Понимание Собственная частота
Собственная частота колебаний любой физической конструкции — и почему ее связь с резонансом является одним из ключевых понятий в анализе вибраций и конструировании вращающегося оборудования.
Калькулятор собственной частоты
Вычислить fn для простых систем + проверьте вероятность возникновения резонанса в зависимости от рабочей скорости
Результаты
Оценка собственной частоты и риска резонанса
чтобы определить собственную частоту
Основные понятия — краткий обзор
Три основных свойства, определяющих поведение любой колебательной системы
| Структура / Компонент | Типичный fn Диапазон | Типичная рабочая частота вращения | Риск резонанса | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Массивный бетонный фундамент | 15–40 Гц | 900-2400 | Низкий | Очень жесткий; как правило, значительно превышает рабочую скорость |
| Стальная опорная плита / салазки | 20–80 Гц | 1200-4800 | Середина | Может совпадать со скоростью вращения 2-полюсного или 4-полюсного двигателя |
| Система трубопроводов (пролет) | 5–50 Гц | 300-3000 | Высокий | Длинные пролеты без опор очень уязвимы |
| Основание насоса | 25–60 Гц | 1500-3600 | Середина | Вертикальные насосы вызывают особые проблемы |
| Корпус вентилятора / кожух | 15–120 Гц | 900-7200 | Середина | Листовые панели могут иметь множество вариантов исполнения |
| Рама электродвигателя | 40–200 Гц | 2400–12 000 | Низкий | Как правило, рассчитывается на скорость, превышающую рабочую в 1 раз |
| Вал (1-я критическая точка) | 20–500 Гц | 1200–30 000 | Высокий | Необходимо знать: при пересечении критической точки возникает сильная вибрация |
| Корпус подшипника | 100–1000 Гц | — | Низкий | Взбуждается ударами подшипников, а не ускорением в 1 раз |
| Корпус коробки передач | 200–2000 Гц | — | Низкий | Восхищение частотами зацепления зубчатых колес |
| Пружинные амортизаторы (установлены) | 2–8 Гц | 120-480 | Середина | Для отключения необходимо значительно снизить скорость до уровня ниже рабочей |
| Резиновые опоры | 5–25 Гц | 300-1500 | Середина | Жесткость зависит от температуры и возраста |
| Соотношение частот (fоп / fn) | Зона | Коэффициент усиления | Практическое значение | Рекомендация |
|---|---|---|---|---|
| 0 – 0,7 | Безопасно внизу | 1,0–2,0× | Сила вибрации передается практически в соотношении 1:1; конструкция перемещается синфазно с воздействующей силой | Допустимо; нормальный рабочий диапазон для жестко закрепленного оборудования |
| 0,7 – 0,85 | Зона захода на посадку | 2–5 раз | Амплитуда начинает значительно усиливаться; ранние резонансные эффекты | Следует избегать работы в режиме установившегося состояния; допустимо при кратковременном разгоне или затухании |
| 0,85 – 1,15 | Резонансная полоса | 5 - 50× | Сильное усиление; амплитуда ограничивается только демпфированием; возможны повреждения конструкции | Ни в коем случае не останавливайтесь здесь; если это неизбежно, проезжайте быстро |
| 1,15 – 1,4 | Зона выхода | 2–5 раз | Амплитуда снижается, но по-прежнему остается повышенной; фаза быстро сдвигается | Не допускать стационарного режима; допустим кратковременный переходный режим |
| 1,4–2,5 | В безопасности наверху | 0,3–1,0× | Вибрация ослабляется; инерция конструкции препятствует перемещению; фазовая инверсия | Зона с хорошей изоляцией для оборудования с гибким креплением |
| > 2,5 | Зона изоляции | < 0,3× | Отличная виброизоляция; передача усилия сводится к минимуму | Идеально подходит для машин с пружинной или резиновой подвеской |
| Метод | Необходимое оборудование | Состояние машины | Точность | Лучшее для | Ограничения |
|---|---|---|---|---|---|
| Испытание на удар (проверка на удар) | Модальный молоток + акселерометр + анализатор БПФ | Остановлено | Высокий | Конструкции, опорные плиты, трубопроводы, опорные корпуса | Машину необходимо остановить; возможно, не будут учтены эффекты, зависящие от скорости |
