۱. رزونانس چیست؟

بیشتر سازه‌ها و ماشین‌ها دچار نوسانات طبیعی می‌شوند و بنابراین نیروهای خارجی دوره‌ای که بر آنها وارد می‌شوند می‌توانند باعث رزونانس شوند. رزونانس اغلب به نوساناتی در فرکانس طبیعی یا در فرکانس بحرانی گفته می‌شود. تشدید پدیده‌ای است که در آن دامنه نوسانات اجباری به شدت افزایش می‌یابد., ، که زمانی رخ می‌دهد که فرکانس تحریک خارجی به فرکانس‌های رزونانس تعیین‌شده توسط خواص سیستم نزدیک شود. افزایش دامنه نوسان تنها نتیجه رزونانس است - علت آن همزمانی فرکانس خارجی (تحریک) با فرکانس داخلی (طبیعی) سیستم ارتعاشی (یاتاقان روتور) است.

رزونانس پدیده‌ای است که در آن در فرکانس خاصی از نیروی تحریک، سیستم ارتعاشی به طور خاص به عملکرد آن نیرو واکنش نشان می‌دهد. پارامترهای سیستم مانند سختی کم و/یا میرایی ضعیف، که در فرکانس رزونانس بر روی دستگاه روتور عمل می‌کنند، می‌توانند منجر به وقوع رزونانس شوند. رزونانس لزوماً منجر به خرابی دستگاه یا خرابی قطعات نمی‌شود، مگر زمانی که نقص در دستگاه باعث ارتعاش شود، یا زمانی که یک دستگاه نصب شده در نزدیکی، ارتعاشی با فرکانس مشابه فرکانس‌های طبیعی "القا" کند.

این با نوسانات یک زنگوله یا طبل قابل مقایسه است. در مورد زنگوله (شکل 1)، تمام انرژی آن در حالت سکون و در بالاترین نقاط مسیرش به صورت پتانسیل است و با عبور از پایین‌ترین نقطه با حداکثر سرعت، انرژی به جنبشی تبدیل می‌شود. انرژی پتانسیل متناسب با جرم زنگوله و ارتفاع بالابری نسبت به پایین‌ترین نقطه است؛ انرژی جنبشی متناسب با جرم و مجذور سرعت در نقطه اندازه‌گیری است. یعنی اگر به زنگوله ضربه بزنید، در یک فرکانس (یا فرکانس‌های) خاص طنین‌انداز می‌شود. اگر در حالت سکون باشد، در فرکانس رزونانس نوسان نخواهد کرد.

رزونانس یک خاصیت ماشین است، چه در حال کار باشد و چه نباشد. باید توجه داشت که سختی دینامیکی شفت هنگام چرخش ماشین می‌تواند تفاوت قابل توجهی با سختی استاتیک هنگام توقف ماشین داشته باشد، در حالی که رزونانس فقط به طور ناچیزی تغییر می‌کند.

یک قانون ثابت شده وجود دارد که بر اساس تجربه عملی بنا شده است و می‌گوید که فرکانس‌های رزونانس اندازه‌گیری شده در طول خاموش شدن دستگاه (به سمت ساحل) تقریباً 20 درصد کمتر از فرکانس‌های ارتعاش اجباری هستند. فرکانس‌های رزونانس مجموعه‌ها و قطعات ماشین‌های مجزا - مانند شفت، روتور، محفظه و فونداسیون - نوساناتی در فرکانس‌های طبیعی آنها هستند.

پس از نصب دستگاه، فرکانس‌های رزونانس ممکن است به دلیل تغییرات در پارامترهای سیستم (جرم، سختی و میرایی) مقادیر خود را تغییر دهند، که پس از اتصال تمام مکانیسم‌های دستگاه به یک واحد واحد، ممکن است افزایش یا کاهش یابد. علاوه بر این، سختی دینامیکی، همانطور که در بالا ذکر شد، می‌تواند فرکانس‌های رزونانس را هنگامی که ماشین‌ها با سرعت چرخش اسمی کار می‌کنند، تغییر دهد. اکثر ماشین‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که روتور فرکانس طبیعی یکسانی با شفت نداشته باشد. ماشینی که از یک یا دو مکانیسم تشکیل شده است، نباید در فرکانس رزونانس کار کند. با این حال، با سایش و تغییر در فاصله‌ها، فرکانس طبیعی اغلب به سمت سرعت چرخش عملیاتی تغییر می‌کند و باعث رزونانس می‌شود.

