1. Τι είναι ο συντονισμός;

Οι περισσότερες κατασκευές και μηχανές υφίστανται φυσικές ταλαντώσεις και επομένως οι περιοδικές εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται σε αυτές μπορούν να προκαλέσουν συντονισμό. Ο συντονισμός συχνά αναφέρεται ως ταλαντώσεις στην φυσική συχνότητα ή στην κρίσιμη συχνότητα. Ο συντονισμός είναι το φαινόμενο μιας απότομης αύξησης στο πλάτος των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, η οποία συμβαίνει όταν η συχνότητα της εξωτερικής διέγερσης πλησιάζει τις συχνότητες συντονισμού που καθορίζονται από τις ιδιότητες του συστήματος. Η αύξηση του πλάτους ταλάντωσης είναι μόνο συνέπεια του συντονισμού — η αιτία είναι η σύμπτωση της εξωτερικής (συχνότητας διέγερσης) με την εσωτερική (φυσική) συχνότητα του δονούμενου συστήματος (ρότορας-ρουλεμάν).

Ο συντονισμός είναι το φαινόμενο κατά το οποίο σε μια ορισμένη συχνότητα της δύναμης διέγερσης, το σύστημα δόνησης γίνεται ιδιαίτερα ευαίσθητο στη δράση αυτής της δύναμης. Παράμετροι του συστήματος, όπως η χαμηλή ακαμψία ή/και η ασθενής απόσβεση, που επενεργούν στη μηχανή του ρότορα στη συχνότητα συντονισμού, μπορούν να οδηγήσουν στην εμφάνιση συντονισμού. Ο συντονισμός δεν οδηγεί απαραίτητα σε βλάβη της μηχανής ή σε αστοχία εξαρτήματος, εκτός εάν ελαττώματα στη μηχανή προκαλούν δόνηση ή όταν μια κοντινή εγκατεστημένη μηχανή "προκαλεί" δόνηση στην ίδια συχνότητα με τις φυσικές συχνότητες.

Αυτό είναι συγκρίσιμο με τις ταλαντώσεις μιας καμπάνας ή ενός τυμπάνου. Στην περίπτωση μιας καμπάνας (Εικ. 1), όλη της η ενέργεια είναι σε δυναμική μορφή όταν είναι ακίνητη και στα υψηλότερα σημεία της τροχιάς της, και καθώς διέρχεται από το χαμηλότερο σημείο με μέγιστη ταχύτητα, η ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική. Η δυναμική ενέργεια είναι ανάλογη με τη μάζα της καμπάνας και το ύψος της άνωσης σε σχέση με το χαμηλότερο σημείο. Η κινητική ενέργεια είναι ανάλογη με τη μάζα και το τετράγωνο της ταχύτητας στο σημείο μέτρησης. Δηλαδή, αν χτυπήσετε την καμπάνα, θα συντονιστεί σε μια συγκεκριμένη συχνότητα (ή συχνότητες). Αν είναι σε ηρεμία, δεν θα ταλαντωθεί στη συχνότητα συντονισμού.

Ο συντονισμός είναι μια ιδιότητα της μηχανής, είτε αυτή λειτουργεί είτε όχι. Πρέπει να σημειωθεί ότι η δυναμική ακαμψία του άξονα όταν η μηχανή περιστρέφεται μπορεί να διαφέρει σημαντικά από τη στατική ακαμψία όταν η μηχανή είναι σταματημένη, ενώ ο συντονισμός αλλάζει μόνο ασήμαντα.

Υπάρχει ένας καθιερωμένος κανόνας, βασισμένος στην πρακτική εμπειρία, που ορίζει ότι Οι συχνότητες συντονισμού που μετρώνται κατά τη διάρκεια του τερματισμού λειτουργίας του μηχανήματος (κίνηση με ταχύτητα αδράνειας) είναι περίπου 20% χαμηλότερες από τις συχνότητες αναγκαστικής δόνησης. Οι συχνότητες συντονισμού μεμονωμένων συγκροτημάτων και εξαρτημάτων μηχανών — όπως ο άξονας, ο ρότορας, το περίβλημα και η βάση — είναι ταλαντώσεις στις φυσικές τους συχνότητες.