| Разгон / Торможение | Датчик вибрации + тахометр + отслеживание заказов | Бег (с регулируемой скоростью) | Высокий | Критические частоты вала, резонансы фундамента | Требуется регулируемая частота вращения; сила дисбаланса, равная 1×, вызывает резонанс преимущественно в критических точках вала |
| Рабочая форма отклонения (ODS) | Многоканальный анализатор + множество датчиков | Бег (обычный) | Середина | Визуализация движения конструкции при определенной частоте | Показывает форму прогиба, а не истинную форму колебания (влияние нескольких мод) |
| Экспериментальный модальный анализ (EMA) | Модальный молоток или вибратор + датчики перемещения + программное обеспечение для модального анализа | Остановлено | Очень высокий | Полная модальная модель (частоты, амплитуды, демпфирование) | Требует много времени; требует специальных знаний; сложная обработка данных |
| Анализ методом конечных элементов (FEA) | Компьютер + программное обеспечение для ЧИС + модель | Н/Д (моделирование) | Зависит от модели | Этап проектирования; анализ возможных вариантов; сложные геометрические формы | Точность зависит от качества модели; решающую роль играют граничные условия |
| График «водопад» / «каскад» | Анализатор вибрации с отслеживанием порядков | Бег (с регулируемой скоростью) | Высокий | Выявление множественных резонансов при изменении скорости | Требуется изменение скорости; обнаруживаются только резонансы, возбуждаемые рабочими силами |
Определение: Что такое собственная частота?
Собственная частота — это частота, с которой механическая система совершает свободные колебания после смещения из положения равновесия. Она определяется характеристиками системы масса и жесткость: fn = (1/2π) × √(k/m), где k — коэффициент упругости (Н/м), а m — масса (кг). Когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой, резонанс происходит — амплитуда вибрации может увеличиться в 10–50 раз и привести к катастрофическому отказу. В вращающихся механизмах критическая скорость (об/мин) = fn × 60. При быстрой расчетной оценке на месте используется статическое прогибание: fn ≈ 15,76 / √δмм.
A собственная частота — это собственная частота, с которой физический объект или система будет колебаться, если его/ее вывести из положения равновесия и дать возможность вибрировать свободно, без постоянного воздействия внешней движущей силы. Это неотъемлемое фундаментальное свойство объекта, полностью определяемое его физическими характеристиками — в первую очередь его масса (инерция) и её жесткость (упругость). Любой физический объект — от гитарной струны до пролета моста и опорного постамента машины — обладает одной или несколькими собственными частотами.
Собственные частоты иногда называют собственные частоты (от немецкого слова «eigen», означающего «собственный» или «характерный»), а соответствующие вибрационные паттерны называются формы колебаний или собственные моды. Такая сложная конструкция, как станина станка, может иметь сотни собственных частот, каждая из которых связана с уникальным типом деформации — изгибом, скручиванием, колебаниями, раскачиванием и т. д.
В вращающихся механизмах проблемы с вибрацией зачастую вызваны не чрезмерными возбуждающими силами (такими как дисбаланс), а неудачным совпадением частоты возбуждения с собственной частотой конструкции. Даже вполне допустимый уровень дисбаланса может привести к разрушительной вибрации, если механизм работает на частоте резонанса конструкции или вблизи нее. Поэтому определение собственных частот является одним из важнейших этапов диагностики при расследовании случаев необъяснимой высокой вибрации.
Взаимосвязь между массой, жесткостью и собственной частотой
Фундаментальная взаимосвязь между массой, жесткостью и собственной частотой является одним из важнейших понятий в вибрационной технике. Она одновременно интуитивно понятна и математически точна.
