1. Apakah Resonans?

Kebanyakan struktur dan mesin mengalami ayunan semula jadi, dan oleh itu daya luaran berkala yang bertindak ke atasnya boleh menyebabkan resonans. Resonans sering dirujuk sebagai ayunan pada frekuensi semula jadi atau pada frekuensi kritikal. Resonans ialah fenomena peningkatan mendadak dalam amplitud ayunan paksa, yang berlaku apabila frekuensi pengujaan luaran menghampiri frekuensi resonan yang ditentukan oleh sifat-sifat sistem. Peningkatan amplitud ayunan hanyalah akibat daripada resonans — puncanya ialah kebetulan frekuensi luaran (pengujaan) dengan frekuensi dalaman (semula jadi) sistem bergetar (galas rotor).

Resonans ialah fenomena di mana pada frekuensi tertentu daya pengujaan, sistem getaran menjadi sangat responsif terhadap tindakan daya tersebut. Parameter sistem seperti kekakuan rendah dan/atau redaman lemah, yang bertindak pada mesin rotor pada frekuensi resonan, boleh menyebabkan berlakunya resonans. Resonans tidak semestinya menyebabkan kerosakan mesin atau kegagalan komponen, kecuali apabila kecacatan pada mesin menyebabkan getaran, atau apabila mesin yang dipasang berdekatan "menginduksi" getaran pada frekuensi yang sama dengan frekuensi semula jadi.

Ini setanding dengan ayunan loceng atau dram. Dalam kes loceng (Rajah 1), semua tenaganya berada dalam bentuk keupayaan apabila ia pegun dan pada titik tertinggi trajektorinya, dan semasa ia melalui titik terendah pada halaju maksimum, tenaga tersebut bertukar kepada kinetik. Tenaga keupayaan adalah berkadar terus dengan jisim loceng dan ketinggian daya angkat berbanding titik terendah; tenaga kinetik adalah berkadar terus dengan jisim dan kuasa dua halaju pada titik pengukuran. Iaitu, jika anda menekan loceng, ia akan bergema pada frekuensi (atau frekuensi) tertentu. Jika ia dalam keadaan rehat, ia tidak akan berayun pada frekuensi resonan.

Resonans adalah sifat mesin sama ada ia sedang berjalan atau tidak. Perlu diingatkan bahawa kekakuan dinamik aci apabila mesin berputar boleh berbeza dengan ketara daripada kekakuan statik apabila mesin dihentikan, manakala resonans hanya berubah secara tidak ketara.

Terdapat peraturan yang ditetapkan, berdasarkan pengalaman praktikal, yang menyatakan bahawa Frekuensi resonan yang diukur semasa penutupan mesin (coastdown) adalah kira-kira 20 peratus lebih rendah daripada frekuensi getaran paksa. Frekuensi resonan bagi pemasangan dan bahagian mesin individu — seperti aci, rotor, selongsong dan asas — ialah ayunan pada frekuensi semula jadinya.

Selepas pemasangan mesin, frekuensi resonan mungkin berubah nilainya disebabkan oleh perubahan dalam parameter sistem (jisim, kekakuan dan redaman), yang selepas menyambungkan semua mekanisme mesin ke dalam satu unit mungkin meningkat atau berkurangan. Selain itu, kekakuan dinamik, seperti yang dinyatakan di atas, boleh mengubah frekuensi resonan apabila mesin beroperasi pada kelajuan putaran nominal. Kebanyakan mesin direka bentuk supaya rotor tidak mempunyai frekuensi semula jadi yang sama seperti aci. Mesin yang terdiri daripada satu atau dua mekanisme tidak boleh dikendalikan pada frekuensi resonan. Walau bagaimanapun, dengan haus dan perubahan dalam kelegaan, frekuensi semula jadi selalunya beralih ke arah kelajuan putaran operasi, menyebabkan resonans.

Kemunculan ayunan secara tiba-tiba pada frekuensi kecacatan — seperti kesesuaian yang longgar atau kerosakan lain — boleh menyebabkan mesin bergetar pada frekuensi resonansinya. Dalam kes ini, getaran mesin akan meningkat daripada tahap yang boleh diterima kepada tahap yang tidak boleh diterima jika ayunan disebabkan oleh resonans pemasangan atau elemen mesin.

2. Resonans Semasa Permulaan dan Penutupan (Rajah 2)

Resonans boleh diperhatikan semasa mesin dihidupkan, apabila ia melalui frekuensi resonan (Rajah 2). Apabila kelajuan putaran meningkat, amplitud akan meningkat kepada nilai maksimumnya pada frekuensi resonan (n_res) dan berkurangan selepas melaluinya. Apabila rotor melalui resonans, fasa getaran berubah sebanyak 180 darjah. Pada resonans, ayunan sistem dianjakkan dalam fasa sebanyak 90 darjah berbanding dengan ayunan daya pengujaan.