Μετά την εγκατάσταση του μηχανήματος, οι συχνότητες συντονισμού ενδέχεται να αλλάξουν τις τιμές τους λόγω αλλαγών στις παραμέτρους του συστήματος (μάζα, ακαμψία και απόσβεση), οι οποίες μετά τη σύνδεση όλων των μηχανισμών του μηχανήματος σε μία μόνο μονάδα μπορεί να αυξηθούν ή να μειωθούν. Επιπλέον, η δυναμική ακαμψία, όπως σημειώθηκε παραπάνω, μπορεί να μετατοπίσει τις συχνότητες συντονισμού όταν τα μηχανήματα λειτουργούν με ονομαστική ταχύτητα περιστροφής. Τα περισσότερα μηχανήματα έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε ο ρότορας να μην έχει την ίδια ιδιοσυχνότητα με τον άξονα. Ένα μηχάνημα που αποτελείται από έναν ή δύο μηχανισμούς δεν πρέπει να λειτουργεί με ιδιοσυχνότητα συντονισμού. Ωστόσο, με τη φθορά και τις αλλαγές στα διάκενα, η ιδιοσυχνότητα πολύ συχνά μετατοπίζεται προς την ταχύτητα περιστροφής λειτουργίας, προκαλώντας συντονισμό.

Η ξαφνική εμφάνιση ταλαντώσεων σε μια συχνότητα ελαττώματος — όπως μια χαλαρή εφαρμογή ή άλλο σφάλμα — μπορεί να προκαλέσει δόνηση της μηχανής στη συχνότητα συντονισμού της. Σε αυτήν την περίπτωση, οι δονήσεις της μηχανής θα αυξηθούν από ένα αποδεκτό επίπεδο σε ένα μη αποδεκτό εάν οι ταλαντώσεις προκαλούνται από τον συντονισμό συγκροτημάτων ή στοιχείων της μηχανής.

2. Συντονισμός κατά την εκκίνηση και τον τερματισμό λειτουργίας (Εικ. 2)

Ο συντονισμός μπορεί να παρατηρηθεί κατά την εκκίνηση της μηχανής, όταν διέρχεται από τη συχνότητα συντονισμού (Εικ. 2). Καθώς η ταχύτητα περιστροφής αυξάνεται, το πλάτος θα αυξηθεί στη μέγιστη τιμή του στη συχνότητα συντονισμού (n_res) και μειώνονται αφού περάσουν από αυτό. Όταν ο ρότορας διέρχεται από συντονισμό, το αλλαγές φάσης δόνησης κατά 180 μοίρες. Σε συντονισμό, οι ταλαντώσεις του συστήματος μετατοπίζονται σε φάση κατά 90 μοίρες σε σχέση με τις ταλαντώσεις της δύναμης διέγερσης.

Η μετατόπιση φάσης 180 μοιρών παρατηρείται συχνά μόνο σε ρότορες που έχουν ένα μόνο επίπεδο διόρθωσης (Εικ. 3, αριστερά). Τα πιο σύνθετα συστήματα "άξονα/ρότορα-ρουλεμάν" (Εικ. 3, δεξιά) έχουν μετατόπιση φάσης που κυμαίνεται από 160° έως 180°. Κάθε φορά που ένας ειδικός στην ανάλυση κραδασμών παρατηρεί υψηλό πλάτος ταλάντωσης, θα πρέπει να υποθέσει ότι η αύξησή του σε μη αποδεκτό επίπεδο μπορεί να σχετίζεται με τον συντονισμό του συστήματος.

