Resonantsi mõistmine mehaanilistes süsteemides
Resonants on füüsikaline nähtus, mis tekib siis, kui süsteemile mõjub perioodiline jõud sagedusega, mis vastab ühele tema enda jõusagedustest. omasagedused. Kui see sageduse vastavus juhtub, hakkab süsteem äärmiselt suurte amplituudidega vibreerima: sisendjõust saadav energia kantakse süsteemi üle suure tõhususega, nii et vibratsioon koguneb järsult tsükli järel. Ainus tegur, mis lõppkokkuvõttes piirab amplituudi resonantsi juures, on süsteemi summutamine. Resonantsi mõistmine ja vältimine on üks rootoridünaamika ja masinate diagnostika keskseid ülesandeid, sest vähesed tingimused võivad seadmeid nii kiiresti hävitada.
1. Määratlus: Mis on resonants?
Resonantsi saab kõige paremini mõista kui küsimust ajastus, mitte jõuga. Mõõdukas ergutus, mida rakendatakse koos struktuuri enda rütmiga, annab palju suurema vastuse kui palju tugevam jõud, mida rakendatakse väljaspool rütmi. Iga hästi ajastatud sisend lisab veidi rohkem energiat, kui summutus suudab selle tsükli jooksul eemaldada, nii et amplituud kasvab, kuni summutusest hajutatud energia tsükli kohta tasakaalustab lõpuks lisatud energia. Kergelt summutatud süsteemis saavutatakse see tasakaalupunkt alles väga suure amplituudi korral - seetõttu on resonants ohtlik. Sagedus, mille juures see toimub, on omaloominguline sagedus, mille määravad täielikult süsteemi mass ja vibratsioon. jäikus.
2. Seos loomuliku sageduse ja resonantsi vahel
Resonantsi mõistmiseks tuleb kõigepealt mõista omavõnkesagedust. Igal füüsilisel objektil on hulk omavõnkesagedusi, millega see häirimise korral vibreerib. Need määravad objekti mass ja jäikus. Resonants tekib siis, kui objekti pidevalt "suruda" täpselt sama kiirusega, mis on üks selle omavõnkesagedustest.
Klassikaline võrdlus on lapse lükkamine kiigel:
- Kiigel, mille pardal on laps, on konkreetne loomulik sagedus, mis sõltub köie pikkusest (selle jäikusest) ja lapse massist.
- Ükski tõuge paneb selle võnkuma sellel loomulikul sagedusel ja aeglaselt hääbub summutamise - õhutakistuse ja hõõrdumise - tõttu.
- Kui te ajastate iga tõuke nii, et see vastaks kiige loomulikule sagedusele, lisab iga tõuge energiat ja kiik läheb üha kõrgemale ja kõrgemale. See on resonants.
- Kui te surute vales tempos - liiga kiiresti või liiga aeglaselt -, jäävad teie tõuked liikumisega sünkroonist välja ja suur amplituud ei saa tekkida.
Sama massi ja jäikuse suhe kehtib ka masina komponentide puhul. Seda saab kvantitatiivselt uurida meie Loomuliku sageduse kalkulaator lihtsa massi-vedru süsteemi puhul või pöörlevate võllide puhul, mille omaloomulik sagedus langeb kokku käigukiirusega, on Rootori kriitilise kiiruse kalkulaator.
3. Miks on resonants masinates probleemiks?
Pöörlevate masinate puhul on resonants väga hävitav ja ohtlik seisund. “Tõuke” annab mis tahes perioodiline jõud, mida masin tekitab normaalse töö käigus - tasakaalutus, joondusvigavõi blade-pass jõud nende seas. Kui ühe neist jõududest sagedus langeb kokku rootori, vundamendi, tugikonstruktsiooni või kinnitatud torustiku omaloomingulise sagedusega, võivad tagajärjed olla tõsised:
- Äärmiselt kõrge vibratsioonitase: amplituudid võivad võimenduda kümme, viiskümmend või isegi sadu kordi, sõltuvalt sellest, kui vähe on summutus.
- Kõrge dünaamiline koormus: suured läbipainded põhjustavad komponentidele tohutut tsüklilist pinget, mis viib kiireid väsimus.
- Katastroofiline rike: resonants võib tekitada pragunenud võllid, ebaõnnestunud laagrid, katkised keevisõmblused ja täielik konstruktsioonirike märkimisväärselt lühikese aja jooksul.
- Liigne müra: kõrge vibratsioon kiirgab valju, sageli tonaalse müra kujul.
