Inzicht in resonantie in mechanische systemen

Definitie: Wat is resonantie?

Resonantie is een natuurkundig verschijnsel dat optreedt wanneer een systeem wordt onderworpen aan een periodieke kracht met een frequentie die overeenkomt met een van zijn eigen natuurlijke frequentiesWanneer deze frequentieaanpassing plaatsvindt, begint het systeem te trillen met extreem grote amplitudes. De energie van de invoerkracht wordt zeer efficiënt overgebracht op het systeem, waardoor de trillingen dramatisch toenemen. De enige factor die de amplitude bij resonantie beperkt, is de demping.

De link tussen natuurlijke frequentie en resonantie

Om resonantie te begrijpen, moet je eerst de natuurlijke frequentie begrijpen. Elk fysiek object heeft een aantal natuurlijke frequenties waarmee het trilt als het verstoord wordt. Deze worden bepaald door de massa en stijfheid van het object. Resonantie is wat er gebeurt wanneer je het object continu met exact dezelfde snelheid "duwt" als een van zijn natuurlijke frequenties.

Een klassieke analogie is het duwen van een kind op een schommel:

• De schommel met het kind erop heeft een specifieke eigenfrequentie die gebaseerd is op de lengte van de touwen (stijfheid) en de massa van het kind.
• Als je de schommel één keer aanzet, zal deze op zijn eigen frequentie gaan trillen en uiteindelijk stoppen door demping (luchtweerstand en wrijving).
• Als je je duwbewegingen zo timet dat ze perfect overeenkomen met de natuurlijke frequentie van de swing, voegt elke duw meer energie toe aan het systeem en gaat de swing steeds hoger. Dit is resonantie.
• Als u met de verkeerde frequentie duwt (te snel of te langzaam), lopen uw duwbewegingen niet synchroon met de beweging van de swing en kunt u geen grote amplitude opbouwen.

Waarom is resonantie een probleem bij machines?

Resonantie is een zeer destructieve en gevaarlijke toestand in roterende machines. De "duw" wordt veroorzaakt door een periodieke kracht die wordt gegenereerd door de werking van de machine, zoals onbalans, verkeerde uitlijning of krachten op de doorgang van de bladen. Als de frequentie van een van deze krachten overeenkomt met de eigenfrequentie van de rotor, de fundering, de ondersteunende structuur of de aangesloten leidingen van de machine, kunnen de gevolgen ernstig zijn:

• Extreme trillingsniveaus: Amplitudes kunnen 10, 50 of zelfs honderden keren worden versterkt, afhankelijk van de hoeveelheid demping.
• Hoge dynamische spanningen: De grote doorbuigingen veroorzaken enorme spanningen op de componenten, wat leidt tot snelle vermoeidheid.
• Catastrofale mislukking: Resonantie kan binnen zeer korte tijd leiden tot gebarsten assen, defecte lagers, gebroken lassen en zelfs een volledig structureel falen.
• Overmatig lawaai: De hoge trillingsniveaus uiten zich als luide en vaak tonale ruis.

Symptomen en identificatie van resonantie

Resonantie kent een aantal zeer specifieke symptomen die helpen bij de diagnose:

• Sterk gerichte trillingen: De trillingen zijn in de ene richting (bijvoorbeeld horizontaal) meestal veel sterker dan in de andere richting.
• Scherpe piek in trillingen versus snelheid: De trillingen zijn alleen hoog binnen een zeer smal snelheidsbereik. Naarmate de machine verder versnelt of vertraagt, nemen de trillingen aanzienlijk af.
• Een faseverschuiving van 180 graden: Naarmate de snelheid van de machine de resonantiefrequentie overschrijdt, verschuift de fase van de trilling met 180 graden. Dit is een definitieve bevestiging van resonantie.
• Moeilijk te balanceren: Het balanceren van een rotor die op resonantie werkt, is vaak niet effectief of kan het probleem zelfs verergeren. De balanscorrectiegewichten zullen ongewoon groot of klein zijn en de trillingen kunnen zich naar een andere locatie verplaatsen.

Resonantie wordt experimenteel bevestigd met behulp van een impact- (of stoot-)test om de natuurlijke frequenties van de structuur te identificeren, of door een aanloop-/uitlooptest om de amplitude- en faseveranderingen te observeren terwijl de machine de vermoedelijke resonantie passeert.

Hoe een resonantieprobleem op te lossen

Omdat resonantie een probleem is van frequentieaanpassing, bestaat de oplossing altijd uit het veranderen van de frequentie van de ‘pusher’ of de ‘pushee’:

1. Verander de forceringsfrequentie: Dit betekent meestal dat de werksnelheid van de machine moet worden aangepast. Dit is de eenvoudigste oplossing, indien haalbaar.
2. Verander de natuurlijke frequentie: Dit is de meest voorkomende oplossing.
   • Naar toename de natuurlijke frequentie, moet je de stijfheid verhogen van het resonantiecomponent (bijvoorbeeld door een beugel of een hoekplaat toe te voegen).
   • Naar afname de natuurlijke frequentie, je kunt ofwel de stijfheid verminderen of massa toevoegen naar het onderdeel.
3. Demping toevoegen: In sommige gevallen waarbij de frequenties niet kunnen worden gewijzigd, kan het toevoegen van demping (bijvoorbeeld met visco-elastische materialen of speciale dempers) de amplitude van de resonantiepiek terugbrengen tot een acceptabel niveau.

← Terug naar hoofdindex