ظهور ناگهانی نوسانات در فرکانس نقص - مانند شل شدن اتصالات یا سایر عیوب - می‌تواند باعث شود دستگاه در فرکانس رزونانس خود ارتعاش کند. در این حالت، اگر نوسانات ناشی از رزونانس مجموعه‌ها یا عناصر دستگاه باشند، ارتعاش دستگاه از سطح قابل قبول به سطح غیرقابل قبول افزایش می‌یابد.

۲. رزونانس در هنگام روشن و خاموش شدن (شکل ۲)

رزونانس را می‌توان در هنگام راه‌اندازی دستگاه، زمانی که از فرکانس رزونانس عبور می‌کند (شکل 2) مشاهده کرد. با افزایش سرعت چرخش، دامنه در فرکانس رزونانس (n) به حداکثر مقدار خود می‌رسد._رس) و پس از عبور از آن کاهش می‌یابد. هنگامی که روتور از رزونانس عبور می‌کند، فاز ارتعاش ۱۸۰ درجه تغییر می‌کند. در حالت تشدید، نوسانات سیستم نسبت به نوسانات نیروی تحریک، ۹۰ درجه تغییر فاز می‌دهند.

تغییر فاز ۱۸۰ درجه‌ای اغلب فقط در روتورهایی مشاهده می‌شود که دارای یک صفحه اصلاح واحد هستند (شکل ۳، سمت چپ). سیستم‌های پیچیده‌تر "شفت/یاتاقان روتور" (شکل ۳، سمت راست) دارای تغییر فازی هستند که در محدوده ۱۶۰ تا ۱۸۰ درجه قرار دارد. هر زمان که یک متخصص تحلیل ارتعاش دامنه نوسان بالایی را مشاهده کند، باید فرض کند که افزایش آن به سطح غیرقابل قبول ممکن است مربوط به رزونانس سیستم باشد.

۳. پیکربندی‌های روتور (شکل ۳)

رفتار ارتعاشی یک روتور به شدت به هندسه و نحوه پشتیبانی آن بستگی دارد. یک روتور ساده با یک صفحه اصلاح واحد (یک دیسک آویزان) یک تغییر فاز 180 درجه‌ای واضح را از طریق رزونانس نشان می‌دهد. یک سیستم پیچیده‌تر - مانند دو روتور متصل از طریق یک شفت کاردان - حالت‌های کوپل شده متعددی را نشان می‌دهد و تغییر فاز ممکن است از 180 درجه ایده‌آل منحرف شود.

۴. جرم، سختی و میرایی (شکل‌های ۴ تا ۷)

جرم، سختی و میرایی - این سه پارامتر سیستم ارتعاشی هستند که بر فرکانس تأثیر می‌گذارند و دامنه نوسانات را در حالت تشدید افزایش می‌دهند.

توده خواص جسم را مشخص می‌کند و معیاری از اینرسی آن است (هرچه جرم بیشتر باشد، شتاب کمتری تحت تأثیر نیروی تناوبی به دست می‌آورد) که باعث نوسانات آن می‌شود.

سفتی خاصیتی از سیستم است که در مقابل نیروهای اینرسی ناشی از نیروهای جرمی مقاومت می‌کند.

میرایی خاصیتی از سیستم است که انرژی نوسانات را با تبدیل آن به انرژی حرارتی ناشی از اصطکاک در سیستم مکانیکی کاهش می‌دهد.

جایی که ف_n — فرکانس طبیعی، k — سختی، m — جرم، ζ — نسبت میرایی، Q — ضریب کیفیت (تقویت در رزونانس)، A_رس — دامنه رزونانس، F₀ - دامنه نیروی تحریک.

برای کاهش رزونانس، پارامترهای سیستم به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که فرکانس‌های رزونانس آن تا حد امکان از فرکانس‌های تحریک خارجی احتمالی دور باشند. در عمل، برای این منظور از جاذب‌های ارتعاش دینامیکی یا میراگرها استفاده می‌شود.