Eriline ja eriti oluline juhtum on kriitiline kiirus - rootori pöörlemiskiirus, mille puhul pöörlemiskiiruse (1×) erutus langeb kokku rootori loodussagedusega. Masinad on teadlikult konstrueeritud nii, et nad ei liigu oma kriitilistest pöörlemiskiirustest ja läbivad need kiiresti sisselülitamisel ja väljalülitamisel.
4. Resonantsi sümptomid ja tuvastamine
Resonantsil on kindel kogum sümptomeid, mis aitavad diagnoosimisel ja eristavad seda lihtsast sundvibratsioon probleem nagu tavaline tasakaalustamatus:
- Väga suunatud vibratsioon: vibratsioon on tavaliselt ühes suunas - sageli horisontaalses - palju suurem kui teistes suundades, sest konstruktsiooni jäikus on suundade kaupa erinev.
- Vibratsiooni järsk tipp võrreldes kiirusega: vibratsioon on kõrge ainult kitsas kiirusvahemikus; kui masin kiirendab või aeglustab selle punkti ületamisel, väheneb amplituud järsult.
- 180-kraadine faasinihe: kui kiirus läbib resonantssageduse, siis on faas vibratsioon nihkub 180 kraadi võrra. See faasipöördumine on lõplik kinnitus resonantsi olemasolule.
- Raske tasakaalustada: resonantsil töötava rootori tasakaalustamise katse on sageli ebaefektiivne või võib olukorda halvendada - nõutavad korrigeerimiskaalud tulevad ebatavaliselt suured või väikesed ja vibratsioon võib lihtsalt liikuda teise kohta.
Resonantsi kinnitatakse eksperimentaalselt kahel teineteist täiendaval viisil. A põrutuskatse (löökkatse) ergutab paigalolevat struktuuri, et tuua otse esile selle omalaadsed sagedused. Teise võimalusena võib run-up või Rannikualune test salvestab amplituudi ja faasi, kui masin läbib arvatavat resonantsi, kusjuures amplituudi tipp ja 180-kraadine faasinihkega on kujutatud joonisel Bode'i graafik.
5. Kuidas lahendada resonantsi probleem
Kuna resonants on põhimõtteliselt sageduse sobitamise probleem, on iga lahendus seotud kas “tõukejõu” või “tõukuri” sageduse muutmisega või energia kiirema hajutamisega:
- Muutke sundsagedust. Tavaliselt tähendab see masina töökiiruse muutmist. See on lihtsaim lahendus, kui protsess seda võimaldab, ja muutuva kiirusega ajamite puhul saab keelatud kiiruse vahemiku välja programmeerida.
- Muutke loodussagedust. See on kõige levinum lahendus.
- aadressile suurendama loodussagedus, suurendage jäikust resoneeriva komponendi - näiteks lisades tugi või klambri.
- aadressile vähenemine loodussagedus, kas vähendada jäikust või lisa massi komponendile.
- Lisage summutus. Kui kumbagi sagedust ei ole võimalik liigutada, vähendab summutamise lisamine - viskoelastiline töötlus või spetsiaalsed summutid - resonantspiigi kõrgust vastuvõetavale tasemele. Lisandunud summutusest saadavat kasu saab kvantifitseerida, kasutades Summutussuhte kalkulaator.
Tasub märkida, et tugisüsteemi hõlmav resonants - struktuuriline resonants või nõrk aluse jäikus - on sagedane süüdlane ja seda käsitletakse samamoodi, jäigastades, lisades massi või summutades rikkuva osa.
6. Resonants ja väljade tasakaalustamine
Seos resonantsi ja tasakaalustamise vahel on praktiline lõks, mida tasub vältida. Kuna resonantsi lähedal töötav rootor annab eksitavaid, ebastabiilseid amplituudi ja faasi näitusid, tuleb enne tasakaalustamist veenduda, et masin ei tööta resonantsil. Kohapeal on see lihtne teha kaasaskantava kahe kanaliga analüsaatoriga, nagu näiteks Balanset-1A: selle üles- ja mahajooksu mõõtmine mõõdab amplituudi ja faasi kogu kiirusvahemikus, paljastades kõik resonantspiigid ja 180-kraadise faasinihke, samas kui selle lasertahomeeter annab faasireferentsi. Kui on kindlaks tehtud, et masin töötab mugavalt eemal resonantsist, arvutab sama seade paranduskaalud ja kontrollib tulemust vastavate väärtuste suhtes. tasakaalustamine tolerantsus - samas kui parandamise püüdmine resonantsi puhul ajab ainult sümptomit taga.