Anjakan fasa 180 darjah sering diperhatikan hanya pada rotor yang mempunyai satah pembetulan tunggal (Rajah 3, kiri). Sistem "aci/galas rotor" yang lebih kompleks (Rajah 3, kanan) mempunyai anjakan fasa yang terletak dalam julat 160° hingga 180°. Apabila pakar analisis getaran memerhatikan amplitud ayunan yang tinggi, mereka harus menganggap bahawa kenaikannya ke tahap yang tidak boleh diterima mungkin berkaitan dengan resonans sistem.

3. Konfigurasi Rotor (Rajah 3)

Tingkah laku getaran rotor bergantung secara kritikal pada geometrinya dan bagaimana ia disokong. Rotor mudah dengan satah pembetulan tunggal (cakera overhung) menunjukkan anjakan fasa 180° yang bersih melalui resonans. Sistem yang lebih kompleks — seperti dua rotor yang disambungkan melalui aci kardan — mempamerkan berbilang mod gandingan dan anjakan fasa mungkin menyimpang daripada 180° yang ideal.

4. Jisim, Kekakuan dan Redaman (Rajah 4–7)

Jisim, kekakuan dan redaman — ini adalah tiga parameter sistem getaran yang mempengaruhi frekuensi dan meningkatkan amplitud ayunan pada resonans.

Massa mencirikan sifat-sifat jasad dan merupakan ukuran inersianya (semakin besar jisim, semakin kurang pecutan yang diperolehnya di bawah tindakan daya berkala), yang menyebabkan ayunannya.

Kekakuan merupakan sifat sistem yang menentang daya inersia yang timbul akibat daya jisim.

redaman merupakan sifat sistem yang mengurangkan tenaga ayunan dengan menukarkannya kepada tenaga haba akibat geseran dalam sistem mekanikal.

di mana f_n — frekuensi semula jadi, k — kekakuan, m — jisim, ζ — nisbah redaman, Q — faktor kualiti (amplifikasi pada resonans), A_res — amplitud resonans, F₀ — amplitud daya pengujaan.

Untuk mengurangkan resonans, parameter sistem dipilih supaya frekuensi resonannya diletakkan sejauh mungkin daripada frekuensi pengujaan luaran yang mungkin. Dalam praktiknya, apa yang dipanggil penyerap getaran dinamik, atau peredam, digunakan untuk tujuan ini.

Simulator interaktif di bawah (menggantikan Rajah statik 4–7 daripada artikel asal) menunjukkan Ciri Frekuensi Amplitud (AFC) bagi sistem getaran mudah yang terdiri daripada jisim, spring dan peredam. Laraskan parameter untuk memerhatikan kesan ini dalam masa nyata:

Satu analogi boleh dibuat dengan tali gitar. Lebih ketat anda menarik tali pada gitar (lebih kekakuan), lebih tinggi nada (frekuensi resonan) meningkat — sehingga tali putus. Jika anda menggunakan tali yang paling tebal (jisim yang lebih besar), nada yang dihasilkannya akan menjadi lebih rendah.

5. Mengukur Resonans (Rajah 8)

Salah satu kaedah yang paling biasa untuk mengukur frekuensi resonans sesuatu struktur ialah pengujaan hentaman menggunakan tukul berinstrumen.

Hentaman pada struktur, dalam bentuk hentaman input, merangsang daya gangguan kecil pada julat frekuensi tertentu. Ayunan yang dihasilkan oleh hentaman mewakili proses pemindahan tenaga sementara dan berdurasi pendek. Spektrum daya hentaman adalah berterusan, dengan amplitud maksimum pada 0 Hz dan seterusnya menurun dengan peningkatan frekuensi.

Tempoh hentaman dan bentuk spektrum semasa pengujaan hentaman ditentukan oleh jisim dan kekakuan tukul hentaman dan struktur mesin. Apabila menggunakan tukul yang agak kecil pada struktur keras, kekakuan hujung tukul menentukan spektrum. Hujung tukul bertindak sebagai penapis mekanikal. Dengan memilih kekakuan hujung tukul, seseorang boleh memilih julat frekuensi penyiasatan.

Apabila menggunakan teknik pengukuran ini, adalah sangat penting untuk memukul titik-titik struktur yang berbeza, kerana tidak semua frekuensi resonan sentiasa boleh diukur dengan memukul dan mengukur pada satu titik yang sama. Apabila menentukan resonans mesin, kedua-dua titik — titik impak dan titik pengukuran — mesti disahkan (diuji).

