Förstå resonans i mekaniska system

Definition: Vad är resonans?

Resonans är ett fysikaliskt fenomen som uppstår när ett system utsätts för en periodisk kraft med en frekvens som matchar en av dess egna naturliga frekvenserNär denna frekvensmatchning sker börjar systemet vibrera med extremt stora amplituder. Energin från ingångskraften överförs till systemet mycket effektivt, vilket gör att vibrationen byggs upp dramatiskt. Den enda faktorn som begränsar amplituden vid resonans är systemets dämpning.

Sambandet mellan naturlig frekvens och resonans

För att förstå resonans måste man först förstå egenfrekvensen. Varje fysiskt objekt har en uppsättning egenfrekvenser vid vilka det vibrerar om det störs. Dessa bestäms av dess massa och styvhet. Resonans är vad som händer när man kontinuerligt "trycker" på objektet i exakt samma takt som en av dess egenfrekvenser.

En klassisk analogi är att knuffa ett barn på en gunga:

• Gungan, med barnet på den, har en specifik egenfrekvens baserad på repens längd (styvhet) och barnets massa.
• Om du ger gungan ett enda knuff kommer den att oscillera med sin naturliga frekvens och så småningom stanna på grund av dämpning (luftmotstånd och friktion).
• Om du tajmar dina stötar så att de perfekt matchar svingens naturliga frekvens, tillför varje stöt mer energi till systemet, och svingen går högre och högre. Detta kallas resonans.
• Om du trycker med fel frekvens (för snabbt eller för långsamt) kommer dina tryck att vara osynkroniserade med gungans rörelse, och du kommer inte att kunna bygga upp en stor amplitud.

Varför är resonans ett problem i maskiner?

I roterande maskiner är resonans ett mycket destruktivt och farligt tillstånd. ”Tryckkraften” uppstår genom periodiska krafter som genereras av maskinens drift, såsom obalans, feljustering eller bladkrafter. Om frekvensen för en av dessa krafter överensstämmer med en naturlig frekvens för maskinens rotor, fundament, stödstruktur eller anslutna rörledningar, kan konsekvenserna bli allvarliga:

• Extrema vibrationsnivåer: Amplituderna kan förstärkas 10, 50 eller till och med hundratals gånger, beroende på dämpningens mängd.
• Höga dynamiska spänningar: De stora nedböjningarna orsakar enorm belastning på komponenterna, vilket leder till snabb utmattning.
• Katastrofal misslyckande: Resonans kan leda till spruckna axlar, havererade lager, trasiga svetsfogar och fullständigt strukturellt haveri på mycket kort tid.
• Överdrivet buller: De höga vibrationsnivåerna utstrålar som högt och ofta tonalt brus.

Symtom och identifiering av resonans

Resonans har en mycket tydlig uppsättning symtom som hjälper till vid diagnosen:

• Mycket riktad vibration: Vibrationen är vanligtvis mycket högre i en riktning (t.ex. horisontellt) än i andra.
• Skarp topp i vibration kontra hastighet: Vibrationen är bara hög inom ett mycket smalt hastighetsområde. När maskinen ökar eller saktar ner efter denna punkt minskar vibrationen dramatiskt.
• En 180-graders fasförskjutning: När maskinens hastighet passerar genom resonansfrekvensen kommer vibrationens fas att förändras med 180 grader. Detta är en definitiv bekräftelse på resonans.
• Svårt att balansera: Att försöka balansera en rotor som arbetar på resonans är ofta ineffektivt eller kan till och med förvärra problemet. Balanskorrigeringsvikterna kommer att vara ovanligt stora eller små, och vibrationen kan flytta sig till en annan plats.

Resonans bekräftas experimentellt med hjälp av en stöttest (eller stötprov) för att identifiera strukturens naturliga frekvenser, eller genom att utföra en uppkörnings-/utrullningstest för att observera amplitud- och fasförändringarna när maskinen passerar genom den misstänkta resonansen.

Hur man löser ett resonansproblem

Eftersom resonans är ett frekvensmatchningsproblem innebär lösningen alltid att ändra frekvensen för antingen "pusher" eller "pushee":

1. Ändra forceringsfrekvensen: Detta innebär vanligtvis att ändra maskinens driftshastighet. Detta är den enklaste lösningen om det är möjligt.
2. Ändra den naturliga frekvensen: Detta är den vanligaste lösningen.
   • Till öka den naturliga frekvensen, måste du öka styvheten av den resonanta komponenten (t.ex. genom att lägga till en stag eller en kil).
   • Till minska den naturliga frekvensen, kan du antingen minska styvheten eller tillsätt massa till komponenten.
3. Lägg till dämpning: I vissa fall där frekvenserna inte kan ändras kan tillsats av dämpning (t.ex. med viskoelastiska material eller specialdämpare) minska resonanttoppens amplitud till en acceptabel nivå.

← Tillbaka till huvudmenyn