Rezonanso supratimas mechaninėse sistemose
Rezonansas yra fizikinis reiškinys, atsirandantis, kai sistema yra veikiama periodinės jėgos, kurios dažnis atitinka vieną iš jos pačios jėgų. savieji dažniai. Kai šis dažnis sutampa, sistema pradeda vibruoti itin didelėmis amplitudėmis: įėjimo jėgos energija labai efektyviai perduodama į sistemą, todėl vibracija ciklas po ciklo smarkiai didėja. Vienintelis veiksnys, kuris galiausiai riboja amplitudę rezonanso metu, yra sistemos slopinimas. Suprasti rezonansą ir jo išvengti yra vienas iš pagrindinių rotorių dinamikos ir mašinų diagnostikos uždavinių, nes tik kelios sąlygos gali taip greitai sugadinti įrangą.
1. Apibrėžimas: Kas yra rezonansas?
Rezonansas geriausiai suprantamas kaip laiko nustatymas, o ne jėga. Nedidelis sužadinimas, veikiantis pagal struktūros ritmą, sukels daug didesnį atsaką nei daug didesnė jėga, veikianti ne pagal ritmą. Kiekvienas laiku įvestas impulsas suteikia šiek tiek daugiau energijos, nei slopinimas gali pašalinti per tą ciklą, todėl amplitudė auga, kol per ciklą slopinimo išsklaidoma energija galiausiai atsveria suteiktą energiją. Silpnai slopinamoje sistemoje šis pusiausvyros taškas pasiekiamas tik esant labai didelei amplitudei, todėl rezonansas yra pavojingas. Dažnis, kuriuo jis pasireiškia, yra savitasis dažnis, kurį nustato tik sistemos masė ir standumas.
2. Ryšys tarp savojo dažnio ir rezonanso
Norint suprasti rezonansą, pirmiausia reikia suprasti natūralų dažnį. Kiekvienas fizinis objektas turi natūralių dažnių rinkinį, kuriuo jis vibruos, jei bus sutrikdytas. Juos lemia jo masė ir standumas. Rezonansas yra tai, kas vyksta, kai nuolat „stumiate“ objektą tokiu pačiu greičiu, kaip ir vienas iš jo natūralių dažnių.
Klasikinė analogija - vaiko stūmimas ant sūpynių:
- Sūpynės su vaiku turi tam tikrą savąjį dažnį, kurį lemia virvės ilgis (jos standumas) ir vaiko masė.
- Vieną kartą paspaudus, jis svyruoja natūraliuoju dažniu ir dėl slopinimo - oro pasipriešinimo ir trinties - lėtai nyksta.
- Jei kiekvieną stūmimą suderinsite su sūpynės natūraliuoju dažniu, kiekvienas stūmimas suteiks daugiau energijos, ir sūpynė bus vis aukštesnė. Tai rezonansas.
- Jei stumiate netinkamu greičiu - per greitai arba per lėtai - jūsų stūmimai nesinchronizuojami su judesiu ir negali susidaryti didelė amplitudė.
Tas pats masės ir standumo santykis galioja ir mašinos komponentams. Galite jį kiekybiškai ištirti naudodami mūsų Natūralaus dažnio skaičiuoklė paprastos masės ir spyruoklės sistemos atveju arba sukamųjų velenų atveju, kai savasis dažnis sutampa su važiavimo greičiu, - Rotoriaus kritinio greičio skaičiuoklė.
3. Kodėl rezonansas yra mašinų problema?
Rotacinėse mašinose rezonansas yra labai destruktyvi ir pavojinga būklė. “Pastūmimą” užtikrina bet kokia periodinė jėga, kurią mašina sukuria normaliai veikdama - disbalansas, nesutapimasarba ašmenų perėjimas jėgos tarp jų. Jei vienos iš šių jėgų dažnis sutampa su rotoriaus, pamato, atraminės konstrukcijos ar prijungtų vamzdynų savituoju dažniu, pasekmės gali būti sunkios:
- Ekstremalus vibracijos lygis: amplitudės gali būti sustiprintos dešimt, penkiasdešimt ar net šimtus kartų, priklausomai nuo to, kiek mažai yra slopinimo.
- Dideli dinaminiai įtempiai: dėl didelių deformacijų komponentai patiria didžiulę ciklinę įtampą, todėl greitai nuovargis.
- Katastrofiškas gedimas: rezonansas gali sukelti sutrūkinėję velenai, sugedę guoliai, pažeistos suvirinimo siūlės ir visiškas konstrukcijos gedimas per nepaprastai trumpą laiką.
- Per didelis triukšmas: didelė vibracija sklinda kaip garsus, dažnai toninis triukšmas.
