändern Sie die Forcing-Frequenz: Dies bedeutet in der Regel eine Änderung der Betriebsgeschwindigkeit der Maschine. Dies ist die einfachste Lösung, sofern sie machbar ist.
2. Ändern der Eigenfrequenz: Dies ist die gängigste Lösung.
   • An Zunahme die Eigenfrequenz, müssen Sie erhöhen die Steifigkeit des Resonanzbauteils (z. B. durch Hinzufügen einer Strebe oder eines Zwickels).
   • An verringern die Eigenfrequenz, können Sie entweder die Steifheit verringern oder Masse hinzufügen zum Bauteil.
3. Dämpfung hinzufügen: In einigen Fällen, in denen die Frequenzen nicht geändert werden können, kann durch zusätzliche Dämpfung (z. B. mit viskoelastischen Materialien oder speziellen Dämpfern) die Amplitude der Resonanzspitze auf ein akzeptables Niveau reduziert werden.

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