Интуитивное понимание
- Жесткость (k): Более твёрдый объект имеет выше собственная частота. Представьте себе струну гитары: при натяжении струны (увеличении натяжения/жесткости) повышается высота звука (частота). Толстая стальная балка колеблется с гораздо большей частотой, чем тонкая алюминиевая полоска той же длины.
- Масса (м): Более массивный объект имеет ниже собственная частота. Представьте себе линейку, выступающую за край стола: более длинная и тяжелая линейка колеблется медленнее (с меньшей частотой), чем более короткая и легкая. Увеличение веса конструкции всегда приводит к снижению её собственных частот.
Основная формула
Для простой системы с одной степенью свободы (SDOF) — массы, соединенной с пружиной — незатухающая собственная частота равна:
Эта формула имеет глубокие практические последствия:
- На увеличивать fn в 2 раза, необходимо увеличить жесткость в 4 раза (из-за квадратного корня) — или уменьшить массу в 4 раза
- На снижаться fn в 2 раза, необходимо уменьшить жесткость в 4 раза — либо увеличить массу в 4 раза
- Изменения жесткости и массы убывающая доходность: при каждом удвоении fn требуется увеличить значение параметра в 4 раза
Ярлык «Статическое прогибание»
Одна из наиболее полезных практических формул в области вибрационной техники устанавливает прямую связь между собственной частотой и статическим прогибом под действием силы тяжести:
Это чрезвычайно полезно, поскольку статическое прогибание часто легко измерить или оценить: достаточно просто измерить, насколько конструкция прогибается под весом станка. Станок, прогиб которого на опорах составляет 1 мм, имеет вертикальную собственную частоту около 15,8 Гц (948 об/мин). Станок, прогиб которого составляет 0,25 мм, имеет fn ≈ 31,5 Гц (1890 об/мин).
Нужно быстро оценить собственную частоту без приборов? Установите индикатор часового типа под корпусом подшипника станка и отслеживайте статическое отклонение при нагрузке весом станка (например, во время монтажа). Формула fn ≈ 15,76/√δмм дает удивительно точное первое приближение к основной вертикальной собственной частоте.
Несколько степеней свободы
Реальные конструкции не являются простыми одностепенными системами — они состоят из множества масс, соединенных с помощью распределенной жесткости, что приводит к появлению множества собственных частот. Простое твердое тело на упругих опорах имеет шесть собственных частот, соответствующих шести степеням свободы: три поступательных (по вертикали, в поперечном направлении, по оси) и три угловых (крен, тангаж, рыскание). Гибкая конструкция имеет бесконечное множество мод, хотя на практике обычно имеют значение лишь несколько самых низких из них.
Основной принцип заключается в следующем: число собственных частот равно числу степеней свободы в модели. Простая балка, смоделированная с помощью 10 сосредоточенных масс, имеет 10 собственных частот; модель на основе метода конечных элементов с 10 000 узлов имеет 30 000 (3 степени свободы на узел) собственных частот, хотя в интересующем диапазоне частот может находиться лишь несколько десятков из них.
Влияние демпфирования
В реальных системах всегда присутствует некоторое демпфирование — трение, гистерезис материала, излучение в окружающую среду, сопротивление жидкости и т. д. Демпфирование оказывает два эффекта:
- Незначительно понижает фактическую резонансную частоту: Затухающая собственная частота равна fd = fn × √(1 − ζ²), где ζ — коэффициент демпфирования. Для типичных механических конструкций (ζ = 0,01–0,05) этот эффект пренебрежимо мал — снижение составляет менее 0,1 %.
- Ограничивает амплитуду при резонансе: Без демпфирования амплитуда резонанса теоретически была бы бесконечной. Коэффициент усиления Q (коэффициент качества) при резонансе приблизительно равен Q = 1/(2ζ). Для слабодемпфированной конструкции с ζ = 0,02 коэффициент Q равен 25, что означает, что амплитуда колебаний при резонансе в 25 раз превышает амплитуду колебаний вне зоны резонанса. Именно поэтому даже небольшой дисбаланс может вызывать сильные колебания на критических скоростях.