Ypatingas ir ypač svarbus atvejis yra kritinis greitis - rotoriaus sukimosi dažnis, kuriam esant veikimo greičio (1×) sužadinimas sutampa su rotoriaus savituoju dažniu. Mašinos sąmoningai suprojektuotos taip, kad jų kritiniai greičiai būtų toli nuo kritinių greičių, o įsibėgėjant ir įsibėgėjant - greitai juos peržengtų.
4. Rezonanso simptomai ir identifikavimas
Rezonansas turi aiškius simptomus, kurie padeda diagnozuoti ir atskirti jį nuo paprasto priverstinė vibracija problema, pavyzdžiui, paprastas disbalansas:
- Labai kryptinga vibracija: paprastai vibracija viena kryptimi (dažnai horizontalia) būna daug didesnė nei kitomis kryptimis, nes konstrukcijos standumas įvairiomis kryptimis skiriasi.
- Staigus vibracijos maksimumas, priklausomai nuo greičio: vibracija yra didelė tik siaurame greičio diapazone; mašinai greitėjant arba lėtėjant už šio taško amplitudė smarkiai sumažėja.
- 180 laipsnių fazės poslinkis: kai greitis pasiekia rezonansinį dažnį, greitis fazė vibracijos pasislenka 180 laipsnių kampu. Šis fazės pasikeitimas yra galutinis rezonanso patvirtinimas.
- Sunku išlaikyti pusiausvyrą: bandymai subalansuoti rezonanso sąlygomis veikiantį rotorių dažnai būna neefektyvūs arba gali pabloginti padėtį - reikalingi korekciniai svoriai būna neįprastai dideli arba maži, o vibracija gali tiesiog persikelti į kitą vietą.
Rezonansas eksperimentiškai patvirtinamas dviem vienas kitą papildančiais būdais. A smūgio (smūgio) bandymas sužadina stacionarią konstrukciją ir tiesiogiai atskleidžia jos natūraliuosius dažnius. Arba paleidimas arba pakrantės žemyn testas registruoja amplitudę ir fazę, kai aparatas pereina per įtariamą rezonansą, o amplitudės viršūnė ir 180 laipsnių fazės poslinkis nubraižomi ant Bode'o sklypas.
5. Kaip išspręsti rezonanso problemą
Kadangi rezonansas iš esmės yra dažnio suderinamumo problema, kiekvienas sprendimas yra susijęs su “stūmėjo” arba “stumiamojo” dažnio pakeitimu arba greitesniu energijos išsklaidymu:
- Pakeiskite priverstinį dažnį. Paprastai tai reiškia, kad reikia keisti mašinos darbinį greitį. Tai paprasčiausia pataisa, kai tai leidžia procesas, o kintamo greičio pavarose galima užprogramuoti draudžiamą greičio diapazoną.
- Pakeiskite natūralųjį dažnį. Tai yra labiausiai paplitęs sprendimas.
- Į padidėjimas savasis dažnis, padidinti standumą rezonansinio komponento, pavyzdžiui, pridedant sutvirtinimą arba tarpiklį.
- Į sumažėjimas natūralusis dažnis, arba sumažinti standumą arba pridėti masę prie komponento.
- Pridėkite slopinimą. Jei negalima pakeisti nei vieno iš dažnių, naudojant amortizatorius - viskoelastines priemones arba specialius amortizatorius - rezonanso smailės aukštis sumažinamas iki priimtino lygio. Papildomo slopinimo naudą galima kiekybiškai įvertinti naudojant Amortizavimo koeficiento skaičiuoklė.
Verta pažymėti, kad rezonansas, susijęs su atramine sistema - struktūrinis rezonansas arba silpnas pamatų standumas - Dažnas kaltininkas, ir jo problema sprendžiama taip pat - standinant, didinant masę arba slopinant pažeidžiantį elementą.
6. Rezonansas ir lauko balansavimas
Ryšys tarp rezonanso ir balansavimo yra praktiniai spąstai, kurių verta vengti. Kadangi netoli rezonanso veikiantis rotorius rodo klaidinančius, nestabilius amplitudės ir fazės rodmenis, prieš bandydami balansuoti mašiną, pirmiausia turite nustatyti, ar ji neveikia rezonanse. Lauke tai nesunku padaryti naudojant nešiojamąjį dviejų kanalų analizatorių, pvz. Balanset-1A: jo įjungimo ir išjungimo matavimas fiksuoja amplitudę ir fazę visame greičio diapazone, atskleisdamas bet kokį rezonansinį piką ir 180 laipsnių fazės poslinkį, o lazerinis tachometras pateikia fazės atskaitą. Patvirtinus, kad mašina veikia be rezonanso, tas pats prietaisas apskaičiuoja korekcinius svorius ir patikrina rezultatą pagal atitinkamus parametrus. balansavimas tolerancija, o bandymas koreguoti rezonansą tik išprovokuotų simptomus.
