Pakotetun värähtelyn ymmärtäminen
Määritelmä: Mikä on pakotettu värähtely?
Pakotettu tärinä on värähtelyliike, jonka aiheuttaa mekaaniseen järjestelmään kohdistettu ulkoinen jaksollinen voima. Värähtely tapahtuu kohdistetun voiman taajuudella (pakotteen taajuus), ja amplitudi on verrannollinen pakottavan funktion suuruuteen ja kääntäen verrannollinen järjestelmän liikevastukseen kyseisellä taajuudella. Useimmat tärinä pyörivissä koneissa on pakotettua värähtelyä, ja yleisiä pakottavia lähteitä ovat mm. epätasapaino (pyörivä keskipakoisvoima), virheasento (kytkentävoimat) ja aerodynaamiset/hydrauliset pulssit.
Pakotettu värähtely on perustavanlaatuisesti erilainen kuin itsevirittyvä värähtely (jossa järjestelmä tuottaa oman jatkuvan värähtelynsä) ja vapaan värähtelyn (ohimenevä vaste impulssin jälkeen). Pakotetun värähtelyn periaatteiden ymmärtäminen on olennaista, koska se selittää, miten värähtelyn amplitudi liittyy vian vakavuuteen ja miten värähtelyä voidaan hallita vähentämällä pakottamista tai muokkaamalla järjestelmän vastetta.
Pakotetun värähtelyn ominaisuudet
Taajuussovitus
- Värähtelytaajuus on yhtä suuri kuin pakottava taajuus
- Jos pakotetaan 30 Hz:n taajuudella, värähtely 30 Hz:n taajuudella
- Toisin kuin itsevirittyvä värähtely, joka tapahtuu luonnollisella taajuudella
- Ennustettava taajuus pakottavan lähteen perusteella
Amplitudin suhteellisuus
- Tärinän amplitudi, joka on verrannollinen pakottavan voimakkuuteen
- Kaksinkertainen voima → kaksinkertainen värähtely (lineaarinen systeemi)
- Poista pakotus → tärinä pysähtyy
- Ohjattavissa voiman vähentämisen avulla
Vaihesuhde
- Ehdoton vaihe voiman ja vasteen välinen suhde
- Vaihe riippuu taajuudesta suhteessa luonnolliseen taajuuteen
- Resonanssin alapuolella: värähtely samassa vaiheessa voiman kanssa
- Resonanssissa: 90° vaiheviive
- Yllä oleva resonanssi: 180° vaiheviive
Vakaus
- Järjestelmä on vakaa – värähtelyrajoitettu
- Ei kasva ilman rajoja
- Amplitudia rajoittaa pakottaminen ja järjestelmän vaste
- Eroaa epävakaaseen itsevirittyneeseen värähtelyyn
Yleisiä pakotusfunktioita koneissa
1. Epätasapaino (1× pakotus)
- Pakottaa: Massan epäkeskisyydestä johtuva pyörivä keskipakoisvoima
- Taajuus: Kerran kierrosta kohden (1 × akselin nopeus)
- Suuruus: F = m × r × ω² (verrannollinen nopeuteen neliöitynä)
- Yleisimmät: Ensisijainen tärinänlähde useimmissa pyörivissä laitteissa
2. Väärä kohdistus (2× pakotus)
- Pakottaa: Kulma-/suuntaissiirtymästä johtuvat kytkentävoimat
- Taajuus: Kaksi kertaa kierrosta kohden (2 × akselin nopeus)
- Ominaisuus: Suuri aksiaalinen komponentti
3. Aerodynaaminen/hydraulinen (lapa/siipi ohitus)
- Pakottaa: Terän ja staattorin vuorovaikutuksesta johtuvat painepulssit
- Taajuus: Terien lukumäärä × akselin nopeus
- Esimerkkejä: Tuulettimet, pumput, kompressorit
4. Vaihteiden verkkovoimat
- Pakottaa: Hampaiden kiinnittyminen aiheuttaa jaksottaista kuormitusta
- Taajuus: Hampaiden lukumäärä × akselin nopeus
- Suuruus: Liittyy välitettyyn vääntömomenttiin ja hampaan laatuun
5. Sähkömagneettiset voimat
- Pakottaa: Magneettikentän pulssit moottoreissa/generaattoreissa
- Taajuus: 2 × linjataajuus (120/100 Hz)
- Itsenäinen: Mekaanisesta nopeudesta (asynkroninen pakote)
Vastaus pakottamiseen: Järjestelmän käyttäytyminen