شبیه‌ساز تعاملی زیر (که جایگزین شکل‌های استاتیک ۴ تا ۷ از مقاله اصلی شده است) مشخصه دامنه-فرکانس (AFC) یک سیستم ارتعاشی ساده متشکل از جرم، فنر و میراگر را نشان می‌دهد. پارامترها را تنظیم کنید تا این اثرات را در زمان واقعی مشاهده کنید:

می‌توان با سیم گیتار قیاسی انجام داد. هر چه سیم گیتار را محکم‌تر بکشید (سفتی بیشتر)، تُن (فرکانس رزونانس) زیرتر می‌شود - تا زمانی که سیم پاره شود. اگر از ضخیم‌ترین سیم (جرم بیشتر) استفاده کنید، تُنی که تولید می‌کند بم‌تر خواهد بود.

۵. اندازه‌گیری رزونانس (شکل ۸)

یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری فرکانس تشدید یک سازه، تحریک ضربه‌ای با استفاده از یک چکش ابزار دقیق است.

ضربه به سازه، به شکل یک ضربه ورودی، نیروهای مزاحم کوچکی را در محدوده فرکانسی مشخصی تحریک می‌کند. نوسانات ایجاد شده توسط ضربه، یک فرآیند انتقال انرژی گذرا و کوتاه مدت را نشان می‌دهند. طیف نیروی ضربه پیوسته است و حداکثر دامنه آن در 0 هرتز است و با افزایش فرکانس، کاهش می‌یابد.

مدت زمان ضربه و شکل طیف در طول تحریک ضربه توسط جرم و سختی چکش ضربه و سازه دستگاه تعیین می‌شود. هنگام استفاده از یک چکش نسبتاً کوچک بر روی یک سازه سخت، سختی نوک چکش طیف را تعیین می‌کند. نوک چکش به عنوان یک فیلتر مکانیکی عمل می‌کند. با انتخاب سختی نوک چکش، می‌توان محدوده فرکانسی مورد بررسی را انتخاب کرد.

هنگام استفاده از این تکنیک اندازه‌گیری، ضربه زدن به نقاط مختلف سازه بسیار مهم است، زیرا همه فرکانس‌های رزونانس را نمی‌توان همیشه با ضربه زدن و اندازه‌گیری در یک نقطه اندازه‌گیری کرد. هنگام تعیین رزونانس دستگاه، هر دو نقطه - نقطه ضربه و نقطه اندازه‌گیری - باید تأیید (آزمایش) شوند.

اگر چکش نوک نرمی داشته باشد، مقدار اصلی انرژی خروجی، نوساناتی را در فرکانس‌های پایین تحریک می‌کند. چکشی با نوک سخت، انرژی کمی را در هر فرکانس خاص ارائه می‌دهد، به جز اینکه انرژی خروجی آن نوساناتی را در فرکانس‌های بالا تحریک می‌کند. پاسخ به ضربه چکش را می‌توان با یک آنالیزور تک کاناله اندازه‌گیری کرد، مشروط بر اینکه دستگاه متوقف و از برق جدا شده باشد.

۶. مشخصه دامنه-فاز-فرکانس — APFC (شکل ۹)

رزونانس ماشین را می‌توان با استفاده از یک آنالیزور تک کاناله به صورت افزایش دامنه نوسان در فرکانس رزونانس و با تغییر فاز ۱۸۰ درجه‌ای هنگام عبور از رزونانس تعیین کرد - اگر دامنه و فاز نوسانات در فرکانس چرخش در هنگام راه‌اندازی (راه‌اندازی) یا خاموش شدن (کاهش سرعت) ماشین اندازه‌گیری شوند. مشخصه ساخته شده بر اساس این اندازه‌گیری‌ها، نامیده می‌شود. مشخصه دامنه-فاز-فرکانس (APFC).

تحلیل APFC (شکل 9) به متخصص تحلیل ارتعاش اجازه می‌دهد تا فرکانس‌های رزونانس روتور را شناسایی کند.

