1. Apa Itu Resonansi?

Sebagian besar struktur dan mesin mengalami osilasi alami, dan oleh karena itu gaya eksternal periodik yang bekerja padanya dapat menyebabkan resonansi. Resonansi sering disebut sebagai osilasi pada frekuensi alami atau pada frekuensi kritis. Resonansi adalah fenomena peningkatan tajam pada amplitudo osilasi paksa., Hal ini terjadi ketika frekuensi eksitasi eksternal mendekati frekuensi resonansi yang ditentukan oleh sifat-sifat sistem. Peningkatan amplitudo osilasi hanyalah konsekuensi dari resonansi — penyebabnya adalah kesamaan frekuensi eksternal (eksitasi) dengan frekuensi internal (alami) dari sistem yang bergetar (rotor-bantalan).

Resonansi adalah fenomena di mana pada frekuensi tertentu dari gaya eksitasi, sistem yang bergetar menjadi sangat responsif terhadap aksi gaya tersebut. Parameter sistem seperti kekakuan rendah dan/atau redaman lemah, yang bekerja pada mesin rotor pada frekuensi resonansi, dapat menyebabkan terjadinya resonansi. Resonansi tidak selalu menyebabkan kerusakan mesin atau kegagalan komponen, kecuali jika cacat pada mesin menyebabkan getaran, atau ketika mesin yang terpasang di dekatnya "menginduksi" getaran pada frekuensi yang sama dengan frekuensi alami.

Hal ini dapat dibandingkan dengan osilasi lonceng atau drum. Dalam kasus lonceng (Gambar 1), semua energinya berbentuk potensial ketika diam dan berada di titik tertinggi lintasannya, dan saat melewati titik terendah dengan kecepatan maksimum, energi tersebut berubah menjadi energi kinetik. Energi potensial berbanding lurus dengan massa lonceng dan ketinggian pengangkatan relatif terhadap titik terendah; energi kinetik berbanding lurus dengan massa dan kuadrat kecepatan pada titik pengukuran. Artinya, jika Anda memukul lonceng, lonceng tersebut akan beresonansi pada frekuensi tertentu (atau beberapa frekuensi). Jika dalam keadaan diam, lonceng tersebut tidak akan berosilasi pada frekuensi resonansi.

Resonansi adalah sifat mesin, baik saat mesin beroperasi maupun tidak. Perlu dicatat bahwa kekakuan dinamis poros saat mesin berputar dapat berbeda secara signifikan dari kekakuan statis saat mesin berhenti, sedangkan resonansi hanya berubah secara tidak signifikan.

Terdapat aturan baku, berdasarkan pengalaman praktis, yang menyatakan bahwa Frekuensi resonansi yang diukur selama penghentian mesin (coastdown) kira-kira 20 persen lebih rendah daripada frekuensi getaran paksa.. Frekuensi resonansi dari masing-masing rakitan dan bagian mesin — seperti poros, rotor, selubung, dan fondasi — adalah osilasi pada frekuensi alaminya.

Setelah pemasangan mesin, frekuensi resonansi dapat berubah nilainya karena perubahan parameter sistem (massa, kekakuan, dan redaman), yang setelah menghubungkan semua mekanisme mesin menjadi satu unit dapat meningkat atau menurun. Selain itu, kekakuan dinamis, seperti yang disebutkan di atas, dapat menggeser frekuensi resonansi ketika mesin beroperasi pada kecepatan putaran nominal. Sebagian besar mesin dirancang sedemikian rupa sehingga rotor tidak memiliki frekuensi alami yang sama dengan poros. Mesin yang terdiri dari satu atau dua mekanisme seharusnya tidak dioperasikan pada frekuensi resonansi. Namun, dengan keausan dan perubahan celah, frekuensi alami sangat sering bergeser ke arah kecepatan putaran operasi, menyebabkan resonansi.

Kemunculan tiba-tiba osilasi pada frekuensi cacat—seperti sambungan yang longgar atau kesalahan lainnya—dapat menyebabkan mesin bergetar pada frekuensi resonansinya. Dalam hal ini, getaran mesin akan meningkat dari tingkat yang dapat diterima menjadi tingkat yang tidak dapat diterima jika osilasi tersebut disebabkan oleh resonansi rakitan atau elemen mesin.

2. Resonansi Selama Proses Mulai dan Mati (Gambar 2)

Resonansi dapat diamati selama proses penyalaan mesin, ketika mesin melewati frekuensi resonansi (Gambar 2). Seiring peningkatan kecepatan putaran, amplitudo akan tumbuh hingga mencapai nilai maksimumnya pada frekuensi resonansi (n)._res) dan menurun setelah melewatinya. Ketika rotor melewati resonansi, maka Fase getaran berubah sebesar 180 derajat. Pada resonansi, osilasi sistem bergeser fase sebesar 90 derajat relatif terhadap osilasi gaya eksitasi.

