1. ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์คืออะไร?

โครงสร้างและเครื่องจักรส่วนใหญ่มีการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติ ดังนั้นแรงภายนอกที่กระทำต่อโครงสร้างและเครื่องจักรเหล่านั้นเป็นระยะๆ จึงสามารถทำให้เกิดการสั่นพ้องได้ การสั่นพ้องมักหมายถึงการสั่นที่ความถี่ธรรมชาติหรือที่ความถี่วิกฤต. การสั่นพ้องคือปรากฏการณ์ที่แอมพลิจูดของการสั่นแบบบังคับเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว, ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการกระตุ้นจากภายนอกเข้าใกล้ความถี่เรโซแนนซ์ที่กำหนดโดยคุณสมบัติของระบบ การเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดการสั่นเป็นเพียงผลสืบเนื่องมาจากเรโซแนนซ์เท่านั้น สาเหตุเกิดจากการที่ความถี่ภายนอก (การกระตุ้น) ตรงกับความถี่ภายใน (ธรรมชาติ) ของระบบสั่น (โรเตอร์-แบริ่ง).

การสั่นพ้องคือปรากฏการณ์ที่ระบบสั่นสะเทือนตอบสนองต่อแรงกระตุ้นนั้นเป็นพิเศษ ณ ความถี่หนึ่งของแรงกระตุ้น พารามิเตอร์ของระบบ เช่น ความแข็งแกร่งต่ำและ/หรือการหน่วงที่อ่อนแอ ซึ่งกระทำต่อเครื่องจักรแบบโรเตอร์ที่ความถี่สั่นพ้อง สามารถนำไปสู่การเกิดการสั่นพ้องได้ การสั่นพ้องไม่จำเป็นต้องนำไปสู่การชำรุดของเครื่องจักรหรือความเสียหายของชิ้นส่วน เว้นแต่ว่าข้อบกพร่องในเครื่องจักรทำให้เกิดการสั่นสะเทือน หรือเมื่อเครื่องจักรที่ติดตั้งอยู่ใกล้เคียง "เหนี่ยวนำ" ให้เกิดการสั่นสะเทือนที่ความถี่เดียวกันกับความถี่ธรรมชาติ.

สิ่งนี้เปรียบได้กับการสั่นของระฆังหรือกลอง ในกรณีของระฆัง (รูปที่ 1) พลังงานทั้งหมดอยู่ในรูปของพลังงานศักย์เมื่อมันอยู่นิ่งและอยู่ที่จุดสูงสุดของวิถีการเคลื่อนที่ และเมื่อมันผ่านจุดต่ำสุดด้วยความเร็วสูงสุด พลังงานจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ พลังงานศักย์เป็นสัดส่วนกับมวลของระฆังและความสูงของการยกเมื่อเทียบกับจุดต่ำสุด พลังงานจลน์เป็นสัดส่วนกับมวลและกำลังสองของความเร็ว ณ จุดวัด นั่นคือ ถ้าคุณตีระฆัง มันจะสั่นด้วยความถี่เฉพาะ (หรือหลายความถี่) ถ้ามันอยู่นิ่ง มันจะไม่สั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์.

การสั่นพ้องเป็นคุณสมบัติของเครื่องจักรไม่ว่าจะกำลังทำงานอยู่หรือไม่ก็ตาม ควรสังเกตว่าความแข็งแกร่งแบบไดนามิกของเพลาเมื่อเครื่องจักรหมุนอาจแตกต่างอย่างมากจากความแข็งแกร่งแบบสถิตเมื่อเครื่องจักรหยุดนิ่ง ในขณะที่การสั่นพ้องเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น.

มีกฎที่ได้รับการยอมรับซึ่งอิงจากประสบการณ์จริงระบุไว้ว่า ความถี่เรโซแนนซ์ที่วัดได้ระหว่างการหยุดทำงานของเครื่องจักร (การลดความเร็ว) จะต่ำกว่าความถี่การสั่นสะเทือนที่เกิดจากแรงกระทำประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์. ความถี่เรโซแนนซ์ของชุดประกอบและชิ้นส่วนเครื่องจักรแต่ละชิ้น เช่น เพลา โรเตอร์ ตัวเรือน และฐานราก คือการสั่นที่ความถี่ธรรมชาติของชิ้นส่วนเหล่านั้น.

