Comprensione della risonanza nei sistemi meccanici

Definizione: Che cos'è la risonanza?

Risonanza è un fenomeno fisico che si verifica quando un sistema è sottoposto a una forza periodica a una frequenza che corrisponde a una delle sue frequenze naturaliQuando si verifica questo adattamento di frequenza, il sistema inizia a vibrare con ampiezze estremamente elevate. L'energia della forza di ingresso viene trasferita al sistema in modo molto efficiente, causando un aumento significativo della vibrazione. L'unico fattore che limita l'ampiezza alla risonanza è la tensione del sistema. smorzamento.

Il legame tra frequenza naturale e risonanza

Per comprendere la risonanza, è necessario prima comprendere la frequenza naturale. Ogni oggetto fisico ha un insieme di frequenze naturali alle quali vibra se disturbato. Queste sono determinate dalla sua massa e rigidità. La risonanza è ciò che accade quando si "spinge" continuamente l'oggetto esattamente alla stessa frequenza naturale.

Un'analogia classica è quella di spingere un bambino su un'altalena:

• L'altalena con il bambino sopra ha una frequenza naturale specifica, basata sulla lunghezza delle corde (rigidità) e sulla massa del bambino.
• Se si dà una sola spinta all'altalena, questa oscillerà alla sua frequenza naturale e alla fine si fermerà a causa dello smorzamento (resistenza dell'aria e attrito).
• Se sincronizzi le tue spinte in modo che corrispondano perfettamente alla frequenza naturale dello swing, ogni spinta aggiunge più energia al sistema e lo swing va sempre più in alto. Questa è risonanza.
• Se si spinge con la frequenza sbagliata (troppo velocemente o troppo lentamente), le spinte saranno fuori sincrono con il movimento dello swing e non si riuscirà a sviluppare un'ampiezza elevata.

Perché la risonanza è un problema nei macchinari?

Nelle macchine rotanti, la risonanza è una condizione altamente distruttiva e pericolosa. La "spinta" è fornita da qualsiasi forza periodica generata dal funzionamento della macchina, come sbilanciamenti, disallineamenti o forze di passaggio delle pale. Se la frequenza di una di queste forze si allinea con la frequenza naturale del rotore, delle fondamenta, della struttura di supporto o delle tubazioni collegate alla macchina, le conseguenze possono essere gravi:

• Livelli di vibrazioni estreme: A seconda dell'entità dello smorzamento, le ampiezze possono essere amplificate 10, 50 o addirittura centinaia di volte.
• Elevate sollecitazioni dinamiche: Le grandi flessioni provocano un'enorme sollecitazione sui componenti, con conseguente rapido affaticamento.
• Fallimento catastrofico: La risonanza può causare incrinature degli alberi, cuscinetti guasti, saldature rotte e il completo cedimento strutturale in brevissimo tempo.
• Rumore eccessivo: Gli elevati livelli di vibrazione si irradiano sotto forma di rumore forte e spesso tonale.

Sintomi e identificazione della risonanza

La risonanza presenta una serie di sintomi molto distinti che aiutano nella diagnosi:

• Vibrazione altamente direzionale: In genere la vibrazione è molto più elevata in una direzione (ad esempio, orizzontale) rispetto alle altre.
• Picco netto di vibrazione rispetto alla velocità: La vibrazione è elevata solo entro un intervallo di velocità molto ristretto. Man mano che la macchina accelera o rallenta oltre questo limite, la vibrazione diminuisce drasticamente.
• Uno sfasamento di 180 gradi: Quando la velocità della macchina supera la frequenza di risonanza, la fase della vibrazione si sposterà di 180 gradi. Questa è una conferma definitiva della risonanza.
• Difficile da bilanciare: Tentare di bilanciare un rotore che funziona in risonanza è spesso inefficace o può addirittura peggiorare il problema. I pesi di correzione dell'equilibratura saranno insolitamente grandi o piccoli e la vibrazione potrebbe spostarsi in un punto diverso.

La risonanza è confermata sperimentalmente utilizzando un test di impatto (o urto) per identificare le frequenze naturali della struttura, oppure eseguendo un test di corsa/discesa per osservare i cambiamenti di ampiezza e fase mentre la macchina attraversa la risonanza sospetta.

Come risolvere un problema di risonanza

Poiché la risonanza è un problema di corrispondenza della frequenza, la soluzione prevede sempre la modifica della frequenza del "pusher" o del "pushee":

1. Cambia la frequenza di forzatura: Di solito, questo significa modificare la velocità di funzionamento della macchina. Questa è la soluzione più semplice, se fattibile.
2. Cambia la frequenza naturale: Questa è la soluzione più comune.
   • A aumento la frequenza naturale, devi aumentare la rigidità del componente risonante (ad esempio, aggiungendo un rinforzo o un tassello).
   • A diminuire la frequenza naturale, puoi diminuire la rigidità o aggiungere massa al componente.
3. Aggiungi smorzamento: In alcuni casi in cui le frequenze non possono essere modificate, l'aggiunta di smorzamento (ad esempio, con materiali viscoelastici o smorzatori specializzati) può ridurre l'ampiezza del picco risonante a un livello accettabile.

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