Pergeseran fasa 180 derajat seringkali hanya diamati pada rotor yang memiliki bidang koreksi tunggal (Gambar 3, kiri). Sistem "poros/bantalan rotor" yang lebih kompleks (Gambar 3, kanan) memiliki pergeseran fasa yang berada dalam kisaran 160° hingga 180°. Setiap kali seorang spesialis analisis getaran mengamati amplitudo osilasi yang tinggi, mereka harus berasumsi bahwa peningkatan amplitudo tersebut hingga tingkat yang tidak dapat diterima mungkin terkait dengan resonansi sistem.

3. Konfigurasi Rotor (Gambar 3)

Perilaku getaran rotor sangat bergantung pada geometrinya dan bagaimana rotor tersebut ditopang. Rotor sederhana dengan bidang koreksi tunggal (cakram yang menggantung) menunjukkan pergeseran fasa 180° yang bersih melalui resonansi. Sistem yang lebih kompleks — seperti dua rotor yang terhubung melalui poros kardan — menunjukkan beberapa mode yang saling terkait dan pergeseran fasa dapat menyimpang dari 180° yang ideal.

4. Massa, Kekakuan, dan Peredaman (Gambar 4–7)

Massa, kekakuan, dan redaman — ini adalah tiga parameter sistem bergetar yang memengaruhi frekuensi dan meningkatkan amplitudo osilasi pada resonansi.

Massa menggambarkan sifat-sifat suatu benda dan merupakan ukuran inersianya (semakin besar massa, semakin kecil percepatan yang diperolehnya di bawah pengaruh gaya periodik), yang menyebabkan osilasinya.

Kekakuan adalah sifat sistem yang melawan gaya inersia yang timbul sebagai akibat dari gaya massa.

Pembasahan adalah sifat sistem yang mengurangi energi osilasi dengan mengubahnya menjadi energi termal akibat gesekan dalam sistem mekanik.

di mana f_n — frekuensi alami, k — kekakuan, m — massa, ζ — rasio redaman, Q — faktor kualitas (amplifikasi pada resonansi), A_res — amplitudo resonansi, F₀ — amplitudo gaya eksitasi.

Untuk mengurangi resonansi, parameter sistem dipilih sedemikian rupa sehingga frekuensi resonansinya berada sejauh mungkin dari frekuensi eksitasi eksternal yang mungkin terjadi. Dalam praktiknya, yang disebut peredam getaran dinamis, atau damper, digunakan untuk tujuan ini.

Simulator interaktif di bawah ini (menggantikan Gambar 4–7 statis dari artikel asli) menunjukkan Karakteristik Amplitudo-Frekuensi (AFC) dari sistem getaran sederhana yang terdiri dari massa, pegas, dan peredam. Sesuaikan parameter untuk mengamati efek ini secara real time:

Analogi dapat dibuat dengan senar gitar. Semakin kencang Anda menarik senar gitar (semakin kaku), semakin tinggi nada (frekuensi resonansi) yang dihasilkan — hingga senar putus. Jika Anda menggunakan senar yang paling tebal (massa lebih besar), nada yang dihasilkan akan lebih rendah.

5. Mengukur Resonansi (Gambar 8)

Salah satu metode yang paling umum untuk mengukur frekuensi resonansi suatu struktur adalah dengan eksitasi tumbukan menggunakan palu yang dilengkapi instrumen.

Dampak pada struktur, dalam bentuk benturan masukan, membangkitkan gaya pengganggu kecil pada rentang frekuensi tertentu. Osilasi yang dihasilkan oleh benturan tersebut mewakili proses transfer energi sementara dan berdurasi pendek. Spektrum gaya benturan bersifat kontinu, dengan amplitudo maksimum pada 0 Hz dan kemudian menurun seiring peningkatan frekuensi.

Durasi benturan dan bentuk spektrum selama eksitasi benturan ditentukan oleh massa dan kekakuan palu benturan serta struktur mesin. Saat menggunakan palu yang relatif kecil pada struktur yang keras, kekakuan ujung palu menentukan spektrumnya. Ujung palu berfungsi sebagai filter mekanis. Dengan memilih kekakuan ujung palu, seseorang dapat memilih rentang frekuensi yang ingin diteliti.

Saat menggunakan teknik pengukuran ini, sangat penting untuk memukul titik-titik yang berbeda pada struktur, karena tidak semua frekuensi resonansi selalu dapat diukur dengan memukul dan mengukur pada satu titik yang sama. Saat menentukan resonansi mesin, kedua titik — titik tumbukan dan titik pengukuran — harus diverifikasi (diuji).