Jika tukul mempunyai hujung yang lembut, kuantiti utama tenaga output akan merangsang ayunan pada frekuensi rendah. Tukul dengan hujung yang keras memberikan sedikit tenaga pada sebarang frekuensi tertentu, kecuali tenaga outputnya akan merangsang ayunan pada frekuensi tinggi. Respons terhadap hentakan tukul boleh diukur dengan penganalisis saluran tunggal, dengan syarat mesin dihentikan dan diputuskan sambungannya.

6. Ciri Frekuensi Amplitud–Fasa — APFC (Rajah 9)

Resonans mesin boleh ditentukan menggunakan penganalisis saluran tunggal sebagai peningkatan amplitud ayunan pada frekuensi resonan dan melalui perubahan fasa 180 darjah apabila melalui resonans — jika amplitud dan fasa ayunan diukur pada frekuensi putaran semasa permulaan mesin (run-up) atau penutupan (coastdown). Ciri yang dibina berdasarkan pengukuran ini dipanggil Ciri Frekuensi Fasa-Amplitud (APFC).

Analisis APFC (Rajah 9) membolehkan pakar analisis getaran mengenal pasti frekuensi resonan rotor.

Jika fasa tidak berubah apabila melalui resonans yang disyaki, maka peningkatan amplitud mungkin berkaitan dengan pengujaan rawak dan bukan resonans rotor. Dalam kes sedemikian, selain pengukuran getaran semasa larian naik/turun, adalah disyorkan untuk melakukan "ujian hentaman".

Apabila menggunakan penganalisis getaran berbilang saluran, resonans sesuatu struktur boleh ditentukan dengan ketepatan yang tinggi dengan mengukur isyarat input dan output daripada sistem pada masa yang sama, sambil mengawal fasa getaran dan koheren yang dikumpul dalam tempoh masa yang sama. Koheren ialah fungsi dwi-saluran yang digunakan untuk menilai tahap kelinearan antara isyarat input dan output sistem. Ini bermakna frekuensi resonans boleh dikenal pasti dengan lebih pantas.

7. Beberapa Pertimbangan Mengenai Resonans Mesin

Perhatian harus diberikan kepada analisis pelbagai jenis mesin dan mod operasinya, yang mungkin merumitkan ujian resonans:

Disebabkan oleh perbezaan kekakuan struktur dalam arah mendatar dan menegak, frekuensi resonans akan berbeza bergantung pada arah tersebut. Oleh itu, resonans mungkin paling jelas ditunjukkan dalam arah tertentu.

Seperti yang telah dibincangkan sebelum ini, frekuensi resonan berbeza apabila mesin sedang berjalan berbanding apabila ia dihentikan (dimatikan). Peralatan menegak, sebagai peraturan, menimbulkan banyak kebimbangan, kerana semasa pengendalian peralatan sedemikian sentiasa terdapat resonans yang berlaku semasa pengendalian motor elektrik yang dipasang pada cantilever.

Sesetengah mesin mempunyai jisim yang besar, dan oleh itu tidak boleh diujakan dengan tukul — kaedah pengujaan alternatif diperlukan untuk menentukan frekuensi resonan sebenar. Kadangkala, pada mesin yang sangat besar, penggetar digunakan yang ditala kepada julat frekuensi tertentu, kerana penggetar mempunyai keupayaan untuk menghantar sejumlah besar tenaga pada setiap frekuensi individu apabila berayun.

Dan satu pertimbangan terakhir — sebelum menjalankan ujian resonans, adalah sangat berguna untuk mengukur tahap getaran latar belakang (respons terhadap pengujaan rawak dari persekitaran sekitar) terlebih dahulu. Ini akan membantu mencegah ralat dalam menentukan diagnosis (resonans sistem) berdasarkan amplitud ayunan maksimum pada frekuensi tertentu di atas tahap latar belakang.

8. Ringkasan

Dalam artikel ini, kami membincangkan pengaruh frekuensi resonan terhadap getaran mesin. Semua struktur dan mesin mempunyai frekuensi resonan, tetapi resonans tidak menjejaskan mesin jika tiada frekuensi yang mengujakannya. Jika getaran mesin diuja oleh frekuensi semula jadinya sendiri, maka terdapat tiga pilihan untuk memisahkan sistem daripada resonans:

Pilihan 1. Alihkan frekuensi daya gangguan menjauhi frekuensi resonan.

Pilihan 2. Alihkan frekuensi resonansi menjauhi frekuensi daya gangguan.

Pilihan 3. Tingkatkan redaman sistem untuk mengurangkan faktor penguatan resonans.

Pilihan 2 dan 3 biasanya memerlukan beberapa pengubahsuaian struktur yang tidak boleh dilakukan melainkan analisis modal dan/atau kajian unsur terhingga telah dijalankan ke atas struktur tersebut.