Comprensión de la resonancia en sistemas mecánicos

Definición: ¿Qué es la resonancia?

Resonancia Es un fenómeno físico que ocurre cuando un sistema se somete a una fuerza periódica a una frecuencia que coincide con una de sus propias fuerzas. frecuencias naturalesCuando se produce esta coincidencia de frecuencias, el sistema comienza a vibrar con amplitudes extremadamente altas. La energía de la fuerza de entrada se transfiere al sistema de forma muy eficiente, lo que provoca un aumento drástico de la vibración. El único factor que limita la amplitud en resonancia es el sistema. mojadura.

El vínculo entre la frecuencia natural y la resonancia

Para comprender la resonancia, primero es necesario comprender la frecuencia natural. Todo objeto físico tiene un conjunto de frecuencias naturales a las que vibrará si se le perturba. Estas están determinadas por su masa y rigidez. La resonancia ocurre cuando se "empuja" continuamente el objeto a la misma velocidad que una de sus frecuencias naturales.

Una analogía clásica es empujar a un niño en un columpio:

• El columpio, con el niño en él, tiene una frecuencia natural específica basada en la longitud de las cuerdas (rigidez) y la masa del niño.
• Si le das un solo empujón al columpio, éste oscilará a su frecuencia natural y finalmente se detendrá debido a la amortiguación (resistencia del aire y fricción).
• Si sincronizas tus impulsos para que coincidan perfectamente con la frecuencia natural del swing, cada impulso añade más energía al sistema y el swing se eleva cada vez más. Esto se conoce como resonancia.
• Si empujas a una frecuencia incorrecta (demasiado rápido o demasiado lento), tus empujones no estarán sincronizados con el movimiento del columpio y no podrás desarrollar una gran amplitud.

¿Por qué la resonancia es un problema en la maquinaria?

En maquinaria rotatoria, la resonancia es una condición altamente destructiva y peligrosa. El impulso se produce por cualquier fuerza periódica generada por el funcionamiento de la máquina, como desequilibrio, desalineación o fuerzas de paso de álabes. Si la frecuencia de una de estas fuerzas coincide con la frecuencia natural del rotor, la cimentación, la estructura de soporte o las tuberías conectadas a la máquina, las consecuencias pueden ser graves:

• Niveles extremos de vibración: Las amplitudes se pueden amplificar 10, 50 o incluso cientos de veces, dependiendo de la cantidad de amortiguación.
• Altas tensiones dinámicas: Las grandes deflexiones provocan una tensión inmensa en los componentes, lo que conduce a una fatiga rápida.
• Fallo catastrófico: La resonancia puede provocar ejes agrietados, cojinetes defectuosos, soldaduras rotas y fallas estructurales completas en un período de tiempo muy corto.
• Ruido excesivo: Los altos niveles de vibración irradian un ruido fuerte y a menudo tonal.

Síntomas e identificación de la resonancia

La resonancia tiene un conjunto muy distintivo de síntomas que ayudan en su diagnóstico:

• Vibración altamente direccional: La vibración suele ser mucho mayor en una dirección (por ejemplo, horizontal) que en otras.
• Pico agudo en vibración vs. velocidad: La vibración solo es alta en un rango de velocidad muy estrecho. A medida que la máquina acelera o desacelera más allá de este punto, la vibración disminuye drásticamente.
• Un cambio de fase de 180 grados: A medida que la velocidad de la máquina alcanza la frecuencia de resonancia, la fase de la vibración se desplaza 180 grados. Esto confirma definitivamente la resonancia.
• Difícil de equilibrar: Intentar equilibrar un rotor que opera en resonancia suele ser ineficaz o incluso puede agravar el problema. Los pesos de corrección del equilibrio serán inusualmente grandes o pequeños, y la vibración podría desplazarse a otra ubicación.

La resonancia se confirma experimentalmente utilizando un prueba de impacto (o golpe) para identificar las frecuencias naturales de la estructura, o realizando una prueba de aceleración/desaceleración para observar los cambios de amplitud y fase a medida que la máquina pasa a través de la resonancia sospechada.

Cómo resolver un problema de resonancia

Dado que la resonancia es un problema de coincidencia de frecuencias, la solución siempre implica cambiar la frecuencia del “impulsor” o del “empujado”:

1. Cambiar la frecuencia de forzamiento: Esto suele implicar cambiar la velocidad de funcionamiento de la máquina. Esta es la solución más sencilla, si es factible.
2. Cambiar la frecuencia natural: Esta es la solución más común.
   • A aumentar la frecuencia natural, debes aumentar la rigidez del componente resonante (por ejemplo, añadiendo un refuerzo o un refuerzo).
   • A disminuir la frecuencia natural, puedes disminuir la rigidez o añadir masa al componente.
3. Añadir amortiguación: En algunos casos donde no se pueden cambiar las frecuencias, agregar amortiguación (por ejemplo, con materiales viscoelásticos o amortiguadores especializados) puede reducir la amplitud del pico resonante a un nivel aceptable.

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