Itsevirittyneen värähtelyn ymmärtäminen

1. Määritelmä: Mitä on itsevirittyvä värähtely?

Itsevirittyvä värähtely (tunnetaan myös itse aiheutettuna tai epävakaana värähtelynä) on erityisen vaarallinen värähtelytyyppi, jossa järjestelmän liike aiheuttaa voimia, jotka puolestaan ylläpitävät tai vahvistavat kyseistä liikettä. Tämä luo takaisinkytkentäsilmukan, jossa värähtelyn amplitudi voi kasvaa, joskus katastrofaaliselle tasolle, ilman vastaavaa ulkoisen pakotetaajuuden kasvua.

Tämä on perustavanlaatuisesti erilainen kuin pakotettu värähtely, kuten epätasapaino tai virheasento, jossa värähtely on suora vaste tiettyyn, jaksolliseen syötteeseen (pakotteen taajuus). Itsevirittyneessä järjestelmässä värähtely luo oman liikkeellepanevansa voiman.

2. Palautemekanismi

Itsevirittyneen värähtelyn mekanismi voidaan tiivistää seuraavasti:

1. Järjestelmä (esim. laakerissa oleva roottori) on liikkeessä.
2. Pieni, satunnainen häiriö aiheuttaa pienen siirtymän tai nopeuden muutoksen.
3. Tämä liikkeen muutos muuttaa järjestelmään vaikuttavia voimia (esim. laakerin nesteen painetta tai työkalun leikkausvoimaa).
4. Ratkaisevasti tämä muuttunut voima toimii tavalla, joka *lisää energiaa* järjestelmään ja työntää komponenttia edelleen suuntaan, johon se jo oli menossa.
5. Tämä lisääntynyt liike tuottaa vielä suuremman voiman, joka lisää energiaa, ja niin edelleen.

Tämä takaisinkytkentäsilmukka saa värähtelyn kasvamaan, kunnes se joko rajoittuu järjestelmän epälineaarisuuksiin (kuten äkilliseen pysähdykseen) tai se johtaa vikaantumiseen.

3. Yleisiä esimerkkejä itsevirittyneestä värähtelystä

Useat konediagnostiikassa tunnetut ilmiöt ovat klassisia esimerkkejä itsevirittyneestä värähtelystä:

• Öljypyörre ja öljyvatka: Yleisimmät esimerkit pyörivissä koneissa. Fluidikalvolaakerissa pyörivä akseli luo öljykiilan. Häiriö voi saada itse öljykiilan pyörimään (pyörtymään) laakerin ympäri. Tämän pyörivän kiilan paine työntää akselia, mikä lisää pyörteeseen energiaa. Tuloksena oleva värähtely ei ole käyntinopeudella, vaan alisynkronisella taajuudella (tyypillisesti 0,42–0,48X juoksunopeus).
• Värinä koneistuksessa: Metallinleikkauksessa (sorvauksessa tai jyrsinnässä) tärinää syntyy, kun leikkaustyökalu alkaa värähdellä. Tämä värähtely aiheuttaa lastun paksuuden vaihtelua. Vaihteleva lastun paksuus puolestaan aiheuttaa leikkausvoiman vaihtelun, ja tämä vaihteleva voima voi pumpata energiaa takaisin työkalun värähtelyyn, jolloin se voi kasvaa voimakkaaksi tärinäksi.
• Aerodynaaminen lepatus: Lentokoneen siiven värähtely, jossa siiven taivutus- ja kiertymisliike muuttaa sen aerodynaamista profiilia. Tämä profiilin muutos muuttaa ilmanpainetta tavalla, joka lisää energiaa siiven liikkeeseen ja johtaa hallitsemattomana katastrofaaliseen vikaantumiseen.
• Roottorin hieronnat: Tilanne, jossa roottori koskettaa paikallaan pysyvää osaa. Hankauksen aiheuttama kitka voi lämmittää roottoria, jolloin se taipuu. Tämä taipuminen lisää hankausvoimaa, mikä lisää lämpöä ja taipumista luoden takaisinkytkentäsilmukan, joka voi johtaa kiinnileikkautumiseen.

4. Keskeiset ominaisuudet ja diagnoosi

Itsevirittyneillä värähtelyillä on usein selkeät ominaisuudet FFT-spektri:

• Epäsynkroniset taajuudet: Tärinä ei tyypillisesti ole ajonopeuden kokonaislukumonikerta tai harmoninen. Se esiintyy usein aliaksoninen taajuus.
• Epävakaus: Amplitudi voi olla erittäin epävakaa ja kasvaa nopeasti pienillä muutoksilla käyttöolosuhteissa (nopeus, lämpötila, kuormitus).
• Äkillinen alkaminen: Tärinää ei välttämättä esiinny lainkaan, ennen kuin kone ylittää tietyn nopeus- tai kuormituskynnyksen, jolloin se voi ilmetä äkillisesti ja suurella amplitudilla.

Itsevirittyneen värähtelyn diagnosointiin kuuluu näiden tyypillisten epäsynkronisten huippujen tunnistaminen ja niiden fyysisten mekanismien ymmärtäminen, jotka voivat aiheuttaa tällaisen epävakauden kyseisessä koneessa.

← Takaisin päähakemistoon