หลังจากติดตั้งเครื่องจักรแล้ว ความถี่เรโซแนนซ์อาจเปลี่ยนแปลงค่าได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ของระบบ (มวล ความแข็ง และการหน่วง) ซึ่งหลังจากเชื่อมต่อกลไกทั้งหมดของเครื่องจักรเข้าเป็นหน่วยเดียวแล้ว อาจเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ นอกจากนี้ ความแข็งแบบไดนามิกดังที่กล่าวไว้ข้างต้น สามารถทำให้ความถี่เรโซแนนซ์เปลี่ยนไปเมื่อเครื่องจักรทำงานที่ความเร็วรอบปกติ เครื่องจักรส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้โรเตอร์ไม่มีความถี่ธรรมชาติเดียวกับเพลา เครื่องจักรที่ประกอบด้วยกลไกหนึ่งหรือสองกลไกไม่ควรทำงานที่ความถี่เรโซแนนซ์ อย่างไรก็ตาม ด้วยการสึกหรอและการเปลี่ยนแปลงของระยะห่าง ความถี่ธรรมชาติมักจะเปลี่ยนไปทางความเร็วรอบการทำงาน ทำให้เกิดเรโซแนนซ์.

การเกิดการสั่นสะเทือนอย่างกะทันหันที่ความถี่ผิดปกติ เช่น การประกอบที่ไม่แน่นหนาหรือความผิดพลาดอื่นๆ อาจทำให้เครื่องจักรสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์ ในกรณีนี้ การสั่นสะเทือนของเครื่องจักรจะเพิ่มขึ้นจากระดับที่ยอมรับได้ไปสู่ระดับที่ยอมรับไม่ได้ หากการสั่นสะเทือนเกิดจากการเรโซแนนซ์ของชุดประกอบหรือชิ้นส่วนของเครื่องจักร.

2. การสั่นสะเทือนระหว่างการเริ่มต้นและการปิดระบบ (รูปที่ 2)

สามารถสังเกตปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ได้ในระหว่างการเริ่มต้นการทำงานของเครื่องจักร เมื่อความเร็วรอบผ่านความถี่เรโซแนนซ์ (รูปที่ 2) เมื่อความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้น แอมพลิจูดจะเพิ่มขึ้นจนถึงค่าสูงสุดที่ความถี่เรโซแนนซ์ (n)_res) และลดลงหลังจากผ่านจุดนั้นไป เมื่อโรเตอร์ผ่านจุดสั่นพ้องแล้ว เฟสการสั่นเปลี่ยนไป 180 องศา. เมื่อถึงสภาวะเรโซแนนซ์ การสั่นของระบบจะเลื่อนเฟสไป 90 องศา เมื่อเทียบกับการสั่นของแรงกระตุ้น.

โดยทั่วไปแล้ว การเลื่อนเฟส 180 องศา มักพบได้เฉพาะในโรเตอร์ที่มีระนาบการแก้ไขเพียงระนาบเดียว (รูปที่ 3 ด้านซ้าย) ระบบ "เพลา/โรเตอร์-แบริ่ง" ที่ซับซ้อนกว่า (รูปที่ 3 ด้านขวา) จะมีการเลื่อนเฟสอยู่ในช่วง 160° ถึง 180° เมื่อใดก็ตามที่ผู้เชี่ยวชาญด้านการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนสังเกตเห็นแอมพลิจูดการสั่นสูง พวกเขาควรสันนิษฐานว่าการเพิ่มขึ้นจนถึงระดับที่ไม่สามารถยอมรับได้อาจเกี่ยวข้องกับการสั่นพ้องของระบบ.