Jika palu memiliki ujung yang lunak, sebagian besar energi keluaran akan membangkitkan osilasi pada frekuensi rendah. Palu dengan ujung yang keras menghasilkan sedikit energi pada frekuensi tertentu, kecuali energi keluarannya akan membangkitkan osilasi pada frekuensi tinggi. Respons terhadap pukulan palu dapat diukur dengan penganalisis saluran tunggal, asalkan mesin dihentikan dan diputus sambungannya.

6. Karakteristik Amplitudo–Fase Frekuensi — APFC (Gambar 9)

Resonansi mesin dapat ditentukan menggunakan penganalisis saluran tunggal sebagai peningkatan amplitudo osilasi pada frekuensi resonansi dan dengan perubahan fase 180 derajat saat melewati resonansi — jika amplitudo dan fase osilasi diukur pada frekuensi rotasi selama pengoperasian awal (run-up) atau penghentian (coastdown) mesin. Karakteristik yang dibangun berdasarkan pengukuran ini disebut Karakteristik Frekuensi Fase-Amplitudo (APFC).

Analisis APFC (Gambar 9) memungkinkan spesialis analisis getaran untuk mengidentifikasi frekuensi resonansi rotor.

Jika fase tidak berubah saat melewati resonansi yang dicurigai, maka peningkatan amplitudo mungkin terkait dengan eksitasi acak dan bukan resonansi rotor. Dalam kasus seperti itu, selain pengukuran getaran selama proses lepas landas/perlahan, disarankan untuk melakukan "uji benturan".

Saat menggunakan penganalisis getaran multi-saluran, resonansi suatu struktur dapat ditentukan dengan sangat akurat dengan mengukur sinyal input dan output dari sistem secara bersamaan, sambil mengontrol fase getaran dan koherensi yang dikumpulkan selama periode waktu yang sama. Koherensi adalah fungsi dua saluran yang digunakan untuk mengevaluasi tingkat linearitas antara sinyal input dan output sistem. Ini berarti bahwa frekuensi resonansi dapat diidentifikasi secara signifikan lebih cepat.

7. Beberapa Pertimbangan Mengenai Resonansi Mesin

Perlu diperhatikan analisis berbagai jenis mesin dan mode operasinya, yang dapat mempersulit pengujian resonansi:

Karena perbedaan kekakuan struktural pada arah horizontal dan vertikal, frekuensi resonansi akan berbeda tergantung pada arahnya. Oleh karena itu, resonansi mungkin paling kuat terwujud pada arah tertentu.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, frekuensi resonansi berbeda ketika mesin beroperasi dibandingkan ketika mesin berhenti (dimatikan). Peralatan vertikal, pada umumnya, menimbulkan banyak kekhawatiran, karena selama pengoperasian peralatan tersebut selalu terjadi resonansi yang terjadi selama pengoperasian motor listrik yang dipasang secara kantilever.

Beberapa mesin memiliki massa yang besar, dan oleh karena itu tidak dapat digerakkan dengan palu — metode penggerakan alternatif diperlukan untuk menentukan frekuensi resonansi sebenarnya. Terkadang, pada mesin yang sangat besar, digunakan vibrator yang disetel ke rentang frekuensi tertentu, karena vibrator memiliki kemampuan untuk memberikan sejumlah besar energi pada setiap frekuensi individual saat berosilasi.

Dan satu pertimbangan terakhir — sebelum melakukan pengujian resonansi, sangat berguna untuk terlebih dahulu mengukur tingkat getaran latar belakang (respons terhadap eksitasi acak dari lingkungan sekitar). Ini akan membantu mencegah kesalahan dalam menentukan diagnosis (resonansi sistem) berdasarkan amplitudo osilasi maksimum pada frekuensi tertentu di atas tingkat latar belakang.

8. Ringkasan

Pada artikel ini kita membahas pengaruh frekuensi resonansi terhadap getaran mesin. Semua struktur dan mesin memiliki frekuensi resonansi, tetapi resonansi tidak memengaruhi mesin jika tidak ada frekuensi yang membangkitkannya. Jika getaran mesin dibangkitkan oleh frekuensi alaminya sendiri, maka ada tiga pilihan untuk menggeser sistem dari resonansi:

Opsi 1. Geser frekuensi gaya pengganggu menjauh dari frekuensi resonansi.

Opsi 2. Geser frekuensi resonansi menjauh dari frekuensi gaya pengganggu.

Opsi 3. Tingkatkan redaman sistem untuk mengurangi faktor amplifikasi resonansi.

Opsi 2 dan 3 biasanya memerlukan beberapa modifikasi struktural yang tidak dapat dilakukan kecuali analisis modal dan/atau studi elemen hingga telah dilakukan pada struktur tersebut.