Собственная частота и резонанс: важнейшая связь
Понятие собственной частоты имеет решающее значение в инженерии именно благодаря его непосредственной связи с явлением резонанс.
Что такое резонанс?
Резонанс возникает, когда на систему действует периодическая внешняя сила с частотой, равной одной из её собственных частот или очень близкой к ней. В этом случае система с максимальной эффективностью поглощает энергию внешней силы, что приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний. Каждый цикл воздействующей силы добавляет энергию системе в точной синхронизации с её собственными колебаниями, увеличивая амплитуду цикл за циклом, пока либо демпфирование не ограничит дальнейший рост, либо конструкция не разрушится.
Коэффициент усиления
Усиление колебаний при резонансе в значительной степени зависит от демпфирования системы. Коэффициент динамического усиления (DMF) характеризует, насколько динамическая реакция превышает статическое отклонение, которое вызвала бы та же самая сила:
| Коэффициент демпфирования (ζ) | Типичная система | Коэффициент Q (≈ 1/2ζ) | Усиление при резонансе |
|---|---|---|---|
| 0.005 | Сварная стальная конструкция, без амортизаторов | 100 | 100-кратное статическое отклонение |
| 0.01 | Стальной каркас, болтовые соединения | 50 | 50-кратное статическое отклонение |
| 0.02 | Типичная конструкция оборудования | 25 | 25-кратное статическое отклонение |
| 0.05 | Бетонный фундамент, болтовые соединения | 10 | 10-кратное статическое отклонение |
| 0.10 | На резиновых опорах, с хорошей амортизацией | 5 | 5-кратное статическое отклонение |
| 0.20 | С высокой степенью демпфирования (вязкий демпфер) | 2.5 | 2,5-кратное статическое прогибание |
Почему резонанс опасен
Резонанс представляет особую опасность, поскольку амплитуда колебаний может быть в 10–100 раз больше, чем можно было бы ожидать, исходя только из величины воздействующей силы. Ротор с эксцентриситетом дисбаланса 50 мкм, который при нерезонансной скорости вызывает колебания амплитудой 1 мм/с, в резонансном режиме может генерировать колебания амплитудой 25–50 мм/с — этого достаточно, чтобы вывести из строя подшипники, привести к усталостному разрушению болтов, образованию трещин в сварных швах и вызвать цепную аварию оборудования.
Обрушение моста Такома-Нарроуз по-прежнему остается одним из самых ярких примеров проявления резонанса в истории инженерного дела. Действие ветра с частотой, близкой к собственной частоте кручения моста, привело к колебаниям мостового полотна с нарастающей амплитудой, пока не произошло разрушение конструкции. Это событие привело к коренным изменениям в мостостроении и изучается на всех курсах по динамике конструкций во всем мире. Современные инженеры регулярно проводят модальный анализ, чтобы гарантировать, что конструкции проектируются с учетом предотвращения воздействия предсказуемых частот возбуждения.
Критические скорости вращающихся механизмов
В вращающихся механизмах наиболее важным проявлением собственной частоты является критическая скорость — скорость вращения, при которой частота вращения вала (1× об/мин) совпадает с собственной частотой системы «ротор-подшипник-опора». Когда машина работает на критической скорости, сила дисбаланса, равная 1×, вызывает резонанс на собственной частоте, что приводит к сильной резонансной вибрации.
Типы критических скоростей
- Критические моменты, связанные с твердым телом: Возникают, когда частота вращения вала совпадает с собственной частотой ротора на опорах подшипников, при этом сам вал остается практически прямым. Как правило, это первый и второй критические режимы (режимы отскока и раскачивания), которые возникают на низких скоростях. Критические режимы твердого тела можно изменить, изменив жесткость подшипников или массу опорной конструкции.
