Разбирање на резонанцијата во механичките системи
Резонанција е физичка појава што се јавува кога системот е подложен на периодична сила со фреквенција што се совпаѓа со една од неговите сопствени сопствени фреквенции. Кога ќе се случи тоа совпаѓање на фреквенциите, системот почнува да вибрира со екстремно големи амплитуди: енергијата од влезната сила се пренесува во системот со голема ефикасност, така што вибрации се зголемува драматично циклус по циклус. Единствениот фактор што на крајот ја ограничува амплитудата при резонанца е системското придушување. Разбирањето и избегнувањето на резонанцата е една од централните задачи на роторската динамика и дијагностиката на машините, бидејќи малку состојби можат да уништат опрема толку брзо.
1. Дефиниција: Што е резонанца?
Резонанцата најдобро се разбира како прашање на темпирање, не на сила. Скромна возбуда, применета во такт со сопствениот ритам на структурата, ќе произведе далеку поголем одговор отколку многу посилна сила применета надвор од такт. Секој навремено темпиран влез додава малку повеќе енергија отколку што пригушувањето може да отстрани во тој циклус, така што амплитудата расте додека енергијата што ја дисипира пригушувањето по циклус конечно не ја израмни доставената енергија. Кај слабо пригушен систем таа точка на рамнотежа се достигнува само при многу висока амплитуда — поради што резонанцата е опасна. Фреквенцијата на која се јавува е сопствената фреквенција, целосно одредена од масата на системот и крутост.
2. Врската меѓу сопствената фреквенција и резонанцата
За да ја разберете резонанцата, прво мора да ја разберете сопствената фреквенција. Секој физички објект има сет од сопствени фреквенции на кои слободно ќе вибрира ако биде нарушен, определени од неговата маса и неговата крутост. Резонанцата е едноставно она што се случува кога континуирано го “туркате” објектот со точната стапка на една од тие сопствени фреквенции.
Класичната аналогија е туркање дете на нишалка:
- Нишалката, со детето на неа, има специфична сопствена фреквенција одредена од должината на јажето (нејзината крутост) и масата на детето.
- Едно туркање ја тера да осцилира на таа сопствена фреквенција и полека да замре поради пригушувањето — отпорот на воздухот и триењето.
- Ако го темпирате секое туркање да се совпаѓа со сопствената фреквенција на нишалката, секое туркање додава енергија и нишалката оди сè повисоко и повисоко. Тоа е резонанца.
- Ако туркате со погрешно темпо — премногу брзо или премногу бавно — вашите туркања излегуваат од синхронизација со движењето и не може да се изгради голема амплитуда.
Истата врска меѓу масата и крутоста ги управува компонентите на машините. Можете да ја истражите квантитативно со нашиот калкулатор за сопствена фреквенција за едноставен систем маса-пружина, или, за ротирачки вратила каде што сопствената фреквенција се совпаѓа со работната брзина, калкулатор за критична брзина на ротор.
3. Зошто резонанцата е проблем кај машините?
Кај ротирачките машини, резонанцата е крајно деструктивна и опасна состојба. “Туркањето” го обезбедува секоја периодична сила што машината ја генерира при нормална работа — дебаланс, неосовиненост, или поминување на сечила сили меѓу нив. Ако фреквенцијата на една од овие сили се совпадне со сопствената фреквенција на роторот, темелот, потпорната структура или прицврстените цевки, последиците можат да бидат сериозни:
- Екстремни нивоа на вибрации: амплитудите можат да се засилат десет, педесет или дури стотици пати, во зависност од тоа колку малку пригушување е присутно.
- Високи динамички напрегања: големите отклонувања наметнуваат огромно циклично напрегање врз компонентите, предизвикувајќи брзо замор.
- Катастрофален дефект: резонанцата може да произведе испукани вратила, откажани лежишта, скршени заварки и целосен структурен дефект за забележително кратко време.
- Прекумерна бучава: високите вибрации зрачат како гласна, често тонална, бучава.