Luonnollisen taajuuden alapuolella (jäykkyyssäädelty)
- Tärinän amplitudi ≈ Voima / Jäykkyys
- Vastaus samassa vaiheessa pakottamalla
- Amplitudi kasvaa nopeuden mukana nopeudesta riippuvilla voimilla
- Tyypillinen käyttöalue useimmille jäykille roottoreille
Luonnollisella taajuudella (resonanssi)
- Tärinän amplitudi ≈ Voima / (Vaimennus × Ominaistaajuus)
- Q-kertoimella vahvistettu amplitudi (tyypillisesti 10–50×)
- 90° vaiheviive
- Pienet voimat luovat suurta värähtelyä
- Vaimennus on ainoa rajoittava tekijä
Luonnollisen taajuuden yläpuolella (massaohjattu)
- Tärinän amplitudi ≈ Voima / (Massa × Taajuus²)
- 180° vaiheviive (värähtely voiman suuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan)
- Amplitudi pienenee taajuuden kasvaessa
- Joustavien roottorien toiminta-alue kriittisten nopeuksien yläpuolella
Pakotettu tärinä vs. muut tyypit
Pakotettu vs. vapaa värähtely
- Pakko: Jatkuva pakottaminen, jatkuva värähtely pakottamisen taajuudella
- Ilmainen: Impulssivaste, värähtelyn vaimeneminen, luonnollisella taajuudella
- Esimerkki: Bump-testi tuottaa vapaata värähtelyä; käynnissä oleva kone tuottaa pakotettua värähtelyä
Pakotettu vs. itseviritetty värähtely
- Pakko: Ulkoinen voima, amplitudi verrannollinen voimaan, vakaa
- Itseinnoissaan: Sisäinen energialähde, amplitudi rajoitettu epälineaarisuuden vuoksi, epävakaa
- Esimerkkejä: Epätasapaino on pakotettu; öljypyörre on itseinnoissaan
Kontrolli ja lieventäminen
Vähennä pakottamista
- Tasapainottaminen: Vähentää epätasapainon pakottamista suoraan
- Kohdistuminen: Vähentää linjausvirheistä aiheutuvia voimia
- Korjaa viat: Korjaa voimia aiheuttavia mekaanisia ongelmia
- Tehokkain: Poista tai minimoi pakottavan aineen lähde
Muokkaa järjestelmän vastausta
- Muutosjäykkyys: Siirrä luonnolliset taajuudet pois pakottavista taajuuksista
- Lisää vaimennus: Vähennä resonanssin vahvistumista
- Muutosmassa: Muokkaa luonnollisia taajuuksia
- Eristäytyminen: Vähennä voiman siirtymistä rakenteeseen
Vältä resonanssia
- Varmista, että pakotetut taajuudet eivät vastaa luonnollisia taajuuksia
- Erotusmarginaali tyypillisesti ±20-30%
- Suunnitteluvaiheen analyysi varmentamiseksi
- Nopeusrajoitukset, jos resonanssia ei voida välttää
Käytännön merkitys
Useimmat koneiden tärinät ovat pakotettuja
- Epätasapaino, linjausvirhe, hammaspyöräkytkennät – kaikki pakotettua tärinää
- Ennustettava ja hallittavissa pakottamalla vähentäminen
- Vakiomuotoiset ylläpitotoimenpiteet (tasapainotus, yhdenmukaistaminen) osoittavat pakotuksen
Diagnostinen lähestymistapa
- Tunnista spektrin pakottava taajuus
- Yhdistä tunnettuihin pakotteisiin (1×, 2×, hammaspyöräkytkentä jne.)
- Diagnosoi pakottava lähde
- Vähennä pakottamista asianmukaisella huollolla
Pakotettu värähtely on pyörivien koneiden perustavanlaatuinen värähtelytyyppi, joka syntyy järjestelmään vaikuttavista ulkoisista jaksollisista voimista. Pakotetun värähtelyn periaatteiden – taajuuden sovituksen, amplitudin verrannollisuuden ja vasteominaisuuksien – ymmärtäminen mahdollistaa värähtelylähteiden asianmukaisen diagnosoinnin, asianmukaiset korjaavat toimenpiteet (pakotteen vähentäminen tai vasteen muokkaaminen) ja suunnittelustrategiat, jotka minimoivat värähtelyn pakotteen vähentämisen ja resonanssin välttämisen avulla.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 