- Критические значения для гибких роторов (критические значения по изгибу): Возникают, когда частота вращения вала совпадает с собственной частотой, связанной с изгибной деформацией вала. Первая критическая частота изгиба обычно приводит к тому, что вал принимает форму полусинусоиды. Такие ситуации являются более опасными, поскольку сопровождаются значительными прогибами в середине вала и не могут быть устранены лишь за счет замены подшипников — необходимо изменить саму геометрию вала.
Предел отсечения
Отраслевые стандарты (например, API 610, API 617) предписывают минимальный запас на расстояние между рабочей скоростью и критическими скоростями:
- Типичное требование к API: Рабочая скорость должна отличаться от любой поперечной критической скорости (без демпфирования) не менее чем на 15–20 %
- Общие рекомендации: Маржа в 20 % считается минимальной; для критически важного оборудования предпочтительна маржа в 30 %
- Оборудование с частотно-регулируемым приводом: Частотно-регулируемые приводы изменяют рабочую скорость, что может привести к прохождению критических точек. Необходимо проверить весь рабочий диапазон, выявить критические точки в пределах этого диапазона и либо исключить их, либо запрограммировать быстрый переход.
При балансировке на месте машины, работающей вблизи (но с безопасным запасом выше) критической частоты, фазовые соотношения между дисбалансом и вибрационным откликом будут отличаться от ожидаемых для машины, работающей «ниже резонанса». Сигнал вибрации может опережать точку наибольшего дисбаланса на 90–180°, а не быть синфазным. Хорошо балансировочное оборудование это осуществляется автоматически посредством измерения реакции с учетом пробного нагружения, однако аналитик должен помнить, что работа в режиме, близком к критическому, затрудняет проведение простого векторного анализа.
Как определяются собственные частоты?
Определение собственных частот машины или конструкции является одним из основных диагностических навыков. Существует несколько методов, от простых до сложных:
1. Испытание на удар (тест на столкновение)
Наиболее распространённый и практичный экспериментальный метод определения собственных частот конструкции. Процедура заключается в ударе по машине или конструкции (в то время как она нет (в режиме работы) с помощью ударного молотка с датчиками и измерением возникающей вибрации с помощью акселерометра. Удар молотка одновременно передает энергию в широком диапазоне частот, и конструкция естественным образом «звучит» на своих собственных частотах, образуя четкие пики в результирующем спектре БПФ.
Практическая процедура
Подготовьте оборудование
Установите акселерометр на конструкции в интересующей точке (как правило, на корпусе подшипника или опорной конструкции). Подключите прибор к анализатору БПФ или устройству сбора данных, настроенному для проведения испытаний на ударную нагрузку (триггер во временной области, соответствующий диапазон частот, обычно 0–1000 Гц для резонансных частот конструкции).
Выберите наконечник молотка
Наконечники ударных молотков различной твёрдости возбуждают разные диапазоны частот. Мягкие резиновые наконечники возбуждают частоты в диапазоне 0–200 Гц; средней твёрдости пластиковые наконечники — 0–500 Гц; твёрдые стальные наконечники — 0–5000 Гц. Выберите наконечник, который покрывает диапазон частот, необходимый для конкретного испытания.
Запись и воспроизведение
Нанесите по конструкции один решительный и четкий удар. Старайтесь избегать двойных ударов (отскоков). Анализатор должен зарегистрировать временную кривую, отражающую момент удара и последующее затухание собственных колебаний. При проведении БПФ этого сигнала собственные частоты проявятся в виде пиков.
Среднее количество попаданий
Сделайте 3–5 средних значений, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум и убедиться в стабильности результатов. Если функция частотной характеристики (FRF) значительно колеблется между отдельными измерениями, проверьте, не произошло ли повторного срабатывания датчика, не нарушено ли крепление акселерометра или не изменились ли граничные условия.
Определить собственные частоты
Собственные частоты отображаются в виде пиков на графике амплитудной характеристики частотно-частотного отклика (FRF). Подтвердите их с помощью графика фазового сдвига (собственные частоты характеризуются фазовым сдвигом на 180°) и функции когерентности (которая на собственных частотах должна быть близка к 1,0). Запишите эти частоты и сравните их с рабочей частотой и гармониками.