Специјален и особено важен случај е критична брзина — брзина на ротор при која возбудата од работната брзина (1×) се совпаѓа со сопствената фреквенција на роторот. Машините намерно се дизајнирани да работат подалеку од своите критични брзини и брзо да поминуваат низ нив при забрзување и успорување.
4. Симптоми и идентификација на резонанца
Резонанцата има карактеристичен сет на симптоми што помагаат во дијагнозата и ја разликуваат од едноставен принудно-вибрациски проблем како обична неурамнотеженост:
- Изразено насочени вибрации: вибрацијата е типично многу повисока во една насока — често хоризонтална — отколку во другите, бидејќи структурната крутост се разликува по насока.
- Остар врв во вибрациите наспроти брзината: вибрацијата е висока само во тесен опсег на брзини; како машината забрзува или успорува покрај таа точка, амплитудата драматично опаѓа.
- Фазно поместување од 180 степени: како брзината преминува низ резонантната фреквенција, фаза на вибрацијата се поместува за 180 степени. Ова превртување на фазата е дефинитивна потврда за резонанца.
- Тешко за балансирање: обидот да се балансира ротор што работи на резонанца често е неефикасен или може да ги влоши работите — потребните коригирачки тегови излегуваат невообичаено големи или мали, а вибрацијата може едноставно да мигрира на друга локација.
Резонанцата се потврдува експериментално на два комплементарни начини. Еден ударен (импакт) тест ја возбудува стационарната структура за директно да ги открие нејзините сопствени фреквенции. Алтернативно, залет или успорување тест ја запишува амплитудата и фазата додека машината поминува низ сомнителната резонанца, при што карактеристичниот врв на амплитудата и фазниот скок од 180 степени се исцртуваат на Бодеов дијаграм.
5. Како да се реши проблем со резонанца
Бидејќи резонанцата во суштина е проблем на совпаѓање на фреквенции, секое решение се сведува на менување на фреквенцијата или на „туркачот“ или на „турканиот“ — или на побрзо расфрлање на енергијата:
- Променете ја принудната фреквенција. Обично тоа значи менување на работната брзина на машината. Тоа е наједноставното решение таму каде што процесот го дозволува, а кај погоните со променлива брзина забранетиот опсег на брзина може да се исклучи со програмирање.
- Променете ја сопствената фреквенција. Ова е најчестото решение.
- Во ја зголеми сопствената фреквенција, зголемете ја крутоста на резонантниот елемент — на пример со додавање потпорна греда или косник.
- Во ја намали сопствената фреквенција, или намалете ја крутоста или додадете маса на компонентата.
- Додадете придушување. Таму каде што ниту една фреквенција не може да се помести, додавањето придушување — вискоеластични облоги или специјализирани придушувачи — ја намалува висината на резонантниот врв до прифатливо ниво. Придобивката од додаденото придушување може да се квантифицира со калкулатор за коефициент на придушување.
Вреди да се напомене дека резонанцата што го вклучува потпорниот систем — структурна резонанца или слаб крутоста на темелот — е чест виновник и се решава на истиот начин, со зајакнување, додавање маса или придушување на проблематичниот елемент.
6. Резонанца и балансирање на терен
Врската меѓу резонанцата и балансирањето е практична стапица која вреди да се избегне. Бидејќи ротор што работи во близина на резонанца дава погрешни, нестабилни отчитувања на амплитуда и фаза, најпрво мора да утврдите дека машината не работи на резонанца пред да се обидете да ја балансирате. На терен тоа е едноставно со преносен двоканален анализатор како што е Balanset-1A: неговото мерење при забрзување и успорување ја снима амплитудата и фазата низ целиот опсег на брзини, откривајќи го секој резонантен врв и фазниот скок од 180 степени, додека неговиот ласерски тахометар ја обезбедува фазната референца. Штом ќе се потврди дека машината работи удобно далеку од резонанца, истиот инструмент ги пресметува корекциските тегови и го проверува резултатот според соодветната балансирање толеранција — додека обидот за корекција на резонанца би го гонел само симптомот.
