Rezonanses izpratne mehāniskajās sistēmās
Rezonanse ir fiziska parādība, kas rodas, ja sistēma tiek pakļauta periodiskam spēkam ar frekvenci, kas atbilst vienai no tās pašas frekvencēm. dabiskās frekvences. Kad notiek šī frekvenču saskaņošanās, sistēma sāk vibrēt ar ārkārtīgi lielām amplitūdām: enerģija no iedarbības spēka tiek pārnesta sistēmā ar lielu efektivitāti, tāpēc vibrācija strauji palielinās ciklu pēc cikla. Vienīgais faktors, kas galu galā ierobežo amplitūdu rezonansē, ir sistēmas slāpēšana. Rezonanses izpratne un novēršana ir viens no galvenajiem uzdevumiem rotora dinamikā un mašīnbūves diagnostikā, jo reti kurš apstāklis spēj tik ātri sabojāt iekārtas.
1. Definīcija: Kas ir rezonanse?
Rezonansi vislabāk var izprast kā jautājumu par timing, nevis spēks. Neliels stimulējums, kas tiek piemērots saskaņā ar paša objekta ritmu, radīs daudz lielāku reakciju nekā daudz spēcīgāks spēks, kas tiek piemērots nesaskaņā ar ritmu. Katra laicīgi piemērota iedarbība pievieno nedaudz vairāk enerģijas, nekā amortizācija var noņemt šajā ciklā, tāpēc amplitūda pieaug, līdz enerģija, ko amortizācija izkliedē vienā ciklā, beidzot līdzsvaro pievadīto enerģiju. Viegli amortizētā sistēmā šis līdzsvara punkts tiek sasniegts tikai pie ļoti augstas amplitūdas — tāpēc rezonanse ir bīstama. Frekvence, pie kuras tā rodas, ir dabiskā frekvence, ko pilnībā nosaka sistēmas masa un stīvums.
2. Saistība starp dabisko frekvenci un rezonansi
Lai izprastu rezonansi, vispirms ir jāsaprot dabiskā frekvence. Katram fiziskam objektam ir noteiktu dabisko frekvenču kopums, kurās tas vibrē, ja tiek traucēts. Tās nosaka tā masa un stingrība. Rezonanse notiek, kad objektu nepārtraukti "spiež" ar tādu pašu ātrumu kā vienu no tā dabiskajām frekvencēm.
Klasiska analoģija ir bērna šūpošana šūpolēs:
- Šūpoles ar bērnu uz tām ir raksturīga dabiskā svārstību frekvence, ko nosaka virves garums (tās stingrība) un bērna masa.
- Viena piespiešana liek tam svārstīties ar šo dabisko frekvenci un lēnām apklust amortizācijas dēļ — gaisa pretestības un berzes dēļ.
- Ja katru grūdienu sinhronizē ar šūpoļu dabisko svārstību frekvenci, katrs grūdiens piešķir enerģiju, un šūpoles šūpojas arvien augstāk un augstāk. Tas ir rezonanse.
- Ja stumjat nepareizā tempā — pārāk ātri vai pārāk lēni — jūsu stumšanas kustības vairs nesaskan ar kopējo kustību, un nav iespējams izveidot lielu amplitūdu.
Tā pati sakarība starp masu un stingrību attiecas arī uz mašīnu detaļām. To var izpētīt kvantitatīvi, izmantojot mūsu Dabiskās frekvences aprēķinātājs vienkāršai svara-atsperes sistēmai vai rotējošiem vārpstiem, kur dabiskā frekvence sakrīt ar darba ātrumu, Rotora kritiskā ātruma aprēķinātājs.
3. Kāpēc rezonanse ir problēma mašīnbūvē?
Rotējošās mašīnās rezonanse ir ļoti postošs un bīstams stāvoklis. Šo „spiedienu” rada jebkura periodiska spēka iedarbība, ko mašīna rada normālas darbības laikā — nelīdzsvarotība, neatbilstībavai blade-pass starp tām darbojas spēki. Ja kāda no šiem spēkiem ir vienāda ar rotora, pamata, nesošās konstrukcijas vai pievienoto cauruļvadu dabisko svārstību frekvenci, sekas var būt smagas:
- Īpaši augsts vibrāciju līmenis: amplitūdas var pastiprināt desmit, piecdesmit vai pat simts reizes, atkarībā no tā, cik neliels ir slāpējums.
- Lielas dinamiskās slodzes: lielās deformācijas rada milzīgu ciklisko slodzi uz detaļām, izraisot strauju nogurums.
- Katastrofāla kļūme: rezonanse var radīt cracked shafts, bojāti gultņi, pārrautas metinājuma vietas un pilnīga konstrukcijas sabrukšana ārkārtīgi īsā laikā.
- Pārmērīgs troksnis: spēcīgās vibrācijas izpaužas kā skaļš, bieži vien tonāls troksnis.
