Înțelegerea rezonanței în sistemele mecanice

Definiție: Ce este rezonanța?

Rezonanţă este un fenomen fizic care apare atunci când un sistem este supus unei forțe periodice la o frecvență care corespunde uneia dintre forțele sale. frecvențe naturaleCând are loc această adaptare a frecvenței, sistemul începe să vibreze cu amplitudini extrem de mari. Energia provenită de la forța de intrare este transferată sistemului foarte eficient, ceea ce face ca vibrațiile să se acumuleze dramatic. Singurul factor care limitează amplitudinea la rezonanță este puterea sistemului. amortizare.

Legătura dintre frecvența naturală și rezonanță

Pentru a înțelege rezonanța, trebuie mai întâi să înțelegeți frecvența naturală. Fiecare obiect fizic are un set de frecvențe naturale la care va vibra dacă este perturbat. Acestea sunt determinate de masa și rigiditatea sa. Rezonanța este ceea ce se întâmplă atunci când „împingeți” continuu obiectul exact în aceeași rată ca una dintre frecvențele sale naturale.

O analogie clasică este împingerea unui copil într-un leagăn:

• Leagănul, cu copilul pe el, are o frecvență naturală specifică, bazată pe lungimea corzilor (rigiditate) și masa copilului.
• Dacă împingi leagănul o singură dată, acesta va oscila la frecvența sa naturală și în cele din urmă se va opri din cauza amortizării (rezistența aerului și frecare).
• Dacă îți cronometrezi împingerile pentru a se potrivi perfect cu frecvența naturală a leagănului, fiecare împingere adaugă mai multă energie sistemului, iar leagănul merge din ce în ce mai sus. Aceasta este rezonanța.
• Dacă împingi la frecvența greșită (prea repede sau prea încet), împingerile tale vor fi desincronizate cu mișcarea leagănului și nu vei putea construi o amplitudine mare.

De ce este rezonanța o problemă în mașini?

În mașinile rotative, rezonanța este o condiție extrem de distructivă și periculoasă. „Împingerea” este asigurată de orice forță periodică generată de funcționarea mașinii, cum ar fi dezechilibrul, nealinierea sau forțele de trecere a palei. Dacă frecvența uneia dintre aceste forțe se aliniază cu o frecvență naturală a rotorului, fundației, structurii de susținere sau a conductelor atașate mașinii, consecințele pot fi grave:

• Niveluri extreme de vibrații: Amplitudinile pot fi amplificate de 10, 50 sau chiar sute de ori, în funcție de gradul de amortizare.
• Tensiuni dinamice ridicate: Deformările mari provoacă o solicitare imensă asupra componentelor, ducând la oboseală rapidă.
• Eșec catastrofal: Rezonanța poate duce la arbori fisurați, rulmenți defecți, suduri rupte și defecțiuni structurale complete într-un timp foarte scurt.
• Zgomot excesiv: Nivelurile ridicate de vibrații radiază sub formă de zgomot puternic și adesea tonal.

Simptome și identificarea rezonanței

Rezonanța are un set foarte distinct de simptome care ajută la diagnosticarea acesteia:

• Vibrații direcționale înalte: Vibrația este de obicei mult mai mare într-o direcție (de exemplu, orizontală) decât în altele.
• Vârf ascuțit în vibrații în funcție de viteză: Vibrațiile sunt puternice doar într-un interval de viteză foarte restrâns. Pe măsură ce mașina accelerează sau încetinește dincolo de acest punct, vibrațiile scad dramatic.
• O schimbare de fază de 180 de grade: Pe măsură ce viteza mașinii trece prin frecvența de rezonanță, faza vibrației se va schimba cu 180 de grade. Aceasta este o confirmare definitivă a rezonanței.
• Dificil de echilibrat: Încercarea de a echilibra un rotor care funcționează pe bază de rezonanță este adesea ineficientă sau chiar poate agrava problema. Greutățile de corecție a echilibrării vor fi neobișnuit de mari sau mici, iar vibrația se poate deplasa într-o altă locație.

Rezonanța este confirmată experimental folosind un testul de impact (sau de lovire) pentru a identifica frecvențele naturale ale structurii sau prin efectuarea unei test de pornire/demarare liberă pentru a observa schimbările de amplitudine și fază pe măsură ce mașina trece prin rezonanța suspectată.

Cum să rezolvi o problemă de rezonanță

Întrucât rezonanța este o problemă de potrivire a frecvenței, soluția implică întotdeauna schimbarea frecvenței fie a „împingătorului”, fie a „împingătorului”:

1. Schimbați frecvența de forțare: Aceasta înseamnă, de obicei, modificarea vitezei de funcționare a mașinii. Aceasta este cea mai simplă soluție, dacă este fezabilă.
2. Schimbați frecvența naturală: Aceasta este cea mai comună soluție.
   • La crește frecvența naturală, trebuie să crește rigiditatea a componentei rezonante (de exemplu, prin adăugarea unei contravântuiri sau a unui guset).
   • La scădere frecvența naturală, puteți fie reduce rigiditatea sau adăugați masă la componentă.
3. Adăugați amortizare: În unele cazuri în care frecvențele nu pot fi modificate, adăugarea de amortizare (de exemplu, cu materiale vâscoelastice sau amortizoare specializate) poate reduce amplitudinea vârfului rezonant la un nivel acceptabil.

← Înapoi la indexul principal