اگر فاز هنگام عبور از یک رزونانس مشکوک تغییر نکند، افزایش دامنه ممکن است مربوط به تحریک تصادفی باشد و رزونانس روتور نباشد. در چنین مواردی، علاوه بر اندازه‌گیری‌های ارتعاش در هنگام بالا آمدن/پایین آمدن، انجام "آزمایش ضربه" توصیه می‌شود.

هنگام استفاده از یک آنالیزور ارتعاش چند کاناله، می‌توان با اندازه‌گیری همزمان سیگنال‌های ورودی و خروجی از سیستم، رزونانس یک سازه را با دقت بالایی تعیین کرد، در حالی که فاز ارتعاش و انسجام جمع‌آوری‌شده در همان دوره زمانی را کنترل می‌کند. انسجام یک تابع دو کاناله است که برای ارزیابی درجه خطی بودن بین سیگنال‌های ورودی و خروجی سیستم استفاده می‌شود. این بدان معناست که فرکانس‌های رزونانس را می‌توان به طور قابل توجهی سریع‌تر شناسایی کرد.

۷. برخی ملاحظات در مورد رزونانس ماشین

باید به تجزیه و تحلیل انواع مختلف ماشین‌ها و حالت‌های عملیاتی آنها توجه شود، که ممکن است آزمایش رزونانس را پیچیده کند:

به دلیل تفاوت در سختی سازه در جهت‌های افقی و عمودی، فرکانس رزونانس بسته به جهت متفاوت خواهد بود. بنابراین، رزونانس‌ها ممکن است در یک جهت خاص قوی‌تر ظاهر شوند.

همانطور که قبلاً بحث شد، فرکانس‌های رزونانس هنگام کار دستگاه با زمانی که متوقف (خاموش) است، متفاوت است. تجهیزات عمودی، به عنوان یک قاعده، نگرانی زیادی ایجاد می‌کنند، زیرا در حین کار چنین تجهیزاتی، همیشه رزونانسی وجود دارد که در حین کار یک موتور الکتریکی نصب شده روی پایه رخ می‌دهد.

بعضی از ماشین‌ها جرم زیادی دارند و بنابراین نمی‌توان آنها را با چکش تحریک کرد - برای تعیین فرکانس‌های رزونانس واقعی، روش‌های تحریک جایگزین مورد نیاز است. گاهی اوقات، در ماشین‌های بسیار بزرگ، از ویبراتوری استفاده می‌شود که برای یک محدوده فرکانسی خاص تنظیم شده است، زیرا ویبراتور توانایی ارائه مقادیر زیادی انرژی در هر فرکانس جداگانه هنگام نوسان را دارد.

و یک نکته آخر - قبل از انجام آزمایش رزونانس، بسیار مفید است که ابتدا سطح ارتعاش زمینه (پاسخ به تحریک تصادفی از محیط اطراف) اندازه‌گیری شود. این کار به جلوگیری از خطا در تعیین تشخیص (رزونانس سیستم) بر اساس حداکثر دامنه نوسان در فرکانس خاصی بالاتر از سطح زمینه کمک می‌کند.

۸. خلاصه

در این مقاله، ما در مورد تأثیر فرکانس‌های رزونانس بر ارتعاش ماشین بحث کردیم. همه سازه‌ها و ماشین‌ها دارای فرکانس‌های رزونانس هستند، اما اگر فرکانس‌هایی وجود نداشته باشند که ماشین را تحریک کنند، رزونانس بر آن تأثیری ندارد. اگر ارتعاش ماشین توسط فرکانس طبیعی خودش تحریک شود، سه گزینه برای جدا کردن سیستم از رزونانس وجود دارد:

گزینه ۱. فرکانس نیروی مزاحم را از فرکانس رزونانس دور کنید.

گزینه ۲. فرکانس رزونانس را از فرکانس نیروی مزاحم دور کنید.

گزینه ۳. میرایی سیستم را افزایش دهید تا ضریب تقویت رزونانس کاهش یابد.

گزینه‌های ۲ و ۳ معمولاً نیازمند برخی اصلاحات سازه‌ای هستند که بدون انجام تحلیل مودال و/یا مطالعه اجزای محدود روی سازه، قابل انجام نیستند.