Pochopenie rezonancie v mechanických systémoch
Rezonancia je fyzikálny jav, ktorý nastáva, keď je systém vystavený periodickej sile s frekvenciou, ktorá zodpovedá jeho vlastnej frekvencii. prirodzené frekvencie. Keď dôjde k tejto frekvenčnej zhode, systém začne vibrovať s extrémne veľkými amplitúdami: energia zo vstupnej sily sa do systému prenáša s veľkou účinnosťou, takže vibrácie dramaticky narastá cyklus za cyklom. Jediným faktorom, ktorý v konečnom dôsledku obmedzuje amplitúdu pri rezonancii, je systém tlmenie. Pochopenie rezonancie a jej predchádzanie je jednou z hlavných úloh dynamiky rotorov a diagnostiky strojov, pretože len málo stavov môže zničiť zariadenie tak rýchlo.
1. Definícia: Čo je rezonancia?
Rezonanciu je najlepšie chápať ako otázku časovanie, nie násilím. Mierny podnet, ktorý sa aplikuje v súlade s rytmom štruktúry, vyvolá oveľa väčšiu odozvu ako oveľa silnejšia sila, ktorá sa aplikuje mimo rytmu. Každý dobre načasovaný vstup dodá o niečo viac energie, ako dokáže tlmenie počas daného cyklu odstrániť, takže amplitúda rastie, až kým sa energia rozptýlená tlmením za cyklus nakoniec nevyrovná dodanej energii. V málo tlmenom systéme sa tento bod rovnováhy dosiahne len pri veľmi vysokej amplitúde - preto je rezonancia nebezpečná. Frekvencia, pri ktorej k nej dochádza, je vlastná frekvencia, ktorá je úplne daná hmotnosťou systému a tuhosť.
2. Spojenie medzi vlastnou frekvenciou a rezonanciou
Aby ste pochopili rezonanciu, musíte najprv pochopiť prirodzenú frekvenciu. Každý fyzikálny objekt má súbor prirodzených frekvencií, pri ktorých bude vibrovať, ak je narušený. Tieto sú určené jeho hmotnosťou a tuhosťou. Rezonancia vzniká, keď na objekt neustále „tlačíte“ presne rovnakou rýchlosťou, ako je jedna z jeho prirodzených frekvencií.
Klasickou analógiou je tlačenie dieťaťa na hojdačke:
- Hojdačka s dieťaťom na palube má špecifickú vlastnú frekvenciu, ktorá je daná dĺžkou lana (jeho tuhosťou) a hmotnosťou dieťaťa.
- Jediným stlačením sa rozkmitá na prirodzenej frekvencii a pomaly zaniká v dôsledku tlmenia - odporu vzduchu a trenia.
- Ak každé stlačenie načasujete tak, aby zodpovedalo prirodzenej frekvencii švihu, každé stlačenie dodá energiu a švih sa dostane vyššie a vyššie. To je rezonancia.
- Ak tlačíte nesprávnou rýchlosťou - príliš rýchlo alebo príliš pomaly - vaše tlaky nie sú synchronizované s pohybom a nemôže vzniknúť veľká amplitúda.
Rovnaký vzťah medzi hmotnosťou a tuhosťou platí aj pre komponenty stroja. Môžete ho kvantitatívne preskúmať pomocou nášho Kalkulačka prirodzenej frekvencie pre jednoduchý systém s hmotou a pružinou alebo pre rotujúce hriadele, ktorých vlastná frekvencia sa zhoduje s rýchlosťou chodu, je Kalkulačka kritických otáčok rotora.
3. Prečo je rezonancia problémom v strojových zariadeniach?
V rotačných strojoch je rezonancia veľmi deštruktívny a nebezpečný stav. “Tlak” dodáva akákoľvek periodická sila, ktorú stroj generuje pri bežnej prevádzke - nevyváženosť, nesprávne zarovnanie, alebo priechod čepeľou sily medzi nimi. Ak sa frekvencia jednej z týchto síl zhoduje s vlastnou frekvenciou rotora, základu, nosnej konštrukcie alebo pripojeného potrubia, dôsledky môžu byť vážne:
- Extrémne úrovne vibrácií: amplitúdy môžu byť zosilnené desať-, päťdesiat- alebo dokonca stonásobne, v závislosti od toho, ako málo je prítomné tlmenie.
- Vysoké dynamické namáhanie: veľké výchylky spôsobujú obrovské cyklické namáhanie komponentov, čo spôsobuje rýchle únava.
- Závažná porucha: rezonancie môže spôsobiť prasknuté hriadele, zlyhané ložiská, porušené zvary a úplné zlyhanie konštrukcie v pozoruhodne krátkom čase.
- Nadmerný hluk: vysoké vibrácie sa šíria ako hlasný, často tónový hluk.