Всегда проводите проверку на утечку с помощью самого устройства в сборе но не работает. Собственные частоты могут значительно изменяться при снятии ротора (изменение массы) или во время работы машины (гироскопические эффекты, изменение жесткости подшипников в зависимости от скорости, тепловые эффекты). Проведите испытания в нескольких направлениях (по вертикали, горизонтали, по оси), чтобы выявить все значимые моды. Повторите испытания после любой модификации конструкции, чтобы убедиться, что внесенные изменения привели к желаемому результату.
2. Испытание на разгон / выбег
Для работающих машин испытание на разгон или торможение является наиболее практичным способом определения собственных частот, возбуждаемых вращающими силами. По мере изменения скорости машины сила дисбаланса 1× (а также любые другие силы, зависящие от скорости) проходит через диапазон частот. Когда частота воздействия пересекает собственную частоту, амплитуда колебаний демонстрирует отчетливый пик, что позволяет идентифицировать эту собственную частоту как критическая скорость.
Для проведения испытания требуется одновременный замер вибрации и сигнал тахометра (фазовый вектор), чтобы соотнести амплитуду и фазу вибрации со скоростью вращения вала. Данные обычно отображаются в виде диаграммы Боде (амплитуда и фаза в зависимости от числа оборотов в минуту) или полярной диаграммы (вектор амплитуды × фазы в зависимости от числа оборотов в минуту). Обе диаграммы наглядно показывают критические скорости в виде пиков амплитуды, сопровождающихся сдвигом фазы примерно на 180°.
3. Анализ графика «водопад» / «каскад»
График «водопад» (или каскадный график) представляет собой трехмерное изображение нескольких спектров БПФ, полученных при различных скоростях машины во время разгона или затухания. На нем отображаются частота (по горизонтали), амплитуда (по вертикали) и скорость (по оси глубины). В этом формате:
- Линии, зависящие от скорости (порядок) отображается в виде диагональных линий: 1×, 2×, 3× и т. д., смещающихся вправо по мере увеличения скорости
- Собственные частоты отображаются в виде вертикальных пиков (с фиксированной частотой, независимо от скорости) — они не смещаются при изменении скорости
- Резонансы проявляются там, где линия порядка, зависящая от скорости, пересекает собственную частоту, вызывая локальный скачок амплитуды
Это один из самых эффективных диагностических инструментов, позволяющих отличить вибрацию, зависящую от скорости (вызванную дисбалансом, несоосностью и т. п.), от проблем, связанных с резонансом конструкции.
4. Метод конечных элементов (МКЭ)
На этапе проектирования инженеры используют компьютерные модели для расчета собственных частот узлов, машин и несущих конструкций еще до их изготовления. Метод конечных элементов (МКЭ) разбивает конструкцию на тысячи мелких элементов, применяет соответствующие свойства материалов (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона), моделирует граничные условия (болтовые соединения, опоры, фундамент) и решает задачу о собственных значениях для определения собственных частот и форм колебаний.
Метод конечных элементов (FEA) незаменим для:
- Проектирование конструкций с учетом предотвращения резонансных явлений до начала изготовления
- Проведение анализа «что, если»: что произойдет, если добавить ребра жесткости? Изменить пролет опоры? Использовать другой материал?
- Прогнозирование поведения различных режимов движения сложных геометрических форм, которые сложно проверить экспериментально
- Проверка достоверности экспериментальных результатов путем сопоставления измеренных и расчетных собственных частот
5. Анализ операционных моделей (OMA)
Это относительно современный метод, позволяющий определять собственные частоты и формы колебаний работающей машины исключительно на основе данных о ее отклике — без необходимости контролируемого возбуждения (с помощью молотка или вибратора). В методе OMA используются передовые алгоритмы (например, стохастическая идентификация в подпространстве), которые рассматривают рабочие нагрузки на машину как возбуждение в виде «белого шума». Это особенно ценно для крупного или критически важного оборудования, которое нельзя останавливать для проведения испытаний на ударную нагрузку, а также в случаях, когда граничные условия в рабочем режиме значительно отличаются от условий в остановленном состоянии.