3. การกำหนดค่าโรเตอร์ (รูปที่ 3)

พฤติกรรมการสั่นของโรเตอร์ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตและวิธีการรองรับเป็นอย่างมาก โรเตอร์แบบง่ายที่มีระนาบแก้ไขเพียงระนาบเดียว (แผ่นดิสก์ที่ยื่นออกมา) จะแสดงการเปลี่ยนเฟส 180° ที่ชัดเจนผ่านการสั่นพ้อง ระบบที่ซับซ้อนกว่า เช่น โรเตอร์สองตัวที่เชื่อมต่อกันผ่านเพลาคาร์ดาน จะแสดงโหมดที่เชื่อมโยงกันหลายโหมด และการเปลี่ยนเฟสอาจเบี่ยงเบนจาก 180° ในอุดมคติ.

4. มวล ความแข็ง และการหน่วง (รูปที่ 4–7)

มวล ความแข็ง และการหน่วง คือพารามิเตอร์สามประการของระบบการสั่นที่ส่งผลต่อความถี่และเพิ่มแอมพลิจูดของการสั่นที่จุดเรโซแนนซ์.

มวล มวลเป็นตัวบ่งบอกถึงคุณสมบัติของวัตถุและเป็นตัววัดความเฉื่อย (ยิ่งมวลมาก ความเร่งที่เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแรงเป็นคาบก็จะยิ่งน้อยลง) ซึ่งเป็นสาเหตุของการสั่นของวัตถุ.

ความแข็ง เป็นคุณสมบัติของระบบที่ต้านทานแรงเฉื่อยที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากแรงมวล.

การลดแรงสั่นสะเทือน เป็นคุณสมบัติของระบบที่ช่วยลดพลังงานของการสั่นสะเทือนโดยการแปลงพลังงานนั้นให้เป็นพลังงานความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทานในระบบกลไก.

โดยที่ f_n — ความถี่ธรรมชาติ, k — ความแข็ง, m — มวล, ζ — อัตราส่วนการหน่วง, Q — ค่าคุณภาพ (การขยายที่ความถี่เรโซแนนซ์), A_res — แอมพลิจูดเรโซแนนซ์, F₀ — แอมพลิจูดของแรงกระตุ้น.

เพื่อลดการเกิดเรโซแนนซ์ พารามิเตอร์ของระบบจะถูกเลือกเพื่อให้ความถี่เรโซแนนซ์อยู่ห่างจากความถี่การกระตุ้นภายนอกที่เป็นไปได้มากที่สุด ในทางปฏิบัติ อุปกรณ์ดูดซับการสั่นสะเทือนแบบไดนามิก หรือแดมเปอร์ จะถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้.

โปรแกรมจำลองแบบโต้ตอบด้านล่าง (แทนที่ภาพประกอบคงที่ 4–7 จากบทความต้นฉบับ) แสดงลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูดและความถี่ (AFC) ของระบบสั่นอย่างง่ายที่ประกอบด้วยมวล สปริง และแดมเปอร์ ปรับพารามิเตอร์เพื่อสังเกตผลกระทบเหล่านี้แบบเรียลไทม์:

อาจเปรียบเทียบได้กับสายกีตาร์ ยิ่งดึงสายกีตาร์ให้ตึงมากเท่าไหร่ (ความแข็งมากขึ้น) เสียงก็จะยิ่งสูงขึ้น (ความถี่เรโซแนนซ์) จนกระทั่งสายขาด ในทางกลับกัน หากใช้สายที่หนาที่สุด (มวลมากที่สุด) เสียงที่ได้ก็จะต่ำลง.

5. การวัดค่าเรโซแนนซ์ (รูปที่ 8)

หนึ่งในวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการวัดความถี่เรโซแนนซ์ของโครงสร้างคือการกระตุ้นด้วยแรงกระแทกโดยใช้ค้อนที่มีอุปกรณ์วัด.

แรงกระแทกที่กระทำต่อโครงสร้าง ในรูปแบบของการชนเข้าด้านใน จะก่อให้เกิดแรงรบกวนเล็กน้อยในช่วงความถี่หนึ่ง การสั่นสะเทือนที่เกิดจากแรงกระแทกนั้นแสดงถึงกระบวนการถ่ายโอนพลังงานชั่วคราวที่มีระยะเวลาสั้น สเปกตรัมของแรงกระแทกมีความต่อเนื่อง โดยมีแอมพลิจูดสูงสุดที่ 0 เฮิรตซ์ และลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น.