3. Διαμορφώσεις ρότορα (Εικ. 3)

Η συμπεριφορά δόνησης ενός ρότορα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία του και τον τρόπο με τον οποίο στηρίζεται. Ένας απλός ρότορας με ένα μόνο επίπεδο διόρθωσης (έναν προεξέχοντα δίσκο) παρουσιάζει μια καθαρή μετατόπιση φάσης 180° μέσω συντονισμού. Ένα πιο σύνθετο σύστημα — όπως δύο συνδεδεμένοι ρότορες μέσω ενός άξονα καρδανίου — παρουσιάζει πολλαπλές συζευγμένες λειτουργίες και η μετατόπιση φάσης μπορεί να αποκλίνει από τις ιδανικές 180°.

4. Μάζα, Δυσκαμψία και Απόσβεση (Εικ. 4–7)

Μάζα, ακαμψία και απόσβεση — αυτές είναι οι τρεις παράμετροι του συστήματος δόνησης που επηρεάζουν τη συχνότητα και αυξάνουν το πλάτος των ταλαντώσεων σε συντονισμό.

Μάζα χαρακτηρίζει τις ιδιότητες του σώματος και αποτελεί μέτρο της αδράνειάς του (όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μικρότερη είναι η επιτάχυνση που αποκτά υπό την επίδραση μιας περιοδικής δύναμης), η οποία προκαλεί τις ταλαντώσεις του.

Ακαμψία είναι μια ιδιότητα του συστήματος που αντιτίθεται στις αδρανειακές δυνάμεις που προκύπτουν ως αποτέλεσμα των μαζικών δυνάμεων.

Απόσβεση είναι μια ιδιότητα του συστήματος που μειώνει την ενέργεια των ταλαντώσεων μετατρέποντάς την σε θερμική ενέργεια λόγω τριβής στο μηχανικό σύστημα.

όπου f_n — ιδιοσυχνότητα, k — ακαμψία, m — μάζα, ζ — λόγος απόσβεσης, Q — συντελεστής ποιότητας (ενίσχυση σε συντονισμό), A_res — πλάτος συντονισμού, F₀ — πλάτος δύναμης διέγερσης.

Για τη μείωση του συντονισμού, οι παράμετροι του συστήματος επιλέγονται έτσι ώστε οι συχνότητες συντονισμού του να βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο μακριά από πιθανές εξωτερικές συχνότητες διέγερσης. Στην πράξη, για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι λεγόμενοι δυναμικοί απορροφητές κραδασμών ή αποσβεστήρες.

Ο διαδραστικός προσομοιωτής παρακάτω (αντικαθιστώντας τα στατικά Σχήματα 4–7 από το αρχικό άρθρο) δείχνει το Χαρακτηριστικό Πλάτους-Συχνότητας (AFC) ενός απλού συστήματος δόνησης που αποτελείται από μάζα, ελατήριο και αποσβεστήρα. Προσαρμόστε τις παραμέτρους για να παρατηρήσετε αυτά τα φαινόμενα σε πραγματικό χρόνο:

Μια αναλογία μπορεί να γίνει με μια χορδή κιθάρας. Όσο πιο σφιχτά τραβάτε τη χορδή της κιθάρας (μεγαλύτερη ακαμψία), τόσο πιο ψηλά ανεβαίνει ο τόνος (συχνότητα συντονισμού) — μέχρι να σπάσει η χορδή. Αν χρησιμοποιήσετε την πιο παχιά χορδή (μεγαλύτερη μάζα), ο τόνος που παράγει θα είναι χαμηλότερος.

5. Μέτρηση Συντονισμού (Εικ. 8)

Μία από τις πιο συνηθισμένες μεθόδους για τη μέτρηση της συχνότητας συντονισμού μιας κατασκευής είναι η διέγερση από κρούση χρησιμοποιώντας ένα σφυρί με όργανα.

Η πρόσκρουση στη δομή, με τη μορφή εισερχόμενου κρουστικού σήματος, διεγείρει μικρές διαταρακτικές δυνάμεις σε ένα ορισμένο εύρος συχνοτήτων. Οι ταλαντώσεις που δημιουργούνται από την πρόσκρουση αντιπροσωπεύουν μια παροδική, βραχείας διάρκειας διαδικασία μεταφοράς ενέργειας. Το φάσμα της δύναμης πρόσκρουσης είναι συνεχές, με μέγιστο πλάτος στα 0 Hz και επακόλουθη μείωση με την αυξανόμενη συχνότητα.

