Forstå resonans i mekaniske systemer

Definisjon: Hva er resonans?

Resonans er et fysisk fenomen som oppstår når et system utsettes for en periodisk kraft med en frekvens som samsvarer med en av dets egne naturlige frekvenserNår denne frekvenstilpasningen skjer, begynner systemet å vibrere med ekstremt store amplituder. Energien fra inngangskraften overføres til systemet svært effektivt, noe som fører til at vibrasjonen bygger seg opp dramatisk. Den eneste faktoren som begrenser amplituden ved resonans er systemets demping.

Koblingen mellom naturlig frekvens og resonans

For å forstå resonans må du først forstå egenfrekvens. Alle fysiske objekter har et sett med egenfrekvenser som de vil vibrere med hvis de forstyrres. Disse bestemmes av massen og stivheten. Resonans er det som skjer når du kontinuerlig «skyver» objektet med nøyaktig samme hastighet som en av dets egenfrekvenser.

En klassisk analogi er å dytte et barn på en huske:

• Husken, med barnet på, har en spesifikk egenfrekvens basert på lengden på tauene (stivhet) og barnets masse.
• Hvis du gir svingen et enkelt dytt, vil den oscillere med sin naturlige frekvens og til slutt stoppe på grunn av demping (luftmotstand og friksjon).
• Hvis du timer puffene dine slik at de passer perfekt til svingens naturlige frekvens, tilfører hvert støt mer energi til systemet, og svingen går høyere og høyere. Dette er resonans.
• Hvis du skyver med feil frekvens (for raskt eller for sakte), vil skyvingene dine være usynkroniserte med svingens bevegelse, og du vil ikke kunne bygge opp en stor amplitude.

Hvorfor er resonans et problem i maskiner?

I roterende maskiner er resonans en svært destruktiv og farlig tilstand. «Skyvet» kommer fra enhver periodisk kraft som genereres av maskinens drift, for eksempel ubalanse, feiljustering eller bladkrefter. Hvis frekvensen til en av disse kreftene stemmer overens med en naturlig frekvens til maskinens rotor, fundament, støttestruktur eller tilkoblede rør, kan konsekvensene være alvorlige:

• Ekstreme vibrasjonsnivåer: Amplitudene kan forsterkes 10, 50 eller til og med hundrevis av ganger, avhengig av mengden demping.
• Høye dynamiske spenninger: De store nedbøyningene forårsaker enorm belastning på komponentene, noe som fører til rask utmatting.
• Katastrofal fiasko: Resonans kan føre til sprukne aksler, ødelagte lagre, ødelagte sveiser og fullstendig strukturell svikt på svært kort tid.
• Overdreven støy: De høye vibrasjonsnivåene utstråles som høy og ofte tonal støy.

Symptomer og identifisering av resonans

Resonans har et veldig tydelig sett med symptomer som hjelper i diagnosen:

• Svært retningsbestemt vibrasjon: Vibrasjonen er vanligvis mye høyere i én retning (f.eks. horisontal) enn i andre.
• Skarp topp i vibrasjon vs. hastighet: Vibrasjonen er bare høy innenfor et svært smalt hastighetsområde. Når maskinen øker eller senker farten forbi dette punktet, avtar vibrasjonen dramatisk.
• En 180-graders faseforskyvning: Når maskinens hastighet passerer gjennom resonansfrekvensen, vil vibrasjonsfasen forskyves med 180 grader. Dette er en definitiv bekreftelse på resonans.
• Vanskelig å balansere: Å forsøke å balansere en rotor som opererer på resonans er ofte ineffektivt eller kan til og med gjøre problemet verre. Balansekorreksjonsvektene vil være uvanlig store eller små, og vibrasjonen kan flytte seg til et annet sted.

Resonans bekreftes eksperimentelt ved hjelp av en støttest (eller støttest) for å identifisere strukturens naturlige frekvenser, eller ved å utføre en oppkjørings-/rulletest for å observere amplitude- og faseendringene når maskinen passerer gjennom den mistenkte resonansen.

Slik løser du et resonansproblem

Siden resonans er et frekvenstilpasningsproblem, innebærer løsningen alltid å endre frekvensen til enten «pusheren» eller «pushee»:

1. Endre tvangsfrekvensen: Dette betyr vanligvis å endre maskinens driftshastighet. Dette er den enkleste løsningen hvis det er mulig.
2. Endre den naturlige frekvensen: Dette er den vanligste løsningen.
   • Til øke den naturlige frekvensen, må du øke stivheten av resonanskomponenten (f.eks. ved å legge til en avstivning eller en kile).
   • Til reduksjon den naturlige frekvensen, kan du enten redusere stivheten eller legge til masse til komponenten.
3. Legg til demping: I noen tilfeller der frekvensene ikke kan endres, kan det å legge til demping (f.eks. med viskoelastiske materialer eller spesialiserte dempere) redusere amplituden til resonanttoppen til et akseptabelt nivå.

← Tilbake til hovedindeksen