ระยะเวลาการกระแทกและรูปร่างของสเปกตรัมระหว่างการกระตุ้นด้วยแรงกระแทกนั้นถูกกำหนดโดยมวลและความแข็งของทั้งค้อนกระแทกและโครงสร้างของเครื่องจักร เมื่อใช้ค้อนขนาดเล็กกับโครงสร้างที่แข็ง ความแข็งของปลายค้อนจะเป็นตัวกำหนดสเปกตรัม. ปลายค้อนทำหน้าที่เป็นตัวกรองเชิงกล. โดยการเลือกความแข็งของปลายค้อน เราสามารถเลือกช่วงความถี่ในการตรวจสอบได้.

เมื่อใช้เทคนิคการวัดนี้ สิ่งสำคัญมากคือต้องกระแทกที่จุดต่างๆ ของโครงสร้าง เนื่องจากความถี่เรโซแนนซ์ทั้งหมดไม่สามารถวัดได้เสมอไปโดยการกระแทกและวัดที่จุดเดียวกัน เมื่อทำการตรวจสอบเรโซแนนซ์ของเครื่องจักร ทั้งสองจุด คือจุดที่กระแทกและจุดที่วัด ต้องได้รับการตรวจสอบ (ทดสอบ).

ถ้าหัวค้อนอ่อน พลังงานส่วนใหญ่จะถูกส่งออกไปเพื่อกระตุ้นการสั่นที่ความถี่ต่ำ ส่วนหัวค้อนแข็งจะส่งพลังงานน้อยมากที่ความถี่ใดๆ ยกเว้นแต่ว่าพลังงานที่ส่งออกมาจะกระตุ้นการสั่นที่ความถี่สูง สามารถวัดการตอบสนองต่อการกระแทกของค้อนได้ด้วยเครื่องวิเคราะห์แบบช่องสัญญาณเดียว โดยต้องแน่ใจว่าเครื่องจักรหยุดทำงานและตัดการเชื่อมต่อแล้ว.

6. ลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูดและความถี่เฟส — APFC (รูปที่ 9)

สามารถกำหนดความถี่เรโซแนนซ์ของเครื่องจักรได้โดยใช้เครื่องวิเคราะห์แบบช่องสัญญาณเดียว โดยพิจารณาจากการเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดการสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์ และการเปลี่ยนแปลงเฟส 180 องศาเมื่อผ่านความถี่เรโซแนนซ์ — หากวัดแอมพลิจูดและเฟสของการสั่นที่ความถี่การหมุนในระหว่างการเริ่มต้น (run-up) หรือการหยุดทำงาน (coastdown) ของเครื่องจักร คุณลักษณะที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของการวัดเหล่านี้เรียกว่า ลักษณะเฉพาะ ลักษณะความถี่แอมพลิจูด-เฟส (APFC).

การวิเคราะห์ APFC (รูปที่ 9) ช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญด้านการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนสามารถระบุความถี่เรโซแนนซ์ของโรเตอร์ได้.

หากเฟสไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อผ่านจุดที่สงสัยว่าเป็นเรโซแนนซ์ การเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดอาจเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นแบบสุ่มและไม่ใช่เรโซแนนซ์ของโรเตอร์ ในกรณีเช่นนี้ นอกเหนือจากการวัดการสั่นสะเทือนระหว่างการเร่งความเร็ว/ลดความเร็วแล้ว ขอแนะนำให้ทำการ "ทดสอบแรงกระแทก" ด้วย.

เมื่อใช้เครื่องวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบหลายช่องสัญญาณ จะสามารถกำหนดความถี่เรโซแนนซ์ของโครงสร้างได้อย่างแม่นยำสูง โดยการวัดสัญญาณขาเข้าและขาออกจากระบบพร้อมกัน ในขณะที่ควบคุมเฟสการสั่นสะเทือนและความสอดคล้องที่เก็บรวบรวมในช่วงเวลาเดียวกัน ความสอดคล้องเป็นฟังก์ชันสองช่องสัญญาณที่ใช้ในการประเมินระดับความเป็นเส้นตรงระหว่างสัญญาณขาเข้าและขาออกของระบบ ซึ่งหมายความว่าสามารถระบุความถี่เรโซแนนซ์ได้เร็วขึ้นอย่างมาก.