Osobitným a obzvlášť dôležitým prípadom je kritická rýchlosť - otáčky rotora, pri ktorých sa budenie pri rýchlosti chodu (1×) zhoduje s vlastnou frekvenciou rotora. Stroje sú zámerne navrhnuté tak, aby sa vzďaľovali od svojich kritických otáčok a aby ich rýchlo prešli počas rozbehu a spúšťania.
4. Príznaky a identifikácia rezonancie
Rezonancia má odlišný súbor príznakov, ktoré pomáhajú pri diagnostike a odlišujú ju od jednoduchej nútené vibrácie problém ako obyčajná nerovnováha:
- Vysoko smerové vibrácie: vibrácie sú zvyčajne oveľa vyššie v jednom smere - často vodorovnom - ako v ostatných, pretože tuhosť konštrukcie sa v jednotlivých smeroch líši.
- Ostrý vrchol vibrácií v závislosti od rýchlosti: vibrácie sú vysoké len v úzkom pásme rýchlosti; keď stroj zrýchľuje alebo spomaľuje za týmto bodom, amplitúda výrazne klesá.
- Fázový posun o 180 stupňov: pri prechode rýchlosti cez rezonančnú frekvenciu sa fáza vibrácií sa posunie o 180 stupňov. Tento fázový obrat je definitívnym potvrdením rezonancie.
- Ťažko sa vyvažuje: pokusy o vyváženie rotora pracujúceho v rezonancii sú často neúčinné alebo môžu situáciu ešte zhoršiť - požadované korekčné závažia vychádzajú nezvyčajne veľké alebo malé a vibrácie sa môžu jednoducho presunúť na iné miesto.
Rezonancia sa experimentálne potvrdzuje dvoma doplňujúcimi sa spôsobmi. A nárazová skúška vyburcuje stacionárnu štruktúru, aby sa priamo odhalili jej vlastné frekvencie. Prípadne sa nábeh alebo pobrežie dole test zaznamenáva amplitúdu a fázu pri prechode stroja cez predpokladanú rezonanciu, pričom sa na grafe zobrazí amplitúdový vrchol a 180-stupňový fázový posun. Bodeho graf.
5. Ako vyriešiť problém rezonancie
Keďže rezonancia je v podstate problémom frekvenčného prispôsobenia, každé riešenie spočíva v zmene frekvencie “tlačiaceho” alebo “tlačeného” - alebo v rýchlejšom rozptýlení energie:
- Zmeňte frekvenciu forsírovania. Zvyčajne to znamená zmenu prevádzkových otáčok stroja. Je to najjednoduchšia oprava, ak to proces umožňuje, a pri pohone s premenlivými otáčkami možno naprogramovať zakázané pásmo otáčok.
- Zmena vlastnej frekvencie. Toto je najbežnejšie riešenie.
- Na zvýšenie vlastná frekvencia, zvýšiť tuhosť rezonančného komponentu - napríklad pridaním výstuhy alebo klinu.
- Na zníženie vlastná frekvencia, buď znížiť tuhosť alebo pridať hmotu ku komponentu.
- Pridanie tlmenia. Ak nie je možné posunúť ani jednu z frekvencií, pridaním tlmenia - viskoelastických úprav alebo špecializovaných tlmičov - sa zníži výška rezonančného maxima na prijateľnú úroveň. Prínos pridaného tlmenia možno kvantifikovať pomocou Kalkulačka tlmiaceho pomeru.
Je potrebné poznamenať, že rezonancia zahŕňajúca podporný systém - štrukturálna rezonancia alebo slabé tuhosť základov - je častým vinníkom a rieši sa rovnakým spôsobom, t. j. vystužením, pridaním hmotnosti alebo tlmením porušujúceho člena.
6. Rezonancia a vyvažovanie poľa
Spojenie medzi rezonanciou a vyvážením je praktická pasca, ktorej sa oplatí vyhnúť. Pretože rotor pracujúci v blízkosti rezonancie poskytuje zavádzajúce, nestabilné údaje amplitúdy a fázy, musíte najprv zistiť, či stroj nepracuje v rezonancii, a až potom sa pokúsiť o jeho vyváženie. V teréne je to jednoduché pomocou prenosného dvojkanálového analyzátora, ako napr. Balanset-1A: jeho meranie rozbehu a rozjazdu zachytáva amplitúdu a fázu v celom rozsahu otáčok, čím sa odhalia všetky rezonančné špičky a 180-stupňový fázový posun, zatiaľ čo jeho laserový tachometer poskytuje referenčnú fázu. Keď sa potvrdí, že stroj beží pohodlne mimo rezonancie, ten istý prístroj vypočíta korekčné váhy a overí výsledok s príslušnými vyvažovanie tolerancie - zatiaľ čo pokus o korekciu rezonancie by len zahnal príznak.
