Zrozumienie rezonansu strukturalnego
Definicja: Czym jest rezonans strukturalny?
Rezonans strukturalny jest stanem, w którym wibracja częstotliwość pochodząca z obracającej się maszyny (np. 1× prędkość biegu, 2× z niewspółosiowość, lub częstotliwość przejścia łopatki) pasuje do częstotliwość własna nieobrotowej konstrukcji nośnej, w tym ramy maszyny, płyty podstawy, postumenty, fundamentów, a nawet pobliskich konstrukcji. Kiedy nastąpi dopasowanie częstotliwości, rezonans wzmacnia drgania strukturalne do poziomów znacznie przekraczających te, na które narażone są same elementy obrotowe.
Rezonans strukturalny jest szczególnie problematyczny, ponieważ może sprawić, że dobrze wyważona i prawidłowo wyosiowana maszyna będzie sprawiać wrażenie, że ma poważne problemy z drganiami. Wysokie drgania występują w konstrukcji, co niekoniecznie wskazuje na problemy z wirnikiem, ale ruch konstrukcji może mieć wpływ zwrotny, wpływając na zachowanie wirnika i powodując z czasem rzeczywiste uszkodzenia mechaniczne.
Jak powstaje rezonans strukturalny
Mechanizm rezonansu
- Źródło wzbudzenia: Maszyny obrotowe generują siły okresowe (od brak równowagi, niewspółosiowość, itp.)
- Przenoszenie siły: Siły te przenoszą się przez łożyska na konstrukcję nośną
- Dopasowanie częstotliwości: Jeżeli częstotliwość wzbudzenia ≈ strukturalna częstotliwość drgań własnych
- Akumulacja energii: Struktura pochłania energię w wielu cyklach
- Wzmocnienie: Amplituda drgań rośnie, ograniczona jedynie przez konstrukcję tłumienie
- Zaobserwowany efekt: Struktura wibruje z amplitudą 5–50× wyższą niż normalnie wytworzyłaby siła wejściowa
Typowe zakresy częstotliwości
- Tryby fundamentowe: Zwykle 5-30 Hz dla typowych fundamentów przemysłowych
- Tryby płyty bazowej: 20-100 Hz w zależności od rozmiaru i konstrukcji
- Tryby postumentu: 30-200 Hz dla typowych podpór łożyskowych
- Tryby ramki/okładki: 50-500 Hz dla paneli i pokryć blaszanych
Typowe scenariusze rezonansu
1X rezonans prędkości biegu
- Przykład: Maszyna pracuje z prędkością 1800 obr./min (30 Hz), częstotliwość drgań własnych fundamentu wynosi 28–32 Hz
- Objaw: Bardzo wysokie wibracje pomimo dobrego wyważenia
- Efekt: Nawet niewielkie resztkowe niewyważenie powoduje duży ruch strukturalny
- Rozwiązanie: Zmień sztywność fundamentu, dodaj tłumienie lub zmień prędkość roboczą
2X rezonans (częstotliwość rozbieżności)
- Niewspółosiowość generuje wzbudzenie częstotliwości 2×
- Jeśli 2× pasuje do trybu strukturalnego, następuje wzmocnienie
- Wysokie wibracje mogą być błędnie diagnozowane jako poważne rozbieżności
- Poprawa wyrównania pomaga, ale nie eliminuje rezonansu
Rezonans częstotliwości przejścia łopatki/łopatki
- Wentylatory, pompy i turbiny generują częstotliwość przechodzenia łopatek (N × obr./min, gdzie N = liczba łopatek)
- Często w zakresie 50-500 Hz
- Może wzbudzać mody strukturalne w tym zakresie częstotliwości
- Grzechotanie lub brzęczenie o wysokiej częstotliwości
Identyfikacja diagnostyczna
Objawy rezonansu strukturalnego
- Nieproporcjonalne wibracje: Drgania konstrukcji są znacznie wyższe niż drgania łożysk
- Wąski zakres prędkości: Wysokie wibracje tylko przy określonej prędkości (±5-10%)
- Zależność kierunkowa: Silne w jednym kierunku, minimalne w kierunku prostopadłym (kształt zgodny z trybem)
- Zależność od lokalizacji: Wibracje różnią się znacznie na całej powierzchni konstrukcji (przeciwwęzły i węzły)
- Minimalny wpływ na łożysko: Łożyska i wirnik mogą wykazywać dopuszczalne drgania, podczas gdy konstrukcja jest poważna
Testy diagnostyczne
1. Badanie odporności na uderzenia (test uderzeniowy)
- Struktura uderzeniowa z młotkiem, pomiar odpowiedzi