7. ข้อควรพิจารณาบางประการเกี่ยวกับปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ของเครื่องจักร

ควรให้ความสนใจกับการวิเคราะห์เครื่องจักรประเภทต่างๆ และโหมดการทำงานของเครื่องจักรเหล่านั้น ซึ่งอาจทำให้การทดสอบการสั่นสะเทือนมีความซับซ้อนมากขึ้น:

เนื่องจากความแข็งแกร่งของโครงสร้างในทิศทางแนวนอนและแนวตั้งแตกต่างกัน ความถี่เรโซแนนซ์จึงแตกต่างกันไปตามทิศทาง ดังนั้น เรโซแนนซ์จึงอาจปรากฏชัดเจนที่สุดในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง.

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความถี่เรโซแนนซ์จะแตกต่างกันระหว่างตอนที่เครื่องกำลังทำงานกับตอนที่เครื่องหยุดทำงาน (ปิดเครื่อง) โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์แนวตั้งมักก่อให้เกิดความกังวลเป็นอย่างมาก เนื่องจากในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าว จะเกิดเรโซแนนซ์ขึ้นเสมอในระหว่างการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ติดตั้งบนคานยื่น.

เครื่องจักรบางชนิดมีมวลมาก จึงไม่สามารถกระตุ้นด้วยค้อนได้ ต้องใช้วิธีการกระตุ้นแบบอื่นเพื่อหาความถี่เรโซแนนซ์ที่แท้จริง บางครั้ง ในเครื่องจักรขนาดใหญ่มาก จะใช้เครื่องสั่นที่ปรับจูนให้ตรงกับช่วงความถี่เฉพาะ เนื่องจากเครื่องสั่นสามารถส่งพลังงานจำนวนมากในแต่ละความถี่เมื่อสั่นได้.

และข้อควรพิจารณาประการสุดท้าย — ก่อนทำการทดสอบการสั่นพ้อง ควรวัดระดับการสั่นสะเทือนพื้นฐานก่อน (การตอบสนองต่อการกระตุ้นแบบสุ่มจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ) ซึ่งจะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดในการวินิจฉัย (การสั่นพ้องของระบบ) โดยพิจารณาจากแอมพลิจูดการสั่นสูงสุดที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งเหนือระดับพื้นฐาน.

8. สรุป

ในบทความนี้ เราได้กล่าวถึงอิทธิพลของความถี่เรโซแนนซ์ต่อการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร โครงสร้างและเครื่องจักรทุกชนิดมีความถี่เรโซแนนซ์ แต่เรโซแนนซ์จะไม่ส่งผลกระทบต่อเครื่องจักรหากไม่มีความถี่ใดมากระตุ้น หากการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรถูกกระตุ้นด้วยความถี่ธรรมชาติของตัวมันเองแล้ว จะมีสามทางเลือกในการปรับระบบให้พ้นจากเรโซแนนซ์:

ตัวเลือกที่ 1. เปลี่ยนความถี่ของแรงรบกวนให้ห่างจากความถี่เรโซแนนซ์.

ตัวเลือกที่ 2. ปรับความถี่เรโซแนนซ์ให้ห่างจากความถี่ของแรงรบกวน.

ตัวเลือกที่ 3. เพิ่มค่าการหน่วงของระบบเพื่อลดปัจจัยการขยายเสียงสะท้อน.

ตัวเลือกที่ 2 และ 3 มักต้องมีการปรับเปลี่ยนโครงสร้างบางอย่าง ซึ่งไม่สามารถดำเนินการได้เว้นแต่จะมีการวิเคราะห์แบบโมดอลและ/หรือการศึกษาด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์กับโครงสร้างนั้นแล้ว.