Zrozumienie rezonansu w układach mechanicznych
Definicja: Czym jest rezonans?
Rezonans jest zjawiskiem fizycznym występującym, gdy układ jest poddawany działaniu siły okresowej o częstotliwości odpowiadającej jego własnej częstotliwości naturalne. Kiedy następuje to dopasowanie częstotliwości, system zaczyna wibrować z ekstremalnie dużymi amplitudami. Energia z siły wejściowej jest przekazywana do systemu bardzo efektywnie, powodując gwałtowny wzrost wibracji. Jedynym czynnikiem ograniczającym amplitudę w rezonansie jest… tłumienie.
Związek między częstotliwością naturalną a rezonansem
Aby zrozumieć rezonans, należy najpierw zrozumieć częstotliwość własną. Każdy obiekt fizyczny ma zbiór częstotliwości własnych, z którymi będzie wibrował, gdy zostanie zakłócony. Są one określone przez jego masę i sztywność. Rezonans występuje, gdy obiekt jest stale „pchany” z tą samą częstotliwością, co jedna z jego częstotliwości własnych.
Klasyczną analogią jest huśtanie dziecka na huśtawce:
- Huśtawka, na której siedzi dziecko, ma określoną częstotliwość drgań własnych zależną od długości lin (sztywności) i masy dziecka.
- Jeśli pchniesz huśtawkę raz, zacznie ona oscylować z własną częstotliwością i w końcu zatrzyma się na skutek tłumienia (opór powietrza i tarcie).
- Jeśli idealnie dopasujesz tempo pchnięć do naturalnej częstotliwości huśtawki, każde pchnięcie doda systemowi więcej energii, a huśtawka będzie się wznosić coraz wyżej. To jest rezonans.
- Jeśli będziesz pchać z niewłaściwą częstotliwością (zbyt szybko lub zbyt wolno), Twoje pchnięcia nie będą zsynchronizowane z ruchem huśtawki i nie będziesz w stanie zbudować dużej amplitudy.
Dlaczego rezonans stanowi problem w maszynach?
W maszynach wirujących rezonans jest zjawiskiem wysoce destrukcyjnym i niebezpiecznym. „Pchnięcie” jest spowodowane przez wszelkie siły okresowe generowane podczas pracy maszyny, takie jak niewyważenie, niewspółosiowość lub siły przesuwu łopat. Jeśli częstotliwość jednej z tych sił pokrywa się z częstotliwością drgań własnych wirnika, fundamentu, konstrukcji wsporczej lub podłączonych rurociągów maszyny, konsekwencje mogą być poważne:
- Ekstremalne poziomy wibracji: Amplitudy mogą być wzmacniane 10, 50 lub nawet setki razy, w zależności od stopnia tłumienia.
- Wysokie naprężenia dynamiczne: Duże ugięcia powodują ogromne naprężenia w elementach, co prowadzi do szybkiego zmęczenia materiału.
- Katastrofalna awaria: Rezonans może w bardzo krótkim czasie spowodować pęknięcie wałów, uszkodzenie łożysk, zerwanie spawów i całkowitą awarię konstrukcji.
- Nadmierny hałas: Wysoki poziom wibracji powoduje głośny i często tonalny hałas.
Objawy i identyfikacja rezonansu
Rezonans charakteryzuje się bardzo specyficznym zestawem objawów, które pomagają w jego diagnozie:
- Wibracje o wysokim stopniu kierunkowości: Wibracje są zazwyczaj znacznie silniejsze w jednym kierunku (np. poziomym) niż w innych.
- Ostry szczyt wibracji a prędkość: Wibracje są wysokie tylko w bardzo wąskim zakresie prędkości. W miarę jak maszyna przyspiesza lub zwalnia poza ten punkt, wibracje drastycznie spadają.
- Zmiana fazy o 180 stopni: Gdy prędkość maszyny przekroczy częstotliwość rezonansową, faza drgań przesunie się o 180 stopni. To definitywne potwierdzenie rezonansu.
- Trudne do utrzymania równowagi: Próba wyważenia wirnika pracującego w rezonansie często jest nieskuteczna, a nawet może pogorszyć problem. Obciążniki korygujące wyważenie będą nietypowo duże lub małe, a drgania mogą przenieść się w inne miejsce.
Rezonans potwierdzono eksperymentalnie za pomocą test uderzeniowy (lub test uderzeniowy) w celu zidentyfikowania naturalnych częstotliwości konstrukcji lub poprzez wykonanie test rozbiegu/wybiegu aby zaobserwować zmiany amplitudy i fazy, gdy maszyna przechodzi przez podejrzewany rezonans.
Jak rozwiązać problem rezonansu
Ponieważ rezonans jest problemem dopasowania częstotliwości, rozwiązanie zawsze wiąże się ze zmianą częstotliwości albo „popychacza”, albo „popychacza”:
- Zmień częstotliwość wymuszania: Zazwyczaj oznacza to zmianę prędkości roboczej maszyny. Jest to najprostsze rozwiązanie, o ile jest wykonalne.
- Zmień częstotliwość naturalną: To jest najczęstsze rozwiązanie.
- Do zwiększyć częstotliwość naturalna, musisz zwiększyć sztywność składnika rezonansowego (np. poprzez dodanie wzmocnienia lub klina).
- Do zmniejszenie częstotliwość naturalną, możesz albo zmniejszyć sztywność lub dodać masę do komponentu.
- Dodaj tłumienie: W niektórych przypadkach, gdy nie można zmienić częstotliwości, dodanie tłumienia (np. przy użyciu materiałów lepkosprężystych lub specjalistycznych tłumików) może zmniejszyć amplitudę szczytu rezonansowego do akceptowalnego poziomu.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 