Īpašs un īpaši svarīgs gadījums ir kritiskais ātrums — rotora apgriezienu skaits, pie kura darba režīma (1×) magnētiskā lauka iedarbība sakrīt ar rotora dabisko frekvenci. Mašīnas tiek apzināti konstruētas tā, lai tās nedarbotos pie kritiskajiem apgriezieniem un tos ātri pārvarētu, uzņemot un samazinot apgriezienus.
4. Rezonanses simptomi un noteikšana
Rezonansei ir raksturīgs simptomu kopums, kas palīdz noteikt diagnozi un atšķirt to no vienkāršas izraisīta vibrācija tāda problēma kā vienkāršs nelīdzsvarotība:
- Ļoti virziena vibrācija: vibrācija parasti ir daudz spēcīgāka vienā virzienā — bieži vien horizontālā — nekā citos virzienos, jo konstrukcijas stingrība atšķiras atkarībā no virziena.
- Straujš vibrācijas pieaugums atkarībā no ātruma: vibrācija ir spēcīga tikai šaurā apgriezienu diapazonā; kad mašīna paātrinās vai palēninās, pārsniedzot šo robežu, amplitūda strauji samazinās.
- 180 grādu fāzes nobīde: kad frekvence pārsniedz rezonanses frekvenci, fāze vibrācijas fāze mainās par 180 grādiem. Šī fāzes maiņa ir galīgais rezonanses apstiprinājums.
- Grūti atrast līdzsvaru: Mēģinājumi līdzsvarot rotoru, kas darbojas rezonansē, bieži vien ir neefektīvi vai var pat pasliktināt situāciju — nepieciešamie korekcijas svari izrādās neparasti lieli vai mazi, un vibrācija var vienkārši pārvietoties uz citu vietu.
Rezonanse eksperimentāli tiek apstiprināta divos savstarpēji papildinošos veidos. A trieciena tests izraisa stacionārās struktūras svārstības, tādējādi tieši atklājot tās dabiskās frekvences. Alternatīvi, a uzskrējiens vai coast-down tests reģistrē amplitūdu un fāzi, kad iekārta pārskata iespējamo rezonanses frekvenci, un uz grafika tiek attēlots raksturīgais amplitūdas maksimums un 180 grādu fāzes nobīde Bodes diagramma.
5. Kā atrisināt rezonanses problēmu
Tā kā rezonanse būtībā ir frekvenču saskaņošanas problēma, jebkurš risinājums nozīmē vai nu „spiedēja”, vai „spiestā” frekvences maiņu — vai arī enerģijas ātrāku izkliedēšanu:
- Mainiet piespiešanas biežumu. Parasti tas nozīmē iekārtas darba ātruma maiņu. Tas ir vienkāršākais risinājums, ja process to atļauj, un maināma ātruma piedziņās ir iespējams izslēgt neatļauto ātruma diapazonu.
- Mainīt dabisko frekvenci. Šis ir visizplatītākais risinājums.
- Uz pieaugums pašfrekvence, palielināt stingrību rezonanses komponenta — piemēram, pievienojot atbalstu vai pastiprinājumu.
- Uz samazinājums pašfrekvence, vai nu samazināt stingrību vai pievienot masu uz komponentu.
- Add damping. Ja nevienu no frekvencēm nav iespējams mainīt, tad, pievienojot amortizāciju — izmantojot viskoelastīgus materiālus vai specializētus amortizatorus —, rezonanses maksimuma augstumu var samazināt līdz pieņemamam līmenim. Papildu amortizācijas priekšrocības var izteikt ar Dempinga koeficienta aprēķinātājs.
Ir vērts atzīmēt, ka rezonanse, kas skar atbalsta sistēmu — strukturālā rezonanse or weak pamatu stingrība — ir bieži sastopama problēma, un to risina tādā pašā veidā — nostiprinot, palielinot masu vai amortizējot attiecīgo elementu.
6. Rezonanse un lauka līdzsvarošana
Saistība starp rezonansi un balansēšanu ir praktisks slazds, no kura ir vērts izvairīties. Tā kā rotors, kas darbojas tuvu rezonanses frekvencei, sniedz maldinošus un nestabilus amplitūdas un fāzes rādījumus, pirms mēģināt to balansēt, vispirms ir jāpārliecinās, ka iekārta nedarbojas rezonansē. Darba apstākļos to var vienkārši izdarīt, izmantojot portatīvu divkanālu analizatoru, piemēram, Balanset-1A: tā paātrinājuma un izlīdzināšanās mērījumi fiksē amplitūdu un fāzi visā ātruma diapazonā, atklājot jebkādus rezonanses maksimumus un 180 grādu fāzes nobīdi, savukārt lāzera tahometrs nodrošina fāzes atsauci. Tiklīdz ir pārliecināts, ka iekārta darbojas bez rezonanses, šis pats instruments aprēķina korekcijas svara slodzes un salīdzina rezultātu ar atbilstošo līdzsvarošana pielaide — turpretim mēģinājums novērst problēmu, balstoties uz rezonansi, tikai novērstu simptomu.