Практические примеры в области промышленного машиностроения
Проблема: Вертикальный турбонасос, работающий со скоростью 1780 об/мин (29,7 Гц), демонстрирует вибрацию амплитудой 12 мм/с при частоте 1× частоты вращения на верхней части двигателя. Попытки балансировки временно снижают вибрацию, но она возвращается в течение нескольких недель.
Расследование: В результате импульсного испытания узла «двигатель/насос» установлено, что собственная частота составляет 28,5 Гц — всего на 4 % ниже рабочей частоты. Система работает в резонансном диапазоне.
Решение: К опорной раме двигателя добавлена стальная распорка, что повысило жесткость конструкции. Результаты испытания на резонанс после модификации показали, что собственная частота сместилась до 42 Гц (на 42 % выше рабочей скорости). Уровень вибрации снизился до 2,5 мм/с без каких-либо корректировок балансировки, что подтвердило: основной причиной был резонанс, а не дисбаланс.
Проблема: Большой вентилятор с принудительной тягой, установленный на фундаменте из стального каркаса, работает со скоростью 990 об/мин (16,5 Гц). На фундаменте регистрируется вибрация амплитудой 8 мм/с при частоте 1× частота вращения, тогда как на корпусе подшипника самого вентилятора — всего 2 мм/с.
Расследование: Тот факт, что фундамент вибрирует сильнее, чем источник (вентилятор), является классическим признаком резонанса. В результате испытания на удар установлено, что собственная частота колебаний фундамента в поперечном направлении составляет 17,2 Гц — с погрешностью не более 4 % от рабочей частоты.
Решение: Рассматриваются два варианта: (1) увеличить массу фундамента (нижняя часть фn), либо (2) увеличить жесткость (повысить fn). К каркасу фундамента добавляются поперечные раскосы, что увеличивает fn до 24 Гц. Вибрация фундамента снижается до 1,8 мм/с.
Проблема: Трубопровод, подключенный к 5-лопастному центробежному насосу, работающему со скоростью 1480 об/мин, демонстрирует сильную вибрацию с частотой 123 Гц (= 5 × 24,7 Гц, частота прохождения лопастей). Зажимы труб ослабляются, а на сварных опорах появляются усталостные трещины.
Расследование: В результате испытания на ударную нагрузку на данном участке трубопровода была выявлена собственная частота 120 Гц — почти в точности соответствующая частоте прохождения лопастей насоса (5 × число оборотов в минуту = 123 Гц).
Решение: В середине пролета устанавливается дополнительная опора трубопровода, что повышает собственную частоту пролета до 185 Гц. В качестве альтернативы для некоторых установок эффективным может оказаться установка настроенного виброгасителя (динамического амортизатора) в точке антиузла трубопровода. После установки опоры вибрация трубопровода снижается на 85 %.
Стратегии предотвращения проблем с резонансом
Лучше всего решать проблему резонанса на этапе проектирования, но ее можно устранить и в процессе эксплуатации. Существует три основных подхода:
1. Расстройка — изменение собственной частоты
Сместите собственную частоту в сторону от частоты возбуждения. Обеспечьте минимальный запас по частоте (обычно 20–30 %). Возможные варианты:
- Повышение жесткости: Добавьте раскосы, ребра жесткости, угловые накладки, более толстые листы или бетонную засыпку. Это повышает жесткостьn. Наиболее распространённый способ устранения резонанса в конструкциях при скорости ниже рабочей.
- Добавить вес: Установите дополнительный груз (стальные листы, бетон). Это снижает фn. Используется в тех случаях, когда собственная частота чуть выше частоты возбуждения и проще снизить её.
- Изменить жесткость подшипника: В случае критических скоростей вала изменение зазора, предварительного натяга или типа подшипника может привести к изменению критической скорости. Более жесткие подшипники повышают критическую скорость, а более мягкие — понижают её.