Η διάρκεια κρούσης και το σχήμα του φάσματος κατά τη διάρκεια της διέγερσης από την κρούση καθορίζονται από τη μάζα και την ακαμψία τόσο του κρουστικού σφυριού όσο και της δομής της μηχανής. Όταν χρησιμοποιείται ένα σχετικά μικρό σφυρί σε μια σκληρή δομή, η ακαμψία της άκρης του σφυριού καθορίζει το φάσμα. Η άκρη του σφυριού λειτουργεί ως μηχανικό φίλτρο. Επιλέγοντας την ακαμψία της άκρης του σφυριού, μπορεί κανείς να επιλέξει το εύρος συχνοτήτων της έρευνας.

Όταν χρησιμοποιείται αυτή η τεχνική μέτρησης, είναι πολύ σημαντικό να χτυπάτε σε διαφορετικά σημεία της κατασκευής, καθώς δεν μπορούν πάντα να μετρηθούν όλες οι συχνότητες συντονισμού χτυπώντας και μετρώντας στο ίδιο σημείο. Κατά τον προσδιορισμό του συντονισμού της μηχανής, πρέπει να επαληθεύονται (δοκιμάζονται) και τα δύο σημεία — το σημείο πρόσκρουσης και το σημείο μέτρησης.

Εάν το σφυρί έχει μαλακή άκρη, η κύρια ποσότητα ενέργειας εξόδου θα διεγείρει ταλαντώσεις σε χαμηλές συχνότητες. Ένα σφυρί με σκληρή άκρη παρέχει μικρή ενέργεια σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη συχνότητα, εκτός από το ότι η ενέργεια εξόδου του θα διεγείρει ταλαντώσεις σε υψηλές συχνότητες. Η απόκριση στο χτύπημα του σφυριού μπορεί να μετρηθεί με έναν αναλυτή ενός καναλιού, υπό την προϋπόθεση ότι το μηχάνημα είναι σταματημένο και αποσυνδεδεμένο.

6. Χαρακτηριστικό συχνότητας πλάτους-φάσης — APFC (Εικ. 9)

Ο συντονισμός της μηχανής μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή ενός καναλιού ως αύξηση του πλάτους ταλάντωσης στη συχνότητα συντονισμού και με την αλλαγή φάσης 180 μοιρών κατά τη διέλευση από τον συντονισμό — εάν το πλάτος και η φάση των ταλαντώσεων μετρηθούν στη συχνότητα περιστροφής κατά την εκκίνηση (run-up) ή την απενεργοποίηση (coastdown) της μηχανής. Το χαρακτηριστικό που κατασκευάζεται με βάση αυτές τις μετρήσεις ονομάζεται Χαρακτηριστικό συχνότητας πλάτους-φάσης (APFC).

Η ανάλυση του APFC (Εικ. 9) επιτρέπει στον ειδικό ανάλυσης κραδασμών να προσδιορίσει τις συχνότητες συντονισμού του ρότορα.

Εάν η φάση δεν αλλάξει κατά τη διέλευση από έναν ύποπτο συντονισμό, τότε η αύξηση του πλάτους μπορεί να σχετίζεται με τυχαία διέγερση και δεν είναι συντονισμός ρότορα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, εκτός από τις μετρήσεις κραδασμών κατά την ανοδική πορεία/καθοδική πορεία με ταχύτητα αδράνειας, συνιστάται η εκτέλεση μιας "δοκιμής πρόσκρουσης".

Όταν χρησιμοποιείται ένας αναλυτής κραδασμών πολλαπλών καναλιών, ο συντονισμός μιας δομής μπορεί να προσδιοριστεί με μεγάλη ακρίβεια μετρώντας ταυτόχρονα τα σήματα εισόδου και εξόδου από το σύστημα, ελέγχοντας παράλληλα τη φάση κραδασμών και τη συνοχή που συλλέγονται κατά την ίδια χρονική περίοδο. Η συνοχή είναι μια συνάρτηση διπλού καναλιού που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση του βαθμού γραμμικότητας μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου του συστήματος. Αυτό σημαίνει ότι οι συχνότητες συντονισμού μπορούν να αναγνωριστούν σημαντικά πιο γρήγορα.