- Identyfikuje wszystkie strukturalne częstotliwości naturalne
- Porównaj z częstotliwościami pracy maszyny
- Najbardziej definitywny test rezonansu strukturalnego
2. Porównanie lokalizacji pomiarów
- Pomiar drgań w obudowie łożyska (blisko źródła)
- Pomiar podstawy cokołu, płyty fundamentowej, fundamentu
- Jeżeli drgania konstrukcyjne >> drgania łożysk oznaczają rezonans konstrukcyjny
- Transmisyjność > 2-3 sugeruje wzmocnienie rezonansowe
3. Kształt ugięcia roboczego (ODS)
- Jednoczesny pomiar drgań w wielu punktach konstrukcji
- Twórz animowaną wizualizację ruchu konstrukcyjnego
- Ujawnia, który tryb strukturalny jest aktywny
- Identyfikuje węzły i antywęzły
Rozwiązania i łagodzenie
Separacja częstotliwości
Zmień prędkość roboczą
- W przypadku urządzeń o zmiennej prędkości należy pracować z dala od rezonansu
- Zmień rozmiary kół pasowych silnika, aby dostosować prędkość
- Użyj VFD, aby wybrać prędkość nierezonansową
- Może nie być praktyczne, jeśli prędkość jest ustalana na podstawie wymagań procesu
Modyfikuj częstotliwość drgań własnych strukturalnych
- Dodaj masę: Obniża częstotliwość drgań własnych (f ∝ 1/√m)
- Dodaj sztywność: Podnosi częstotliwość własną (f ∝ √k)
- Usuń materiał: W niektórych przypadkach zmniejszenie masy może spowodować przesunięcie rezonansu
- Modyfikacja strukturalna: Dodaj wzmocnienia, kliny lub wzmocnienia
Dodatek tłumienia
Tłumienie warstwowe o ograniczonym zasięgu
- Materiał tłumiący lepkosprężysty połączony ze strukturą
- Skuteczny w przypadku paneli i ram z blachy
- Zmniejsza amplitudę szczytową rezonansu
- Dostępne w handlu metody tłumienia
Dostrojone tłumiki masowe
- Dodaj wtórny układ masa-sprężyna dostrojony do problematycznej częstotliwości
- Absorbuje energię, redukuje drgania głównej konstrukcji
- Skuteczny, ale wymaga starannego zaprojektowania i dostrojenia
Materiały tłumiące strukturalne
- Podkładki gumowe lub izolatory w strategicznych miejscach
- Związki tłumiące stosowane na powierzchniach
- Amortyzatory cierne w stawach
Izolacja
- Zamontuj izolatory drgań pomiędzy maszyną a fundamentem
- Oddziela drgania maszyny od konstrukcji
- Skuteczny, jeśli izolator ma częstotliwość własną < 0,5× częstotliwość wzbudzenia
- Wymaga starannego projektu, aby uniknąć tworzenia nowych problemów z rezonansem
Zmniejsz pobudzenie
- Poprawić jakość równowagi aby zmniejszyć wzbudzenie 1×
- Precyzyjne wyrównanie w celu zmniejszenia wzbudzenia 2x
- Napraw problemy mechaniczne, zmniejszając amplitudy sił
- Zmniejsza objawy, ale nie eliminuje potencjału rezonansowego
Zapobieganie w projektowaniu
Kryteria projektowania fundamentów
- Częstotliwość drgań własnych fundamentu > 2× maksymalna częstotliwość robocza (unikać rezonansu powyżej)
- Lub < 0,5× minimalna częstotliwość robocza (fundament izolowany)
- Unikaj zakresu 0,5–2,0, w którym prawdopodobny jest rezonans
- Uwzględnij analizę dynamiczną w fazie projektowania
Projektowanie konstrukcyjne
- Projekt zapewniający odpowiednią sztywność w stosunku do częstotliwości wymuszania
- Unikaj konstrukcji lekko obciążonych, podatnych na rezonans
- Aby zwiększyć częstotliwość, użyj ściągaczy i klinów
- Rozważ dodanie tłumienia wrodzonego (materiały kompozytowe, połączenia z tarciem)
Rezonans strukturalny może przekształcić drobne źródła drgań w poważne problemy poprzez efekt wzmocnienia. Identyfikacja rezonansów strukturalnych poprzez testy udarności i pomiary operacyjne, w połączeniu z odpowiednimi strategiami ograniczania drgań, jest niezbędna do osiągnięcia akceptowalnego poziomu drgań w instalacjach, w których dynamika konstrukcji znacząco wpływa na ogólne drgania maszyny.
Kategorie:
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 