- Изменить геометрию вала: Что касается критических параметров при изгибе, увеличение диаметра вала приводит к повышению критической частоты (жесткость растёт быстрее, чем масса). Уменьшение длины опоры также приводит к повышению критических параметров.
2. Влажность — уменьшение амплитуды при резонансе
Если собственную частоту невозможно сместить в сторону от частоты возбуждения, следует добавить демпфирование, чтобы ограничить резонансную амплитуду. Возможные варианты:
- Демпфирование с ограниченным слоем: Вязкоупругий материал, расположенный между несущими пластинами, — весьма эффективно устраняет резонанс панелей и корпуса
- Вязкостные амортизаторы: Демпферы с сжимаемой пленкой или вязкостные демпферы, широко применяемые в опорах подшипников турбомашин
- Настроенные виброгасители: Система «масса-пружина», настроенная на проблемную частоту, прикрепленная к вибрирующей конструкции. Амортизатор вибрирует в противофазе, гася колебания конструкции на заданной частоте
- Сборки с болтовыми соединениями: Увеличение количества болтовых соединений (по сравнению со сварными) приводит к появлению трения, сдерживающего колебания за счет микроскольжения на границах раздела
3. Уменьшить силу возбуждения
Если ни расстройка, ни демпфирование не представляются целесообразными, уменьшите величину воздействия:
- Улучшенная балансировка: Уменьшить 1-кратное возбуждение за счет выравнивания до более узкого диапазона G-класс — даже если резонанс не достигнут, это снижает силу, достаточную для возбуждения любого резонанса
- Точная центровка: Снизить 2-кратное возбуждение, вызванное несоосностью
- Изменение скорости: Если двигатель приводится в действие частотно-регулируемым приводом, исключите резонансную частоту из рабочего диапазона или запрограммируйте быстрый проход через резонансную полосу
- Изоляция: Установите виброизоляторы, чтобы предотвратить передачу колебаний на резонирующую конструкцию
На практике следует стремиться к тому, чтобы разница между любой собственной частотой и любой значимой частотой возбуждения составляла не менее 20 %. Для критически важных областей применения (энергетика, морские сооружения, аэрокосмическая промышленность) предпочтительным является разница в 30 % или более. Это относится не только к частоте, равной удвоенной частоте вращения (1× RPM), но и к удвоенной частоте (смещение валов), частотам прохождения лопастей/аутрикеров, частотам зацепления зубчатых колес, а также к любым другим периодическим источникам возбуждения. В ходе комплексного анализа по предотвращению резонанса сравниваются все частоты возбуждения по отношению к все собственные частоты в системе.
Понимание собственной частоты — и её опасной связи с резонансом — имеет основополагающее значение для проведения анализа вибрации и обеспечения надежности оборудования. Каждый специалист по анализу вибрации должен уметь определять собственные частоты в ходе испытаний, интерпретировать их взаимосвязь с условиями эксплуатации и предлагать соответствующие меры по устранению неисправностей в тех случаях, когда выясняется, что резонанс является одной из причин проблемы с вибрацией.
Часто задаваемые вопросы — Собственная частота
Часто задаваемые вопросы о собственной частоте, резонансе и критических скоростях
▸ Что такое собственная частота, если объяснить простыми словами?
▸ Как рассчитать собственную частоту системы «масса-пружина»?
▸ Что происходит при резонансе? Почему это опасно?
▸ Что такое критическая скорость и как она связана с собственной частотой?
▸ Как измерить собственную частоту в полевых условиях?
▸ Как изменить собственную частоту конструкции, чтобы избежать резонанса?
▸ Какой клавиша быстрого доступа используется для расчета собственной частоты?
Похожие статьи Глоссарий
Профессиональное оборудование для анализа вибрации
Выявляйте проблемы, связанные с резонансом, и балансируйте роторы в полевых условиях с помощью портативных приборов Vibromera — спектральный анализ, измерение фазы и балансировка в соответствии с требованиями ISO в одном устройстве.
Обзор оборудования →