7. Ορισμένες σκέψεις σχετικά με τον μηχανικό συντονισμό

Πρέπει να δοθεί προσοχή στην ανάλυση διαφορετικών τύπων μηχανημάτων και των τρόπων λειτουργίας τους, κάτι που μπορεί να περιπλέξει τις δοκιμές συντονισμού:

Λόγω των διαφορών στην δομική ακαμψία στην οριζόντια και κάθετη κατεύθυνση, η συχνότητα συντονισμού θα διαφέρει ανάλογα με την κατεύθυνση. Επομένως, οι συντονισμοί μπορεί να εκδηλώνονται πιο έντονα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, οι συχνότητες συντονισμού διαφέρουν όταν το μηχάνημα λειτουργεί σε σχέση με όταν είναι σταματημένο (απενεργοποιημένο). Ο κάθετος εξοπλισμός, κατά κανόνα, προκαλεί μεγάλη ανησυχία, καθώς κατά τη λειτουργία αυτού του εξοπλισμού υπάρχει πάντα συντονισμός που εμφανίζεται κατά τη λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήρα τοποθετημένου σε πρόβολο.

Ορισμένες μηχανές έχουν μεγάλη μάζα και επομένως δεν μπορούν να διεγερθούν με σφυρί — απαιτούνται εναλλακτικές μέθοδοι διέγερσης για τον προσδιορισμό των πραγματικών συχνοτήτων συντονισμού. Μερικές φορές, σε πολύ μεγάλες μηχανές, χρησιμοποιείται ένας δονητής που είναι συντονισμένος σε μια συγκεκριμένη περιοχή συχνοτήτων, επειδή ο δονητής έχει την ικανότητα να παρέχει μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε κάθε μεμονωμένη συχνότητα κατά την ταλάντωση.

Και μια τελευταία παρατήρηση — πριν από τη διεξαγωγή δοκιμών συντονισμού, είναι πολύ χρήσιμο να μετρήσετε πρώτα το επίπεδο δόνησης υποβάθρου (την απόκριση σε τυχαία διέγερση από το περιβάλλον). Αυτό θα βοηθήσει στην αποφυγή σφάλματος στον προσδιορισμό της διάγνωσης (συντονισμός συστήματος) με βάση το μέγιστο πλάτος ταλάντωσης σε μια συγκεκριμένη συχνότητα πάνω από το επίπεδο υποβάθρου.

8. Σύνοψη

Σε αυτό το άρθρο συζητήσαμε την επίδραση των συντονιστικών συχνοτήτων στις δονήσεις των μηχανών. Όλες οι δομές και οι μηχανές έχουν συντονιστικές συχνότητες, αλλά ο συντονισμός δεν επηρεάζει τη μηχανή εάν δεν υπάρχουν συχνότητες που να την διεγείρουν. Εάν η δόνηση της μηχανής διεγείρεται από τη δική της φυσική συχνότητα, τότε υπάρχουν τρεις επιλογές για την αποσυντονισμό του συστήματος από τον συντονισμό:

Επιλογή 1. Μετατοπίστε τη συχνότητα της διαταραγμένης δύναμης μακριά από τη συχνότητα συντονισμού.

Επιλογή 2. Μετατοπίστε τη συχνότητα συντονισμού μακριά από τη συχνότητα της διαταραγμένης δύναμης.

Επιλογή 3. Αυξήστε την απόσβεση του συστήματος για να μειώσετε τον συντελεστή ενίσχυσης συντονισμού.

Οι επιλογές 2 και 3 συνήθως απαιτούν ορισμένες δομικές τροποποιήσεις που δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν εκτός εάν έχει πραγματοποιηθεί ανάλυση ιδιομορφίας ή/και μελέτη πεπερασμένων στοιχείων στη δομή.